Cree解讀LED半導(dǎo)體照明外延及芯片技術(shù)的最新進(jìn)展

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，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150lm/W，而實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)超過了200lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)白熾燈（15lm/W）和熒光燈（80lm/W）的水平。從市場看，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)開始向室內(nèi)照明、汽車燈、舞臺(tái)燈光、特種照明等市場滲透，未來有望全面替換傳統(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)?，F(xiàn)將LED材料和芯片的關(guān)鍵技術(shù)及其未來的發(fā)展趨勢做如下梳理：

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LED的主流技術(shù)。近年來，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。目前市場上主要的設(shè)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(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、生長得到的LED外延片均勻性好。后者的設(shè)備利用托盤的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生層流，其優(yōu)點(diǎn)在于維護(hù)簡單、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)開始在產(chǎn)業(yè)界試用。

未來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MO源、氨氣等原料的利用率，進(jìn)一步提高對外延片的在位監(jiān)控能力，進(jìn)一步優(yōu)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(zhì)襯底，GaN基LED一般生長在藍(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，為了減少從LED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可比擬的百nm量級(jí)，則可以進(jìn)一步提高對光的散射能力。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，某些國際大廠已經(jīng)在使用3英寸甚至4英寸襯底，未來有望擴(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)，對廠商而言是一項(xiàng)不小的投入。

（3）SiC襯底

SiC襯底和GaN基材料之間的晶格失配度更小，事實(shí)證明在SiC上生長獲得的GaN晶體質(zhì)量要略好于在藍(lán)寶石襯底上的結(jié)果。但是SiC襯底尤其是高質(zhì)量的SiC襯底制造成本很高，故鮮有廠商用于LED的材料外延。但是美國Cree公司憑借自身在高質(zhì)量SiC襯底上的制造優(yōu)勢，成為業(yè)內(nèi)唯一一個(gè)只在SiC襯底上生長LED的廠商，從而避開在藍(lán)寶石襯底上生長GaN的專利壁壘。目前SiC襯底的主流尺寸是3英寸，未來有望拓展至4英寸。SiC襯底相比藍(lán)寶石襯底更適合于制作GaN基電子器件，未來隨著寬禁帶半導(dǎo)體功率電子器件的發(fā)展，SiC襯底的成本有望進(jìn)一步降低。

（4）Si襯底

Si襯底被看作是降低LED外延片成本的理想選擇，因?yàn)槠浯蟪叽纾?寸、12寸）襯底發(fā)展得最為成熟。但是，由于晶格失配和熱失配太大，難于控制，基于Si襯底的LED材料質(zhì)量相對較差，且成品率偏低，所以目前市場上基于Si襯底的LED產(chǎn)品十分少見。目前在Si上生長LED主要采用以6英寸以下的襯底為主，考慮成品率因素，實(shí)際LED的成本和基于藍(lán)寶石襯底的相比不占優(yōu)勢。和SiC襯底一樣，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和廠商更加青睞在Si襯底上生長電子器件而不是LED。未來Si襯底上的LED外延技術(shù)應(yīng)該瞄準(zhǔn)8英寸或12英寸這種更大尺寸的襯底。

（5）同質(zhì)襯底

正如前面提到的，目前LED的外延生長依然是以異質(zhì)襯底的外延為主。但是晶格匹配和熱匹配的同質(zhì)襯底依然被看作提高晶體質(zhì)量和LED性能的最終解決方案。最近幾年，隨著氫化物氣相沉積（HVPE）外延技術(shù)的發(fā)展，大面積GaN基厚襯底制作技術(shù)得到了重視，其制作方法一般為采用HVPE在異質(zhì)襯底上快速生長獲得數(shù)十至數(shù)百微米厚的GaN體材料，再采用機(jī)械、化學(xué)或物理手段將厚層GaN薄膜從襯底上剝離下來，利用此GaN厚層作為襯底，進(jìn)行LED外延。日本三菱公司和住友公司已經(jīng)可以提供GaN基襯底的產(chǎn)品，但是價(jià)格昂貴，對于一般LED的生長不劃算。主要是用于激光器的制造或者非極性/半極性面LED的研究。美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）中村小組在非極性/半極性面LED研制方面做出了許多開創(chuàng)性和代表性的工作。非極性/半極性面LED可以規(guī)避傳統(tǒng)c面LED中存在的極化效應(yīng)問題，從而進(jìn)一步提升LED尤其是長波長可見光LED的效率。但是高質(zhì)量的非極性/半極性面LED必須依賴同質(zhì)襯底，而非極性/半極性面的GaN襯底離實(shí)用化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。此外，日本、波蘭、美國等一些學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)也在嘗試使用堿金屬熔融法、氨熱法等手段在高壓和中溫條件下制造GaN塊狀晶體，但是目前都尚處于研究階段。

3.外延結(jié)構(gòu)及外延技術(shù)

（1）Droop效應(yīng)

經(jīng)過若干年的發(fā)展，LED的外延層結(jié)構(gòu)和外延技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其內(nèi)量子效率最高可達(dá)90%以上。但是，近幾年隨著大功率LED芯片的興起，LED在大注入下的量子效率下降引起了人們的廣泛關(guān)注，該現(xiàn)象被形象地稱為Droop效應(yīng)。對產(chǎn)業(yè)界而言，解決Droop效應(yīng)可以在保證功率的前提下進(jìn)一步縮小芯片尺寸，達(dá)到降低成本的目的。對學(xué)術(shù)界而言，Droop效應(yīng)的起因是吸引科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電材料，GaN基LED的Droop效應(yīng)起因十分復(fù)雜，相應(yīng)也缺乏有效的解決手段。研究人員經(jīng)過探索，比較傾向的幾個(gè)原因分別是：載流子的解局域化、載流子從有源區(qū)的泄漏或溢出、以及俄歇復(fù)合。雖然具體的原因還不明晰，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用較寬的量子阱以降低載流子的密度和優(yōu)化p型區(qū)的電子阻擋層都是可以緩解Droop效應(yīng)的手段。

（2）量子阱有源區(qū)

InGaN/GaN量子阱有源區(qū)是LED外延材料的核心，生長InGaN量子阱的關(guān)鍵是控制量子阱的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)的影響。常規(guī)的生長技術(shù)包括：多量子阱前生長低In組分InGaN預(yù)阱釋放應(yīng)力并充當(dāng)載流子蓄水池，升溫生長GaN壘層以提高壘層的晶體質(zhì)量，生長晶格匹配的InGaAlN壘層或生長應(yīng)力互補(bǔ)的InGaN/AlGaN結(jié)構(gòu)等。量子阱的數(shù)量沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界使用的量子阱數(shù)從5個(gè)到15個(gè)都有，最終效果差別不大，阱數(shù)較少的LED在小注入下的效率更高，而阱數(shù)較多的LED在大注入下的效率更高。

（3）p型區(qū)

GaN的p型摻雜是早期困擾LED制作的重要瓶頸之一。這是因?yàn)榉枪室鈸诫s的GaN是n型，電子濃度在1×1016cm-3以上，p型GaN的實(shí)現(xiàn)比較困難。目前為止最成功的p型摻雜劑是Mg，但是依然面臨高濃度摻雜造成的晶格損傷、受主易被反應(yīng)室中的H元素鈍化等問題。中村修二在日亞公司發(fā)明的氧氣熱退火方法簡單有效，是廣泛使用的受主激活方法，也有廠商直接在MOCVD外延爐內(nèi)用氮?dú)庠谖煌嘶鸺せ?。日亞公司的p-GaN質(zhì)量是最好的，可能和常壓MOCVD生長工藝相關(guān)。此外，也有一些利用p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格來提高空穴濃度的報(bào)道。盡管如此，p-GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和n-GaN的電子相比差別依然很大，這造成了LED載流子注入的不對稱。一般須在量子阱靠近p-GaN一側(cè)插入p-AlGaN的電子阻擋層。但AlGaN和量子阱區(qū)之間極性的失配被認(rèn)為是造成載流子泄漏的主要原因，因此近期也有一些廠商嘗試采用p-InGaAlN進(jìn)行替代。

4.無熒光粉單芯片白光LED

現(xiàn)有白光LED主要采用藍(lán)光LED加黃色熒光粉的方式組合發(fā)出白光，這種白光典型的顯色指數(shù)不高，尤其是對于紅色和綠色的再現(xiàn)能力較弱。此外，熒光粉也面臨諸如可靠性差、損失效率等問題。完全依賴InGaN材料作為發(fā)光區(qū)在單一芯片中實(shí)現(xiàn)白光從理論上是可行的。近年來，國內(nèi)外的一些高校和研究機(jī)構(gòu)也都開展了相關(guān)研究。比較有代表性的是中科院物理所陳弘小組利用InGaN量子阱中In的相分離實(shí)現(xiàn)了高In組分InGaN黃光量子點(diǎn)，和藍(lán)光量子阱組合發(fā)出白光。但是該白光的顯色指數(shù)還比較低。無熒光粉單芯片白光LED是很具吸引力的發(fā)展方向，如果能實(shí)現(xiàn)高效率和高顯色指數(shù)，將會(huì)改變半導(dǎo)體照明的技術(shù)鏈。

5.其他顏色LED

GaN基藍(lán)光LED的外量子效率已超過60%，這意味著藍(lán)光LED器件已經(jīng)相對成熟。因此，人們開始把眼光投向氮化物材料能夠覆蓋的其他波段。傳統(tǒng)的III-V族半導(dǎo)體制作紅外和紅光波段的發(fā)光器件已經(jīng)十分成熟，所以對氮化物而言發(fā)展綠光和紫外光LED顯得更有意義。

（1）綠光LED

綠光波段是目前可見光波段效率最低的，被稱作“GreenGap”。InGaN在綠光波段效率低下的原因是因?yàn)镮n組分較高和量子阱較寬引起的極化效應(yīng)變得更強(qiáng)。前面提到的生長非極性/半極性面LED是提高綠光LED效率的有效方法，但是受限于同質(zhì)襯底目前還不具實(shí)用性。近期，德國Osram公司的研究人員重點(diǎn)研究了光泵結(jié)構(gòu)的LED。他們采用藍(lán)光LED作為泵浦源激發(fā)綠光InGaN/GaN多量子阱，得到的綠光LED在350mA下峰值波長為535nm，流明效率為127lm/W，高于直接將載流子注入綠光MQW的LED。

（2）紫外LED

紫外光在固化、殺菌、預(yù)警、隱蔽通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的紫外光源都是真空器件。氮化物材料是最適合制作紫外光LED的材料系，但是由于位錯(cuò)密度高，同時(shí)發(fā)光區(qū)為AlGaN（不含In，無法利用InGaN發(fā)光效率對位錯(cuò)不敏感的優(yōu)勢），GaN基紫外LED尤其是深紫外LED（波長280nm以下）的效率還很低。日本的Riken研究所和美國南加州大學(xué)的ArifKhan小組是研究深紫外LED的先鋒。Riken可以將深紫外LED的外量子效率做到3.8%，輸出功率達(dá)30mW。

二、芯片工藝

1.正裝芯片

正裝芯片是目前市場上使用最多的芯片，日本日亞公司是該技術(shù)路線的典型代表。它一般是在藍(lán)寶石圖形襯底上生長LED材料，從表面p-GaN出光，并在藍(lán)寶石背面蒸鍍一層反射膜。需將芯片的一部分區(qū)域干法刻蝕至n-GaN以制作共面電極。正裝芯片的結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，適合小功率工作。由于藍(lán)寶石襯底的散熱能力不強(qiáng)，正裝芯片大功率工作時(shí)會(huì)受到一些限制，但是日亞公司憑借其材料質(zhì)量上的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)了LED在高結(jié)溫下依然具有可觀的效率。其使用外量子效率84.3%的藍(lán)光LED正裝芯片封裝得到的白光LED在20mA下可實(shí)現(xiàn)249lm/W的光效；高功率白光LED在350mA電流下光效為183lm/W。正裝芯片的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）透明導(dǎo)電膜

目前產(chǎn)業(yè)界主要使用氧化銦錫（ITO）電極作為p-GaN表面的透明歐姆電極。ITO是在太陽能電池和液晶領(lǐng)域被廣泛使用的透明導(dǎo)電膜，在藍(lán)光區(qū)域有良好的透光性。另一方面，In元素在地球上的儲(chǔ)量不豐富，屬于稀有金屬。因此，人們開始尋找新的透明導(dǎo)電材料代替ITO，比較有代表性的是ZnO透明薄膜。ZnO也屬于寬禁帶半導(dǎo)體，對藍(lán)光透明。但是其穩(wěn)定性、接觸特性等與ITO相比還存在差距，因此產(chǎn)業(yè)界尚未開始使用。

（2）表面粗化

前面提到，藍(lán)寶石圖形襯底的使用增強(qiáng)了光在GaN和藍(lán)寶石界面處的散射，大幅提高了LED的光提取效率。在p-GaN表面或ITO電極表面也可制作相應(yīng)的粗糙化結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)光的散射。日亞公司的代表性技術(shù)之一，就是將ITO透明電極制作成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以利于光的出射。一些機(jī)構(gòu)也開始研究采用自組裝生長ITO納米線的方法在LED表面形成粗化結(jié)構(gòu)。此外，也有人嘗試采用干法刻蝕的方法在p-GaN上制作二維光子晶體結(jié)構(gòu)，利用光子晶體的禁帶實(shí)現(xiàn)藍(lán)光的全部出射。但是大面積均勻的光子晶體的制作十分困難，成本很高，且會(huì)對電特性造成一定破壞，因此在產(chǎn)業(yè)界使用不多。

（3）DBR反射器

DBR反射器主要用于蒸鍍在被減薄的藍(lán)寶石襯底背面，將原本從藍(lán)寶石背面出射的光反射至LED表面出射。早期的反射鍍膜使用Al、Au等金屬，但成本過高，目前較多使用的是由SiO2/TiO2介質(zhì)膜組成的DBR反射器。

2.垂直結(jié)構(gòu)芯片

垂直結(jié)構(gòu)芯片是目前高端LED芯片采用的主流技術(shù)路線。它是在p-GaN表面蒸鍍高反射率金屬歐姆電極并將LED倒扣焊接在Si或金屬熱沉上，然后把襯底剝離掉露出粗糙的n-GaN，在n-GaN表面制作歐姆電極，器件工作時(shí)電流垂直流過芯片。這種設(shè)計(jì)不損失制作共面電極時(shí)刻蝕掉的那一部分發(fā)光面積，且電流垂直流過芯片避免了橫向流動(dòng)的擁塞效應(yīng)，同時(shí)散熱能力變得很強(qiáng)，因此芯片在大功率條件下工作的性能很高。但是工藝步驟比較多，制作成本比正裝芯片要高。美國Cree公司是該技術(shù)路線的代表，已經(jīng)開始量產(chǎn)1W電功率下光效達(dá)200lm/W的白光LED器件（非傳統(tǒng)1×1mm2尺寸的芯片）。其關(guān)鍵的技術(shù)包括：

（1）襯底剝離

對于Si襯底，一般采用濕法腐蝕的方式去掉襯底即可。而對于藍(lán)寶石或者SiC襯底則一般采用激光剝離技術(shù)進(jìn)行分離，它是將紫外激光聚焦到襯底和LED的界面處，讓GaN吸收激光紫外的能量生成液態(tài)Ga和N2從而使襯底與GaN外延層分離。該技術(shù)可以一次剝離整片襯底，效率很高，但是需要盡可能避免激光對LED外延層造成的損傷。

（2）表面粗化

激光剝離后的n-GaN表面是粗糙的N極性面，將其浸泡于加熱的KOH溶液之中，KOH可以腐蝕GaN表面形成隨機(jī)排布的金字塔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)十分利于光的散射。該技術(shù)的專利掌握在UCSB中村小組手中，但許多廠商實(shí)際都在使用相同的技術(shù)。

3.倒裝芯片

藍(lán)寶石襯底是限制正裝LED芯片散熱的主要因素，美國Lumileds公司率先在業(yè)界開發(fā)了基于Si基熱沉的倒裝芯片結(jié)構(gòu)。它首先制備出具有適合共晶焊接電極的大尺寸LED芯片，同時(shí)制備出相應(yīng)尺寸的硅底板并在其上制作出供共晶焊接的金導(dǎo)電層及引出導(dǎo)電層，然后利用共晶焊接設(shè)備將大尺寸LED芯片倒扣后與硅底板焊接在一起，光從藍(lán)寶石襯底的背面出射，熱量通過電極焊料從Si基熱沉導(dǎo)走。這樣的結(jié)構(gòu)較為合理，即考慮了出光問題又考慮到了散熱問題，適合制作大功率LED。當(dāng)藍(lán)寶石襯底的激光玻璃技術(shù)發(fā)展起來后，曾經(jīng)一度認(rèn)為倒裝芯片是一種介于正裝芯片和垂直結(jié)構(gòu)芯片之間的過渡技術(shù)。在大多數(shù)企業(yè)放棄倒裝結(jié)構(gòu)的時(shí)候，Lumileds公司依然堅(jiān)持了這種技術(shù)路線，即使能夠?qū)⑺{(lán)寶石襯底剝離掉也還是保留了共面電極的設(shè)計(jì)。這種倒裝結(jié)構(gòu)在chiponboard（COB）技術(shù)發(fā)展起來以后又重新回歸到人們的視野中。COB技術(shù)是在陶瓷基板上采用印刷電路的方式制備出已經(jīng)設(shè)計(jì)好串并聯(lián)電路的若干芯片電極焊點(diǎn)，將LED倒裝芯片一顆顆依次焊接在board上實(shí)現(xiàn)大功率的器件。這種設(shè)計(jì)簡化了封裝，實(shí)現(xiàn)了大功率器件的小型化，為照明燈具的設(shè)計(jì)提供了便利。

4.高壓交/直流驅(qū)動(dòng)LED

單顆LED芯片工作于低壓直流狀態(tài)下，為了適用220V的市電，LED照明光源需要配套相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電源。但是將220V高壓變?yōu)?V左右低壓的電源轉(zhuǎn)換效率不夠高，同時(shí)壽命受限于電解電容，在實(shí)際使用中存在許多問題。在芯片層面實(shí)現(xiàn)多顆LED小芯片的串并聯(lián)可使得LED工作在更高的驅(qū)動(dòng)電壓下，主要有兩種思路。一種是利用LED作為二極管的整流特性，將多顆LED小芯片組成電橋結(jié)構(gòu)，直接采用220V交流電驅(qū)動(dòng)LED，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是省去了變壓器，但是每半個(gè)周期只有部分LED點(diǎn)亮，因此效率不高。另一種是將多顆LED小芯片串聯(lián)起來，采用高壓直流電驅(qū)動(dòng)。這種方式依然需要電源適配器，但是由于變壓后的電壓是幾十伏，所以驅(qū)動(dòng)電源的效率高，可靠性也高，相比傳統(tǒng)方式還是有所改善。因此，高壓直流驅(qū)動(dòng)LED芯片目前是韓國和臺(tái)灣廠商研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

以上對目前的LED材料外延和芯片工藝的關(guān)鍵技術(shù)以及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了概括。在各國企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的大力投入下，LED材料和芯片技術(shù)已經(jīng)比較成熟，芯片的光效已經(jīng)不再是限制LED照明應(yīng)用的主要瓶頸。半導(dǎo)體照明技術(shù)下一步的發(fā)展是在盡可能降低成本的同時(shí)提供比傳統(tǒng)照明更好的光色品質(zhì)和人眼舒適度。這對LED材料和芯片提出了新的要求，如果高效率和高顯色指數(shù)的無熒光粉單芯片白光LED能夠?qū)嵱没?，則無疑是對半導(dǎo)體照明技術(shù)的一項(xiàng)顛覆性革命。