氮化鎵基高亮度LED核心專利分析

目前，世界范圍內(nèi)在GaN基高亮度LED及半導(dǎo)體全固態(tài)照明光源的研發(fā)方面居于領(lǐng)先水平的公司主要有：美國的Lumileds、HP/Agilent和Cree,日本的Nichia、ToyodaGosei、Sony、Toshiba和其他綜合性大公司(如NEC、Matsushita、Mitsubishi及Sumitomo等)，德國的Osram等等。這些跨國公司多數(shù)有原創(chuàng)性的專利，引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展的潮流，占有絕大多數(shù)的市場份額。而我國臺(tái)灣省的一些光電企業(yè)(如國聯(lián)光電、光寶電子、光磊科技、億光電子、鼎元光電等)以及韓國的若干研發(fā)單位，在下游工藝和封裝以及上游材料外延方面也具備各自的若干自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，占有一定的市場份額。

調(diào)查顯示，Nichia、Cree、Lumileds、OSRAM、Toyoda Gosei、Toshiba和Rohm等占據(jù)了絕大多數(shù)市場份額的大公司擁有著該領(lǐng)域80%~90%的原創(chuàng)性發(fā)明專利(集中于材料生長、器件制作、后步封裝等方面)，而其余大多數(shù)公司所擁有的多是實(shí)用新型專利(主要針對(duì)器件可靠性以及產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)方面進(jìn)行研究)。

材料基礎(chǔ)：技術(shù)路線趨同

GaN基寬帶隙半導(dǎo)體材料的研究始于20世紀(jì)六七十年代，但較之其他傳統(tǒng)的III/V族化合物半導(dǎo)體(如GaAs基和InP基材料)，其商品化應(yīng)用到20世紀(jì)90年代初/中期才得以實(shí)現(xiàn)，因此有關(guān)其基礎(chǔ)物理/化學(xué)性質(zhì)的研究尚存在著許多難題。在這些方面，美國、日韓和歐洲的一些著名學(xué)府和科研機(jī)構(gòu)享有研究聲譽(yù)，這些學(xué)術(shù)單位在與合作企業(yè)進(jìn)行各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究(基于MOCVD金屬有機(jī)化學(xué)氣相外延生長方法)的同時(shí)，也通過RS-MBE(射頻源分子束外延)等技術(shù)路線對(duì)GaN基材料的基礎(chǔ)物理/化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

我們對(duì)1993年到2002年這10年間發(fā)表于Journal of Crystal Growth、Applied Physics Letters這兩份具有代表性的SCI索引期刊上的學(xué)術(shù)論文做了統(tǒng)計(jì)。在所抽樣調(diào)查的877份有關(guān)GaN發(fā)光器件的研究論文中，約60%以上的實(shí)驗(yàn)樣品(531份相關(guān)論文)是由MOCVD技術(shù)外延生長獲得的，其余40%的實(shí)驗(yàn)樣品則由RS-MBE、HVPE等其他技術(shù)手段獲得的。

可見，就整個(gè)全球產(chǎn)業(yè)界而言，基于MOCVD外延生長的技術(shù)路線是發(fā)展GaN基光電子材料與器件的主要技術(shù)潮流，RS-MBE等技術(shù)路線更適于進(jìn)行基礎(chǔ)性學(xué)術(shù)研究工作。所以，本專利調(diào)查報(bào)告主要針對(duì)MOCVD外延生長的GaN材料來展開。

對(duì)比由SiC、ZnS及其他II/VI族化合物半導(dǎo)體寬帶隙材料所制成的藍(lán)綠光發(fā)光器件，GaN基器件的壽命長，發(fā)光效率高，價(jià)格相對(duì)便宜，被公認(rèn)為是全固態(tài)照明光源用管芯器件的首選材料。

外延技術(shù)：競爭焦點(diǎn)

總體來說，GaN基材料的外延生長是發(fā)展GaN基高亮度LED和全固態(tài)半導(dǎo)體白光照明光源的核心技術(shù)，是所有關(guān)鍵難題中的重中之重，因此在這個(gè)問題上有大量專利被申請(qǐng)，如高質(zhì)量GaN外延生長設(shè)備(US5433169、EP0887436)、襯底預(yù)處理技術(shù)(JP7142763)、緩沖層技術(shù)(采用AlN的JP2000124499、采用GaN的JP7312350、采用SiNx的EP1111663)、多緩沖層技術(shù)(US6495867)、采用超晶格阻斷位錯(cuò)(US2001035531)、橫向外延過生長技術(shù)(EP0942459)以及懸掛外延技術(shù)(US6285696)等等。

我們將大致按照有關(guān)技術(shù)的發(fā)展歷程來做一概述。首先，日亞化學(xué)公司開創(chuàng)性地申請(qǐng)了雙束流MOCVD系統(tǒng)專利(US5433169)，由于這種新型MOCVD系統(tǒng)的出現(xiàn)，MOCVD生長的GaN材料晶體質(zhì)量得以大大提高。

其次，緩沖層技術(shù)的出現(xiàn)解決了異質(zhì)襯底上生長GaN材料時(shí)大晶格失配和熱失配的問題。由于緩沖層技術(shù)條件下生長出的GaN材料仍具有較高的缺陷密度，會(huì)影響到發(fā)光器件的發(fā)光強(qiáng)度、工作壽命和反向特性等重要技術(shù)指標(biāo)，因此人們又在該基礎(chǔ)上發(fā)展了多緩沖層技術(shù)，從而獲得更高質(zhì)量的GaN單晶材料。

至此，GaN材料已經(jīng)足可以滿足一般高亮度LED器件制作的需求，但要在此基礎(chǔ)上制作出GaN基藍(lán)/綠光激光二極管還必須進(jìn)一步降低GaN基材料的缺陷密度。隨后出現(xiàn)的橫向外延過生長技術(shù)(ELOG,Epitaxy of LateralOver-growth)和懸掛外延技術(shù)正是為了解決這一問題而提出的。當(dāng)然，以這種ELOG為代表的外延優(yōu)化技術(shù)成本較高，用于制作大功率照明管芯器件的GaN外延材料沒必要非采取該條技術(shù)路線，但其設(shè)計(jì)思想是值得我們借鑒的，即最大限度地設(shè)法降低外延材料中的缺陷密度，提高器件綜合性能。

在GaN基光電子器件中，大量的專利內(nèi)容集中于發(fā)光區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括：普通雙異質(zhì)結(jié)(EP0599224);一般的方形量子阱(包括單量子阱和多量子阱、EP1189289和JP11054847);梯形量子阱(US6309459);三角量子阱以及非對(duì)稱量子阱(GB2361354);采用非摻雜的載流子限制層(US2002093020);活性層與p型層之間加入緩沖層(US2001011731);采用多量子壘(MQB)做載流子限制層(US2001030317)等等。這些專利設(shè)計(jì)的目的均是為了提高活性區(qū)的發(fā)光效率。

器件制作：以8項(xiàng)典型技術(shù)為代表

基于物理機(jī)制和工藝技術(shù)的討論，我們對(duì)有關(guān)GaN基發(fā)光產(chǎn)品的全套器件制作專利做了分析，現(xiàn)列舉8項(xiàng)典型代表技術(shù)：

一是美國專利US5631190(Method for producing high efficiency light-emittingdiodesandresultingdiodestructures)，即制作高效發(fā)光二極管和實(shí)現(xiàn)二極管結(jié)構(gòu)的方法。其專利擁有者為CreeResearch.

二是美國專利US5912477(Highefficiencylightemittingdiodes)，即高效率發(fā)光二極管，其專利擁有者為CreeResearch.

三是專利WO0141223(ScalableLEDwithimprovedcurrentspread-ing)，即具有改進(jìn)的電流分布層的發(fā)光二極管。其專利擁有者為Cree Re-search.

四是美國專利US6526082(P-con-tactforGaN-based semiconductorsutilizingareverse-biasedtunneljunction)，即用反偏的隧道二極管制作GaN基半導(dǎo)體的P型接觸層。其專利

擁有者為Lumileds.

五是美國專利US2002017652(Semiconductorchipforoptoelectronics)，即管芯的制作方法。其專利擁有者為Osram.

六是US6538302(Semiconductorchipandmethodfortheproductionthereof)，即半導(dǎo)體芯片及其制作方法。

其專利擁有者為Osram.

七是專利DE10064448.其專利擁有者為Osram.

八是美國專利US6078064(Indiumgalliumnitridelightemittingdiode)，即InGaN發(fā)光二極管。其專利擁有者為EPISTAR.

其他有關(guān)GaN基高亮度LED及全固態(tài)照明光源用管芯器件制作的重要專利還有WO03026029、US2003015708、US2003062525和US2002017696等等。

總之，基于產(chǎn)業(yè)化技術(shù)需求的GaN基器件制作，既要考慮到工藝可操作性和簡易性，同時(shí)也必須以一定的復(fù)雜性與冗余性手段來保證器件的可靠性與穩(wěn)定性，這也是我們足可挖掘的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)之一。

封裝技術(shù)：焊裝和材料填充專利集中

在制作完成了高亮度GaN管芯器件之后，還要經(jīng)磨片、劃片、裂片、焊裝、樹脂和熒光材料填充等后步封裝工藝。其中，知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要集中于焊裝和樹脂/熒光材料填充這兩大部分。

在焊裝問題方面，Nichia早期的電極設(shè)計(jì)和封裝專利已有所覆蓋，如JP7221103、JP8279643和JP9045965等等。在器件熱沉設(shè)計(jì)上，Lumileds公司擁有熱沉設(shè)計(jì)技術(shù)，其基于Si基材料倒裝焊(“Flip-Chip”)的封裝工藝居業(yè)界領(lǐng)先水平，代表專利包括US2003089917、US6498355和US6573537;“Flip-chip”倒裝焊優(yōu)化設(shè)計(jì)包括EP1204150和EP1256987;Power package包括US6492725.

在出光提取效率方面，Lumileds的倒裝焊技術(shù)中采用了高反射率歐姆電極和側(cè)面傾斜技術(shù)以增加采光(其專利號(hào)為US2001000209)，但Osram公司在此之前于SiC基GaN-LED的出光提取方面開創(chuàng)性地提出了端面“Faceting”概念，覆蓋了大多數(shù)的相關(guān)專利。此外，HP(EP1081771)、Cree(US5631190)在管芯出光采集方面也均有各自的特色。

在樹脂和熒光材料填充方面，值得注意的是有關(guān)新型高效長壽命可見光熒光材料的開發(fā)工作，如Nichia的JP9139191和Lumileds的EP1267424等等?？傊?，GaN基大功率器件的封裝技術(shù)方面存在著大量“know-how”,值得我們深入研究。

工藝技術(shù)：專利覆蓋較嚴(yán)密

在干法刻蝕方面，由于GaN基材料的硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好，采用常見的半導(dǎo)體濕法刻蝕技術(shù)不能適應(yīng)產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作的需求，因此必須采用新型的干法刻蝕技術(shù)，即不采用化學(xué)酸堿溶液腐蝕，而通過氣相等離子體轟擊等物理/化學(xué)反應(yīng)來獲得高刻蝕速率、垂直側(cè)壁、低損傷、各向異性和高選擇比的刻蝕效果，為GaN基高性能器件的工藝制作奠定基礎(chǔ)。

在歐姆電極方面，GaN材料、特別是p-GaN材料的歐姆接觸問題是早期阻礙其商品化應(yīng)用的主要難題之一。Nichia申請(qǐng)了如下幾個(gè)主要專利：EP0622858(1994)、JP7221103(1995)和JP8279643(1997);ToyodaGosei在這方面的工作起步也較早，主要是選用不同的合金材料并相應(yīng)地優(yōu)化其退火溫度，如Ni/Au(JP10135515)、Co/Au(JP10163529)、Mn/Au(JP10270758)、Ni/Au(US6008539)和Ti/Ni(JP2002026390)。另外還有Lumileds的專利US6526082等等。

總之，在上述干法刻蝕和歐姆電極這兩大工藝技術(shù)領(lǐng)域，專利覆蓋比較嚴(yán)密，但各研究小組立足于自身的工藝條件和技術(shù)優(yōu)勢，也有一定的創(chuàng)新空間。

襯底專利：分散于多家企業(yè)

由于GaN基材料極高的熔解溫度和極高的氮?dú)怙柡驼魵鈮海沟毛@得同質(zhì)外延大面積GaN單晶非常困難，一般采用異質(zhì)襯底來進(jìn)行外延生長。

目前，有關(guān)大失配襯底異質(zhì)外延生長方法已較為成熟，獲得專利的襯底材料包括：AlN、GaN、Sapphire、6H-SiC、ZnO、LiAlO2、LiGaO2、MgAl2O4、Si、GaAs、3C-SiC及MgO.

以Nichia/HP/Lumileds/Toyoda-Gosei為代表的公司采用sapphire(藍(lán)寶石)襯底來進(jìn)行GaN材料的MOCVD異質(zhì)外延生長。其中，Nichia在1994年和1995年申請(qǐng)獲得的4項(xiàng)專利(其專利號(hào)分別是US5433169、JP7312350、EP0599224和EP0622858)以及Lumileds的相關(guān)專利(US6537513)具有開創(chuàng)性意義。

而Cree/Osram為代表的公司則采用SiC襯底進(jìn)行MOCVD異質(zhì)外延生長，并相應(yīng)地發(fā)展和完善了基于SiC襯底的封裝技術(shù)等后步工藝，其代表性專利的專利號(hào)是US5631190、US2002093020、US2003015708及US2003062525等等。

當(dāng)然，為了改善所生長GaN材料的晶體質(zhì)量，人們發(fā)展了許多襯底預(yù)處理方法，這方面的專利主要集中于Nichia、Cree、Toyoda-Gosei和Sony等業(yè)界的先行企業(yè)手中。以Sony/Toshiba/Sanya為代表的日本數(shù)家大公司致力于發(fā)展新一代超大容量信息存儲(chǔ)DVD(“Blu-ray Disc”)光驅(qū)用藍(lán)紫色激光二極管，均采用Free-standing GaN基材料來作為同質(zhì)外延生長的基底。

最后，需要指出的一點(diǎn)是：在日本Nichia公司的Nakamura于1994年和1995年率先取得GaN藍(lán)光LED的突破性成果之前，Cree(基于SiC)、Toshiba(基于Sapphire和MgAl2O4)和Toyoda(基于Sapphire)等企業(yè)于1991年到1993年間已經(jīng)申請(qǐng)了若干件GaN基外延生長和襯底選用的美國專利，因而GaN材料襯底選用的核心專利散布于多家主要的業(yè)界公司手中，沒有出現(xiàn)獨(dú)家壟斷的局面。

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