從材料上了解LED技術(shù)的發(fā)展動態(tài)

    據(jù)目前市場反映來看，LED已經(jīng)在逐步替換傳統(tǒng)光源了，并且廣泛用于顯示屏、交通指揮、室外照明等領(lǐng)域。為了使更多消費者了解LED，下面齊普光電就從LED的材料技術(shù)上為大家指點迷津。

    1.外延技術(shù)

    金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù)是生長LED的主流技術(shù)。近年來，得益于MOCVD設(shè)備的進步，LED材料外延的成本已經(jīng)明顯的下降。目前市場上主要的設(shè)備提供商是德國的Aixtron和美國的Veeco。

    前者可提供水平行星式反應(yīng)室和近耦合噴淋頭式反應(yīng)室兩種類型的設(shè)備，其優(yōu)點在于節(jié)省原料、生長得到的LED外延片均勻性好。后者的設(shè)備利用托盤的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生層流，其優(yōu)點在于維護簡單、產(chǎn)能大。

    除此以外，日本酸素生產(chǎn)專供日本企業(yè)使用的常壓MOCVD，可以獲得更好的結(jié)晶質(zhì)量。美國應(yīng)用材料公司獨創(chuàng)了多反應(yīng)腔MOCVD設(shè)備，并已經(jīng)開始在產(chǎn)業(yè)界試用。

    未來MOCVD設(shè)備的發(fā)展方向包括：進一步擴大反應(yīng)室體積以提高產(chǎn)能，進一步提高對MO源、氨氣等原料的利用率，進一步提高對外延片的在位監(jiān)控能力，進一步優(yōu)化對溫度場和氣流場的控制以提升對大尺寸襯底外延的支持能力等。

    2.襯底

    (1)圖形襯底

    襯底是支撐外延薄膜的基底，由于缺乏同質(zhì)襯底，GaN基LED一般生長在藍寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底之上。發(fā)展至今，藍寶石已經(jīng)成為性價比最高的襯底，使用最為廣泛。由于GaN的折射率比藍寶石高，為了減少從LED出射的光在襯底界面的全發(fā)射，目前正裝芯片一般都在圖形襯底上進行材料外延以提高光的散射。

    常見的圖形襯底圖案一般是按六邊形密排的尺寸為微米量級的圓錐陣列，可以將LED的光提取效率提高至60%以上。同時也有研究表明，利用圖形襯底并結(jié)合一定的生長工藝可以控制GaN中位錯的延伸方向從而有效降低GaN外延層的位錯密度。在未來相當一段時間內(nèi)圖形襯底依然是正裝芯片采取的主要技術(shù)手段。

    未來圖形襯底的發(fā)展方向是向更小的尺寸發(fā)展。目前，受限于制作成本，藍寶石圖形襯底一般采用接觸式曝光和ICP干法刻蝕的方法進行制作，尺寸只能做到微米量級。如能進一步減小尺寸至和光波長可比擬的百nm量級，則可以進一步提高對光的散射能力。甚至可以做成周期性結(jié)構(gòu)，利用二維光子晶體的物理效應(yīng)進一步提高光提取效率。納米圖形的制作方法包括電子束曝光、納米壓印、納米小球自組裝等，從成本上考慮，后兩者更適合用于襯底的加工制作。

    (2)大尺寸襯底

    目前，產(chǎn)業(yè)界中仍以2英寸藍寶石襯底為主流，某些國際大廠已經(jīng)在使用3英寸甚至4英寸襯底，未來有望擴大至6英寸襯底。襯底尺寸的擴大有利于減小外延片的邊緣效應(yīng)，提高LED的成品率。但是目前大尺寸藍寶石襯底的價格依然昂貴，且擴大襯底尺寸后相配套的材料外延設(shè)備和芯片工藝設(shè)備都要面臨升級，對廠商而言是一項不小的投入。

    (3)SiC襯底

    SiC襯底和GaN基材料之間的晶格失配度更小，事實證明在SiC上生長獲得的GaN晶體質(zhì)量要略好于在藍寶石襯底上的結(jié)果。但是SiC襯底尤其是高質(zhì)量的SiC襯底制造成本很高，故鮮有廠商用于LED的材料外延。但是美國Cree公司憑借自身在高質(zhì)量SiC襯底上的制造優(yōu)勢，成為業(yè)內(nèi)唯一一個只在SiC襯底上生長LED的廠商，從而避開在藍寶石襯底上生長GaN的專利壁壘。目前SiC襯底的主流尺寸是3英寸，未來有望拓展至4英寸。SiC襯底相比藍寶石襯底更適合于制作GaN基電子器件，未來隨著寬禁帶半導體功率電子器件的發(fā)展，SiC襯底的成本有望進一步降低。

    (4)Si襯底

    Si襯底被看作是降低LED外延片成本的理想選擇，因為其大尺寸(8寸、12寸)襯底發(fā)展得最為成熟。但是，由于晶格失配和熱失配太大，難于控制，基于Si襯底的LED材料質(zhì)量相對較差，且成品率偏低，所以目前市場上基于Si襯底的LED產(chǎn)品十分少見。目前在Si上生長LED主要采用以6英寸以下的襯底為主，考慮成品率因素，實際LED的成本和基于藍寶石襯底的相比不占優(yōu)勢。和SiC襯底一樣，大多數(shù)研究機構(gòu)和廠商更加青睞在Si襯底上生長電子器件而不是LED。未來Si襯底上的LED外延技術(shù)應(yīng)該瞄準8英寸或12英寸這種更大尺寸的襯底。

    (5)同質(zhì)襯底

    正如前面提到的，目前LED的外延生長依然是以異質(zhì)襯底的外延為主。但是晶格匹配和熱匹配的同質(zhì)襯底依然被看作提高晶體質(zhì)量和LED性能的最終解決方案。最近幾年，隨著氫化物氣相沉積(HVPE)外延技術(shù)的發(fā)展，大面積GaN基厚襯底制作技術(shù)得到了重視，其制作方法一般為采用HVPE在異質(zhì)襯底上快速生長獲得數(shù)十至數(shù)百微米厚的GaN體材料，再采用機械、化學或物理手段將厚層GaN薄膜從襯底上剝離下來，利用此GaN厚層作為襯底，進行LED外延。

    3.外延結(jié)構(gòu)及外延技術(shù)

    (1)Droop效應(yīng)

    經(jīng)過若干年的發(fā)展，LED的外延層結(jié)構(gòu)和外延技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其內(nèi)量子效率最高可達90%以上。但是，近幾年隨著大功率LED芯片的興起，LED在大注入下的量子效率下降引起了人們的廣泛關(guān)注，該現(xiàn)象被形象地稱為Droop效應(yīng)。對產(chǎn)業(yè)界而言，解決Droop效應(yīng)可以在保證功率的前提下進一步縮小芯片尺寸，達到降低成本的目的。對學術(shù)界而言，Droop效應(yīng)的起因是吸引科學家研究的熱點。

    不同于傳統(tǒng)半導體光電材料，GaN基LED的Droop效應(yīng)起因十分復雜，相應(yīng)也缺乏有效的解決手段。研究人員經(jīng)過探索，比較傾向的幾個原因分別是：載流子的解局域化、載流子從有源區(qū)的泄漏或溢出、以及俄歇復合。雖然具體的原因還不明晰，但是實驗發(fā)現(xiàn)采用較寬的量子阱以降低載流子的密度和優(yōu)化p型區(qū)的電子阻擋層都是可以緩解Droop效應(yīng)的手段。

    (2)量子阱有源區(qū)

    InGaN/GaN量子阱有源區(qū)是LED外延材料的核心，生長InGaN量子阱的關(guān)鍵是控制量子阱的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)的影響。常規(guī)的生長技術(shù)包括：多量子阱前生長低In組分InGaN預阱釋放應(yīng)力并充當載流子蓄水池，升溫生長GaN壘層以提高壘層的晶體質(zhì)量，生長晶格匹配的InGaAlN壘層或生長應(yīng)力互補的InGaN/AlGaN結(jié)構(gòu)等。量子阱的數(shù)量沒有統(tǒng)一的標準，業(yè)界使用的量子阱數(shù)從5個到15個都有，最終效果差別不大，阱數(shù)較少的LED在小注入下的效率更高，而阱數(shù)較多的LED在大注入下的效率更高。

    (3)p型區(qū)

    GaN的p型摻雜是早期困擾LED制作的重要瓶頸之一。這是因為非故意摻雜的GaN是n型，電子濃度在1×1016cm-3以上，p型GaN的實現(xiàn)比較困難。目前為止最成功的p型摻雜劑是Mg，但是依然面臨高濃度摻雜造成的晶格損傷、受主易被反應(yīng)室中的H元素鈍化等問題。中村修二在日亞公司發(fā)明的氧氣熱退火方法簡單有效，是廣泛使用的受主激活方法，也有廠商直接在MOCVD外延爐內(nèi)用氮氣在位退火激活。日亞公司的p-GaN質(zhì)量是最好的，可能和常壓MOCVD生長工藝相關(guān)。

    此外，也有一些利用p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格來提高空穴濃度的報道。盡管如此，p-GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和n-GaN的電子相比差別依然很大，這造成了LED載流子注入的不對稱。一般須在量子阱靠近p-GaN一側(cè)插入p-AlGaN的電子阻擋層。但AlGaN和量子阱區(qū)之間極性的失配被認為是造成載流子泄漏的主要原因，因此近期也有一些廠商嘗試采用p-InGaAlN進行替代。

    4.無熒光粉單芯片白光LED

    現(xiàn)有白光LED主要采用藍光LED加黃色熒光粉的方式組合發(fā)出白光，這種白光典型的顯色指數(shù)不高，尤其是對于紅色和綠色的再現(xiàn)能力較弱。此外，熒光粉也面臨諸如可靠性差、損失效率等問題。完全依賴InGaN材料作為發(fā)光區(qū)在單一芯片中實現(xiàn)白光從理論上是可行的。

    5.其他顏色LED

    GaN基藍光LED的外量子效率已超過60%，這意味著藍光LED器件已經(jīng)相對成熟。因此，人們開始把眼光投向氮化物材料能夠覆蓋的其他波段。傳統(tǒng)的III-V族半導體制作紅外和紅光波段的發(fā)光器件已經(jīng)十分成熟，所以對氮化物而言發(fā)展綠光和紫外光LED顯得更有意義。

    (1)綠光LED

    綠光波段是目前可見光波段效率最低的，被稱作“GreenGap”。InGaN在綠光波段效率低下的原因是因為In組分較高和量子阱較寬引起的極化效應(yīng)變得更強。前面提到的生長非極性/半極性面LED是提高綠光LED效率的有效方法，但是受限于同質(zhì)襯底目前還不具實用性。

    (2)紫外LED

    紫外光在固化、殺菌、預警、隱蔽通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的紫外光源都是真空器件。氮化物材料是最適合制作紫外光LED的材料系，但是由于位錯密度高，同時發(fā)光區(qū)為AlGaN(不含In，無法利用InGaN發(fā)光效率對位錯不敏感的優(yōu)勢)，GaN基紫外LED尤其是深紫外LED(波長280nm以下)的效率還很低。日本的Riken研究所和美國南加州大學的ArifKhan小組是研究深紫外LED的先鋒。Riken可以將深紫外LED的外量子效率做到3.8%，輸出功率達30mW。