GaN基LED的發(fā)展史與面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)
前言:1879年10月22日,托馬斯.愛(ài)迪生點(diǎn)燃了第一盞白熾燈,此舉改變了世界上每一個(gè)人的生活,從此,人類逐漸開始使用無(wú)燃燒、無(wú)煙、無(wú)味的光源。時(shí)至今日,地球上正在使用的燈泡有300億個(gè),每年共消耗約2650TWh,占全球電能總消耗的百分之十九。近些年來(lái),受國(guó)家節(jié)能減排政策的影響,LED在照明市場(chǎng)的份額迅速擴(kuò)大,不僅在建筑物照明、汽車照明領(lǐng)域常常能看到它的身影,同時(shí)LED燈具也進(jìn)入了尋常百姓家庭,為千家萬(wàn)戶帶來(lái)了光明。本文將就現(xiàn)在比較主流的GaN基LED的發(fā)展史以及其外延工藝上面臨的挑戰(zhàn)做一些簡(jiǎn)單的介紹。
LED的問(wèn)世
1907年,Henry Joseph Round發(fā)表了歷史上第一份半導(dǎo)體發(fā)光效應(yīng)的報(bào)告。1929年,俄羅斯無(wú)線電技術(shù)人員Oleg Vladimirovich Losev 獲得了第一個(gè)LED專利。直到1962年,第一個(gè)紅光LED才問(wèn)世(Nick Holonyak與S.F.Bevacqua發(fā)明)。自此,LED技術(shù)迅猛發(fā)展,1968年,第一款商用LED只能發(fā)出0.001lm的紅光,如今已出現(xiàn)了亮度超過(guò)100lm的商用高亮度白光LED。在過(guò)去的三十年中,單個(gè)LED的光通量每18至24個(gè)月增加一倍,同時(shí),單個(gè)器件的價(jià)格每十年降低至原來(lái)的十分之一。這一規(guī)律被Roland Haitz首次發(fā)現(xiàn),所以被成為“Haitz定律”。如圖1【1】所示。
圖1
LED的優(yōu)點(diǎn)
電照明在改變?nèi)祟惿畹耐瑫r(shí),也帶來(lái)巨大的能耗,隨之而來(lái)的是巨大的CO2排放,據(jù)估計(jì),在白熾燈和熒光燈主導(dǎo)的年代,全世界每年用于照明的耗電量為2650TWh,占全球發(fā)電量的19%。半導(dǎo)體照明不但本身對(duì)環(huán)境不造成污染,并且,同傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比,節(jié)電效率可達(dá)90 %以上,如果白光LED的效率在2025年之前能夠達(dá)到200lm/W,它極有希望取代目前的熒光燈,預(yù)計(jì)每年可節(jié)約10億桶石油(相當(dāng)于減少250個(gè)大型核電站的發(fā)電量)。與傳統(tǒng)照明方式相比,LED具備以下優(yōu)點(diǎn):
1.照明系統(tǒng)的能量效率更高
2.壽命長(zhǎng),所需的維護(hù)次數(shù)少
3.光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線,所以沒(méi)有熱量和輻射,廢棄物能夠被回收,不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。
4.控制方便,只需調(diào)整電流便可隨意調(diào)光,不同光色的組合變化多端,利用時(shí)序控制電路,可以實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果。
5.裝置的尺寸更小
發(fā)光原理
LED的核心部分是由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體組成的PN結(jié)。正向偏置時(shí),N型區(qū)大量的電子跨過(guò)降低的勢(shì)壘注入到P型區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)(多數(shù)載流子注入),隨后,進(jìn)入N型區(qū)的電子與P型區(qū)的多數(shù)載流子空穴發(fā)生復(fù)合,電子空穴復(fù)合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生光子;與此同時(shí),在P型區(qū)的大量的空穴也注入到N型區(qū)一側(cè)的準(zhǔn)中性區(qū)內(nèi)與N型區(qū)的電子發(fā)生復(fù)合而發(fā)出光子,完成電能到光能的轉(zhuǎn)化。
圖2 發(fā)光原理示意圖
像Si這樣的直接帶系半導(dǎo)體中,由于電子和空穴的晶格動(dòng)量不同,所以在帶間躍遷的時(shí)候,難以保持動(dòng)量的守恒,因此在間接帶隙半導(dǎo)體中的復(fù)合主要總過(guò)R-G復(fù)合中心發(fā)生,復(fù)合過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)化為熱能。另一方面,如GaN這樣的直接帶隙半導(dǎo)體,電子和空穴的晶格動(dòng)量近乎相等,這使得注入的大部分載流子借助與帶間復(fù)合而消除,復(fù)合過(guò)程中釋放的能量轉(zhuǎn)化為光能,光子一旦逃逸出二極管,就成為L(zhǎng)ED所發(fā)的光。
LED的轉(zhuǎn)換率取決于發(fā)射的波長(zhǎng),圖3為一種直接帶隙半導(dǎo)體能帶圖。
圖3 直接帶隙半導(dǎo)體能帶圖
如圖所示,導(dǎo)帶底的電子和價(jià)帶定的空穴(k=0)復(fù)合,釋放出某一頻率的光子:
hν1=Eg=Ec-Ev
式中,h為普朗克常數(shù)
又C=λν,輸出波長(zhǎng)的峰值大約為λg=1.24/Eg。要產(chǎn)生可見(jiàn)光,輸出的光波長(zhǎng) λg必須處于0.4μmλg0.7μm的范圍內(nèi),也就是1.77eVEg3.10eV。
由此可以推斷,制作可見(jiàn)光LED的半導(dǎo)體材料至少要滿足三個(gè)基本條件【2】:第一,要為直接帶隙半導(dǎo)體;第二,禁帶寬度Eg應(yīng)滿足1.77eVEg3.10eV;第三,要容易形成pn結(jié)。除以上三條基本條件外,發(fā)光復(fù)合率大、可獲得完整性好的優(yōu)質(zhì)晶體也是重要的材料挑選原則。但是,事與愿違的是,幾乎沒(méi)有半導(dǎo)體能同時(shí)滿足以上條件,GaP、AlAs、SiC都具有合適的禁帶寬度,但是它們都是間接帶隙半導(dǎo)體;直接帶隙半導(dǎo)體GaA能帶寬度又過(guò)??;許多Ⅱ-Ⅳ族化合物半導(dǎo)體既是直接帶隙半導(dǎo)體,又具有合適的禁帶寬度,但是卻不易形成pn結(jié)。由于沒(méi)有半導(dǎo)體能夠同時(shí)滿足以上要求,所以市面上的LED采用了半導(dǎo)體合金和“光增強(qiáng)”中心。
曾經(jīng),GaAsP 、AlGaAs、SiC等被作為主流LED的制作材料,并取得了相當(dāng)?shù)某删?。做為第三代半?dǎo)體代表的GaN是直接躍遷型半導(dǎo)體材料,具有的禁帶寬度大、電子遷移率高(是其前輩SiC的2倍)、無(wú)微管缺陷、擊穿電場(chǎng)高等諸多優(yōu)良的性能。但是在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),【3】GaN材料由于受到?jīng)]有合適的單晶襯底材料(藍(lán)寶石襯底與GaN的晶格失配高達(dá)14%)、位錯(cuò)密度太大(約為ZnSe材料的107倍)、n-型本底濃度太高(>1018/cm3)和無(wú)法實(shí)現(xiàn)p-型摻雜等問(wèn)題的困擾,曾被認(rèn)為是一種沒(méi)有希望的材料,因而發(fā)展十分緩慢.進(jìn)入90年代之后,隨著材料生長(zhǎng)和器件工藝水平的不斷發(fā)展和完善,GaN基器件的發(fā)展十分迅速,目前已經(jīng)成為寬帶隙半導(dǎo)體材料中一顆十分耀眼的新星。
表1【4】為世界主要LED廠商以及其主要產(chǎn)品,由表得知,GaN基LED已然成為各大生產(chǎn)商競(jìng)相研究、生產(chǎn)的主打產(chǎn)品。GaN成為制造LED的主流材料。
GaN基LED的結(jié)構(gòu)及其變遷
1991年,日亞公司研制成功同質(zhì)結(jié)GaN基藍(lán)光LED,峰值波長(zhǎng)430nm,光譜半寬55rim,其光輸出功率為當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上SiC LED的10倍,外量子效率約為0.18%。
同質(zhì)pn結(jié)材料間的折射率之差很低,光的閾值也很低。異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以提高效率,如圖4所示為日本日亞公司于1994年研制的GaN基雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)示意圖,圖中,雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)把電子和空穴限制在發(fā)光層內(nèi),Zn作為輻射復(fù)合中心,雙異質(zhì)結(jié)注入的電子、空穴通過(guò)Zn能級(jí)復(fù)合發(fā)光。pn結(jié)材料與中間活性層(以摻Zn、的InGaN作為發(fā)射藍(lán)光的器件有源層和AlGaN阻擋層)材料不同,帶隙較高,層與層之間折射率之差較大,所以輻射的光很強(qiáng),光譜的半高寬較窄,易獲得更加純的單色光。
圖4 日本日亞公司研制的GaN基雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED的結(jié)構(gòu)示
日亞公司又于1995年研制出一種單量子阱結(jié)構(gòu)的GaN基LED,即在有源層插入InGaN薄膜(厚度與德布羅意波長(zhǎng)同數(shù)量級(jí)),使阱層中的載流子受到一維限制,發(fā)生能帶分裂,復(fù)合過(guò)程被很好地限制在活性層,所以發(fā)光亮度大大增強(qiáng)。如圖5所示。
圖5 GaN基單量子阱綠光LED示意圖
隨后,日亞公司又研制出世界上第一支GaN基LD,如圖6。該器件以25個(gè)周期的In0.2Ga0.8N(2.5nm)/In0.05sGa0.95,SN(5nm)多量子阱(MQW)作為有源區(qū),0.1μmn型和p型GaN層作為光波導(dǎo)層,0.4μm的n型和p型Al0.15Ga0.85N層作為InGaN MQW結(jié)構(gòu)有源區(qū)的光限制層,各項(xiàng)性能又有了新的發(fā)展。
圖6 日亞公司研制的世界上第一支GaN基LD結(jié)構(gòu)示意圖
技術(shù)上的挑戰(zhàn)
1.缺少合適的、大面積的襯底
GaN的制造成本非常高昂。缺少合適的、大面積的襯底是制約GaN器件發(fā)展的嚴(yán)重的障礙,目前,Al2O3藍(lán)寶石做為最普遍的襯底材料用于實(shí)際的制造業(yè)。但是藍(lán)寶石是絕緣體,器件需要橫向設(shè)計(jì),與垂直器件相比受到擊穿電壓限制,而且得到的高功率密度器件的體積也很大。為了解決這個(gè)問(wèn)題,一些科學(xué)家正在進(jìn)行有益的嘗試,試圖以Si做為襯底,并取得了一些進(jìn)展。另外,藍(lán)寶石與GaN的晶格失配率高(晶格參數(shù)無(wú)外延關(guān)系時(shí)為-33%,有外延關(guān)系時(shí)為16%)這一問(wèn)題也靠生長(zhǎng)緩沖層這一舉措得到了改善。
2.p-GaN難以激活
用受體原子摻雜GaN難以獲得高濃度的空穴,現(xiàn)在通用的做法是用鎂作為摻雜劑【5】,因?yàn)閾诫s了鎂的GaN在電子束曝光的激活下能夠形成pn結(jié),但是摻雜了鎂的GaN電阻率很高,而且鎂的激發(fā)能級(jí)較深(Ea=200meV),P型雜質(zhì)無(wú)法在T=300K時(shí)完全電離,因此為了獲得較高濃度的空穴,需要摻雜大量的鎂,但是過(guò)量的鎂又會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)補(bǔ)償效應(yīng)產(chǎn)生,材料將會(huì)獲得絕緣性。由于鎂的激發(fā)能級(jí)較深,在T=300K時(shí),鎂的電離率只有百分之幾,并且空穴遷移率(μp=10cm3/v/s)低于電子遷移率(μn=200cm3/v/s),所以如果使用標(biāo)準(zhǔn)pn結(jié),復(fù)合發(fā)生的主要場(chǎng)所在P型區(qū)。
參考文獻(xiàn):
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【4】胡愛(ài)華,半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與前景[J].現(xiàn)代顯示,2010,1:63-70
【5】( 法)Patrick Mottier 著, 王曉剛譯.LED照明應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社2011年10月
評(píng)論