解讀半導體照明材料與芯片應用現狀

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-06-07

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 上世紀末，半導體照明開始出現并快速發展，其中一個核心前提是藍光GaN基發光材料的生長和器件結構的制備，而未來材料和器件結構技術的水平也終將決定半導體照明技術的高度。本章節將重點圍繞GaN基材料及器件而衍生出設備、源材料、器件設計、芯片技術、芯片應用等環節展開分析。

　　設備

　　在當前無法制備大塊GaN單晶材料的情況下，MOCVD 即金屬有機物化學氣相沉積設備仍是GaN材料異質外延最關鍵設備。當前商用MOCVD設備市場主要由國際兩大巨頭掌握，在此局面我國MOCVD仍取得較大發展，并且出現48片機。但我們仍需要認識到國內MOCVD的缺點。對于MOCVD，一般而言，研究型設備的重點是溫度控制，商業化設備是均勻性、重復性等。在低溫下，可以生長高In組分InGaN，適合氮化物體系材料在橙黃光、紅光、紅外等長波長的應用， led商業照明，使氮化物應用涵蓋整個白光領域;而在1200 oC-1500 oC高溫下，可以生長高Al組分的AlGaN，使得氮化物應用擴展到紫外領域和功率電子器件領域，應用范圍獲得更大的擴展。目前國外已經具有1600 oC高溫MOCVD設備，可制備出高性能紫外LED和功率器件。我國MOCVD仍需長期發展，車間照明，擴大MOCVD的溫度控制范圍;對于商用設備不僅要提高性能，更要保證均勻性和規模化。

　　源材料

　　源材料主要包括各種氣體材料、金屬有機物材料、基板材料等。其中，基板材料是重中之重，直接制約外延薄膜質量。目前，GaN基LED的襯底越來越多元化， led亮化工程，CCC認證，國內資訊，SiC、Si以及GaN等襯底技術逐步提高，部分襯底從2英寸向3英寸、4英寸甚至6英寸、8英寸等大尺寸發展。但綜合來看，產業資訊，當前性價比最高的仍是藍寶石;SiC性能優越但價格昂貴;Si襯底的價格、尺寸優勢以及與傳統集成電路技術銜接的誘惑使得Si襯底仍然是當下最有前景的技術路線之一。GaN襯底仍需在提高尺寸和降低價格方面下功夫，以便未來在高端綠光激光器和非極性LED應用方面大顯身手;金屬有機物材料從依賴進口到自主生產，星級酒店照明燈具，有了很大的進展;其他氣體材料也取得長足進步。總之，我國在源材料領域獲得很大發展。

　　外延

　　外延，即器件結構的獲得過程，是最具有技術含量的工藝步驟，直接決定LED的內量子效率。目前半導體照明芯片絕大多數采用多量子阱結構，具體技術路線往往受制于襯底材料。而藍寶石襯底普遍采用圖形襯底(PSS)技術，降低外延薄膜的為錯密度提高內量子效率，同時也提高光的出取效率。未來PSS技術仍是重要的襯底技術，且圖形尺寸逐漸向納米化方向發展。而利用GaN同質襯底可以采取非極性面或半極性面外延生長技術，部分消除極化電場引起的量子斯塔克效應，道路照明，在綠光、黃綠光、紅橙光GaN基LED應用方面具有非常重要的意義。另外，當前的外延普遍是制備單發光波長量子阱，采用適當外延技術，節能與環保，可以制備多波長發射的LED，即單芯片白光LED，這也是很有前景的技術路線之一。其中，具有代表性的如用InGaN 量子阱中相分離，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。此外，還有利用多重量子阱發光實現寬光譜發光模式， led服裝照明，以此實現單芯片白光輸出，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。

　　在量子阱結構方面，綠色照明，引入電子阻擋層阻擋電子泄露提高發光效率已經成為LED外延結構的常規方法。此外，優化量子阱的勢壘和勢阱仍將是重要工藝環節，如何調節應力，實現能帶裁剪，可以制備不同發光波長的LED。在芯片覆蓋層方面，如何提高p型層的材料質量、p型層空穴濃度、導電性能和解決大電流下droop效應仍然是當務之急。

芯片

　　在芯片工藝方面，如何提高光提取效率并得到更好的散熱方案成為芯片設計的主旨，并相應研發了垂直結構、表面粗化、光子晶體、倒裝結構、薄膜倒裝結構(TFFC)、新型透明電極等技術。其中，薄膜倒裝結構利用激光剝離、表面粗化等技術，可以較大幅度提高出光效率。

　　芯片應用

　　針對藍光LED激發黃色熒光粉的白光LED技術方案較低的熒光轉換效率，RGB多芯片白光和單芯片無熒光粉白光成為未來白光LED的主要技術趨勢，家用照明，效率較低的綠光LED則成為RGB多芯片白光的主要限制因素，未來半極性或非極性綠光LED將成為重要的發展趨勢。在解決白光LED顯色方面，可利用紫光或紫外LED激發RGB三色熒光粉，獲得高顯色白光LED技術，但必然犧牲一部分效率。目前，道路照明，紫光或紫外光芯片效率已經獲得很大進步，日亞化學公司生產的365nm波長紫外LED外量子效率已經接近50%。未來紫外LED將獲得更多應用，且無其它紫外發光體系材料代替，發展前景非常巨大。一些發達國家已紛紛投入大量人力、物力開展UV LED 的研究。而氮化物的紅光紅外光波段應用，除了環境之外，無論是價格還是性能都難以與砷化物競爭，因而前景不是很明朗。

　　根據以上闡述可知，商業照明燈具，圍繞半導體照明的上游材料及設備已經獲得很大的發展，尤其在效率方面，藍光波段已經接近理想效率，芯片在半導體照明燈具的價格比也大幅度下降，未來半導體照明將從光的效率向光品質方向發展，這要求芯片材料沖破藍光領域， led商業照明，同時向長波長和短波長方向發展，而綠光、紫光和紫外光LED芯片將是研究重點。