藍綠光LED芯片技術發(fā)展歷程

led的工作原理是在正向導通的情況下，注入二極管P/N節(jié)區(qū)的電子和空穴相遇復合，將電勢能轉換為光能，如圖1所示。所發(fā)出光子的波長（也就是光的顏色）是由半導體的能帶寬度決定的，通俗地講，半導體能帶寬度越寬，發(fā)出的光子能量越大，對應的波長越短，簡單的換算關系是：（nm）。當前藍、綠光LED器件的材料基礎是III族氮化物半導體，也就是GaN為主，InN、AlN為輔的四元AlGaInN合金體系，如圖2所示。

　　目前，絕大部分藍、綠光LED芯片的量子阱發(fā)光層材料是由InxGa1-xN合金和GaN組成的，由于InxGa1-xN合金的能帶寬度隨著InN的比例x變化，可以在3.4eV（對應GaN的能帶寬度）和0.7eV（對應InN的能帶寬度）調整，所以理論上這個材料體系可以覆蓋整個可見光光譜區(qū)域。但是，目前的材料制備技術是基于GaN晶體的外延層生長技術，只能生長含InN組份較低的合金材料。InxGa1-xN合金在InN的組份x>15%以后，晶體質量急劇下降。實際上，目前工業(yè)界的技術水平通常做到藍光芯片的電光轉換效率大約是綠光的2倍，就是因為前者的InN組份遠小于后者，綠光器件中InN的組份估計已經(jīng)在30%以上（InGaN合金材料精確組份的測定目前在學術界還是一個疑難科學問題）。也就是說，目前的技術還很難通過繼續(xù)增加InN的組份，使得InGaN合金器件能高效率地發(fā)出紅光。但值得慶幸的是，早在上個世紀90年代，III族磷化物體系（也通常表述為四元體系，AlGaInP）已經(jīng)成為紅、黃光LED器件成熟的材料基礎。這兩個材料體系的基本物理特征以及其所含元素在周期表中的位置如圖2和表1所示。

　　III族氮化物半導體材料目前工業(yè)化制備是通過金屬有機物化學氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）來實現(xiàn)的。該技術的基本原理是通過在密閉化學反應腔中引入高純度的金屬有機源（MO源）和氨氣（NH3），使其在加熱的襯底基板（一般選擇藍寶石做襯底）上生長出高質量的晶體。基本化學反應式是：Ga（CH3）3+NH3→GaN+CH4.通常GaN晶體是六方狀的纖鋅礦結構（如圖3所示），基本的物理特性如表2所示。需要特別指出的有兩點：（1） GaN的能帶寬度在常溫300K時，等于3.39eV,是非常難得的寬禁帶半導體材料，如果發(fā)光，對應的光子波長應該是，屬于紫外光；（2） GaN的p-型摻雜非常困難，目前可以達到的載流子濃度比n-型摻雜低將近兩個數(shù)量級，電阻很大。這個特性對其器件的設計提出了特殊的要求，這一點在隨后介紹LED器件結構時將提到。GaN與它同族的AlN和InN的物理屬性差異非常顯著，表3給出了具體的比對。在晶體生長過程中，GaN晶體的取向和藍寶石襯底的晶面選擇有著密切關系。當前，工業(yè)化生長GaN晶體一般都取c-面的藍寶石作為襯底基板，GaN晶體生長與襯底晶體取向會保持一個固定的配位關系（這也就是“外延”的意思）。GaN外延片表面是晶體的六方密排c-面，晶體的生長是沿著c-軸逐層原子堆積而成的，也就是如圖3所示的c-軸方向成長。

　　GaN基LED外延片的基本結構（如圖4所示）是在藍寶石襯底上依次生長：（1） GaN結晶層；（2） n-型GaN（實際生產(chǎn)中一般先長一層非故意摻雜的n型GaN）；（3） InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層；（4） p-型GaN.為了獲得高性能的器件，整個外延生長過程的各項參數(shù)都要得到優(yōu)化并且精確控制，其中對發(fā)光效率影響最大的結構是InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層。p和n型材料的摻雜元素通常為Mg和Si,Mg通過替代GaN中的Ga原子（Mg比Ga少一個外圍電子），形成一個空穴載流子，Si通過替代Ga原子，形成一個電子載流子（Si比Ga多一個外圍電子）。一般整個器件的外延層厚度范圍在4~8μm,平均生長速度大約1μm/小時，因此完成一次器件的生長大約需要8小時。

　　完成MOCVD外延生長后，需要通過一系列的光罩圖形處理和物理刻蝕或沉積工藝制備GaN基LED芯片。普通藍、綠光LED芯片的基本結構如圖5所示，需要在外延片上依次做如下器件加工：（1） 刻蝕局部區(qū)域露出n-型GaN導電層；（2） 蒸鍍透明導電薄膜NiAu或ITO;（3） 蒸鍍焊線電極，包括p電極和n電極；（4） 蒸鍍鈍化保護層（未在圖5中標示）。芯片加工過程需要嚴格管理質量，避免出現(xiàn)類似焊盤機械黏附力不足、表面異物污染等容易導致器件在封裝使用過程失效的問題。此外，芯片隨后還需要做襯底減薄、物理切割分離、測試、分選，最后獲得光電參數(shù)一致的芯片成品。由于GaN基LED芯片襯底藍寶石是絕緣體，芯片通過上表面的兩個+/-電極與金屬焊線連接來導電。相比而言，目前普通GaAs襯底的紅光芯片還是通過導電膠使襯底與支架之間形成導電通道，工藝控制導電膠的物理黏結強度對封裝斷路失效控制就顯得特別重要。

　　藍、綠光LED芯片光電參數(shù)特征

　　1、I-V關系曲線

　　藍、綠光LED芯片通常在正向加壓2.4V左右時開始導通，工作電流20mA下電壓Vf的范圍一般是3.0~3.4V（對于14×14mil2見方的芯片尺寸，如圖6所示），較高的工作電壓是由GaN半導體的禁帶寬度決定的。

　　2.2環(huán)境溫度對光電特性的影響

　　圖7所示為一顆普通結構14×14mil2綠光LED芯片在不同環(huán)境溫度下的特性變化曲線。當環(huán)境溫度從20℃上升到80℃時，圖7（a）顯示綠光LED的發(fā)光波長發(fā)生明顯漂移，從522nm紅移到527nm;圖7（b）顯示發(fā)光亮度降低了25%;圖7（c）顯示工作電壓從3.23V降到2.98V.

　　隨著環(huán)境溫度的升高，發(fā)光波長紅移以及工作電壓下降都是由于半導體禁帶寬度縮小導致的。但是，由于GaN體系的材料禁帶寬度大，可以容忍的環(huán)境溫度上限比其它材料有非常明顯的優(yōu)勢。實驗發(fā)現(xiàn)，在150℃環(huán)境溫度下，GaN基的藍、綠光LED器件還可以發(fā)光，只是效率大大降低了。但是，另一方面，對于此類普通結構的芯片，藍光的電光轉換效率在20~30%之間；綠光明顯更低，一般只有10~20%.電能除了少部分轉變成光能外，其它都產(chǎn)生熱，這些熱能對于微小的晶片面積來說是很大的負擔。因此，在芯片封裝使用時，需要特別注意做好芯片的散熱通道設計，從而確保芯片能穩(wěn)定可靠地工作。

　　2、工作電流密度對波長的影響

　　圖8所示為普通14×14mil2綠光LED芯片發(fā)光波長隨工作電流變化的曲線。隨著電流密度的增大，綠光芯片發(fā)光波長從534nm（2mA下測試）藍移到522nm（30mA下測試）。實際上藍光芯片也有類似的藍移趨勢，只是幅度比綠光芯片小，這個特性對設計使用芯片的工作條件非常重要。為了避免顏色隨亮度變化而發(fā)生漂移，調節(jié)亮度的方式一般選擇改變脈沖寬度，而不是改變電流強度。

　　圖9所示為發(fā)光層量子阱工作的基本原理示意圖。電子-空穴復合生成光子的能量決定了發(fā)光波長，而光子的能量是由束縛在量子阱的電子-空穴對的勢能決定的。實際上，芯片從2mA增加到30mA電流的過程中，量子阱中電子-空穴對的勢能發(fā)生了兩個非常重要的變化：先是屏蔽了量子阱內(nèi)建電場，使得導帶和價帶距離增大；然后載流子填充效應使得電子-空穴對之間的勢能進一步