LED半導(dǎo)體照明外延及芯片技術(shù)的現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2013-11-29

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 自上世紀(jì)90年代初中村修二發(fā)明高亮度藍(lán)光LED以來(lái)，基于GaN基藍(lán)光LED和黃色熒光粉組合發(fā)出白光方式的半導(dǎo)體照明技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。迄今為止，商品化白光LED的光效已經(jīng)超過(guò)150 lm/W，而實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)超過(guò)了200 lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)白熾燈(15 lm/W)和熒光燈(80 lm/W)的水平。從市場(chǎng)看，LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顯示屏、液晶背光源、交通指示燈、室外照明等領(lǐng)域，并已經(jīng)開(kāi)始向室內(nèi)照明、汽車燈、舞臺(tái)燈光、特種照明等市場(chǎng)滲透，未來(lái)有望全面替換傳統(tǒng)光源。

　　半導(dǎo)體照明光源的質(zhì)量和LED芯片的質(zhì)量息息相關(guān)。進(jìn)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(shù)發(fā)展的目標(biāo)。現(xiàn)將LED材料和芯片的關(guān)鍵技術(shù)及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做如下梳理：

　　一、材料外延

　　1. 外延技術(shù)

　　金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)是生長(zhǎng)LED的主流技術(shù)。近年來(lái)，得益于MOCVD設(shè)備的進(jìn)步，LED材料外延的成本已經(jīng)明顯的下降。目前市場(chǎng)上主要的設(shè)備提供商是德國(guó)的Aixtron和美國(guó)的Veeco。前者可提供水平行星式反應(yīng)室和近耦合噴淋頭式反應(yīng)室兩種類型的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省原料、生長(zhǎng)得到的LED外延片均勻性好。后者的設(shè)備利用托盤(pán)的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生層流，其優(yōu)點(diǎn)在于維護(hù)簡(jiǎn)單、產(chǎn)能大。除此以外，日本酸素生產(chǎn)專供日本企業(yè)使用的常壓MOCVD，可以獲得更好的結(jié)晶質(zhì)量。美國(guó)應(yīng)用材料公司獨(dú)創(chuàng)了多反應(yīng)腔MOCVD設(shè)備，并已經(jīng)開(kāi)始在產(chǎn)業(yè)界試用。

　　未來(lái)MOCVD設(shè)備的發(fā)展方向包括：進(jìn)一步擴(kuò)大反應(yīng)室體積以提高產(chǎn)能，進(jìn)一步提高對(duì)MO源、氨氣等原料的利用率，進(jìn)一步提高對(duì)外延片的在位監(jiān)控能力，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的控制以提升對(duì)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(zhì)襯底，GaN基LED一般生長(zhǎng)在藍(lán)寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底之上。發(fā)展至今，藍(lán)寶石已經(jīng)成為性價(jià)比最高的襯底，使用最為廣泛。由于GaN的折射率比藍(lán)寶石高，為了減少?gòu)腖ED出射的光在襯底界面的全發(fā)射，目前正裝芯片一般都在圖形襯底上進(jìn)行材料外延以提高光的散射。常見(jiàn)的圖形襯底圖案一般是按六邊形密排的尺寸為微米量級(jí)的圓錐陣列，可以將LED的光提取效率提高至60%以上。同時(shí)也有研究表明，利用圖形襯底并結(jié)合一定的生長(zhǎng)工藝可以控制GaN中位錯(cuò)的延伸方向從而有效降低GaN外延層的位錯(cuò)密度。在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)圖形襯底依然是正裝芯片采取的主要技術(shù)手段。

　　未來(lái)圖形襯底的發(fā)展方向是向更小的尺寸發(fā)展。目前，受限于制作成本，藍(lán)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(jìn)行制作，尺寸只能做到微米量級(jí)。如能進(jìn)一步減小尺寸至和光波長(zhǎng)可比擬的百nm量級(jí)，則可以進(jìn)一步提高對(duì)光的散射能力。甚至可以做成周期性結(jié)構(gòu)，利用二維光子晶體的物理效應(yīng)進(jìn)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(chǎn)業(yè)界中仍以2英寸藍(lán)寶石襯底為主流，某些國(guó)際大廠已經(jīng)在使用3英寸甚至4英寸襯底，未來(lái)有望擴(kuò)大至6英寸襯底。襯底尺寸的擴(kuò)大有利于減小外延片的邊緣效應(yīng)，提高LED的成品率。但是目前大尺寸藍(lán)寶石襯底的價(jià)格依然昂貴，且擴(kuò)大襯底尺寸后相配套的材料外延設(shè)備和芯片工藝設(shè)備都要面臨升級(jí)，對(duì)廠商而言是一項(xiàng)不小的投入。