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LED芯片 16 种衬底、外延及芯片结构分析

2015-12-18 00:40
九一隐士
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   近几年LED技术发展迅速,取得衬底、外延及芯片核心技术突破性进展。

  1、图形化衬底

  LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS),PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS,微米级PSS有各种形状图形,图形高度一般1.1~1.6μm,园直径2.5~3μm,周期约4μm,采用光微投影及电浆干式蚀刻技术,一般可提高光效30~40%。nPSS一般采用纳米压印技术,图形大小约260nm,周期约460nm,一般可提高光效70%左右。

  (1)nPSS衬底

  对纳米模板及衬底平行度要求苛刻,nPSS优点:LED更高发光效率,均匀性更好,成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm园孔的六角形阵列,使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

  (2)纳米柱PSS

  英国塞伦公司的新技术,在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术,形成表面的纳米柱,在此衬底上外延生长可缓解应力85%,从而大幅度减少缺陷,可提高发光亮度达80~120%,LED光效的产业化水平达200lm/w,并改善Droop效应,衰减减缓约30%。

  小结:PSS能较大提高LED发光效率,特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率,PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。

  2、同质衬底

  同质衬底是以GaN作衬底,生长GaN衬底有多种方法,一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法,生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题,衬底厚度约400~500μm,现可产业化。GaN衬底的优点:位错密度低(105~106个/cm2),内量子效率可达80%以上,生长时间短约2小时,节省大量原材料,可大幅度降低成本。

  (1)实现高亮度LED

  丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片,其面积为1mm2,可实现400lm光通量。

  (2)HVPE生长GaN衬底产业化

  三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底,厚度450μm左右,位错密度(106~107个/cm2),三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底,并计划2015年将成本降至目前的十分之一。东莞中镓(北大)可批量生产GaN衬底。

  (3)提高内量子效率

  日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底,低缺陷密度,内量子效率达90%,在200mA下,其光效达200lm/w,可提供4″GaN衬底,正在加速开发低缺陷的6″衬底。

  (4)大尺寸GaN衬底

  住友电工和Soitec合作开发4″和6″GaN衬底,采用晶园制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底,具有低缺陷密度,并宣布可提供GaN衬底。

  (5)LiGaO2衬底

  华南理工大学研发在LiGaO2衬底上采用激光分子束外延生长非极性GaN衬底,厚度2μm,作为复合衬底生长GaN芯片,要求达到位错密度为1×106/cm2,内量子效率85%,转换效率为65%。

  (6)获奖产品

  美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯,被SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完整性提高1000多倍,使每盏灯使用一个LED器件成为可能。

  小结:采用GaN-on-GaN同质衬底生长LED,其缺陷密度达(105~106/cm2),可极大提升LED发光效率,而且加大电流密度时Droop不明显,使普通照明实现采用单芯片LED光源,将LED核心技术推向新台阶。用中村修二的话来小结:我们相信有了GaN-on-GaNLED,我们已经真正地谱写了LED技术新篇章,即LED2.0版。

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