LED半導體照明外延及芯片技術的現狀與未來趨勢
文章來源:恒光電器
發布時間:2013-11-29
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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。現將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。
