分析LED照明材料與芯片應(yīng)用現(xiàn)狀

　　上世紀末，半導(dǎo)體照明開始出現(xiàn)并快速發(fā)展，其中一個核心前提是藍光GaN基發(fā)光材料的生長和器件結(jié)構(gòu)的制備，而未來材料和器件結(jié)構(gòu)技術(shù)的水平也終將決定半導(dǎo)體照明技術(shù)的高度。本文將重點圍繞GaN基材料及器件而衍生出設(shè)備、源材料、器件設(shè)計、芯片技術(shù)、芯片應(yīng)用等環(huán)節(jié)展開分析。

　　設(shè)備

　　在當前無法制備大塊GaN單晶材料的情況下，MOCVD即金屬有機物化學(xué)氣相沉積設(shè)備仍是GaN材料異質(zhì)外延最關(guān)鍵設(shè)備。當前商用MOCVD設(shè)備市場主要由國際兩大巨頭掌握，在此局面我國MOCVD仍取得較大發(fā)展，并且出現(xiàn)48片機。但我們?nèi)孕枰J識到國內(nèi)MOCVD的缺點。對于MOCVD，一般而言，研究型設(shè)備的重點是溫度控制，商業(yè)化設(shè)備是均勻性、重復(fù)性等。在低溫下，可以生長高In組分InGaN，適合氮化物體系材料在橙黃光、紅光、紅外等長波長的應(yīng)用，使氮化物應(yīng)用涵蓋整個白光領(lǐng)域;而在1200oC-1500oC高溫下，可以生長高Al組分的AlGaN，使得氮化物應(yīng)用擴展到紫外領(lǐng)域和功率電子器件領(lǐng)域，應(yīng)用范圍獲得更大的擴展。目前國外已經(jīng)具有1600oC高溫MOCVD設(shè)備，可制備出高性能紫外LED和功率器件。我國MOCVD仍需長期發(fā)展，擴大MOCVD的溫度控制范圍;對于商用設(shè)備不僅要提高性能，更要保證均勻性和規(guī)?；?。

　　源材料

　　源材料主要包括各種氣體材料、金屬有機物材料、基板材料等。其中，基板材料是重中之重，直接制約外延薄膜質(zhì)量。目前，GaN基LED的襯底越來越多元化，SiC、Si以及GaN等襯底技術(shù)逐步提高，部分襯底從2英寸向3英寸、4英寸甚至6英寸、8英寸等大尺寸發(fā)展。但綜合來看，當前性價比最高的仍是藍寶石;SiC性能優(yōu)越但價格昂貴;Si襯底的價格、尺寸優(yōu)勢以及與傳統(tǒng)集成電路技術(shù)銜接的誘惑使得Si襯底仍然是當下最有前景的技術(shù)路線之一。GaN襯底仍需在提高尺寸和降低價格方面下功夫，以便未來在高端綠光激光器和非極性LED應(yīng)用方面大顯身手;金屬有機物材料從依賴進口到自主生產(chǎn)，有了很大的進展;其他氣體材料也取得長足進步。總之，我國在源材料領(lǐng)域獲得很大發(fā)展。

　　外延

　　外延，即器件結(jié)構(gòu)的獲得過程，是最具有技術(shù)含量的工藝步驟，直接決定LED的內(nèi)量子效率。目前半導(dǎo)體照明芯片絕大多數(shù)采用多量子阱結(jié)構(gòu)，具體技術(shù)路線往往受制于襯底材料。而藍寶石襯底普遍采用圖形襯底(PSS)技術(shù)，降低外延薄膜的為錯密度提高內(nèi)量子效率，同時也提高光的出取效率。未來PSS技術(shù)仍是重要的襯底技術(shù)，且圖形尺寸逐漸向納米化方向發(fā)展。而利用GaN同質(zhì)襯底可以采取非極性面或半極性面外延生長技術(shù)，部分消除極化電場引起的量子斯塔克效應(yīng)，在綠光、黃綠光、紅橙光GaN基LED應(yīng)用方面具有非常重要的意義。另外，當前的外延普遍是制備單發(fā)光波長量子阱，采用適當外延技術(shù)，可以制備多波長發(fā)射的LED，即單芯片白光LED，這也是很有前景的技術(shù)路線之一。其中，具有代表性的如用InGaN量子阱中相分離，實現(xiàn)了高In組分InGaN黃光量子點和藍光量子阱組合發(fā)出白光。此外，還有利用多重量子阱發(fā)光實現(xiàn)寬光譜發(fā)光模式，以此實現(xiàn)單芯片白光輸出，但是該白光的顯色指數(shù)還比較低。無熒光粉單芯片白光LED是很具吸引力的發(fā)展方向，如果能實現(xiàn)高效率和高顯色指數(shù)，將會改變半導(dǎo)體照明的技術(shù)鏈。

　　在量子阱結(jié)構(gòu)方面，引入電子阻擋層阻擋電子泄露提高發(fā)光效率已經(jīng)成為LED外延結(jié)構(gòu)的常規(guī)方法。此外，優(yōu)化量子阱的勢壘和勢阱仍將是重要工藝環(huán)節(jié)，如何調(diào)節(jié)應(yīng)力，實現(xiàn)能帶裁剪，可以制備不同發(fā)光波長的LED。在芯片覆蓋層方面，如何提高p型層的材料質(zhì)量、p型層空穴濃度、導(dǎo)電性能和解決大電流下droop效應(yīng)仍然是當務(wù)之急。

　　芯片

　　在芯片工藝方面，如何提高光提取效率并得到更好的散熱方案成為芯片設(shè)計的主旨，并相應(yīng)研發(fā)了垂直結(jié)構(gòu)、表面粗化、光子晶體、倒裝結(jié)構(gòu)、薄膜倒裝結(jié)構(gòu)(TFFC)、新型透明電極等技術(shù)。其中，薄膜倒裝結(jié)構(gòu)利用激光剝離、表面粗化等技術(shù)，可以較大幅度提高出光效率。

　　芯片應(yīng)用

　　針對藍光LED激發(fā)黃色熒光粉的白光LED技術(shù)方案較低的熒光轉(zhuǎn)換效率，RGB多芯片白光和單芯片無熒光粉白光成為未來白光LED的主要技術(shù)趨勢，效率較低的綠光LED則成為RGB多芯片白光的主要限制因素，未來半極性或非極性綠光LED將成為重要的發(fā)展趨勢。在解決白光LED顯色方面，可利用紫光或紫外LED激發(fā)RGB三色熒光粉，獲得高顯色白光LED技術(shù)，但必然犧牲一部分效率。目前，紫光或紫外光芯片效率已經(jīng)獲得很大進步，日亞化學(xué)公司生產(chǎn)的365nm波長紫外LED外量子效率已經(jīng)接近50%。未來紫外LED將獲得更多應(yīng)用，且無其它紫外發(fā)光體系材料代替，發(fā)展前景非常巨大。一些發(fā)達國家已紛紛投入大量人力、物力開展UVLED的研究。而氮化物的紅光紅外光波段應(yīng)用，除了環(huán)境之外，無論是價格還是性能都難以與砷化物競爭，因而前景不是很明朗。

　　根據(jù)以上闡述可知，圍繞半導(dǎo)體照明的上游材料及設(shè)備已經(jīng)獲得很大的發(fā)展，尤其在效率方面，藍光波段已經(jīng)接近理想效率，芯片在半導(dǎo)體照明燈具的價格比也大幅度下降，未來半導(dǎo)體照明將從光的效率向光品質(zhì)方向發(fā)展，這要求芯片材料沖破藍光領(lǐng)域，同時向長波長和短波長方向發(fā)展，而綠光、紫光和紫外光LED芯片將是研究重點。