? 自上世紀90年代初中村修二創(chuàng )造高亮度藍光LED以來(lái)，根據GaN基藍光LED和黃色熒光粉組合宣布白光辦法的半導體照明技能在世界范圍內得到了廣泛注重和疾速展開(kāi)。迄今為止，商品化白光LED的光效現已超越150 lm/W，而試驗室水平現已超越了200 lm/W，遠遠高于傳統白熾燈（15 lm/W）和熒光燈（80 lm/W）的水平。從商場(chǎng)看，LED現已廣泛運用于顯示屏、液晶背光源、交通指示燈、室外照明等范疇，并現已開(kāi)端向室內照明、汽車(chē)燈、舞臺燈光、特種照明等商場(chǎng)浸透，將來(lái)有望悉數交換傳統光源。
半導體照明光源的質(zhì)量和LED芯片的質(zhì)量休戚關(guān)聯(lián)。進(jìn)一步前進(jìn)LED的光效（尤其是大功率作業(yè)下的光效）、可靠性、壽數是LED資料和芯片技能展開(kāi)的方針?，F將LED資料和芯片的要害技能及其將來(lái)的展開(kāi)趨勢做如下整理：
? 一、資料外延
? 1.外延技能
? 金屬有機物化學(xué)氣相堆積（MOCVD）技能是成長(cháng)LED的干流技能。這些年，得益于MOCVD設備的前進(jìn)，LED資料外延的本錢(qián)現已顯著(zhù)的下降。當前商場(chǎng)上首要的設備供給商是德國的Aixtron和美國的Veeco。前者可供給水平行星式反響室和近耦合噴淋頭式反響室兩種類(lèi)型的設備，其長(cháng)處在于節約質(zhì)料、成長(cháng)得到的LED外延片均勻性好。后者的設備運用托盤(pán)的高速旋轉發(fā)生層流，其長(cháng)處在于保護簡(jiǎn)略、產(chǎn)能大。除此以外，日本酸素出產(chǎn)專(zhuān)供日本公司運用的常壓MOCVD，可以取得非常好的結晶質(zhì)量。美國運用資料公司首創(chuàng )了多反響腔MOCVD設備，并現已開(kāi)端在產(chǎn)業(yè)界試用。
將來(lái)MOCVD設備的展開(kāi)方向包含：進(jìn)一步擴展反響室體積以前進(jìn)產(chǎn)能，進(jìn)一步前進(jìn)對MO源、氨氣等質(zhì)料的運用率，進(jìn)一步前進(jìn)對外延片的在位監控才能，進(jìn)一步優(yōu)化對溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的操控以晉升對大尺度襯底外延的撐持才能等。
? 2.襯底
? （1）圖形襯底
? 襯底是支撐外延薄膜的基底，因為缺少同質(zhì)襯底，GaN基LED通常成長(cháng)在藍寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底之上。展開(kāi)至今，藍寶石現已變成性?xún)r(jià)比最高的襯底，運用最為廣泛。因為GaN的折射率比藍寶石高，為了削減從LED出射的光在襯底界面的全發(fā)射，當前正裝芯片通常都在圖形襯底上進(jìn)行資料外延以前進(jìn)光的散射。常見(jiàn)的圖形襯底圖畫(huà)通常是按六邊形密排的尺度為微米量級的圓錐陣列，可以將LED的光提取功率前進(jìn)至60%以上。一起也有研討標明，運用圖形襯底并聯(lián)系必定的成長(cháng)技能可以操控GaN中位錯的延伸方向然后有用下降GaN外延層的位錯密度。在將來(lái)適當一段時(shí)間內圖形襯底仍然是正裝芯片采納的首要技能手法。
將來(lái)圖形襯底的展開(kāi)方向是向更小的尺度展開(kāi)。當前，受限于制造本錢(qián)，藍寶石圖形襯底通常選用觸摸式曝光和ICP干法刻蝕的辦法進(jìn)行制造，尺度只能做到微米量級。如能進(jìn)一步減小尺度至和光波長(cháng)可比擬的百nm量級，則可以進(jìn)一步前進(jìn)對光的散射才能。乃至可以做成周期性布局，運用二維光子晶體的物理效應進(jìn)一步前進(jìn)光提取功率。納米圖形的制造辦法包含電子束曝光、納米壓印、納米小球自拼裝等，從本錢(qián)上思考，后兩者更合適用于襯底的加工制造。
? （2）大尺度襯底
? 當前，產(chǎn)業(yè)界中仍以2英寸藍寶石襯底為干流，某些世界大廠(chǎng)現已在運用3英寸乃至4英寸襯底，將來(lái)有望擴展至6英寸襯底。襯底尺度的擴展有利于減小外延片的邊緣效應，前進(jìn)LED的成品率?？墒钱斍按蟪叨人{寶石襯底的價(jià)錢(qián)仍然貴重，且擴展襯底尺度后相配套的資料外延設備和芯片技能設備都要面對晉級，對廠(chǎng)商而言是一項不小的投入。
? （3）SiC襯底
? SiC襯底和GaN基資料之間的晶格失配度更小，事實(shí)證明在SiC上成長(cháng)取得的GaN晶體質(zhì)量要略好于在藍寶石襯底上的成果?？墒荢iC襯底尤其是高質(zhì)量的SiC襯底制造本錢(qián)很高，故鮮有廠(chǎng)商用于LED的資料外延?？墒敲绹鳦ree公司憑仗自身在高質(zhì)量SiC襯底上的制造優(yōu)勢，變成業(yè)界僅有一個(gè)只在SiC襯底上成長(cháng)LED的廠(chǎng)商，然后避開(kāi)在藍寶石襯底上成長(cháng)GaN的專(zhuān)利壁壘。當前SiC襯底的干流尺度是3英寸，將來(lái)有望拓寬至4英寸。SiC襯底比擬藍寶石襯底更合適于制造GaN基電子器材，將來(lái)跟著(zhù)寬禁帶半導體功率電子器材的展開(kāi)，SiC襯底的本錢(qián)有望進(jìn)一步下降。
? （4）Si襯底
? Si襯底被看作是下降LED外延片本錢(qián)的抱負挑選，因為其大尺度（8寸、12寸）襯底展開(kāi)得最為老練?？墒?，因為晶格失配和熱失配太大，難于操控，根據Si襯底的LED資料質(zhì)量相對較差，且成品率偏低，所以當前商場(chǎng)上根據Si襯底的LED商品非常罕見(jiàn)。當前在Si上成長(cháng)LED首要選用以6英寸以下的襯底為主，思考成品率要素，實(shí)踐LED的本錢(qián)和根據藍寶石襯底的比擬不占優(yōu)勢。和SiC襯底一樣，大多數研討組織和廠(chǎng)商愈加喜愛(ài)在Si襯底上成長(cháng)電子器材而不是LED。將來(lái)Si襯底上的LED外延技能大概瞄準8英寸或12英寸這種更大尺度的襯底。
? （5）同質(zhì)襯底
? 正如前面說(shuō)到的，當前LED的外延成長(cháng)仍然是以異質(zhì)襯底的外延為主?？墒蔷Ц衿ヅ浜蜔崞ヅ涞耐|(zhì)襯底仍然被看作前進(jìn)晶體質(zhì)量和LED功能的結尾處理方案。近來(lái)幾年，跟著(zhù)氫化物氣相堆積（HVPE）外延技能的展開(kāi)，大面積GaN基厚襯底制造技能得到了注重，其制造辦法通常為選用HVPE在異質(zhì)襯底上疾速成長(cháng)取得數十至數百微米厚的GaN體資料，再選用機械、化學(xué)或物理手法將厚層GaN薄膜從襯底上剝離下來(lái)，運用此GaN厚層作為襯底，進(jìn)行LED外延。日本三菱公司和住友公司現已可以供給GaN基襯底的商品，可是價(jià)錢(qián)貴重，關(guān)于通常LED的成長(cháng)不劃算。首要是用于激光器的制造或許非極性/半極性面LED的研討。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研發(fā)方面做出了許多開(kāi)創(chuàng )性和代表性的作業(yè)。非極性/半極性面LED可以躲避傳統c面LED中存在的極化效應疑問(wèn)，然后進(jìn)一步晉升LED尤其是長(cháng)波長(cháng)可見(jiàn)光LED的功率?？墒歉哔|(zhì)量的非極性/半極性面LED有必要依靠同質(zhì)襯底，而非極性/半極性面的GaN襯底離實(shí)用化還有適當的間隔。此外，日本、波蘭、美國等一些校園和研討組織也在測驗運用堿金屬熔融法、氨熱法等手法在高壓和中溫條件下制造GaN塊狀晶體，可是當前都尚處于研討期間。
? 3.外延布局及外延技能
? （1）Droop效應
? 經(jīng)過(guò)若干年的展開(kāi)，LED的外延層布局和外延技能現已比擬老練，其內量子功率最高可達90%以上?？墒?，近幾年跟著(zhù)大功率LED芯片的鼓起，LED在大寫(xiě)入下的量子功率下降導致了大家的廣泛注重，該表象被形象地稱(chēng)為Droop效應。對產(chǎn)業(yè)界而言，處理Droop效應可以在確保功率的前提下進(jìn)一步減小芯片尺度，到達下降本錢(qián)的意圖。對學(xué)術(shù)界而言，Droop效應的緣由是招引科學(xué)家研討的熱門(mén)。不同于傳統半導體光電資料，GaN基LED的Droop效應緣由非常復雜，相應也缺少有用的處理手法。研討人員經(jīng)過(guò)探究，比擬傾向的幾個(gè)緣由分別是：載流子的解局域化、載流子從有源區的走漏或溢出、以及俄歇復合。盡管詳細的緣由還不清楚，可是試驗發(fā)現選用較寬的量子阱以下降載流子的密度和優(yōu)化p型區的電子阻擋層都是可以減輕Droop效應的手法。
? （2）量子阱有源區
? InGaN/GaN量子阱有源區是LED外延資料的中心，成長(cháng)InGaN量子阱的要害是操控量子阱的應力，減小極化效應的影響。慣例的成長(cháng)技能包含：多量子阱前成長(cháng)低In組分InGaN預阱開(kāi)釋?xiě)Σ⒊淙屋d流子蓄水池，升溫成長(cháng)GaN壘層以前進(jìn)壘層的晶體質(zhì)量，成長(cháng)晶格匹配的InGaAlN壘層或成長(cháng)應力互補的InGaN/AlGaN布局等。量子阱的數量沒(méi)有一致的規范，業(yè)界運用的量子阱數從5個(gè)到15個(gè)都有，結尾作用不同不大，阱數較少的LED在小寫(xiě)入下的功率更高，而阱數較多的LED在大寫(xiě)入下的功率更高。
? （3）p型區
? GaN的p型摻雜是早期困惑LED制造的重要瓶頸之一。這是因為非故意摻雜的GaN是n型，電子濃度在1×1016 cm-3以上，p型GaN的完成比擬艱難。當前為止最成功的p型摻雜劑是Mg，可是仍然面對高濃度摻雜構成的晶格損傷、受主易被反響室中的H元素鈍化等疑問(wèn)。中村修二在日亞公司創(chuàng )造的氧氣熱退火辦法簡(jiǎn)略有用，是廣泛運用的受主激活辦法，也有廠(chǎng)商直接在MOCVD外延爐內用氮氣在位退火激活。日亞公司的p-GaN質(zhì)量是最佳的，可以和常壓MOCVD成長(cháng)技能關(guān)聯(lián)。此外，也有一些運用p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格來(lái)前進(jìn)空穴濃度的報導。盡管如此，p-GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和n-GaN的電子比擬不同仍然很大，這構成了LED載流子寫(xiě)入的不對稱(chēng)。通常須在量子阱接近p-GaN一側刺進(jìn)p-AlGaN的電子阻擋層。但AlGaN和量子阱區之間極性的失配被以為是構成載流子走漏的首要緣由，因而近期也有一些廠(chǎng)商測驗選用p-InGaAlN進(jìn)行替代。
? 4.無(wú)熒光粉單芯片白光LED
? 現有白光LED首要選用藍光LED加黃色熒光粉的辦法組合宣布白光，這種白光典型的顯色指數不高，尤其是關(guān)于赤色和綠色的再現才能較弱。此外，熒光粉也面對比如可靠性差、丟失功率等疑問(wèn)。徹底依靠InGaN資料作為發(fā)光區在單一芯片中完成白光從理論上是可行的。這些年，國內外的一些高校和研討組織也都展開(kāi)了關(guān)聯(lián)研討。比擬有代表性的是中科院物理所陳弘小組運用InGaN量子阱中In的相別離完成了高In組分InGaN黃光量子點(diǎn)，和藍光量子阱組合宣布白光?？墒窃摪坠獾娘@色指數還比擬低。無(wú)熒光粉單芯片白光LED是很具招引力的展開(kāi)方向，若是能完成高功率和高顯色指數，將會(huì )改動(dòng)半導體照明的技能鏈。
? 5.其他色彩LED
? GaN基藍光LED的外量子功率已超越60%，這意味著(zhù)藍光LED器材現已相對老練。因而，大家開(kāi)端把眼光投向氮化物資料可以掩蓋的其他波段。傳統的III-V族半導體制造紅外和紅光波段的發(fā)光器材現已非常老練，所以對氮化物而言展開(kāi)綠光和紫外光LED顯得更有意義。
? （1）綠光LED
? 綠光波段是當前可見(jiàn)光波段功率最低的，被稱(chēng)作“Green Gap”。InGaN在綠光波段功率低下的緣由是因為In組分較高和量子阱較寬導致的極化效應變得更強。前面說(shuō)到的成長(cháng)非極性/半極性面LED是前進(jìn)綠光LED功率的有用辦法，可是受限于同質(zhì)襯底當前還不具實(shí)用性。近期，德國Osram公司的研討人員要點(diǎn)研討了光泵布局的LED。他們選用藍光LED作為泵浦源激起綠光InGaN/GaN多量子阱 ，得到的綠光LED在350 mA下峰值波長(cháng)為535 nm，流明功率為127 lm/W，高于直接將載流子寫(xiě)入綠光MQW的LED。
? （2）紫外LED
? 紫外光在固化、滅菌、預警、蔭蔽通訊等范疇有重要運用。傳統的紫外光源都是真空器材。氮化物資料是最合適制造紫外光LED的資料系，可是因為位錯密度高，一起發(fā)光區為AlGaN（不含In，無(wú)法運用InGaN發(fā)光功率對位錯不靈敏的優(yōu)勢），GaN基紫外LED尤其是深紫外LED（波長(cháng)280 nm以下）的功率還很低。日本的Riken研討所和美國南加州大學(xué)的Arif Khan小組是研討深紫外LED的前鋒。Riken可以將深紫外LED的外量子功率做到3.8%，輸出功率達30 mW。
? 二、芯片技能
? 1.正裝芯片
? 正裝芯片是當前商場(chǎng)上運用最多的芯片，日本日亞公司是該技能道路的典型代表。它通常是在藍寶石圖形襯底上成長(cháng)LED資料，從外表p-GaN出光，并在藍寶石反面蒸鍍一層反射膜。需將芯片的一有些區域干法刻蝕至n-GaN以制造共面電極。正裝芯片的布局簡(jiǎn)略，制造本錢(qián)低，合適小功率作業(yè)。因為藍寶石襯底的散熱才能不強，正裝芯片大功率作業(yè)時(shí)會(huì )遭到一些約束，可是日亞公司憑仗其資料質(zhì)量上的優(yōu)勢完成了LED在高結溫下仍然具有可觀(guān)的功率。其運用外量子功率84.3%的藍光LED正裝芯片封裝得到的白光LED在20 mA下可完成249 lm/W的光效；高功率白光LED在350 mA電流下光效為183 lm/W。正裝芯片的要害技能包含：
? （1）通明導電膜
? 當前產(chǎn)業(yè)界首要運用氧化銦錫（ITO）電極作為p-GaN外表的通明歐姆電極。ITO是在太陽(yáng)能電池和液晶范疇被廣泛運用的通明導電膜，在藍光區域有杰出的透光性。另一方面，In元素在地球上的儲量不豐厚，歸于稀有金屬。因而，大家開(kāi)端尋覓新的通明導電資料替代ITO，比擬有代表性的是ZnO通明薄膜。ZnO也歸于寬禁帶半導體，對藍光通明?？墒瞧浞€定性、觸摸特性等與ITO比擬還存在距離，因而產(chǎn)業(yè)界沒(méi)有開(kāi)端運用。
? （2）外表粗化
? 前面說(shuō)到，藍寶石圖形襯底的運用增強了光在GaN和藍寶石界面處的散射，大幅前進(jìn)了LED的光提取功率。在p-GaN外表或ITO電極外表也可制造相應的粗糙化布局來(lái)增強光的散射。日亞公司的代表性技能之一，即是將ITO通明電極制構成網(wǎng)狀布局，以利于光的出射。一些組織也開(kāi)端研討選用自拼裝成長(cháng)ITO納米線(xiàn)的辦法在LED外表構成粗化布局。此外，也有人測驗選用干法刻蝕的辦法在p-GaN上制造二維光子晶體布局，運用光子晶體的禁帶完成藍光的悉數出射?？墒谴竺娣e均勻的光子晶體的制造非常艱難，本錢(qián)很高，且會(huì )對電特性構成必定損壞，因而在產(chǎn)業(yè)界運用不多。
? （3）DBR反射器
? DBR反射器首要用于蒸鍍在被減薄的藍寶石襯底反面，將本來(lái)從藍寶石反面出射的光反射至LED外表出射。早期的反射鍍膜運用Al、Au等金屬，但本錢(qián)過(guò)高，當前較多運用的是由SiO2/TiO2介質(zhì)膜組成的DBR反射器。
? 2.筆直布局芯片
? 筆直布局芯片是當前高端LED芯片選用的干流技能道路。它是在p-GaN外表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，然后把襯底剝離掉顯露粗糙的n-GaN，在n-GaN外表制造歐姆電極，器材作業(yè)時(shí)電流筆直流過(guò)芯片。這種描繪不丟失制造共面電極時(shí)刻蝕掉的那一有些發(fā)光面積，且電流筆直流過(guò)芯片防止了橫向活動(dòng)的擁塞效應，一起散熱才能變得很強，因而芯片在大功率條件下作業(yè)的功能很高?？墒羌寄苓^(guò)程比擬多，制造本錢(qián)比正裝芯片要高。美國Cree公司是該技能道路的代表，現已開(kāi)端量產(chǎn)1W電功率下光效達200 lm/W的白光LED器材（非傳統1×1 mm2尺度的芯片）。其要害的技能包含：
? （1）襯底剝離
? 關(guān)于Si襯底，通常選用濕法腐蝕的辦法去掉襯底即可。而關(guān)于藍寶石或許SiC襯底則通常選用激光剝離技能進(jìn)行別離，它是將紫外激光聚集到襯底和LED的界面處，讓GaN吸收激光紫外的能量生成液態(tài)Ga和N2然后使襯底與GaN外延層別離。該技能可以一次剝離整片襯底，功率很高，可是需求盡可以防止激光對LED外延層構成的損傷。
? （2）外表粗化
? 激光剝離后的n-GaN外表是粗糙的N極性面，將其浸泡于加熱的KOH溶液之中，KOH可以腐蝕GaN外表構成隨機排布的金字塔布局，這種布局非常利于光的散射。該技能的專(zhuān)利把握在UCSB中村小組手中，但許多廠(chǎng)商實(shí)踐都在運用一樣的技能。
? 3.倒裝芯片
? 藍寶石襯底是約束正裝LED芯片散熱的首要要素，美國Lumileds公司首要在業(yè)界開(kāi)發(fā)了根據Si基熱沉的倒裝芯片布局。它首要制備出具有合適共晶焊接電極的大尺度LED芯片，一起制備出相應尺度的硅底板并在其上制造出供共晶焊接的金導電層及引出導電層，然后運用共晶焊接設備將大尺度LED芯片倒扣后與硅底板焊接在一起，光從藍寶石襯底的反面出射，熱量經(jīng)過(guò)電極焊料從Si基熱沉導走。這樣的布局較為合理，即思考了出光疑問(wèn)又思考到了散熱疑問(wèn)，合適制造大功率LED。當藍寶石襯底的激光玻璃技能展開(kāi)起來(lái)后，從前一度以為倒裝芯片是一種介于正裝芯片和筆直布局芯片之間的過(guò)渡技能。在大多數公司拋棄倒裝布局的時(shí)分，Lumileds公司仍然堅持了這種技能道路，即便可以將藍寶石襯底剝離掉也仍是保留了共面電極的描繪。這種倒裝布局在chip on board（COB）技能展開(kāi)起來(lái)以后又從頭回歸到大家的視界中。COB技能是在陶瓷基板上選用印刷電路的辦法制備出現已描繪好串并聯(lián)電路的若干芯片電極焊點(diǎn)，將LED倒裝芯片一顆顆順次焊接在board上完成大功率的器材。這種描繪簡(jiǎn)化了封裝，完成了大功率器材的小型化，為照明燈具的描繪供給了便當。
? 4.高壓交/直流驅動(dòng)LED
? 單顆LED芯片作業(yè)于低壓直流狀態(tài)下，為了適用220 V的市電，LED照明光源需求配套相應的驅動(dòng)電源?？墒菍?20 V高壓變?yōu)? V左右低壓的電源變換功率不夠高，一起壽數受限于電解電容，在實(shí)踐運用中存在許多疑問(wèn)。在芯片層面完成多顆LED小芯片的串并聯(lián)可使得LED作業(yè)在更高的驅動(dòng)電壓下，首要有兩種思路。一種是運用LED作為二極管的整流特性，將多顆LED小芯片組成電橋布局，直接選用220 V交流電驅動(dòng)LED，這種辦法的長(cháng)處是省去了變壓器，可是每半個(gè)周期只要有些LED點(diǎn)亮，因而功率不高。另一種是將多顆LED小芯片串聯(lián)起來(lái)，選用高壓直流電驅動(dòng)。這種辦法仍然需求電源適配器，可是因為變壓后的電壓是幾十伏，所以驅動(dòng)電源的功率高，可靠性也高，比擬傳統辦法仍是有所改善。因而，高壓直流驅動(dòng)LED芯片當前是韓國和臺灣廠(chǎng)商研討的一個(gè)熱門(mén)。
? 以上對當前的LED資料外延和芯片技能的要害技能以及展開(kāi)情況進(jìn)行了歸納。在各國公司和研討組織的大力投入下，LED資料和芯片技能現已比擬老練，芯片的光效現已不再是約束LED照明運用的首要瓶頸。半導體照明技能下一步的展開(kāi)是在盡可以下降本錢(qián)的一起供給比傳統照明非常好的光色質(zhì)量和人眼舒適度。這對LED資料和芯片提出了新的需求，若是高功率和高顯色指數的無(wú)熒光粉單芯片白光LED可以實(shí)用化，則無(wú)疑是對半導體照明技能的一項推翻性革命。

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