藍綠光LED芯片技術(shù)發(fā)展歷程

　　技術(shù)發(fā)展歷程中的關鍵階段

　　1、p-n結(jié)GaN二極管關鍵技術(shù)突破階段（1970~1993年）

　　早在1970年代，美國科學家J. Pankove等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)GaN是一種良好的寬禁帶半導體發(fā)光材料，并且成功制作了能發(fā)出藍光的GaN肖特基管。但是，隨后的十幾年里，科學家們的努力研究一直沒能突破制備p-型GaN材料的難關。直到20世紀80年代末期，日本科學家Akasaki和Amano發(fā)現(xiàn)，可以先在異質(zhì)襯底上沉積AlN結(jié)晶層，然后能夠?qū)崿F(xiàn)MOCVD外延生長表面平整的GaN單晶薄膜材料。在此基礎上，他們又發(fā)現(xiàn)可以通過電子束激活Mg摻雜的GaN材料中的空穴載流子，實現(xiàn)p-型GaN材料的制備，這是GaN基p-n結(jié)發(fā)光二極管最為關鍵的基礎技術(shù)突破。隨后，GaN基LED技術(shù)從研究院所的實驗室走進了工廠。日本Nichia（日亞）公司的科學家Nakamura[15,16]實現(xiàn)了采用GaN結(jié)晶層實現(xiàn)高質(zhì)量的外延層MOCVD生長，很快又發(fā)現(xiàn)可以通過熱退火的方式激活Mg摻雜的GaN實現(xiàn)p型導電。作為這一系列突破的成果，1993年Nichia公司成功實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)GaN藍光LED.

　　2、內(nèi)量子效率提升階段（1993~2000年

　　在成功實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)藍光LED后，學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對該領域的許多關鍵物理課題投入了極大的研究熱情。核心問題之一就是如何提高藍光LED芯片的InGaN/GaN量子阱內(nèi)量子效率，也就是如何提高電光轉(zhuǎn)換效率。許多研究單位和企業(yè)的MOCVD設備被用于試驗優(yōu)化生長條件，提高InGaN量子阱的晶體質(zhì)量；同時還有很多新的器件結(jié)構(gòu)設計也被嘗試以提高載流子的注入效率和復合效率。在這階段，新的研究發(fā)現(xiàn)主要促成了兩大成果：（1） 綠光LED的商用化（1995年[17]）；（2） 藍光LED效率得到了成倍提升。

　　3、內(nèi)、外量子效率同時提升階段（2000年至今）

　　在藍、綠光LED性能顯著提高的基礎上，它們得到了大規(guī)模的商用化，特別是在移動電話背光源，全彩廣告看板等應用領域。基于商業(yè)利益的刺激，提高發(fā)光效率成了企業(yè)間的生死時速競賽，這在中國臺灣地區(qū)、韓國以及中國大陸地區(qū)顯得尤為激烈。在很多企業(yè)短時間無法顯著提高內(nèi)量子效率的情況下，這些新進入者開始大膽嘗試在出光效率上做文章，也就是提高外量子效率。主要突破點在于：（1） 用ITO導電薄膜替代金屬半透過膜NiAu,透過率提高了約25%,也就是亮度提高了25%;（2） 通過在外延層表層生長V型坑缺陷，使得表面全反射被打破，從而顯著提升取光效率，如圖10所示；（3） 通過利用表面粗化的藍寶石襯底片，打破GaN/藍寶石的全反射界面，也實現(xiàn)了顯著提升取光效率的效果，如圖11所示。這些方法在引入初期均導致了器件其它光電性能的嚴重犧牲，比如衰減嚴重、易產(chǎn)生漏電、靜電防護能力弱等等。但是，隨著企業(yè)研究人員的工程技術(shù)進步，各種特性逐步得到改善，同時，對外延材料特性的進一步認識也促進了內(nèi)量子效率持續(xù)的提升。作為結(jié)果，在這一階段，藍、綠光LED發(fā)光效率都得到了成倍的提升，最新的研究結(jié)果表明，藍光LED在優(yōu)化內(nèi)、外量子效率的情況下，可以實現(xiàn)50%的電光轉(zhuǎn)換效率。

　　技術(shù)發(fā)展趨勢展望

　　通過外延材料制備技術(shù)的提高和器件物理結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化，藍、綠光LED技術(shù)在過去20年里取得了令人矚目的發(fā)展。同時，歸功于性能的不斷提升以及成本的快速下降，應用領域和規(guī)模也得到了極大的發(fā)展。但是，展望未來更富有挑戰(zhàn)性的通用照明新領域，LED技術(shù)更進一步的突破是必須的。這一次的突破將更為集中地圍繞如何降低LED的使用成本，關鍵有三個發(fā)展方向：（1） 降低器件的制造成本；（2） 提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率；（3） 提高器件的輸入功率。

　　1、降低器件的制造成本

　　LED器件的制造成本相對硅基器件而言還是很高的，這主要是由于該產(chǎn)業(yè)的規(guī)模以及技術(shù)發(fā)展程度還遠不及硅基半導體工業(yè)。但是，參考成熟半導體行業(yè)的發(fā)展歷程，我們可以預期LED器件的制造成本將在未來10年有持續(xù)下降空間。主要的成本節(jié)約貢獻將重點依靠三個部分：（1） 核心設備制造技術(shù)的進步將成倍提高生產(chǎn)效率，從而顯著降低折舊成本，最為典型的就是GaN外延的MOCVD設備；（2） 加工圓片的尺寸成倍提升，從目前主流的2英寸圓片發(fā)展到4英寸，將大大降低芯片工藝的加工成本；（3） 產(chǎn)業(yè)規(guī)模的級數(shù)擴大將顯著降低消耗原物料的成本和綜合管理成本。綜合這些因素，可以預期未來10年LED芯片的成本將會持續(xù)降低，這將進一步刺激LED新興應用領域的發(fā)展。

　　2、提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率

　　LED器件電光轉(zhuǎn)換效率的提升也將顯著降低最終客戶的使用成本，這里的成本節(jié)約體現(xiàn)在兩方面：一方面是單位流明亮度的芯片成本將隨著芯片發(fā)光效率的提升而下降；另一方面是電能的節(jié)約，比如從能效25%的芯片技術(shù)發(fā)展到50%的技術(shù)，將實現(xiàn)節(jié)能一半的效果。而且更有意義的是，節(jié)能的效益不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟上，還體現(xiàn)在社會效益上。因此，在轉(zhuǎn)換效率提升的研究上，將繼續(xù)獲得大量商業(yè)和政府的研發(fā)資源。

　　電光轉(zhuǎn)換效率的提升將沿著前述的兩個方向持續(xù)推進：（1） 內(nèi)量子效率的提升；（2） 取光效率的提升。內(nèi)量子效率的提升主要依靠MOCVD外延材料制備技術(shù)的進步，通過改善發(fā)光層量子阱（MQW）的晶體質(zhì)量，提高器件的載流子注入效率和復合效率，這方面的提升空間目前已經(jīng)變得較為有限。相反，取光效率的提升還有很大的開發(fā)空間，這方面的主要工作將在于：（1） 進一步優(yōu)化界面粗糙化的工藝，從而提高光從發(fā)光層逸出的效率；（2） 改善芯片切割工藝，減少透明藍寶石襯底側(cè)面亮度吸收損失。

　　3、提高器件的輸入功率

　　在可以保持器件電光轉(zhuǎn)換效率不變的前提下，通過提高單位面積芯片的輸入功率，也可以達到降低使用成本的效果。這個努力方向依賴兩方面的技術(shù)進步：一方面，需要盡可能降低芯片以及封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，這樣可以在一定的器件工作溫度上限內(nèi)提高輸入功率水平；另一方面，需要改善器件MQW結(jié)構(gòu)設計，使其可以在更高注入載流子密度的條件下保持一定的電光轉(zhuǎn)換效率。在器件熱阻控制的研究方向，目前LED產(chǎn)品領域還有許多空間可供開發(fā)，特別是在低熱阻的焊接固晶技術(shù)、高導熱系數(shù)的焊接材料以及芯片支架材料方面，都是值得認真研究的。

　　結(jié)論

　　GaN基藍、綠光LED技術(shù)過去二十幾年的進步，已經(jīng)開始在全球開啟了一個嶄新的固態(tài)新光源時代，這個技術(shù)不但帶來了色彩斑斕、節(jié)能環(huán)保的新光源，而且正孕育著一個更為廣闊的市場空間--固態(tài)通用照明市場。由于該技術(shù)巨大的節(jié)能效益以及其材料的環(huán)保特征，許多戰(zhàn)略研究項目得到了各主要國家的高度關注，同時，也吸引了大批企業(yè)投身其中參與產(chǎn)品開發(fā)和推廣。有理由相信，在未來10年內(nèi)，GaN基藍、綠光LED技術(shù)的發(fā)展必將促成一個欣欣向榮的新型固態(tài)照明市場！