LED半導(dǎo)體照明外延及芯片技術(shù)的現(xiàn)狀與未來趨勢
文章來源:恒光電器
發(fā)布時間:2013-11-29
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自上世紀(jì)90年代初中村修二發(fā)明高亮度藍(lán)光LED以來，基于GaN基藍(lán)光LED和黃色熒光粉組合發(fā)出白光方式的半導(dǎo)體照明技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。迄今為止，商品化白光LED的光效已經(jīng)超過150 lm/W，而實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)超過了200 lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)白熾燈(15 lm/W)和熒光燈(80 lm/W)的水平。從市場看，LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顯示屏、液晶背光源、交通指示燈、室外照明等領(lǐng)域，并已經(jīng)開始向室內(nèi)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(tǒng)光源。
半導(dǎo)體照明光源的質(zhì)量和LED芯片的質(zhì)量息息相關(guān)。進(jìn)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(shù)發(fā)展的目標(biāo)。現(xiàn)將LED材料和芯片的關(guān)鍵技術(shù)及其未來的發(fā)展趨勢做如下梳理：
一、材料外延
1. 外延技術(shù)
金屬有機(jī)物化學(xué)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)在于維護(hù)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(dú)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(jìn)一步擴(kuò)大反應(yīng)室體積以提高產(chǎn)能，進(jìn)一步提高對MO源、氨氣等原料的利用率，進(jìn)一步提高對外延片的在位監(jiān)控能力，進(jìn)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(lán)寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底之上。發(fā)展至今，藍(lán)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(lán)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(jìn)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(dāng)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(lán)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(jìn)行制作，尺寸只能做到微米量級。如能進(jìn)一步減小尺寸至和光波長可比擬的百nm量級，則可以進(jìn)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(jìn)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(lán)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(kuò)大至6英寸襯底。襯底尺寸的擴(kuò)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(lán)寶石襯底的價格依然昂貴，且擴(kuò)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(xiàng)不小的投入。