解析LED照明材料与芯片应用的现状

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上世纪末，半导体照明开始出现并快速发展，其中一个核心前提是蓝光GaN基发光材料的生长和器件结构的制备，而未来材料和器件结构技术的水平也终将决定半导体照明技术的高度。本章节将重点围绕GaN基材料及器件而衍生出设备、源材料、器件设计、芯片技术、芯片应用等环节展开分析。
设备
在当前无法制备大块GaN单晶材料的情况下，MOCVD即金属有机物化学气相沉积设备仍是GaN材料异质外延最关键设备。当前商用MOCVD设备市场主要由国际两大巨头掌握，在此局面我国MOCVD仍取得较大发展，并且出现48片机。但我们仍需要认识到国内MOCVD的缺点。对于MOCVD，一般而言，研究型设备的重点是温度控制，商业化设备是均匀性、重复性等。在低温下，可以生长高In组分InGaN，适合氮化物体系材料在橙黄光、红光、红外等长波长的应用，使氮化物应用涵盖整个白光领域；而在1200oC-1500oC高温下，可以生长高Al组分的AlGaN，使得氮化物应用扩展到紫外领域和功率电子器件领域，应用范围获得更大的扩展。目前国外已经具有1600oC高温MOCVD设备，可制备出高性能紫外LED和功率器件。我国MOCVD仍需长期发展，扩大MOCVD的温度控制范围；对于商用设备不仅要提高性能，更要保证均匀性和规模化。
源材料
源材料主要包括各种气体材料、金属有机物材料、基板材料等。其中，基板材料是重中之重，直接制约外延薄膜质量。目前，GaN基LED的衬底越来越多元化，SiC、Si以及GaN等衬底技术逐步提高，部分衬底从2英寸向3英寸、4英寸甚至6英寸、8英寸等大尺寸发展。但综合来看，当前性价比最高的仍是蓝宝石；SiC性能优越但价格昂贵；Si衬底的价格、尺寸优势以及与传统集成电路技术衔接的诱惑使得Si衬底仍然是当下最有前景的技术路线之一。GaN衬底仍需在提高尺寸和降低价格方面下功夫，以便未来在高端绿光激光器和非极性LED应用方面大显身手；金属有机物材料从依赖进口到自主生产，有了很大的进展；其他气体材料也取得长足进步。总之，我国在源材料领域获得很大发展。
外延
外延，即器件结构的获得过程，是最具有技术含量的工艺步骤，直接决定LED的内量子效率。目前半导体照明芯片绝大多数采用多量子阱结构，具体技术路线往往受制于衬底材料。而蓝宝石衬底普遍采用图形衬底(PSS)技术，降低外延薄膜的为错密度提高内量子效率，同时也提高光的出取效率。未来PSS技术仍是重要的衬底技术，且图形尺寸逐渐向纳米化方向发展。而利用GaN同质衬底可以采取非极性面或半极性面外延生长技术，部分消除极化电场引起的量子斯塔克效应，在绿光、黄绿光、红橙光GaN基LED应用方面具有非常重要的意义。另外，当前的外延普遍是制备单发光波长量子阱，采用适当外延技术，可以制备多波长发射的LED，即单芯片白光LED，这也是很有前景的技术路线之一。其中，具有代表性的如用InGaN量子阱中相分离，实现了高In组分InGaN黄光量子点和蓝光量子阱组合发出白光。此外，还有利用多重量子阱发光实现宽光谱发光模式，以此实现单芯片白光输出，但是该白光的显色指数还比较低。无荧光粉单芯片白光LED是很具吸引力的发展方向，如果能实现高效率和高显色指数，将会改变半导体照明的技术链。
在量子阱结构方面，引入电子阻挡层阻挡电子泄露提高发光效率已经成为LED外延结构的常规方法。此外，优化量子阱的势垒和势阱仍将是重要工艺环节，如何调节应力，实现能带裁剪，可以制备不同发光波长的LED。在芯片覆盖层方面，如何提高p型层的材料质量、p型层空穴浓度、导电性能和解决大电流下droop效应仍然是当务之急。
芯片
在芯片工艺方面，如何提高光提取效率并得到更好的散热方案成为芯片设计的主旨，并相应研发了垂直结构、表面粗化、光子晶体、倒装结构、薄膜倒装结构(TFFC)、新型透明电极等技术。其中，薄膜倒装结构利用激光剥离、表面粗化等技术，可以较大幅度提高出光效率。
芯片应用
针对蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED技术方案较低的荧光转换效率，RGB多芯片白光和单芯片无荧光粉白光成为未来白光LED的主要技术趋势，效率较低的绿光LED则成为RGB多芯片白光的主要限制因素，未来半极性或非极性绿光LED将成为重要的发展趋势。在解决白光LED显色方面，可利用紫光或紫外LED激发RGB三色荧光粉，获得高显色白光LED技术，但必然牺牲一部分效率。目前，紫光或紫外光芯片效率已经获得很大进步，日亚化学公司生产的365nm波长紫外LED外量子效率已经接近50%。未来紫外LED将获得更多应用，且无其它紫外发光体系材料代替，发展前景非常巨大。一些发达国家已纷纷投入大量人力、物力开展UVLED的研究。而氮化物的红光红外光波段应用，除了环境之外，无论是价格还是性能都难以与砷化物竞争，因而前景不是很明朗。
根据以上阐述可知，围绕半导体照明的上游材料及设备已经获得很大的发展，尤其在效率方面，蓝光波段已经接近理想效率，芯片在半导体照明灯具的价格比也大幅度下降，未来半导体照明将从光的效率向光品质方向发展，这要求芯片材料冲破蓝光领域，同时向长波长和短波长方向发展，而绿光、紫光和紫外光LED芯片将是研究重点。