半導(dǎo)體黃光發(fā)光二極管新材料新器件新設(shè)備

江風(fēng)益 劉軍林 張建立 徐龍權(quán) 丁杰 王光緒 全知覺 吳小明 趙鵬 劉苾雨 李丹 王小蘭 鄭暢達(dá) 潘拴 方芳 莫春蘭

(南昌大學(xué),國家硅基LED工程技術(shù)研究中心,南昌 330096)

1 引 言

歷經(jīng)57年發(fā)展,半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)紅橙黃綠青藍(lán)紫七彩光均研制成功,并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化,為人類提供了色彩繽紛的視覺盛宴和高效節(jié)能半導(dǎo)體光源,被廣泛應(yīng)用于照明、顯示、背光、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、通信等領(lǐng)域.對紅、黃、藍(lán)光LED和金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長方法做出開創(chuàng)性貢獻(xiàn)的Holonyak等七位專家,先后獲得美國總統(tǒng)技術(shù)發(fā)明獎和諾貝爾物理學(xué)獎.

七彩LED光功率效率(簡稱光效)發(fā)展很不平衡,其中在人眼對光最敏感的綠黃光區(qū)域的光效長期遠(yuǎn)低于藍(lán)/紫光和紅光,這一現(xiàn)象被稱為“綠/黃鴻溝”,致使高效白光LED照明不得不通過藍(lán)光激發(fā)熒光粉來實(shí)現(xiàn).這種“電-光-光”轉(zhuǎn)換技術(shù)方案是目前LED照明的主流技術(shù),為節(jié)能減排發(fā)揮了重要作用.但熒光粉在光光轉(zhuǎn)換過程中存在熱損耗大、光響應(yīng)很慢、光品質(zhì)與流明效率難以兼顧,在一定程度上制約了LED向高質(zhì)量照明和高速可見光通信等方向的快速發(fā)展.紅光LED的發(fā)明人Holonyak教授曾在2012年指出: “LED仍處于嬰兒期,因?yàn)闆]有人能把黃光做好…”.

關(guān)于黃光LED的研究,最早可追溯到1965年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Thomas和Hopfield[1]首次在摻氮的磷化鎵中觀察到黃光光致發(fā)光; 1971年,美國孟山都公司的Craford使用氣相外延(VPE)技術(shù),在GaAs襯底上制備了首只摻氮的磷砷化鎵PN結(jié)黃光LED器件,波長為570 nm,20 A/cm2電流密度下光效為0.01%左右[2]; 1990年,美國HP公司使用MOCVD技術(shù),在GaAs襯底上生長了鋁鎵銦磷雙異質(zhì)結(jié)黃光LED,波長為574 nm,30 A/cm2電流密度下光效達(dá)到0.5%[3]; 1994年,HP公司將AlGaInP黃光LED外延材料從吸光的GaAs襯底上轉(zhuǎn)移到透光性較好的GaP基板上,波長為571 nm,44 A/cm2電流密度下光效提升到1.3%[4,5]; 2008年,諾獎得主Nakamura所在的UCSB研究組,使用MOCVD技術(shù)在半極性GaN襯底上生長了InGaN單阱黃光LED,波長為562 nm,7 A/cm2電流密度下外量子效率達(dá)到13.4%[6],但電壓較高,光效僅為5.5%; 2013年,日本東芝公司使用MOCVD技術(shù),在藍(lán)寶石襯底上生長了InGaN黃光LED,波長為559 nm,9.5 A/cm2電流密度下外量子效率達(dá)到18.7%[7],同樣因電壓過高,光效僅為9.6%.

無論是AlGaInP還是InGaN材料體系,在黃光波段的表現(xiàn)長期差強(qiáng)人意.對于AlGaInP材料,在紅光波段光效很高,但隨著波長變短到黃光波段(570 nm附近),其能帶會由直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙[8],導(dǎo)致光效急劇下降,這屬于物理瓶頸,難以克服.而對于直接帶隙InGaN材料體系,最大的問題在于難以生長高質(zhì)量的InGaN量子阱材料,屬于技術(shù)瓶頸,可望通過材料結(jié)構(gòu)、生長方法、工藝技術(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)等方面的創(chuàng)新獲得突破.圖1給出了黃光LED光效過去53年的發(fā)展進(jìn)程,其中最新進(jìn)展是本文作者使用自制的MOCVD設(shè)備,在硅襯底上生長InGaN基LED所取得的突破,從而結(jié)束了長期缺乏高光效黃光LED的局面.

圖1 黃光LED光效發(fā)展歷程Fig.1.The efficiency development progress of yellow LEDs.

2 InGaN基黃光LED光效提升研究

InGaN基黃光LED量子阱中的In組分高達(dá)30%—35%,遠(yuǎn)超過藍(lán)光量子阱中約15%的In組分.高In組分會帶來諸多問題: 一方面,高In組分InGaN需要低生長溫度,外延層表面原子的遷移能力隨之變差,導(dǎo)致外延層表面粗糙,造成阱壘界面模糊、量子阱厚度不一以及In組分分布不均勻; 同時,氨氣的裂解能力會隨著生長溫度的降低而下降,導(dǎo)致InGaN黃光量子阱材料氮空位增多;另一方面,InN與GaN的互溶度較低[9],僅為6%,外延生長In組分高達(dá)30%的黃光量子阱時,通常會出現(xiàn)In偏析,即相分離; 此外,GaN材料的一些固有特性,如強(qiáng)極化、低空穴濃度也對黃光LED光效提升帶來很大困難; 在硅襯底上生長InGaN黃光LED,還面臨著外延膜龜裂、高位錯密度等問題.由此可見,InGaN基黃光LED光效長期低下的原因是多方面因素綜合作用的結(jié)果,很難簡單地通過某個單元技術(shù)的突破而實(shí)現(xiàn)整體器件光效大幅提升.

2.1 黃光LED材料結(jié)構(gòu)

圖2(a)為本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的GaN/Si基LED材料結(jié)構(gòu)示意圖,襯底是網(wǎng)格化圖形Si(111),厚度1 mm.為了防止Si,Ga互溶,首先在Si襯底上生長一層100 nm厚的AlN緩沖層; 然后利用GaN與AlN之間的晶格失配在AlN上生長三維島狀GaN,再改變生長條件形成GaN側(cè)向外延將島合并成平面,降低外延層位錯密度.隨后生長較低位錯密度的n-GaN主層,起載流子輸運(yùn)和擴(kuò)展作用.為了降低InGaN黃光量子阱所受壓應(yīng)力和提高阱材料質(zhì)量,在n-GaN與有源層量子阱之間生長了三段In組分逐步提升的5 nm-InxGa1－xN/2 nm-GaN超晶格結(jié)構(gòu)作為應(yīng)力準(zhǔn)備層; 接著生長了8個周期的2.5 nm-In0.3Ga0.7N/13.5 nm-GaN多量子阱.在應(yīng)力準(zhǔn)備層與多量子阱層中,沿著位錯線會生成六角錐狀的空洞,即V坑.多量子阱之后生長10 nm-Al0.2Ga0.8N作為電子阻擋層(EBL),以及50 nm高摻p-GaN作為空穴注入層,然后將V坑合并填平,再生長180 nm低摻p-GaN層作為空穴擴(kuò)展輸運(yùn)層,最后生長20 nm高摻的p-GaN層用于制作歐姆接觸.其MOCVD在線生長曲線見圖2(b),相關(guān)外延層的厚度、組分與摻雜見二次離子質(zhì)譜(secondary ion mass spectroscopy,SIMS)曲線(圖7).

2.2 GaN/Si基材料一種選區(qū)生長方法

硅襯底GaN(GaN/Si)基LED材料及器件研發(fā)工作已歷時46年.1973年IBM申請了第一份GaN/Si發(fā)明專利[10],之后眾學(xué)者一直在探索器件級材料的生長技術(shù)[11-18].但由于GaN/Si存在巨大的熱膨脹系數(shù)失配(46%)和晶格常數(shù)失配(17%),導(dǎo)致GaN/Si膜材料產(chǎn)生無規(guī)則裂紋和過高的位錯密度,無法用來制造實(shí)用化器件.本團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了GaN/Si材料的一種選區(qū)生長方法[19],把硅襯底分成尺寸與芯片相同的一個個獨(dú)立單元,化整為零,消除了GaN/Si材料整片應(yīng)力集中效應(yīng),使芯片工作區(qū)無裂紋,如圖3所示,即在襯底上人為制造有規(guī)則的裂紋(即網(wǎng)格,凸或凹)以替代不規(guī)則的裂紋,解決了因材料龜裂而無法制造芯片問題,獲得了器件級GaN/Si材料,其X射線衍射(XRD)半高寬(002)343弧秒和(102)520弧秒的結(jié)果[20],被評價(jià)為當(dāng)時最好結(jié)果[21].在此基礎(chǔ)上,2004年研制成功達(dá)到實(shí)用化水平的GaN/Si基藍(lán)光LED[20].本方法在解決了外延膜龜裂的前提下,不需要Al組分漸變、多層AlGaN應(yīng)力調(diào)節(jié)層,有利于提高量子阱波長均勻性; 同時,保持了外延膜受張應(yīng)力,提高了量子阱材料的生長溫度[22],是生長高質(zhì)量高銦組分黃光有源層的有效途徑.

圖2 GaN/Si基黃光LED(a)外延材料結(jié)構(gòu)示意圖;(b)外延生長在線干涉曲線Fig.2.(a)Schematic structure and(b)in-situ interference curve of GaN based yellow LED on Si substrate.

圖3 GaN/Si基LED外延材料網(wǎng)格化選區(qū)生長方法示意圖Fig.3.Schematic of grid patterned Si substrate with GaN film grown on it.

2.3 綜合過渡層

過高的位錯密度是GaN/Si技術(shù)面臨的另一大挑戰(zhàn).為了調(diào)控薄膜材料中的應(yīng)力和減少位錯密度,本團(tuán)隊(duì)發(fā)展了綜合過渡層結(jié)構(gòu)及其生長技術(shù)[23].首先在Si襯底上生長高溫AlN緩沖層,再在其上利用GaN與AlN晶格失配產(chǎn)生的壓應(yīng)力形成三維模式生長島狀GaN,然后利用無掩膜在線側(cè)向外延將GaN島合并,降低位錯密度,最后生長n-GaN主層.綜合過渡層結(jié)構(gòu)使GaN/Si材料質(zhì)量提升到新高度[24],其XRD(002)和(102)半高寬分別減小到325和342弧秒,位錯密度降低至5×108/cm2.

2.4 銦組分漸變超晶格應(yīng)力準(zhǔn)備層

In組分為30%的In0.3Ga0.7N黃光量子阱晶格常數(shù)約為0.3292 nm,而n型GaN的晶格常數(shù)為0.3189 nm,兩者失配度達(dá)3.2%.如果在n型GaN之上直接生長In0.3Ga0.7N,黃光量子阱受到巨大的壓應(yīng)力,會帶來多方面負(fù)面影響: 首先,壓應(yīng)力不利于量子阱中In的并入; 其次,晶格常數(shù)變化過大會導(dǎo)致量子阱中直接產(chǎn)生新的位錯; 第三,過大壓應(yīng)力會導(dǎo)致InGaN相分離[22],如圖4(a)所示,沒有應(yīng)力準(zhǔn)備層、直接在GaN上生長InGaN黃光量子阱,熒光顯微鏡下觀測到大量暗區(qū),表明該量子阱材料相分離非常嚴(yán)重; 此外,過大的壓電場對提升器件光效不利.基于上述因素,本團(tuán)隊(duì)在黃光多量子阱與n型GaN之間,設(shè)計(jì)了In組分適中的InGaN/GaN超晶格應(yīng)力準(zhǔn)備層,將晶格從較小的GaN過渡到較大的高In組分黃光量子阱,以緩解量子阱受到的壓應(yīng)力.實(shí)驗(yàn)觀測到,使用32個周期的5 nm-In0.1Ga0.9N/2 nm-GaN超晶格作為黃光LED的應(yīng)力準(zhǔn)備層,既能提高應(yīng)力弛豫效果,還能保持較高的材料質(zhì)量,如圖4(b)所示,插入應(yīng)力準(zhǔn)備層的黃光量子阱均勻性明顯改善,熒光顯微形貌中暗區(qū)基本消失,但仍可觀察到黃、綠光兩種相.

圖4 不同準(zhǔn)備層的黃光LED量子阱熒光顯微鏡形貌(a)無準(zhǔn)備層;(b)單一In組分超晶格準(zhǔn)備層;(c)三段In組分逐步提升的超晶格準(zhǔn)備層Fig.4.Fluorescent luminescence(FL)spectrometry of yellow LED quantum well:(a)Without prestrained layer;(b)with fixed indium content prestrained SLS layers;(c)with three steps of increased indium content prestrained SLS layers.

為了進(jìn)一步釋放量子阱所受壓應(yīng)力、改善材料質(zhì)量,本文設(shè)計(jì)了三段漸變式準(zhǔn)備層,將原來單一組分的In0.1Ga0.9N/GaN超晶格準(zhǔn)備層,在保持總厚度不變的情況下,變?yōu)榻M分逐步提升的三段In0.04Ga0.96N/GaN ,In0.08Ga0.92N/GaN ,In0.16Ga0.84N/GaN超晶格準(zhǔn)備層.如圖4(c)所示,采用漸變式超晶格準(zhǔn)備層結(jié)構(gòu)的黃光量子阱,熒光顯微形貌中暗區(qū)消失,僅觀察到單一黃光相,從而有效解決了InGaN黃光量子阱相分離問題.

2.5 V形三維PN結(jié)

第二代半導(dǎo)體磷化物與砷化物發(fā)光材料對晶體質(zhì)量要求非常高,否則器件光效低; 而第三代半導(dǎo)體氮化物在位錯密度高達(dá)1×109/cm2時,藍(lán)光LED的光效仍能超過60%,其中的機(jī)理一直未有定論,直到V坑的概念被提出[25].V坑是GaN外延材料中沿著位錯線形成的一種六棱錐狀體缺陷,因其截面形狀像“V”字而得名,也被稱作V型缺陷或V-pits.圖5(a)為本文黃光LED量子阱中的V坑截面透射電鏡(TEM)圖.傳統(tǒng)器件物理認(rèn)為,位錯對器件性能是負(fù)面的; 在GaN基LED的發(fā)展初期,V坑也是被敬而遠(yuǎn)之; 但是隨著認(rèn)識的深入,發(fā)現(xiàn)V坑側(cè)壁量子阱較平臺量子阱厚度薄、In組分低,V坑量子阱禁帶寬度大于平臺量子阱,即載流子在位錯附近的勢壘較高,從而有效屏蔽位錯[26],使得氮化物在高位錯密度下仍能保持較高的光效.

圖5 (a)含有V坑的黃光LED多量子阱結(jié)構(gòu)透射電鏡圖;(b)V坑增強(qiáng)空穴注入示意圖;(c)室溫20 A/cm2下黃光LED外量子效率以及電壓隨V坑深度變化曲線Fig.5.(a)TEM image of yellow MQWs structure with V-pits;(b)schematic of hole injection enhancement by V-pits;(c)dependence of external quantum efficiency and voltage on V-pits size of yellow LED with 20 A/cm2 at room temperature.

本團(tuán)隊(duì)觀察到含有V型坑的LED結(jié)構(gòu)在低溫下V型坑側(cè)壁量子阱的電致發(fā)光現(xiàn)象,表明存在載流子從V坑側(cè)壁注入[27]; 通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)[28-30],空穴注入到平臺量子阱時,從V型坑側(cè)壁方向的勢壘小于從垂直樣品表面方向,即空穴優(yōu)先從V型坑側(cè)壁注入到平臺量子阱,也就是說,V型三維PN結(jié)增強(qiáng)了空穴注入效果[31],如圖5(b)所示.從圖5(a)樣品的TEM譜可知,多量子阱之后的電子阻擋層P-AlGaN,其厚度在平臺有10 nm、在V型坑側(cè)壁不到2 nm,這種差異進(jìn)一步增強(qiáng)空穴優(yōu)先從V型坑側(cè)壁注入到平臺量子阱.

本文實(shí)驗(yàn)研究了V坑尺寸對黃光LED性能的影響,如圖5(c)所示,隨著V坑尺寸的加大,外量子效率先增大后減小,其光效最佳處對應(yīng)的V坑深度約為150 nm(樣品位錯密度為5×108/cm2).具有增強(qiáng)空穴注入功能的V型坑的尺寸和平臺發(fā)光量子阱有效體積成反比,V坑尺寸越大、平臺量子阱區(qū)域有效發(fā)光體積越小,反之亦然.因此,V坑尺寸有一最佳值.工作電壓隨著V型坑深度的加大而一直下降,源自V型坑對空穴注入的增強(qiáng).

2.6 黃光LED專用材料生長設(shè)備

1976年,Dupuis開創(chuàng)性地引入MOCVD技術(shù)生長高質(zhì)量半導(dǎo)體薄膜材料和器件.此后,MOCVD方法很快成為研究和生產(chǎn)半導(dǎo)體薄膜材料及光電子器件非常有效的技術(shù)手段.生長高質(zhì)量InGaN黃光材料是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性課題.藍(lán)光、綠光和黃光的InGaN量子阱中銦組分分別約為15%,25%和30%,波長越長發(fā)光阱所受到的壓應(yīng)力越大,越容易引起相分離,電子空穴分離也越嚴(yán)重,對載流子復(fù)合發(fā)光越不利.目前國內(nèi)外市場上其他單位的MOCVD設(shè)備能有效生長藍(lán)綠光InGaN材料,但生長高質(zhì)量高銦組分InGaN黃光材料未見取得重要突破.

2015年,作者使用在2004年為生長氧化鋅自行發(fā)明的氣體輸運(yùn)同軸套管結(jié)構(gòu)噴頭專利[32],如圖6所示,研制成功高銦組分InGaN黃光專用MOCVD設(shè)備(研究型和生產(chǎn)型兩種).本設(shè)備設(shè)計(jì)MO源從內(nèi)徑很小的同軸套管內(nèi)管輸運(yùn),大幅提高了MO源的流速,顯著減少了記憶效應(yīng),獲得了陡峭的高銦組分量子阱界面,并提升了黃光量子阱銦鎵氮材料生長溫度.圖7為基于本設(shè)備生長的GaN/Si基黃光LED材料SIMS結(jié)果,清晰地表明了各層界面陡峭.本設(shè)備已在企業(yè)成功應(yīng)用于批量生產(chǎn)高光效黃光LED外延材料.

圖6 發(fā)明的專用MOCVD設(shè)備反應(yīng)管氣體輸運(yùn)結(jié)構(gòu)-同軸套管噴頭示意圖Fig.6.The showerhead structure of self-designed MOCVD for yellow LED.

圖7 自制MOCVD設(shè)備生長的黃光LED材料的SIMS曲線Fig.7.SIMS profile of yellow LED structure grown by selfdesigned MOCVD.

2.7 黃光LED芯片結(jié)構(gòu)

GaN/Si基黃光LED芯片結(jié)構(gòu)如圖8所示.硅對可見光吸收強(qiáng),外延材料必須從原有硅襯底上剝離并轉(zhuǎn)移到新的高反射基板上,才能獲得高出光效率,該過程也稱薄膜轉(zhuǎn)移.在薄膜轉(zhuǎn)移發(fā)光芯片制造過程中,本團(tuán)隊(duì)發(fā)明和發(fā)展了互補(bǔ)電極、高反射低電阻p電極、表面粗化,雙面鈍化等芯片結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù),獲得了高取光效率、良好的電流擴(kuò)展和導(dǎo)熱能力、高可靠性的垂直結(jié)構(gòu)LED芯片[33,34].

圖8 黃光LED芯片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8.Schematic chip structure of the yellow LED.

2.8 黃光LED器件結(jié)果

表1是研制的黃光LED器件在570 nm附近三組不同波長的光電性能結(jié)果,電源為Keithley Instruments 2635A,光譜儀為Instrument Systems CAS140CT,測量方式為穩(wěn)態(tài)電流.

20 A/cm2電流密度下,波長560,565,570 nm的黃光LED光效分別為29.5%,26.7%,23.6%,較之前國外文獻(xiàn)報(bào)道的最好水平9.5 A/cm2下559 nm光效9.6%有了大幅提升,對應(yīng)的流明效率分別為182,164,139 lm/W,達(dá)到照明實(shí)用水平.低電流密度下(1 A/cm2),波長571,577,582 nm的黃光LED光效分別高達(dá)47.9%,42.8%,38.8%,對應(yīng)的流明效率分別為283,248,200 lm/W,為今后研制黃光波段micro-LED打下了重要技術(shù)基礎(chǔ).圖9(a)給出了樣品B在不同電流密度下室溫電致發(fā)光光譜,其波長和半寬度隨電流發(fā)生改變; 樣品B在—5 V偏壓下,反向漏電流為1 nA.

表1 黃光LED器件(芯片1 mm2)室溫穩(wěn)流狀態(tài)電致發(fā)光結(jié)果Table 1. Electroluminescence results of yellow LEDs(size 1 mm2)at room temperature and continues wave mode.

樣品B在不同溫度、不同電流密度下的內(nèi)量子效率,如圖9(b)所示,其中采用了藍(lán)光LED器件內(nèi)量子效率測試常用的假設(shè),即低溫100 K小電流密度下LED的峰值效率為100%.在相同溫度下,內(nèi)量子效率均隨著電流密度的增大先升后降,這與經(jīng)典的LED內(nèi)量子效率模型吻合.內(nèi)量子效率隨著溫度升高整體下降,可歸結(jié)于缺陷隨著溫度升高被逐漸激活.室溫300 K時,樣品B的內(nèi)量子效率峰值為64.6%,說明其量子阱質(zhì)量較高;20 A/cm2電流密度下,內(nèi)量子效率下降至42.1%.相對藍(lán)光、綠光LED而言,黃光LED光效隨電流密度droop更為嚴(yán)重,20 A/cm2電流密度下IQE僅為其峰值的65%,而藍(lán)光、綠光LED對應(yīng)的比值約為90%,80%.黃光LED效率droop更嚴(yán)重主要?dú)w結(jié)于高In組分帶來更強(qiáng)的壓電場.根據(jù)樣品B在20 A/cm2電流密度下,光功率效率26.7%、外量子效率29.4%和內(nèi)量子效率42.1%,獲得了比較合理的芯片取光效率(70%),表明上述內(nèi)量子效率測試采用的假設(shè)相對有效.

2.9 高光效黃光LED的應(yīng)用

近幾年來,LED照明光健康問題被提上了議事日程,其中藍(lán)光危害問題在全球范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注.高光效黃光LED的出現(xiàn),為實(shí)現(xiàn)無藍(lán)光或少藍(lán)光的LED照明提供了技術(shù)支撐,給LED照明帶來了新活力.

基于本團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高光效硅襯底藍(lán)光(455 nm)、青光(490 nm)、綠光(530 nm)、黃光(570 nm)LED、和反極性紅光(629 nm)LED,我們研制出五基色白光LED,實(shí)現(xiàn)了少藍(lán)光、高顯指(97.5,R9=96.24)、低色溫(2941 K)、較高流明效率(121.3 lm/W)、無熒光粉、純LED照明,達(dá)到了實(shí)用水平,圖10(a)為其光譜圖.同時,本團(tuán)隊(duì)利用高光效黃光LED與紅光LED配色,研制了超低色溫(1761 K)、無藍(lán)光成分的金黃光LED光源,其光效達(dá)141.9 lm/W,光譜如圖10(b)所示; 開發(fā)了金黃光LED室內(nèi)氛圍臺燈和室外路燈并獲得應(yīng)用,如圖11所示.

圖9 黃光LED樣品B(a)室溫不同電流下發(fā)光光譜;(b)變溫變電流內(nèi)量子效率曲線Fig.9.Electroluminescence of 565 nm yellow LED:(a)The room temperature emission spectrum at different current;(b)the internal quantum efficiency at various temperature and current density.

圖10 無熒光粉LED照明光源電致發(fā)光光譜圖(a)藍(lán)、青、綠、黃、紅五基色白光LED;(b)黃、紅光組成的金黃光LEDFig.10.EL spectra of phosphor free LEDs:(a)Color mixing white LED with blue,cyan,green,yellow and red LEDs;(b)golden light LEDs with yellow and red LEDs.

圖11 金黃光LED照明應(yīng)用(a)戶外路燈(南昌市艾溪湖公園);(b)室內(nèi)氛圍臺燈Fig.11.Applications of golden light LEDs as(a)Outdoor street lights and(b)indoor atmosphere lamps.

經(jīng)光生物醫(yī)學(xué)研究觀測[35],金黃光LED室內(nèi)照明,未見抑制褪黑素分泌現(xiàn)象,還有降低干眼癥和紅眼癥的發(fā)生概率、加快受損皮膚愈合、促進(jìn)毛發(fā)再生等功效.金黃光LED室外路燈,兼有傳統(tǒng)高壓鈉燈色溫低、穿透能力強(qiáng)和熒光型LED路燈光效高、壽命長的優(yōu)點(diǎn).

3 總 結(jié)

本團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了GaN/Si基黃光LED材料生長與芯片制造關(guān)鍵工藝技術(shù)及有關(guān)機(jī)理: 發(fā)明了網(wǎng)格化選區(qū)生長方法,解決了GaN外延膜龜裂問題; 發(fā)展了綜合過渡層技術(shù),解決了GaN位錯密度過高問題; 設(shè)計(jì)了三段超晶格結(jié)構(gòu)應(yīng)力準(zhǔn)備層,解決了高In組分黃光量子阱相分離問題; 形成大V坑三維PN結(jié),增強(qiáng)了空穴注入,解決了氮化物空穴濃度不足的問題; 研制出GaN/Si基黃光LED材料專用MOCVD設(shè)備,提升了黃光LED材料發(fā)光性能; 發(fā)明了襯底轉(zhuǎn)移技術(shù)和互補(bǔ)電極結(jié)構(gòu),解決了襯底吸光和電極擋光問題.所研制和生產(chǎn)的黃光LED,在20 A/cm2驅(qū)動下波長560,565,570 nm光效分別達(dá)29.5%,26.7%,23.8%,對應(yīng)流明效率分別達(dá)182,164,139 lm/W,在1 A/cm2驅(qū)動下波長571,577,582 nm光效分別達(dá)47.9%,42.8%,38.8%,對應(yīng)流明效率分別達(dá)283,248,200 lm/W,從而結(jié)束了長期缺乏高光效黃光LED的局面.由此,開發(fā)了無需熒光粉轉(zhuǎn)換的、少藍(lán)光、五基色LED照明新光源和無藍(lán)光、超低色溫、金黃光LED照明光源,并應(yīng)用于戶外路燈和室內(nèi)氛圍燈,給半導(dǎo)體照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力.