LED技術(shù)流變:來何處?去何往?

近年來，半導(dǎo)體照明功率型LED芯片技術(shù)的研究和開發(fā)得到長足的發(fā)展，半導(dǎo)體照明也將在未來幾年內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。在所有可實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的相關(guān)材料中，氮化鎵(GaN)基材料是最重要的，也是最有希望真正意義上實現(xiàn)半導(dǎo)體照明的材料。GaN基發(fā)光二極管LED材料與器件是當(dāng)前研究開發(fā)和商業(yè)化的重點與熱點。從國內(nèi)外半導(dǎo)體照明功率型LED芯片技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看，薄膜結(jié)構(gòu)芯片憑借其一系列優(yōu)越性將會是未來照明級LED芯片技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，照明級LED芯片結(jié)構(gòu)的發(fā)展將經(jīng)歷一個“正裝結(jié)構(gòu)→倒裝結(jié)構(gòu)→薄膜結(jié)構(gòu)”的技術(shù)演變。

薄膜結(jié)構(gòu)芯片與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)芯片的特點比較，可以看出薄膜結(jié)構(gòu)芯片在發(fā)光效率、散熱性和可集成性等方面有著傳統(tǒng)芯片所不能比擬的優(yōu)越性，這也是國際大廠爭相布局和研發(fā)的初衷。Lumileds、Cree和Osram三家國際大廠所推出的全新薄膜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，其中Cree的EZBright系列的封裝白光器件可以達(dá)到186lm/W的發(fā)光效率，為目前世界范圍內(nèi)有報道的最佳水平。

近年來，為了提高發(fā)光效率，人們在LED的內(nèi)量子效率的提高和取光效率在做了大量的研發(fā)工作。在外延和芯片技術(shù)領(lǐng)域取得了飛速的發(fā)展。

表面光學(xué)微結(jié)構(gòu)

由于半導(dǎo)體材料和空氣折射率差異很大，對沒有封裝的半導(dǎo)體發(fā)光芯片，針對單面發(fā)射平滑表面，由于非常強(qiáng)烈的內(nèi)表面全反射導(dǎo)致芯片的外量子效率非常低。如半導(dǎo)體材料氮化鎵的折射率2.5，空氣的折射率為1，其內(nèi)全反射臨界角(從法線方向到界面方向)為23°，忽略背面和邊緣出光，大約只有4%的光可以從芯片正面射出。雖然反射回去的光可以再反射回來，來回往復(fù)，再加上一部分光從側(cè)面射出，其總的出光效率相比內(nèi)量子效率仍非常低(約15%)。所以，芯片的出光效率幾乎決定了半導(dǎo)體照明芯片的發(fā)光效率。通過化學(xué)腐蝕等方法使外延表面形成某種光學(xué)微結(jié)構(gòu)(所謂粗化或圖形)，來減少全內(nèi)反射的光，從而提升出光效率。粗化外延表面即粗化p-GaN表面可以通過電化學(xué)腐蝕光滑p-GaN表面或外延生長粗糙p-GaN獲得。實驗證明表面光學(xué)微結(jié)構(gòu)能大幅提升LED的出光效率。通過降低p-GaN生長溫度已成功實現(xiàn)了p-GaN層的無序粗化，提高GaN基藍(lán)光芯片輸出功率約50%，也解決了漏電參數(shù)不穩(wěn)定，重復(fù)性差，并實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。用粗化制成的正裝大功率芯片其發(fā)光效率已達(dá)到近60 lm/W(350mA驅(qū)動，白色發(fā)光二極管)。

圖形襯底技術(shù)

同樣道理，通過圖形化界面技術(shù)，也可以增加芯片的出光效率。同時通過使用圖形襯底可以改善外延質(zhì)量從而提升內(nèi)量子效率。

圖形襯底技術(shù)是在平面藍(lán)寶石襯底上布置SiO2 或Si3N4基不連續(xù)幾何圖形后，通過橫向外延生長，實現(xiàn)選擇性外延來減少特定區(qū)域的位錯密度，還能改光線入射到GaN與襯底之間界面的反射與投射角度，從而提升出光效率。圖形化襯底外延片應(yīng)用于倒裝或垂直芯片相比于正裝芯片具有更高的出光效率。

2006年日亞公司采用具六角形突起的圖形化藍(lán)寶石襯底外延片和ITO工藝制備的正裝芯片發(fā)光效率達(dá)到138 lm/W(240umx420um，色溫5450k，電光效率41.7%，正向電壓3.11V，20mA)，正裝大功率芯片發(fā)光效率也達(dá)到92 lm/W。用圖形化襯底外延片制備的芯片普遍存在漏電大、抗靜電差等問題。

圖形化襯底外延片和粗化外延表面技術(shù)是目前提升芯片發(fā)光效率最實用的兩項技術(shù)。

寬光譜白光LED技術(shù)

寬光譜LED是通過能帶工程和摻雜技術(shù)，使按次序先后疊加在一起的不同量子阱同時發(fā)出不同波長的光，或相同量子阱在不同的區(qū)域同時發(fā)出不同波長的光。當(dāng)不同波長的光混合一起，并發(fā)射離開芯片表面時就構(gòu)成可控的白色光源或其它顏色的光源。該技術(shù)可以避免使用熒光粉，達(dá)到單芯片白光的目的。寬光譜白光芯片也可實現(xiàn)較高的電光轉(zhuǎn)換效率，可顯著提高功率型白色發(fā)光二極管壽命，并且在色溫、發(fā)射方向性、顯色指數(shù)等發(fā)光品質(zhì)方面有很大優(yōu)勢。

目前制備寬光譜白光芯片的原理和技術(shù)包括在量子阱區(qū)利用Si、Zn共摻雜，實現(xiàn)小電流下白光發(fā)射;利用兩次外延藍(lán)光和黃光量子阱實現(xiàn)白光;兩次外延GaN基藍(lán)光和AlGaInP基黃光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生白光等方法。在 SiO2條狀狹縫中重生長產(chǎn)生的凸起GaN上形成的微現(xiàn)晶面(如0001，1122，1120)上可以生長出不同結(jié)構(gòu)的InGaN量子阱，在光致激發(fā)條件下可同步產(chǎn)生黃、藍(lán)雙色光線而形成白光效果。另外一個得到寬光譜白光的重要方法是在GaN上生長x從1到0的In(x)Ga(1-x)N多量子阱結(jié)構(gòu)，這樣就可以得到接近于連續(xù)的白光。這項技術(shù)的難點是如何解決晶格與應(yīng)力失配的問題。

對全波譜白光芯片的研究，目前的關(guān)鍵在于如何提高發(fā)光效率，以及評估采用各種波譜合成技術(shù)的實用性評估包括白光品質(zhì)與特性等?？傮w技術(shù)水平和芯片品質(zhì)離產(chǎn)業(yè)化仍存在較大距離。

垂直芯片技術(shù)

AlInGaP和GaN基二極管外延片所用的襯底分別為GaAs和藍(lán)寶石，它們的導(dǎo)熱性能都不夠好。為了更有效的散熱和降低結(jié)溫，可通過去掉原來用于生長外延層的襯底，將外延層鍵合轉(zhuǎn)移到導(dǎo)熱性能良好的襯底上，如銅、鋁、硅、氮化鋁等。激光剝離技術(shù)早在幾年就已被廣泛研究，隨著量產(chǎn)型GaN鍵合和剝離工藝設(shè)備的逐步成熟，經(jīng)激光剝離藍(lán)寶石襯底制備的垂直芯片已開始量產(chǎn)。垂直芯片上進(jìn)行表面粗化處理也已實用。由于出光效率高、散熱佳，用垂直芯片封裝的白色發(fā)光二極管效率可達(dá)80 lm/W左右，但垂直芯片的制造成本，特別是良品率，是需要解決的問題。

倒裝芯片技術(shù)

2007年前倒裝焊作為主流技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于大功率GaN基芯片(圖5)。它可以避免電極焊點和引線對出光效率的影響，它可不必考慮NiAu歐姆接觸層的透光性將其接觸層兼反射層的厚度可增至250nm以上，改善了電流擴(kuò)散性，銀基反射膜又進(jìn)一步提升正面出光效率。通過電極突點與散熱良好的Si或陶瓷底板鍵合，芯片產(chǎn)生的大量熱量可通過突點經(jīng)由Si或陶瓷底板從支架上散去，大大改善了散熱性。金屬基全方位反射膜可應(yīng)用于正裝芯片也可應(yīng)用于倒裝芯片。金屬基全方位反射膜可有效提升出光效率但必須解決如何制備低阻歐姆接觸，高的全方位反射率和在后續(xù)工藝過程中反射膜不會被損害而失去低阻高反射的特性等。倒裝芯片的缺點是工藝步驟較多。

2008年在硅基襯底外延技術(shù)的突破和產(chǎn)業(yè)化預(yù)期將來有可能徹底改變是否建立在藍(lán)寶石和SiC襯底基礎(chǔ)上的外延，芯片和封裝產(chǎn)業(yè)化制造體系。非極性外延、寬光譜量子阱外延技術(shù)和UV-LED外延技術(shù)若在2008年取得實質(zhì)性進(jìn)展，也會對半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響。

2008年是圖形襯底進(jìn)入全面產(chǎn)業(yè)化的一年，它對于光強(qiáng)和發(fā)光效率的提升起到了非常大的作用。隨著量產(chǎn)型GaN鍵合和剝離等設(shè)備和工藝的逐步成熟，垂直結(jié)構(gòu)芯片已開始進(jìn)入量產(chǎn)，以垂直結(jié)構(gòu)為平臺的芯片技術(shù)，包括與其它工藝技術(shù)的結(jié)合，比如表面粗化，三維芯片等，將使LED效率提升到一個新的臺階。不論是何種工藝，結(jié)構(gòu)和技術(shù)，最終由它們的性價比決定是否繼續(xù)引領(lǐng)LED的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

另外值得注意的還有三維芯片，Side emitting芯片，AC芯片，以及NBP芯片等新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)，他們有可能帶來芯片的技術(shù)革命。

當(dāng)然，半導(dǎo)體照明LED芯片技術(shù)是一個涉及理論設(shè)計、外延和芯片工藝的系統(tǒng)化技術(shù)，除了薄膜芯片技術(shù)之外，當(dāng)前世界范圍內(nèi)針對照明級LED芯片技術(shù)的開發(fā)，主要可以歸結(jié)為以下一些技術(shù)路線:1)非極性襯底、半極性襯底的外延材料生長;2)量子點、量子線有源層設(shè)計和外延生長;3)光子晶體、準(zhǔn)光子晶體應(yīng)用于芯片取光技術(shù);4)交流電發(fā)光二極管(AC-LED)。