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LED半導體照明外延及芯片技術的最新進展

2014年01月08日
 自上世紀90年代初中村修二發明高亮度藍光LED以來,基于GaN基藍光LED和黃色熒光粉組合發出白光方式的半導體照明技術在世界范圍內得到了廣泛關注和快速發展。迄今為止,商品化白光LED的光效已經超過150 lm/W,而實驗室水平已經超過了200 lm/W,遠遠高于傳統白熾燈(15 lm/W)和熒光燈(80 lm/W)的水平。從市場看,LED已經廣泛應用于顯示屏、液晶背光源、交通指示燈、室外照明等領域,并已經開始向室內照明、汽車燈、舞臺燈光、特種照明等市場滲透,未來有望全面替換傳統光源。

  半導體照明光源的質量和LED芯片的質量息息相關。進一步提高LED的光效(尤其是大功率工作下的光效)、可靠性、壽命是LED材料和芯片技術發展的目標?,F將LED材料和芯片的關鍵技術及其未來的發展趨勢做如下梳理:

  一、材料外延

  1. 外延技術

  金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)技術是生長LED的主流技術。近年來,得益于MOCVD設備的進步,LED材料外延的成本已經明顯的下降。目前市場上主要的設備提供商是德國的Aixtron和美國的Veeco。前者可提供水平行星式反應室和近耦合噴淋頭式反應室兩種類型的設備,其優點在于節省原料、生長得到的LED外延片均勻性好。后者的設備利用托盤的高速旋轉產生層流,其優點在于維護簡單、產能大。除此以外,日本酸素生產專供日本企業使用的常壓MOCVD,可以獲得更好的結晶質量。美國應用材料公司獨創了多反應腔MOCVD設備,并已經開始在產業界試用。

  未來MOCVD設備的發展方向包括:進一步擴大反應室體積以提高產能,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控能力,進一步優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,由于缺乏同質襯底,GaN基LED一般生長在藍寶石、SiC、Si等異質襯底之上。發展至今,藍寶石已經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圖形襯底依然是正裝芯片采取的主要技術手段。

  未來圖形襯底的發展方向是向更小的尺寸發展。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構,利用二維光子晶體的物理效應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,產業界中仍以2英寸藍寶石襯底為主流,某些國際大廠已經在使用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,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備和芯片工藝設備都要面臨升級,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晶體質量要略好于在藍寶石襯底上的結果。但是SiC襯底尤其是高質量的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量SiC襯底上的制造優勢,成為業內唯一一個只在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勢。和SiC襯底一樣,大多數研究機構和廠商更加青睞在Si襯底上生長電子器件而不是LED。未來Si襯底上的LED外延技術應該瞄準8英寸或12英寸這種更大尺寸的襯底。

  (5) 同質襯底

  正如前面提到的,目前LED的外延生長依然是以異質襯底的外延為主。但是晶格匹配和熱匹配的同質襯底依然被看作提高晶體質量和LED性能的最終解決方案。最近幾年,隨著氫化物氣相沉積(HVPE)外延技術的發展,大面積GaN基厚襯底制作技術得到了重視,其制作方法一般為采用HVPE在異質襯底上快速生長獲得數十至數百微米厚的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。日本三菱公司和住友公司已經可以提供GaN基襯底的產品,但是價格昂貴,對于一般LED的生長不劃算。主要是用于激光器的制造或者非極性/半極性面LED的研究。美國加州大學圣芭芭拉分校(UCSB)中村小組在非極性/半極性面LED研制方面做出了許多開創性和代表性的工作。非極性/半極性面LED可以規避傳統c面LED中存在的極化效應問題,從而進一步提升LED尤其是長波長可見光LED的效率。但是高質量的非極性/半極性面LED必須依賴同質襯底,而非極性/半極性面的GaN襯底離實用化還有相當的距離。此外,日本、波蘭、美國等一些學校和研究機構也在嘗試使用堿金屬熔融法、氨熱法等手段在高壓和中溫條件下制造GaN塊狀晶體,但是目前都尚處于研究階段。

  3. 外延結構及外延技術

  (1) Droop效應

  經過若干年的發展,LED的外延層結構和外延技術已經比較成熟,其內量子效率最高可達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注,該現象被形象地稱為Droop效應。對產業界而言,解決Droop效應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。對學術界而言,Droop效應的起因是吸引科學家研究的熱點。不同于傳統半導體光電材料,GaN基LED的Droop效應起因十分復雜,相應也缺乏有效的解決手段。研究人員經過探索,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,但是實驗發現采用較寬的量子阱以降低載流子的密度和優化p型區的電子阻擋層都是可以緩解Droop效應的手段。

  (2) 量子阱有源區

  InGaN/GaN量子阱有源區是LED外延材料的核心,生長InGaN量子阱的關鍵是控制量子阱的應力,減小極化效應的影響。常規的生長技術包括:多量子阱前生長低In組分InGaN預阱釋放應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量,生長晶格匹配的InGaAlN壘層或生長應力互補的InGaN/AlGaN結構等。量子阱的數量沒有統一的標準,業界使用的量子阱數從5個到15個都有,最終效果差別不大,阱數較少的LED在小注入下的效率更高,而阱數較多的LED在大注入下的效率更高。

  (3) p型區

  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1×1016 cm-3以上,p型GaN的實現比較困難。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、受主易被反應室中的H元素鈍化等問題。中村修二在日亞公司發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外延爐內用氮氣在位退火激活。日亞公司的p-GaN質量是最好的,可能和常壓MOCVD生長工藝相關。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一側插入p-AlGaN的電子阻擋層。但AlGaN和量子阱區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

  現有白光LED主要采用藍光LED加黃色熒光粉的方式組合發出白光,這種白光典型的顯色指數不高,尤其是對于紅色和綠色的再現能力較弱。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材料作為發光區在單一芯片中實現白光從理論上是可行的。近年來,國內外的一些高校和研究機構也都開展了相關研究。比較有代表性的是中科院物理所陳弘小組利用InGaN量子阱中In的相分離實現了高In組分InGaN黃光量子點,和藍光量子阱組合發出白光。但是該白光的顯色指數還比較低。無熒光粉單芯片白光LED是很具吸引力的發展方向,如果能實現高效率和高顯色指數,將會改變半導體照明的技術鏈。


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。傳統的III-V族半導體制作紅外和紅光波段的發光器件已經十分成熟,所以對氮化物而言發展綠光和紫外光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“Green Gap”。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,但是受限于同質襯底目前還不具實用性。近期,德國Osram公司的研究人員重點研究了光泵結構的LED。他們采用藍光LED作為泵浦源激發綠光InGaN/GaN多量子阱 ,得到的綠光LED在350 mA下峰值波長為535 nm,流明效率為127 lm/W,高于直接將載流子注入綠光MQW的LED。

  (2) 紫外LED

  紫外光在固化、殺菌、預警、隱蔽通信等領域有重要應用。傳統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,同時發光區為AlGaN(不含In,無法利用InGaN發光效率對位錯不敏感的優勢),GaN基紫外LED尤其是深紫外LED(波長280 nm以下)的效率還很低。日本的Riken研究所和美國南加州大學的Arif Khan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30 mW。

  二、芯片工藝

  1. 正裝芯片

  正裝芯片是目前市場上使用最多的芯片,日本日亞公司是該技術路線的典型代表。它一般是在藍寶石圖形襯底上生長LED材料,從表面p-GaN出光,并在藍寶石背面蒸鍍一層反射膜。需將芯片的一部分區域干法刻蝕至n-GaN以制作共面電極。正裝芯片的結構簡單,制作成本低,適合小功率工作。由于藍寶石襯底的散熱能力不強,正裝芯片大功率工作時會受到一些限制,但是日亞公司憑借其材料質量上的優勢實現了LED在高結溫下依然具有可觀的效率。其使用外量子效率84.3%的藍光LED正裝芯片封裝得到的白光LED在20 mA下可實現249 lm/W的光效;高功率白光LED在350 mA電流下光效為183 lm/W。正裝芯片的關鍵技術包括:

  (1) 透明導電膜

  目前產業界主要使用氧化銦錫(ITO)電極作為p-GaN表面的透明歐姆電極。ITO是在太陽能電池和液晶領域被廣泛使用的透明導電膜,在藍光區域有良好的透光性。另一方面,In元素在地球上的儲量不豐富,屬于稀有金屬。因此,人們開始尋找新的透明導電材料代替ITO,比較有代表性的是ZnO透明薄膜。ZnO也屬于寬禁帶半導體,對藍光透明。但是其穩定性、接觸特性等與ITO相比還存在差距,因此產業界尚未開始使用。

  (2) 表面粗化

  前面提到,藍寶石圖形襯底的使用增強了光在GaN和藍寶石界面處的散射,大幅提高了LED的光提取效率。在p-GaN表面或ITO電極表面也可制作相應的粗糙化結構來增強光的散射。日亞公司的代表性技術之一,就是將ITO透明電極制作成網狀結構,以利于光的出射。一些機構也開始研究采用自組裝生長ITO納米線的方法在LED表面形成粗化結構。此外,也有人嘗試采用干法刻蝕的方法在p-GaN上制作二維光子晶體結構,利用光子晶體的禁帶實現藍光的全部出射。但是大面積均勻的光子晶體的制作十分困難,成本很高,且會對電特性造成一定破壞,因此在產業界使用不多。

  (3) DBR反射器

  DBR反射器主要用于蒸鍍在被減薄的藍寶石襯底背面,將原本從藍寶石背面出射的光反射至LED表面出射。早期的反射鍍膜使用Al、Au等金屬,但成本過高,目前較多使用的是由SiO2/TiO2介質膜組成的DBR反射器。

  2. 垂直結構芯片

  垂直結構芯片是目前高端LED芯片采用的主流技術路線。它是在p-GaN表面蒸鍍高反射率金屬歐姆電極并將LED倒扣焊接在Si或金屬熱沉上,然后把襯底剝離掉露出粗糙的n-GaN,在n-GaN表面制作歐姆電極,器件工作時電流垂直流過芯片。這種設計不損失制作共面電極時刻蝕掉的那一部分發光面積,且電流垂直流過芯片避免了橫向流動的擁塞效應,同時散熱能力變得很強,因此芯片在大功率條件下工作的性能很高。但是工藝步驟比較多,制作成本比正裝芯片要高。美國Cree公司是該技術路線的代表,已經開始量產1W電功率下光效達200 lm/W的白光LED器件(非傳統1×1 mm2尺寸的芯片)。其關鍵的技術包括:

  (1) 襯底剝離

  對于Si襯底,一般采用濕法腐蝕的方式去掉襯底即可。而對于藍寶石或者SiC襯底則一般采用激光剝離技術進行分離,它是將紫外激光聚焦到襯底和LED的界面處,讓GaN吸收激光紫外的能量生成液態Ga和N2從而使襯底與GaN外延層分離。該技術可以一次剝離整片襯底,效率很高,但是需要盡可能避免激光對LED外延層造成的損傷。

  (2) 表面粗化

  激光剝離后的n-GaN表面是粗糙的N極性面,將其浸泡于加熱的KOH溶液之中,KOH可以腐蝕GaN表面形成隨機排布的金字塔結構,這種結構十分利于光的散射。該技術的專利掌握在UCSB中村小組手中,但許多廠商實際都在使用相同的技術。

  3. 倒裝芯片

  藍寶石襯底是限制正裝LED芯片散熱的主要因素,美國Lumileds公司率先在業界開發了基于Si基熱沉的倒裝芯片結構。它首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸LED芯片,同時制備出相應尺寸的硅底板并在其上制作出供共晶焊接的金導電層及引出導電層,然后利用共晶焊接設備將大尺寸LED芯片倒扣后與硅底板焊接在一起,光從藍寶石襯底的背面出射,熱量通過電極焊料從Si基熱沉導走。這樣的結構較為合理,即考慮了出光問題又考慮到了散熱問題,適合制作大功率LED。當藍寶石襯底的激光玻璃技術發展起來后,曾經一度認為倒裝芯片是一種介于正裝芯片和垂直結構芯片之間的過渡技術。在大多數企業放棄倒裝結構的時候,Lumileds公司依然堅持了這種技術路線,即使能夠將藍寶石襯底剝離掉也還是保留了共面電極的設計。這種倒裝結構在chip on board(COB)技術發展起來以后又重新回歸到人們的視野中。COB技術是在陶瓷基板上采用印刷電路的方式制備出已經設計好串并聯電路的若干芯片電極焊點,將LED倒裝芯片一顆顆依次焊接在board上實現大功率的器件。這種設計簡化了封裝,實現了大功率器件的小型化,為照明燈具的設計提供了便利。

  4. 高壓交/直流驅動LED

  單顆LED芯片工作于低壓直流狀態下,為了適用220 V的市電,LED照明光源需要配套相應的驅動電源。但是將220 V高壓變為3 V左右低壓的電源轉換效率不夠高,同時壽命受限于電解電容,在實際使用中存在許多問題。在芯片層面實現多顆LED小芯片的串并聯可使得LED工作在更高的驅動電壓下,主要有兩種思路。一種是利用LED作為二極管的整流特性,將多顆LED小芯片組成電橋結構,直接采用220 V交流電驅動LED,這種方式的優點是省去了變壓器,但是每半個周期只有部分LED點亮,因此效率不高。另一種是將多顆LED小芯片串聯起來,采用高壓直流電驅動。這種方式依然需要電源適配器,但是由于變壓后的電壓是幾十伏,所以驅動電源的效率高,可靠性也高,相比傳統方式還是有所改善。因此,高壓直流驅動LED芯片目前是韓國和臺灣廠商研究的一個熱點。

  以上對目前的LED材料外延和芯片工藝的關鍵技術以及發展狀況進行了概括。在各國企業和研究機構的大力投入下,LED材料和芯片技術已經比較成熟,芯片的光效已經不再是限制LED照明應用的主要瓶頸。半導體照明技術下一步的發展是在盡可能降低成本的同時提供比傳統照明更好的光色品質和人眼舒適度。這對LED材料和芯片提出了新的要求,如果高效率和高顯色指數的無熒光粉單芯片白光LED能夠實用化,則無疑是對半導體照明技術的一項顛覆性革命。
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