通過先進(jìn)的基板和制造技術(shù)提高LED的效率性能

理論上，制造高亮度LED很容易。只需將n型和p型半導(dǎo)體粘合在一起，添加一個(gè)小的偏置電壓，并在光子流出時(shí)退回。然而，在實(shí)踐中，這些固態(tài)光源不是簡單的。先進(jìn)的材料和制造工藝匯集在一起，生產(chǎn)具有光輸出的奇特設(shè)備，這些設(shè)備在半年前就被認(rèn)為是幻想的。

盡管他們生產(chǎn)出令人印象深刻且高效的設(shè)備，但LED制造商并沒有滿足于他們的成就。 Cree，OSRAM和首爾半導(dǎo)體等領(lǐng)先的LED公司在材料科學(xué)和制造技術(shù)方面投入了數(shù)百萬美元，以進(jìn)一步提高其產(chǎn)品的性能。

當(dāng)代高亮度LED已經(jīng)受益于先進(jìn)的基板和制造技術(shù)，如碳化硅（SiC）和化學(xué)氣相沉積（CVD），明天的芯片將利用仍在滲透的圖案藍(lán)寶石等材料。實(shí)驗(yàn)室。本文將詳細(xì)介紹這些材料和工藝，并評(píng)估它們對(duì)商用LED性能的影響。

介意帶隙

由于發(fā)出的光的波長是用于形成結(jié)的n和p摻雜半導(dǎo)體的能帶隙的函數(shù)，因此工程師在制造材料的選擇上受到限制LED指示燈。選擇發(fā)射眼睛無法檢測(cè)到的光子的半導(dǎo)體幾乎沒有意義。

經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)和數(shù)以億計(jì)的研究資金，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮化銦鎵（InGaN） - 氮化鎵（GaN）和氮化銦（InN）的組合 - 是目前市場(chǎng)上最好的半導(dǎo)體產(chǎn)品 - 亮度LED?？梢酝ㄟ^改變GaN與InN的比率來控制InGaN的帶隙。例如，在“白色”LED中心使用的芯片在光譜的390到440納米部分（紫外線，紫藍(lán)色和藍(lán)色） 1 發(fā)射光子。然后通過與熒光粉相互作用將這些光子轉(zhuǎn)換成白光。然而，雖然InGaN在光子生成方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，但從批量生產(chǎn)的角度來看確實(shí)存在一些明顯的缺點(diǎn)。其中最主要的是，“生長”InGaN錠（與用于制造集成電路（IC）的硅不同）非常困難（因此也很昂貴）。錠對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)是有利的，因?yàn)樗鼈兛梢宰鳛榇缶衅图庸ぃ瑥亩鴮?dǎo)致更低成本的芯片。相反，制造商通常采用更便宜的工藝，通過稱為外延的工藝生長InGaN薄膜 - 在結(jié)晶襯底上沉積結(jié)晶覆蓋層。有幾種外延技術(shù)用于形成高亮度LED所需的InGaN層，但最常見的現(xiàn)代方法是金屬有機(jī)CVD（MOCVD）。

MOCVD是一個(gè)復(fù)雜的過程，但從基本的角度來說，反應(yīng)氣體被送入真空室并在原子水平上與基板結(jié)合并形成薄的結(jié)晶薄膜。

在MOCVD期間，沉積膜的晶體結(jié)構(gòu)試圖與襯底的晶體結(jié)構(gòu)取向。該取向的精確度取決于每種材料的晶格的相似性。不匹配的晶格導(dǎo)致沉積膜，而宏觀尺度上的塊狀晶體實(shí)際上充滿了微觀位錯(cuò)。

減少穿線位錯(cuò)

圖1顯示了商用高亮度LED結(jié)構(gòu)的簡化示意圖。

圖1：橫截面圖高亮度LED。

MOCVD工藝通過在藍(lán)寶石襯底上沉積連續(xù)的薄膜，建立LED的有源區(qū) - 夾在p-和n-接觸之間的多層 - 。藍(lán)寶石作為LED生產(chǎn)的基板具有許多優(yōu)點(diǎn)：它相對(duì)便宜;它被用作集成電路的基板，因此制造工藝已經(jīng)建立;它非常堅(jiān)硬耐用，是一種很好的絕緣體。

但是有一些缺點(diǎn)。一個(gè)這樣的缺點(diǎn)是藍(lán)寶石和InGaN之間的熱膨脹系數(shù)的不匹配，這可能導(dǎo)致所制造的模具的高應(yīng)力和破裂。然而，更大的缺點(diǎn)是InGaN和藍(lán)寶石的晶格之間的相對(duì)較大的不匹配（圖2）。不匹配 - 約14.8％ - 導(dǎo)致InGaN薄膜的微觀缺陷稱為穿透位錯(cuò)（圖3）。

圖2：藍(lán)寶石襯底和InGaN薄膜之間的晶格失配會(huì)產(chǎn)生穿透位錯(cuò)。 （由Cree提供。）

圖3：InGaN襯底中的穿線位錯(cuò)。

線性位錯(cuò)是提高LED效率的一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谶@些位置發(fā)生的電子和空穴之間的重組主要是“非輻射的”。換句話說，沒有發(fā)射可見光子。這是因?yàn)槲诲e(cuò)引入了超出設(shè)計(jì)者預(yù)期的帶隙的額外帶隙，因此不對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生具有波長在可見光譜部分中的光子的能量差。

或者，重組中發(fā)出的能量通過“聲子”的發(fā)射傳遞，“聲子”是引入晶格的振動(dòng)，不會(huì)增加芯片的發(fā)光度，但會(huì)產(chǎn)生不必要的熱量。由于與藍(lán)寶石襯底不匹配，InGaN遭受許多穿透位錯(cuò)，典型密度超過每平方厘米108個(gè)或更多。 2 更糟糕的是，穿透位錯(cuò)增加隨著LED年齡的增長，進(jìn)一步損害光度（參見TechZone文章“了解高亮度LED褪色的原因”）。

提高效率的動(dòng)力

由于其制造優(yōu)勢(shì)，大多數(shù)制造商已經(jīng)準(zhǔn)備好接受藍(lán)寶石帶來的螺紋位錯(cuò)折衷，同時(shí)通過關(guān)注LED性能的其他方面來提高產(chǎn)品的功效。例如，歐司朗的OSLON SSL等LED可以產(chǎn)生高達(dá)108 lm/W（350 mA），這是一種先進(jìn)的性能，同時(shí)在藍(lán)寶石襯底上制造。事實(shí)上，目前大多數(shù)領(lǐng)先制造商生產(chǎn)的高亮度LED超過90％均采用藍(lán)寶石襯底制造。 3

效果從改善LED性能的其他方面 - 例如載流子注入效率，光子提取和磷光體轉(zhuǎn)換效率 - 開始減少，LED制造商正在將注意力轉(zhuǎn)向替代基板。

其中一種替代方案是碳化硅（SiC）。與藍(lán)寶石一樣，SiC可以使用相當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造技術(shù)批量生產(chǎn)。它還具有與InGaN類似的熱膨脹系數(shù)的附加優(yōu)點(diǎn)，可以限制應(yīng)力積累和模具開裂。主要缺點(diǎn)是需要支付許可費(fèi)用的高成本和專利制造工藝。

Cree是一家領(lǐng)先的美國LED照明制造商，它可能也不足為奇地認(rèn)為它擁有許多制造專利 - 支持將SiC基板用于LED制造。該材料相對(duì)于藍(lán)寶石的主要優(yōu)勢(shì)是晶格結(jié)構(gòu)與InGaN更緊密地匹配。通過使用SiC，與InGaN的晶格失配減少到3.4％。 4 這種緊密匹配仍然不足以完全消除穿線缺陷（圖4），雖然缺陷密度顯著降低 - 比藍(lán)寶石低至少一個(gè)，有時(shí)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，但是顯著減少非輻射重組的數(shù)量，通過減慢褪色速度來提高效率并延長LED的使用壽命。

圖4：盡管在InGaN-on-SiC襯底內(nèi)仍然存在穿線缺陷，但與藍(lán)寶石上的InGaN相比，缺陷密度顯著降低。

Cree在SiC基板上生產(chǎn)許多LED產(chǎn)品。例如，XLamp XB-D系列基于該公司的“SC3”技術(shù)，該技術(shù)采用InGaN-on-SiC基板。 XLamp XB-D的效率高達(dá)136 lm/W（350 mA），在1A時(shí)可產(chǎn)生高達(dá)289 lm的電流。藍(lán)寶石和SiC都存在另一個(gè)明顯的缺點(diǎn)。 MOCVD工藝 - 由此在體晶體襯底上生長薄膜 - 促進(jìn)了極化形式的InGaN的產(chǎn)生。不幸的是，這種極化對(duì)LED的效率沒有任何幫助，因?yàn)楫?dāng)通過器件的電流增加時(shí)，它會(huì)在晶體中感應(yīng)出一個(gè)電場(chǎng)，開始排斥應(yīng)該結(jié)合釋放光子的電子和空穴。這被認(rèn)為是LED在低電流下表現(xiàn)出高效率的一個(gè)原因，但隨著電流的增加，功效“下降”（參見TechZone文章“識(shí)別LED效率下降的原因”）。

該解決方案由韓國LED制造商首爾半導(dǎo)體公司開發(fā)，概念簡單，但很難付諸實(shí)踐，使公司用了十年時(shí)間將該技術(shù)商業(yè)化。

首爾半導(dǎo)體公司的工程師所做的是通過避免外延和從頭開始生長大塊形狀的InGaN晶體來消除藍(lán)寶石上InGaN或SiC上的極化。不需要襯底，并且可以在優(yōu)選的方向上切割所得的塊狀晶體以使非極性最大化。

如前所述，增長的塊狀I(lǐng)nGaN非常困難且昂貴。然而，首爾半導(dǎo)體聲稱這是值得的，因?yàn)楹铣傻摹皀Pola”LED比同等的藍(lán)寶石/極性InGaN器件亮5到10倍。這意味著工程師可以在照明功能中使用更少的芯片，從而減少一些初始更高的成本（圖5）。

圖5：首爾半導(dǎo)體的nPola LED（右）比傳統(tǒng)設(shè)備更亮，因此燈具需要的更少。

這些“nPola”LED尚未用于商業(yè)用途，但很快就會(huì)推出。與此同時(shí)，首爾半導(dǎo)體確實(shí)提供了一系列最先進(jìn)的設(shè)備，如Z-Power P4 LED。這些芯片可在350 mA的正向電流下提供高達(dá)100 lm的電流。

增強(qiáng)藍(lán)寶石

盡管其更高的穿線缺陷數(shù)量以及它促使InGaN形成極性晶體的事實(shí)，藍(lán)寶石襯底仍然有很多生命。 LED制造商正在尋找最大化材料潛力的新方法。正在研究的一種技術(shù)是生產(chǎn)所謂的圖案化藍(lán)寶石。該技術(shù)在藍(lán)寶石晶片上以網(wǎng)格圖案形成一系列圓頂狀結(jié)構(gòu)（圖6）。然后以常規(guī)方式在藍(lán)寶石襯底的頂部上形成LED。

圖6：圓頂直徑約為3μm的圖案化藍(lán)寶石襯底間距約為2微米。

出于復(fù)雜的物理原因，事實(shí)證明，圖案化的基板能夠生成具有較少穿線缺陷的InGaN層，從而有助于提高LED的內(nèi)部量子效率（IQE）。 6 然而，IQE的改善實(shí)際上是微不足道的，圖案化藍(lán)寶石的主要增益是發(fā)射光子從LED中逸出的能力顯著提高（提取效率）

更高的圓頂放大了對(duì)提取效率的影響（圖7）。到目前為止，還沒有制造商為其商用設(shè)備采用圖案化的藍(lán)寶石襯底，但產(chǎn)品推出肯定只是時(shí)間問題。

圖7：作為正向電流的函數(shù)的不同藍(lán)寶石圖案高度的電致發(fā)光（EL）強(qiáng)度。