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解读半导体照明材料与芯片应用现状

  上世纪末,半导体照明开始出现并快速发展,其中一个核心前提是蓝光GaN基发光材料的生长和器件结构的制备,而未来材料和器件结构技术的水平也终将决定半导体照明技术的高度。本章节将重点围绕GaN基材料及器件而衍生出设备、源材料、器件设计、芯片技术、芯片应用等环节展开分析。

  设备

  在当前无法制备大块GaN单晶材料的情况下,MOCVD 即金属有机物化学气相沉积设备仍是GaN材料异质外延最关键设备。当前商用MOCVD设备市场主要由国际两大巨头掌握,在此局面我国MOCVD仍取得较大发展,并且出现48片机。但我们仍需要认识到国内MOCVD的缺点。对于MOCVD,一般而言,研究型设备的重点是温度控制,商业化设备是均匀性、重复性等。在低温下,可以生长高In组分InGaN,适合氮化物体系材料在橙黄光、红光、红外等长波长的应用,使氮化物应用涵盖整个白光领域;而在1200 oC-1500 oC高温下,可以生长高Al组分的AlGaN,使得氮化物应用扩展到紫外领域和功率电子器件领域,应用范围获得更大的扩展。目前国外已经具有1600 oC高温MOCVD设备,可制备出高性能紫外LED和功率器件。我国MOCVD仍需长期发展,扩大MOCVD的温度控制范围;对于商用设备不仅要提高性能,更要保证均匀性和规模化。

  源材料

  源材料主要包括各种气体材料、金属有机物材料、基板材料等。其中,基板材料是重中之重,直接制约外延薄膜质量。目前,GaN基LED的衬底越来越多元化,SiC、Si以及GaN等衬底技术逐步提高,部分衬底从2英寸向3英寸、4英寸甚至6英寸、8英寸等大尺寸发展。但综合来看,当前性价比最高的仍是蓝宝石;SiC性能优越但价格昂贵;Si衬底的价格、尺寸优势以及与传统集成电路技术衔接的诱惑使得Si衬底仍然是当下最有前景的技术路线之一。GaN衬底仍需在提高尺寸和降低价格方面下功夫,以便未来在高端绿光激光器和非极性LED应用方面大显身手;金属有机物材料从依赖进口到自主生产,有了很大的进展;其他气体材料也取得长足进步。总之,我国在源材料领域获得很大发展。

  外延

  外延,即器件结构的获得过程,是最具有技术含量的工艺步骤,直接决定LED的内量子效率。目前半导体照明芯片绝大多数采用多量子阱结构,具体技术路线往往受制于衬底材料。而蓝宝石衬底普遍采用图形衬底(PSS)技术,降低外延薄膜的为错密度提高内量子效率,同时也提高光的出取效率。未来PSS技术仍是重要的衬底技术,且图形尺寸逐渐向纳米化方向发展。而利用GaN同质衬底可以采取非极性面或半极性面外延生长技术,部分消除极化电场引起的量子斯塔克效应,在绿光、黄绿光、红橙光GaN基LED应用方面具有非常重要的意义。另外,当前的外延普遍是制备单发光波长量子阱,采用适当外延技术,可以制备多波长发射的LED,即单芯片白光LED,这也是很有前景的技术路线之一。其中,具有代表性的如用InGaN 量子阱中相分离,实现了高In 组分InGaN 黄光量子点和蓝光量子阱组合发出白光。此外,还有利用多重量子阱发光实现宽光谱发光模式,以此实现单芯片白光输出,但是该白光的显色指数还比较低。无荧光粉单芯片白光LED是很具吸引力的发展方向,如果能实现高效率和高显色指数,将会改变半导体照明的技术链。

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