LED资讯网

Cree解读LED半导体照明外延及圆头led灯珠芯片技术

统佳光电

自上世纪90年月初中村修二发现高亮度蓝光LED以来,基于GaN基蓝光LED以及黄色荧光粉组合发出白光体式格局的半导体照明技能活着界规模内获得了广泛存眷以及快速成长。迄今为止,商品化白光LED的光效已经经跨越150 lm/W,而试验室程度已经经跨越了200 lm/W,远远高于传统白炽灯(15 lm/W)以及荧光灯(80 lm/W)的程度。从市场看,LED已经经广泛运用于显示屏、液晶违光源、交通唆使灯、室外照明等范畴,并已经经最先向室内照明、汽车灯、舞台灯光、特种照明等市场渗入,将来有望周全替代传统光源。

半导体照明光源的质量以及LED芯片的质量互相关注。进一步提高LED的光效(尤为是年夜功率事情下的光效)、靠得住性、寿命是LED质料以及芯片技能成长的方针。现将LED质料以及芯片的要害技能及其将来的成长趋向做以下梳理:
1、质料外延
1.外延技能
金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技能是生长LED的主流技能。最近几年来,患上益于MOCVD装备的前进,LED质料外延的成本已经经较着的降落。今朝市场上重要的装备提供商是德国的Aixtron以及美国的Veeco。前者可提供程度行星式反映室以及近耦合喷淋头式反映室两种类型的装备,其长处在于节约原料、生长获得的LED外延片匀称性好。后者的装备哄骗托盘的高速扭转孕育发生层流,其长处在于维护简朴、产能年夜。除了此之外,日本酸素出产专供日本企业使用的常压MOCVD,可以得到更好的结晶质量。美国运用质料公司独创了多反映腔MOCVD装备,并已经经最先在财产界试用。

将来MOCVD装备的成长标的目的包孕:进一步扩展反映室体积以提高产能,进一步提高对于MO源、氨气等原料的哄骗率,进一步提高对于外延片的在位监控能力,进一步优化对于温度场以及气流场的节制以晋升对于年夜尺寸衬底外延的撑持能力led灯珠灯等。

2.衬底
(1)图形衬底
衬底是支撑外延薄膜的基底,因为缺少同质衬底,GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。成长至今,蓝宝石已经经成为性价比最高的衬底,使用最为广泛。因为GaN的折射率比蓝宝石高,为了削减从LED出射的光在衬底界面的全发射,今朝正装芯片一般都在图形衬底长进行质料外延以提高光的散射。常见的图形衬底图案通常为按六边形密排的尺寸为微米量级的圆锥阵列,可以将LED的光提取效率提高至60%以上。同时也有研究注解,哄骗图形衬底并联合必然的生长工艺可以节制GaN中位错的延长标的目的从而有用降低GaN外延层的位错密度。在将来相称一段时间内图形衬底依然是正装芯片采纳的重要技能手腕。

将来图形衬底的成长标的目的是向更小的尺寸成长。今朝,受限于建造成本,蓝宝石图形衬底一般接纳接触式暴光以及ICP干法刻蚀的要领举行建造,尺寸只能做到微米量级。如能进一步减小尺寸至以及光波长可相比的百nm量级,则可以进一步提高对于光的散射能力。甚至可以做成周期性布局,哄骗二维光子晶体的物理效应进led灯珠行情一步提高光提取效率。纳米图形的建造要领包孕电子束暴光、纳米压印、纳米小球自组装等,从成本上思量,后二者更合适用于衬底的加工建造。

(2)年夜尺寸衬底
今朝,财产界中仍以2英寸蓝宝石衬底为主流,某些国际年夜厂已经经在使用3英寸甚至4英寸衬底,将来有望扩展至6英寸衬底。衬底尺寸的扩展有益于减小外延片的边沿效应,提高LED的制品率。可是今朝年夜尺寸蓝宝石衬底的价格依然昂贵,且扩展衬底尺寸后相配套的质料外延装备以及芯片工艺装备都要面对进级,对于厂商而言是一项不小的投入。

(3)SiC衬底
SiC衬底以及GaN基质料之间的晶格掉配度更小,事实证实在SiC上生长得到的GaN晶体质量要略好过在蓝宝石衬底上的成果。可是SiC衬底尤为是高质量的SiC衬底制造成本很高,故鲜有厂商用于LED的质料外延。可是美国Cree公司依附自身在高质量SiC衬底上的制造上风,成为业内独一一个只在SiC衬底上生长LED的厂商,从而避开在蓝宝石衬底上生长GaN的专利壁垒。今朝SiC衬底的主流尺寸是3英寸,将来有望拓展至4英寸。SiC衬底比拟蓝宝石衬底更合适于建造GaN基电子器件,将来跟着宽禁带半导体功率电子器件的成长,SiC衬底的成本有望进一步降低。

(4)Si衬底
Si衬底被看做是降低LED外延片成本的抱负选择,由于其年夜尺寸(8寸、12寸)衬底成长患上最为成熟。可是,因为晶格掉配以及热掉配太年夜,难于节制,基于Si衬底的LED质料质量相对于较差,且制品率偏低,以是今朝市场上基于Si衬底的LED产物十分少见。今朝在Si上生长LED重要接纳以6英寸如下的衬底为主,思量制品率因素,现实LED的成本以及基于蓝宝石衬底的比拟不占上风。以及SiC衬底同样,年夜大都研究机谈判厂商越发青睐在Si衬底上生长电子器件而不是LED。将来Si衬底上的LED外延技能应该对准8英寸或者12英寸这类更年夜尺寸的衬底。

(5)同质衬底
正如前面提到的,今朝LED的外延生长依然因此异质衬底的外延为主。可是晶格匹配以及热匹配的同质衬底依然被看做提高晶体质量以及LED机能的终极解决方案。近来几年,跟着氢化物气相沉积(HVPE)外延技能的成长,年夜面积GaN基厚衬底建造技能获得了器重,其建造要领通常是接纳HVPE在异质衬底上快速生长得到数十至数百微米厚的GaN体质料,再接纳机械、化学或者物理手腕将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来,哄骗此GaN厚层作为衬底,举行LED外延。日本三菱公司以及住友公司已经经可以提供GaN基衬底的产物,可是价格昂贵,对于于一般LED的生长不划算。重要是用于激光器的制造或者者非极性/半极性面LED的研究。美国加州年夜学圣芭芭拉分校(UCSB)中村小组在非极性/半极性面LED研制方面做出了很多开创性以及代表性的事情。非极性/半极性面LED可以规避传统c面LED中存在的极化效应问题,从而进一步晋升LED尤为是长波长可见光LED的效率。可是高质量的非极性/半极性面LED必需依靠同质衬底,而非极性/半极性面的GaN衬底离实用化另有相称的间隔。此外,日本、波兰、美国等一些黉舍以及研究机构也在测验考试使用碱金属熔融法、氨热法等手腕在高压以及中温前提下制造GaN块状晶体,可是今朝都尚处于研究阶段。

3.外延布局及外延技能
(1)Droop效应
颠末若干年的成长,LED的外延层布局以及外延技能已经经比力成熟,其内量子效率最高可达90%以上。可是,近几年跟着年夜功率LED芯片的鼓起,LED在年夜注入下的量子效率降落引起了人们的广泛存眷,该征象被形象地称为Droop效应。对于财产界而言,解决Droop效应可以在包管功率的条件下进一步缩小芯片尺寸,到达降低成本的目的。对于学术界而言,Droop效应的因由是吸引科学家研究的热门。差别于传统半导体光电质料,GaN基LED的Droop效应因由十分繁杂,响应也缺少有用的解决手腕。研究职员颠末摸索,比力偏向的几个缘故原由别离是:载流子的解局域化、载流子从有源区的走漏或者溢出、和俄歇复合。虽然详细的缘故原由还不了了,可是试验发明接纳较宽的量子阱以降低载流子的密度以及优化p型区的电子拦截层都是可以减缓Droop效应的手腕。

(2)量子阱有源区
InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延质料的焦点,生长InGaN量子阱的要害是节制量子阱的应力,减小极化效应的影响。通例的生长技能包孕:大批子阱宿世长低In组分InGaN预阱开释应力并充任载流子蓄池塘,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垒层或者生长应力互补的InGaN/AlGaN布局等。量子阱的数目没有同一的尺度,业界使用的量子阱数从5个到15个都有,终极效果不同不年夜,阱数较少的LED在小注入下的效率更高,而阱数较多的LED在年夜注入下的效率更高。

(3)p型区
GaN的p型掺杂是初期困扰LED建造的主要瓶颈之一。这是由于非存心掺杂的GaN是n型,电子浓度在1×1016 cm-3以上,p型GaN的实现比力坚苦。今朝为止最乐成的p型掺杂剂是Mg,可是依然面对高浓度掺杂酿成的晶格毁伤、受主易被反映室中的H元素钝化等问题。中村修二在日亚公司发现的氧气热退火要领简朴有用,是广泛使用的受主激活要领,也有厂商直接在MOCVD外延炉内用氮气在位退火激活。日亚公司的p-GaN质量是最佳的,可能以及常压MOCVD生长工艺相干。此外,也有一些哄骗p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格来提高空穴浓度的报导。只管云云,p-GaN的空穴浓度和空穴迁徙率以及n-GaN的电子比拟不同依然很年夜,这造成为了LED载流子注入的不合错误称。一般须在量子阱接近p-GaN一侧插入p-AlGaN的电子拦截层。但AlGaN以及量子阱区之间极性的掉配被以为是造成载流子走漏的重要缘故原由,是以近期也有一些厂商测验考试接纳p-InGaAlN举行替换。

4.无荧光粉单芯片白光LED
现有白光LED重要接纳蓝光LED加黄色荧光粉的体式格局组合发出白光,这类白光典型的显色指数不高,尤为是对于于红色以及绿色的再现能力较弱。此外,荧光粉也面对诸如靠得住性差、丧失效率等问题。彻底依靠InGaN质料作为发光区在单一芯片中实现白光从理论上是可行的。最近几年来,海内外的一些高校以及研究机构也都开展了相干研究。比力有代表性的是中科院物理所陈弘小组哄骗InGaN量子阱中In的相分散实现了高In组分InGaN黄光量子点,以及蓝光量子阱组合发出白光。可是该白光的显色指数还比力低。无荧光粉单芯片白光LED是很具吸引力的成长标的目的,假如能实现高效率以及高显色指数,将会转变半导体照明的技能链。

5.其他颜色LED
GaN基蓝光LED的外量子效率已经跨越60%,这象征着蓝光LED器件已经经相对于成熟。是以,人们最先把目光投向氮化物质料可以或许笼罩的其他波段。传统的III-V族半导体系体例作红外以及红光波段的发光器件已经经十分成熟,以是对于氮化物而言成长绿光以及紫外光LED显患上更成心义。

(1)绿光LED
绿光波段是今朝可见光波段效率最低的,被称作“Green Gap”。InGaN在绿光波段效率低下的缘故原由是由于In组分较高以及量子阱较宽引起的极化效应变患上更强。前面提到的生长非极性/半极性面LED是提高绿光LED效率的有用要领,可是受限于同质衬底今朝还不具实用性。近期,德国Osram公司的研究职员重点研究了光泵布局的LED。他们接纳蓝光LED作为泵浦源引发绿光InGaN/GaN大批子阱 ,获得的绿光LED在350 mA下峰值波长为535 nm,流明效率为127 lm/W,高于直接将载流子注入绿光MQW的LED。

(2)紫外LED
紫外光在固化、杀菌、预警、隐藏通讯等范畴有主要运用。传统的紫外光源都是真空器件。氮化物质料是最合适建造紫外光LED的质料系,可是因为位错密度高,同时发光区为AlGaN(不含In,没法哄骗InGaN发光效率对于位错不敏感的上风),GaN基紫外LED尤为是深紫外LED(波长280 nm如下)的效率还很低。日本的Riken研究所以及美国南加州年夜学的Arif Khan小组是研究深紫外LED的前锋。Riken可以将深紫外LED的外量子效率做到3.8%,输出功率达30 mW。


2、芯片工艺
1.正装芯片
正装芯片是今朝市场上使用至多的芯片,日即日亚公司是该技能线路的典型代表。它通常为在蓝宝石图形衬底上生长LED质料,从外貌p-GaN出光,并在蓝宝石反面蒸镀一层反射膜。需将芯片的一部门区域干法刻蚀至n-GaN以建造共面电极。正装芯片的布局简朴,建造成本低,合适小功率事情。因为蓝宝石衬底的散热能力不强,正装芯片年夜功率事情时会遭到一些限定,可是日亚公司依附其质料质量上的上风实现了LED在高结温下依然具备可不雅的效率。其使用外量子效率84.3%的蓝光LED正装芯片封装获得的白光LED在20 mA下可实现249 lm/W的光效;高功率白光LED在350 mA电流下光效为183 lm/W。正装芯片的要害技能包孕:
(1)透明导电膜
今朝财产界重要使用氧化铟锡(ITO)电极作为p-GaN外貌的透明欧姆电极。ITO是在太阳能电池以及液晶范畴被广泛使用的透明导电膜,在蓝光区域有精良的透光性。另外一方面,In元素在地球上的储量不富厚,属于罕见金属。是以,人们最先寻觅新的透明导电质料取代ITO,比力有代表性的是ZnO透明薄膜。ZnO也属于宽禁带半导体,对于蓝光透明。可是其不变性、接触特征等与ITO比拟还存在差距,是以财产界还没有最先使用。
(2)外貌粗化
前面提到,蓝宝石图形衬底的使用加强了光在GaN以及蓝宝石界面处的散射,年夜幅提高了LED的光提取效率。在p-GaN外貌或者ITO电极外貌也可建造响应的粗拙化布局来加强光的散射。日亚公司的代表性技能之一,就是将ITO透明电极建造成网状布局,以利于光的出射。一些机构也最先研究接纳自组装生长ITO纳米线的要领在LED外貌形成粗化布局。此外,也有人测验考试接纳干法刻蚀的要领在p-GaN上建造二维光子晶体布局,哄骗光子晶体的禁带实现蓝光的全数出射。可是年夜面积匀称的光子晶体的建造好不容易,成本很高,且会对于电特征造成必然粉碎,是以在财产界使用未几。
(3)DBR反射器
DBR反射器重要用于蒸镀在被减薄的蓝宝石衬底反面,将原本从蓝宝石反面出射的光反射至LED外貌出射。初期的反射镀膜使用Al、Au等金属,但成本太高,今朝较多使用的是由SiO2/TiO2介质膜构成的DBR反射器。

2.垂直布局芯片
垂直布局芯片是今朝高端LED芯片接纳的主流技能线路。它是在p-GaN外貌蒸镀高反射率金属欧姆电极并将LED倒扣焊接在Si或者金属热沉上,然后把衬底剥离失露出粗拙的n-GaN,在n-GaN外貌建造欧姆电极,器件事情时电流垂直流过芯片。这类设计不丧失建造共面电极时刻蚀失的那一部门发光面积,且电流垂直流过芯片防止了横向流动的堵塞效应,同时散热能力变患上很强,是以芯片在年夜功率前提下事情的机能很高。可是工艺步调比力多,建造成本比正装芯片要高。美国Cree公司是该技能线路的代表,已经经最先量产1W电功率下光效达200 lm/W的白光LED器件(非传统1×1 妹妹2尺寸的芯片)。其要害的技能包孕:
(1)衬底剥离
对于于Si衬底,一般接纳湿法腐化的体式格局去失衬底便可。而对于于蓝宝石或者者SiC衬底则一般接纳激光剥离技能举行分散,它是将紫外激光聚焦到衬底以及LED的界面处,让GaN接收激光紫外的能量天生液态Ga以及N2从而使衬底与GaN外延层分散。该技能可以一次剥离整片衬底,效率很高,可是需要尽可能防止激光对于LED外延层酿成的毁伤。
(2)外貌粗化
激光剥离后的n-GaN外貌是粗拙的N极性面,将其浸泡于加热的KOH溶液之中,KOH可以腐化GaN外貌形成随机排布的金字塔布局,这类布局十分利于光的散射。该技能的专利把握在UCSB中村小组手中,但很多厂商现实都在使用不异的技能。

3.倒装芯片
蓝宝石衬底是限定正装LED芯片散热的重要因素,美国Lumileds公司率先在业界开发了基于Si基热沉的倒装芯片布局。它起首制备出具备合适共晶焊接电极的年夜尺寸LED芯片,同时制备出响应尺寸的硅底板并在其上建造出供共晶焊接的金导电层及引出导电层,然后哄骗共晶焊接装备将年夜尺寸LED芯片倒扣后与硅底板焊接在一路,光从蓝宝石衬底的反面出射,热量经由过程电极焊料从Si基热沉导走。如许的布局较为合理,即思量了出光问题又思量到了散热问题,合适建造年夜功率LED。当蓝宝石衬底的激光玻璃技能成长起来后,曾经经一度以为倒装芯片是一种介于正装芯片以及垂直布局芯片之间的过渡技能。在年夜大都企业抛却倒装布局的时辰,Lumileds公司依然对峙了这类技能线路,纵然可以或许将蓝宝石衬底剥离失也照旧保留了共面电极的设计。这类倒装布局在chip on board(COB)技能成长起来之后又从头回归到人们的视线中。COB技能是在陶瓷基板上接纳印刷电路的体式格局制备出已经经设计好串并联电路的若干芯片电极焊点,将LED倒装芯片一颗颗依次焊接在board上实现年夜功率的器件。这类设计简化了封装,实现了年夜功率器件的小型化,为照明灯具的设计提供了便当。

4.高压交/直流驱动LED
单颗LED芯片事情于低压直流状况下,为了合用220 V的市电,LED照明光源需要配套响应的驱动电源。可是将220 V高压变为3 V摆布低压的电源转换效率不敷高,同时寿命受限于电解电容,在现实使用中存在很多问题。在芯片层面实现多颗LED小芯片的串并联可以使患上LED事情在更高的驱动电压下,重要有两种思绪。一种是哄骗LED作为二极管的整流特征,将多颗LED小芯片构成电桥布局,直接接纳220 V交流电驱动LED,这类体式格局的长处是省去了变压器,可是每一半个周期只有部门LED点亮,是以效率不高。另外一种是将多颗LED小芯片串联起来,接纳高压直流电驱动。这类体式格局依然需要电源适配器,可是因为变压后的电压是几十伏,以是驱动电源的效率高,靠得住性也高,比拟传统体式格局照旧有所改良。是以,高压直流驱动LED芯片今朝是韩国以及台湾厂商研究的一个热门。

以上对于今朝的LED质料外延以及芯片工艺的要害技能和成长状态举行了归纳综合。在列国企业以及研究机构的鼎力大举投入下,LED质料以及芯片技能已经经比力成熟,芯片的光效已经经再也不是限定LED照明运用的重要瓶颈。半导体照明技能下一步的成长是在尽可能降低成本的同时提供比传统照明更好的光色品质以及人眼恬静度。这对于LED质料以及芯片提出了新的要求,假如高效率以及高显色指数的无荧光粉单芯片白光LED可以或许实用化,则无疑是对于半导体照明技能的一项倾覆性革命。

 

来历:上海科锐光电成长有限公司 邵嘉平


标签:LED芯片LED照明Droop效应

alfa