LED技术流变:来何处?去何往?

近年来,半导体照明功率型LED芯片技术的研究和开发得到长足的发展,半导体照明也将在未来几年内得到广泛的应用。在所有可实现半导体照明的相关材料中,氮化镓(GaN)基材料是最重要的,也是最有希望真正意义上实现半导体照明的材料。GaN基发光二极管LED材料与器件是当前研究开发和商业化的重点与热点。从国内外半导体照明功率型LED芯片技术的发展现状来看,薄膜结构芯片凭借其一系列优越性将会是未来照明级LED芯片技术发展的必然趋势,照明级LED芯片结构的发展将经历一个“正装结构倒装结构薄膜结构”的技术演变。

薄膜结构芯片与传统结构芯片的特点比较,可以看出薄膜结构芯片在发光效率、散热性和可集成性等方面有着传统芯片所不能比拟的优越性,这也是国际大厂争相布局和研发的初衷。Lumileds、Cree和Osram三家国际大厂所推出的全新薄膜结构产品,其中Cree的EZBright系列的封装白光器件可以达到186lm/W的发光效率,为目前世界范围内有报道的最佳水平。

近年来,为了提高发光效率,人们在LED的内量子效率的提高和取光效率在做了大量的研发工作。在外延和芯片技术领域取得了飞速的发展。

表面光学微结构

由于半导体材料和空气折射率差异很大,对没有封装的半导体发光芯片,针对单面发射平滑表面,由于非常强烈的内表面全反射导致芯片的外量子效率非常低。如半导体材料氮化镓的折射率2.5,空气的折射率为1,其内全反射临界角(从法线方向到界面方向)为23°,忽略背面和边缘出光,大约只有4%的光可以从芯片正面射出。虽然反射回去的光可以再反射回来,来回往复,再加上一部分光从侧面射出,其总的出光效率相比内量子效率仍非常低(约15%)。所以,芯片的出光效率几乎决定了半导体照明芯片的发光效率。通过化学腐蚀等方法使外延表面形成某种光学微结构(所谓粗化或图形),来减少全内反射的光,从而提升出光效率。粗化外延表面即粗化p-GaN表面可以通过电化学腐蚀光滑p-GaN表面或外延生长粗糙p-GaN获得。实验证明表面光学微结构能大幅提升LED的出光效率。通过降低p-GaN生长温度已成功实现了p-GaN层的无序粗化,提高GaN基蓝光芯片输出功率约50%,也解决了漏电参数不稳定,重复性差,并实现了批量生产。用粗化制成的正装大功率芯片其发光效率已达到近60 lm/W(350mA驱动,白色发光二极管)。

图形衬底技术

同样道理,通过图形化界面技术,也可以增加芯片的出光效率。同时通过使用图形衬底可以改善外延质量从而提升内量子效率。

图形衬底技术是在平面蓝宝石衬底上布置SiO2 或Si3N4基不连续几何图形后,通过横向外延生长,实现选择性外延来减少特定区域的位错密度,还能改光线入射到GaN与衬底之间界面的反射与投射角度,从而提升出光效率。图形化衬底外延片应用于倒装或垂直芯片相比于正装芯片具有更高的出光效率。

2006年日亚公司采用具六角形突起的图形化蓝宝石衬底外延片和ITO工艺制备的正装芯片发光效率达到138 lm/W(240umx420um,色温5450k,电光效率41.7%,正向电压3.11V,20mA),正装大功率芯片发光效率也达到92 lm/W。用图形化衬底外延片制备的芯片普遍存在漏电大、抗静电差等问题。

图形化衬底外延片和粗化外延表面技术是目前提升芯片发光效率最实用的两项技术。

宽光谱白光LED技术

宽光谱LED是通过能带工程和掺杂技术,使按次序先后叠加在一起的不同量子阱同时发出不同波长的光,或相同量子阱在不同的区域同时发出不同波长的光。当不同波长的光混合一起,并发射离开芯片表面时就构成可控的白色光源或其它颜色的光源。该技术可以避免使用荧光粉,达到单芯片白光的目的。宽光谱白光芯片也可实现较高的电光转换效率,可显著提高功率型白色发光二极管寿命,并且在色温、发射方向性、显色指数等发光品质方面有很大优势。

目前制备宽光谱白光芯片的原理和技术包括在量子阱区利用Si、Zn共掺杂,实现小电流下白光发射;利用两次外延蓝光和黄光量子阱实现白光;两次外延GaN基蓝光和AlGaInP基黄光结构产生白光等方法。在 SiO2条状狭缝中重生长产生的凸起GaN上形成的微现晶面(如0001,1122,1120)上可以生长出不同结构的InGaN量子阱,在光致激发条件下可同步产生黄、蓝双色光线而形成白光效果。另外一个得到宽光谱白光的重要方法是在GaN上生长x从1到0的In(x)Ga(1-x)N多量子阱结构,这样就可以得到接近于连续的白光。这项技术的难点是如何解决晶格与应力失配的问题。

对全波谱白光芯片的研究,目前的关键在于如何提高发光效率,以及评估采用各种波谱合成技术的实用性评估包括白光品质与特性等。总体技术水平和芯片品质离产业化仍存在较大距离。

垂直芯片技术

AlInGaP和GaN基二极管外延片所用的衬底分别为GaAs和蓝宝石,它们的导热性能都不够好。为了更有效的散热和降低结温,可通过去掉原来用于生长外延层的衬底,将外延层键合转移到导热性能良好的衬底上,如铜、铝、硅、氮化铝等。激光剥离技术早在几年就已被广泛研究,随着量产型GaN键合和剥离工艺设备的逐步成熟,经激光剥离蓝宝石衬底制备的垂直芯片已开始量产。垂直芯片上进行表面粗化处理也已实用。由于出光效率高、散热佳,用垂直芯片封装的白色发光二极管效率可达80 lm/W左右,但垂直芯片的制造成本,特别是良品率,是需要解决的问题。

倒装芯片技术

2007年前倒装焊作为主流技术,已广泛应用于大功率GaN基芯片(图5)。它可以避免电极焊点和引线对出光效率的影响,它可不必考虑NiAu欧姆接触层的透光性将其接触层兼反射层的厚度可增至250nm以上,改善了电流扩散性,银基反射膜又进一步提升正面出光效率。通过电极突点与散热良好的Si或陶瓷底板键合,芯片产生的大量热量可通过突点经由Si或陶瓷底板从支架上散去,大大改善了散热性。金属基全方位反射膜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。金属基全方位反射膜可有效提升出光效率但必须解决如何制备低阻欧姆接触,高的全方位反射率和在后续工艺过程中反射膜不会被损害而失去低阻高反射的特性等。倒装芯片的缺点是工艺步骤较多。

2008年在硅基衬底外延技术的突破和产业化预期将来有可能彻底改变是否建立在蓝宝石和SiC衬底基础上的外延,芯片和封装产业化制造体系。非极性外延、宽光谱量子阱外延技术和UV-LED外延技术若在2008年取得实质性进展,也会对半导体照明技术发展和产业结构产生巨大影响。

2008年是图形衬底进入全面产业化的一年,它对于光强和发光效率的提升起到了非常大的作用。随着量产型GaN键合和剥离等设备和工艺的逐步成熟,垂直结构芯片已开始进入量产,以垂直结构为平台的芯片技术,包括与其它工艺技术的结合,比如表面粗化,三维芯片等,将使LED效率提升到一个新的台阶。不论是何种工艺,结构和技术,最终由它们的性价比决定是否继续引领LED的产业发展。

另外值得注意的还有三维芯片,Side emitting芯片,AC芯片,以及NBP芯片等新结构和新技术,他们有可能带来芯片的技术革命。

当然,半导体照明LED芯片技术是一个涉及理论设计、外延和芯片工艺的系统化技术,除了薄膜芯片技术之外,当前世界范围内针对照明级LED芯片技术的开发,主要可以归结为以下一些技术路线:1)非极性衬底、半极性衬底的外延材料生长;2)量子点、量子线有源层设计和外延生长;3)光子晶体、准光子晶体应用于芯片取光技术;4)交流电发光二极管(AC-LED)。