LED发光新材料 探索LED上游技术发展趋势

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技术发展和工艺改进，使LED成本大幅度下降，推动了LED应用的全面发展。为进一步提升LED节能效果，全球相关单位均投入极大的研发力量，对LED性能、可靠性进行深入的研究开发，特别在LED衬底、外延、芯片的核心技术研究方面，已取得突破性成果。对LED发展提出了不同的技术路线和“终极目标”的技术方案，以及提出新的发光材料。为此，本文除简要描述半导体照明上游产业发展概况之外，也重点介绍了LED衬底、外延、芯片核心技术发展动态并探讨相关技术的发展趋势，以及降低外延、芯片成本的技术。     近几年LED技术发展迅速，衬底、外延及芯片核心技术取得突破性进展。本章节将对这些核心技术进行具体描述，并介绍发光新材料，进一步探索LED上游技术发展趋势。     1、图形化衬底     LED外延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS)，PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS，微米级PSS有各种形状图形，如正角形、梯形、圆形、椭圆形、半球形、三棱锥形、六棱锥形、火山口形等，图形高度一般1.1~1.6μm，圆直径2.5~3μm，周期约4μm，采用光微投影及电浆干式蚀刻技术，2″圆片的成品率为80%~93%，4″圆片为40%~70%，一般可提高光效30%~40%。nPSS一般采用纳米压印技术，图形大小约260nm，周期约460nm，一般可提高光效70%左右，正在采用纳米光微影(NIL)新技术，将会降低nPSS成本，并可适用大晶圆尺寸，为此介绍二种纳米级nPSS。     (1)nPSS衬底     nPSS采用纳米压印是接触式，对纳米模板及衬底平行度要求苛刻，脱模、排气及母版污染等是影响成品率的主要因素，该技术瓶颈将尽快突破，将成为2013年的主流，nPSS优点：LED更高发光效率，均匀性更好，成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm圆孔的六角形阵列，使绿光LED输出光功率是原来的三倍。     (2)纳米柱PSS     英国塞伦公司的新技术，在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术，形成表面的纳米柱。该纳米柱直径是几百纳米，在此衬底上外延生长可缓解应力85%，从而大幅度减少缺陷，在不增加成本情况下，可大幅提高发光亮度，LED光效的产业化水平可达200lm/W，并改善Droop效应，衰减减缓约30%。     小结：PSS能较大提高LED发光效率，特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率，PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。     2、同质衬底     同质衬底是以GaN作衬底，并在此衬底上生长GaN，全球相关研究机构和大企业，如日亚、Cree等均投入很大研发力量，并取得了突破性进展。生长GaN衬底有多种方法，一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法，生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题，衬底厚度约400~500μm，现可产业化。GaN衬底的优点：位错密度低(105~106个/cm2)，内量子效率可达80%以上，生长时间短约2小时，节省大量原材料，可大幅度降低成本(目前衬底较贵)，下面介绍几个主要研究成果。     (1)实现高亮度LED     丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片，其面积为1mm2，可实现400lm光通量，可以实现单芯片LED的高亮度。     (2)HVPE生长GaN衬底产业化     三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底，实现产业化可提供2″GaN衬底，厚度450μm左右，位错密度(106~107个/cm2)，三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底，并计划2015年将成本降至目前的十分之一。     (3)提高内量子效率     日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底，低缺陷密度，内量子效率达90%，在200mA下，其光效达200lm/W，2012年可提供4″GaN衬底，正在加速开发低缺陷的6″衬底。     (4)大尺寸GaN衬底     住友电工和Soitec合作开发4″和6″GaN衬底，在日本伊丹和法国Bernin建中试生产线，采用晶圆制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN衬底。     (5)LiGaO2衬底     华南理工大学研发在LiGaO2衬底上采用激光分子束外延(低温工艺)生长非极性GaN衬底，厚度2μm，作为复合衬底生长GaN芯片，要求达到位错密度为1×106/cm2，内量子效率85%，在35A/cm2下，光电转换效率为65%，发光效率为150lm/W。     (6)获奖产品     美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯，被SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完整性提高1000多倍，能通过更大电流，使每盏灯使用一个LED器件成为可能。     小结：采用GaN-on-GaN同质衬底生长LED，其缺陷密度达(105~106/cm2)，可极大提升LED发光效率，而且加大电流密度时droop效应不明显，使普通照明实现采用单芯片LED光源，将LED核心技术推向新台阶。用中村修二的话来小结：我们相信有了GaN-on-GaN LED，我们已经真正地谱写了LED技术新篇章，即LED2.0版。     3、非极性、半极性衬底     蓝宝石(Al2O3)晶面有极性C面、半极性M面、R面和非极性A面，现普遍采用C面衬底，容易生长。由于晶格失配产生应力，引起内部极化场束缚载流子，以致内量子效率低。采用非极性或半极性衬底，生长难，可大幅度降低缺陷密度。采用非极性衬底生长LED，可作显示屏、电视、手机等背光源，没有取向性，不要外置扩散片。另外还可用于生长绿光LED、激光器和基于GaN的太阳能电池，以下介绍几项主要研究成果。     (1)非极性、半极性蓝宝石衬底     英国塞伦光电采用非极性蓝宝石上生长LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光转换效率可提高7倍，而且该结构在不同电流下不会发生波长漂移，大幅度提高亮度而有效改善流明/美元值。     (2)“npola”LED     首尔半导体采用非极性GaN衬底生长LED称为“npola”LED，在1mm2芯片上实现500lm的光通量(在较大电流下)，首尔半导体CEO李贞勋说：同一表面的亮度大幅改善5倍，未来可提高10倍以上，是LED光源的终极目标。     (3)非极性GaN衬底     三菱化学采用非极性GaN衬底生长蓝光LED，抑制晶格缺陷，其缺陷密度最少仅为1×104/cm2，并在大电流下光输出功率不易下降。计划目标，在1mm2芯片发光亮度可达1000lm光通量。     (4)非极性、半极性GaN衬底产业化     住友公司宣布已开发半极性、非极性GaN衬底材料，并掌握批量生产技术，可提供制作白光LED的半极性、非极性衬底。     (5)紫外LED采用非极性衬底     首尔半导体采用非极性GaN衬底开发紫外LED并与R、G、B荧光粉组合可实现高显色指数的白光照明和色彩表现范围大的背光源，计划利用非极性GaN衬底来实现高发光效率的紫外LED。     小结：采用半极性、非极性蓝宝石和GaN衬底生长LED的核心技术，已取得突破性进展，有可能在1mm2芯片上实现1000lm光通量，采用单芯片作为一盏LED灯的光源成为可能，同时会极大地提升性价比，改善美元/流明值。     4、芯片新结构     LED核心技术除了衬底、外延技术外，还有LED芯片结构新技术，目前除了通用的正装芯片结构外，主流的芯片结构还有倒装结构、薄膜结构和垂直结构等。芯片结构设计主要是考虑如何提高外量子效率，即芯片的光取效率，提高芯片散热性能以及在降低成本上进行采用新结构新工艺。芯片有很多种新结构，下面介绍部分成熟的芯片结构和单芯片发白光的新结构。     (1)六面体发光芯片     六面体发光芯片是较典型的一种结构，指芯片的六个面全部出光，采用多面表面粗化技术，减少界面对光子的反射，减少光子在芯片内部多次反射时被吸收，提高光取率，从而提高外量子效率。     (2)DA芯片结构     Cree公司利用SiC衬底优势，不断改进芯片结构及工艺，取得了实质性突破。已推出的DA系列产品，采用SiC透明衬底作为发光面，在SiC衬底上制作3D结构，即在SiC基板的外侧设置V字形沟槽，从V字沟槽一侧发光，以增强高折射率SiC衬底的光取效果，而且是大电流倒装芯片，发光层一侧与封装接合，获得高质量的散热性，采用共晶焊、无金线，面积几乎是原来的一半，显著降低成本，实现双倍性价比。并在第三代碳化硅技术SC3平台上，采用匹配的最新封装技术，于2013年2月宣布获得光效达276lm/W(在350mA下，色温4401K)。     (3)单芯片白光技术     几年前已提出单芯片发多色光的技术方案，但结果不理想。这次三星公司采用纳米级的六角棱锥结构技术做出白光LED，可以实现半极性、非极性衬底上生长GaN，有利于光取的提升，因纳米结构微小能有效降低应变，达到更佳的晶体质量，而且散热性能好。同时发绿光、黄光、红光，其内量子效率分别为61%、45%、29%。实现单芯片发多色光组合白光LED，取得突破性进展。通过改进提高，如实现产业化，将会提高光色质量和避免波长转移引起光能损失，并可减少封装工艺，提高封装可靠性和降低封装成本，成为实现白光LED的另一条技术路线。     小结：LED芯片结构研发方面不断有新结构出现，在提高光效、散热性能、降低成本上不断有所突破。更要关注单芯片发多色光组合成白光LED的研发进展，如实现产业化，将是LED照明技术发展中另一条可行的技术路线。     5、衬底、外延新技术     在LED照明技术发展上有很多是开创性的研究工作，并且已取得可喜的研究成果，以下介绍几种在LED衬底、外延核心技术研究中的新技术。     (1)外延偏移生长技术     (2)3D硅基GaN技术      据“LED科技”2013年3月报道：Aledia公司发布采用3D硅基GaN microwire技术，制造3D硅基LED芯片(有立体芯片结构示意图)的成本仅为传统2D平面LED的五分之一。该技术基于升级了microwire生产工艺，采用大尺寸圆晶和低成本材料的解决方案，该技术已在法国LETI-CEA公司开发6年，可与硅CMOS技术兼容，可直接在现有高性能硅加工厂生产，目前已获融资1000万欧元。     (3)氧化β-Ga2O3衬底     氧化镓Ga2O3具有多种结构形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β结构最为稳定，禁带宽度为4.8~4.9ev，现已做出高品质、低缺陷密度Ga2O3 MOSFET，具有优异器件潜力。     日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga2O3衬底生长GaN蓝光加荧光粉，芯片尺寸2mm×2mm，加6A电流，其可获500lm光通量，计划目标达2000~3000lm。β-Ga2O3具有如下三大优点：其一，β-Ga2O3基板是高导电性，可作垂直结构，低电阻、低热阻，可用大电流驱动。其二，β-Ga2O3基板成本低，采用溶液生长法，比GaN衬底采用HVPE法的气相生长更容易，成本更低。其三，生长的基板质量更高，更适合大尺寸生长。目前已实现β-Ga2O3基板2″片产业化,计划2014年出4″产品，2015年产业化，并进一步开发6″产品。     小结：上述介绍几种新技术研究成果，是具有开拓性的创新成果，一旦产业化，将会是颠覆性的技术突破，开辟了LED照明技术发展上另一条重要的技术路线。