LED照明技术路线及长期以来的改进路线

红色、绿色、蓝色LED发光二极管是由磷、砷、氮等的III-V族化合物如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)以及氮化镓(GaN)等半导体制成的。LED照明技术路线包括了外延、衬底、封装、白光LED种类等多方面。

1、外延技术

外延片材料是LED的核心部分,LED的波长、正向电压、亮度或发光量等光电参数基本上都取决于外延片材料。外延技术和设备是外延片制造技术的关键,金属有机物气相沉积技术(MOCVD)是生长III-V族、II-VI族和合金薄层单晶的主要方法。外延片的位错作为不发光的非辐射复合中心,对器件的光电性能具有非常重要的影响。近十多年业界通过改善外延生长工艺使得位错密度得到了较大的改善。但是主流白光照明用蓝光LED的氮化镓GaN与衬底间晶格和热膨胀系数的不匹配仍导致了很高的位错密度。一直以来,通过研究LED外延技术来最大限度地降低缺陷密度、提高晶体质量是LED技术追求的目标。外延结构及外延技术研究 :① Droop效应 经过多年的发展,LED的外延层结构和外延技术已比较成熟,LED的内量子效率已可达90%以上,红光LED的内量子效率甚至已接近100%。但在大功率LED研究中,发现大电流注入下的量子效率下降较显著,被称为Droop效应。GaN基LED的Droop效应的原因比较倾向于是载流子的局域化,从有源区泄漏或溢出,以及俄歇复合。实验发现采用较宽的量子阱来降低载流子密度和优化P型区的电子阻挡层都可减缓Droop效应。② 量子阱有源区 InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延材料的核心,生长InGaN量子阱的关键是控制量子阱的应力,减小极化效应的影响。常规的生长技术包括多量子阱前生长低In组分的InGaN预阱释放应力,并充当载流子“蓄水池”,再升温生长GaN垒层以提高垒层的晶体质量,生长晶格匹配的InGaAlN垒层或生长应力互补的InGaN/AlGaN结构等。外延结构及外延技术研究中的其它具体技术有:

①衬底剥离技术 该技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAsLED实现,GaAs衬底的吸光大,剥离GaAs后,把AlGaInP粘贴在透明的GaP衬底上,发光效率提升近2倍。蓝宝石衬底激光剥离技术是基于GaN同质外延剥离发展的技术,利用紫外激光照射衬底,融化过渡层剥离,2003年OSRAM用此工艺剥离蓝宝石,将出光率提至75%,是传统的3倍,并形成了生产线。

②表面粗化技术 由于外延材料的折射率与封装材料不同导致部分出射光将被反射回到外延层,外延表面粗化就是相当于改变出射角度避免出射光的全反射,提高出光率。工艺上直接对外延表面进行处理,容易损伤外延有源层,而且透明电极更难制作,通过改变外延层生长条件达到表面粗化是可行之路。

③二维光子晶体的微结构  可提高出光效率,2003年9月日本松下电器制作出了直径1.5微米,高0.5微米的凹凸光子晶体的LED,出光率提高60%。

④倒装芯片技术 据美国Lumileds公司数据,蓝宝石衬底的LED约增加出光率1.6倍。

⑤全方位反射膜 除出光正面之外,把其它面的出射光尽可能全反射回外延层内,最终提升从正面的出光率。

2、衬底技术

常用的芯片衬底技术路线主要有已大量商品化或开始商品化的蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底三大类,另有研制中的氮化镓、氧化锌等。对衬底材料评价主要有以下方面:

① 衬底与外延膜层的结构匹配  两者材料的晶体结构相同或相近,则晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;

② 衬底与外延膜层的热膨胀系数匹配 热膨胀系数相差过大,将使外延膜生长质量下降,在器件工作过程中,还可能由于发热而造成器件的损坏;

③衬底与外延膜层的化学稳定性匹配 衬底材料要有好的化学稳定性,在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀,不与外延膜产生化学反应使外延膜质量下降;

④材料制备的难易程度及成本的高低 产业化衬底材料的制备应简洁,成本不宜很高。衬底晶片尺寸大使综合成本相对较低。

目前,已大量用于商品化的GaN基LED的衬底只有蓝宝石和碳化硅衬底。我国硅衬底技术目前取得了技术突破,正在努力向大规模产业化应用发展。其它可用于GaN基LED的衬底材料还有离产业化还有相当一段距离的GaN同质衬底、ZnO衬底。

①蓝宝石(三氧化二铝Al2O3) 是最早应用的LED衬底技术,产量大使其目前的相对成本较低。蓝宝石衬底有许多的优点:首先,蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好;其次,蓝宝石的稳定性很好,能够运用在高温生长过程中;最后,蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。蓝宝石作为衬底的缺点是:首先,晶格失配和热应力失配大,导致在外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;其次,蓝宝石是一种绝缘体,无法制作垂直结构的器件,通常只在外延层的上表面制作N型和P型两个电极,使有效发光面积减少,同时增加了光刻和刻蚀工艺过程,使材料利用率降低、成本增加。再有,为避免在P型GaN掺杂这个难题,普遍采用在P型GaN上制备金属透明电极来扩散电流达到均匀发光,但透明电极将吸收30%左右的出射光,同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高,对其刻蚀需要较好的设备。此外,蓝宝石的硬度仅次于金刚石,对它进行切割、减薄和处理需一些较贵重的设备,导致生产设备和成本增加。蓝宝石的导热性能较差(在100℃约为25W/(m·K))并且需在衬底底部使用导热本性就不好的银胶来固晶,这些对于发热量多的大功率LED器件很不利。