LED顯示屏中所用的藍色與綠色芯片解析

　　LED的工作原理是在正向?qū)ǖ那闆r下，注入二極管P/N節(jié)區(qū)的電子和空穴相遇復(fù)合，將電勢能轉(zhuǎn)換為光能。所發(fā)出光子的波長（也就是光的顏色）是由半導(dǎo)體的能帶寬度決定的，通俗地講，半導(dǎo)體能帶寬度越寬，發(fā)出的光子能量越大，對應(yīng)的波長越短，簡單的換算關(guān)系是：（nm）。當前藍、綠光LED器件的材料基礎(chǔ)是III族氮化物半導(dǎo)體，也就是GaN為主，InN、AlN為輔的四元AlGaInN合金體系，

　　目前，絕大部分藍、綠光LED芯片的量子阱發(fā)光層材料是由InxGa1-xN合金和GaN組成的，由于InxGa1-xN合金的能帶寬度隨著InN的比例x變化，可以在3.4eV（對應(yīng)GaN的能帶寬度）和0.7eV（對應(yīng)InN的能帶寬度）調(diào)整，所以理論上這個材料體系可以覆蓋整個可見光光譜區(qū)域。但是，目前的材料制備技術(shù)是基于GaN晶體的外延層生長技術(shù)，只能生長含InN組份較低的合金材料。InxGa1-xN合金在InN的組份x>15%以后，晶體質(zhì)量急劇下降。實際上，目前工業(yè)界的技術(shù)水平通常做到藍光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率大約是綠光的2倍，就是因為前者的InN組份遠小于后者，綠光器件中InN的組份估計已經(jīng)在30%以上（InGaN合金材料精確組份的測定目前在學(xué)術(shù)界還是一個疑難科學(xué)問題）。也就是說，目前的技術(shù)還很難通過繼續(xù)增加InN的組份，使得InGaN合金器件能高效率地發(fā)出紅光。但值得慶幸的是，早在上個世紀90年代，III族磷化物體系（也通常表述為四元體系，AlGaInP）已經(jīng)成為紅、黃光LED器件成熟的材料基礎(chǔ)。這兩個材料體系的基本物理特征以及其所含元素在周期表中的位置。

　　III族氮化物半導(dǎo)體材料目前工業(yè)化制備是通過金屬有機物化學(xué)氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）來實現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理是通過在密閉化學(xué)反應(yīng)腔中引入高純度的金屬有機源（MO源）和氨氣（NH3），使其在加熱的襯底基板（一般選擇藍寶石做襯底）上生長出高質(zhì)量的晶體?；净瘜W(xué)反應(yīng)式是：Ga（CH3）3+NH3→GaN+CH4.通常GaN晶體是六方狀的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，基本的物理特性如表2所示。需要特別指出的有兩點：（1）GaN的能帶寬度在常溫300K時，等于3.39eV,是非常難得的寬禁帶半導(dǎo)體材料，如果發(fā)光，對應(yīng)的光子波長應(yīng)該是，屬于紫外光；（2）GaN的p-型摻雜非常困難，目前可以達到的載流子濃度比n-型摻雜低將近兩個數(shù)量級，電阻很大。這個特性對其器件的設(shè)計提出了特殊的要求，這一點在隨后介紹LED器件結(jié)構(gòu)時將提到。GaN與它同族的AlN和InN的物理屬性差異非常顯著，表3給出了具體的比對。在晶體生長過程中，GaN晶體的取向和藍寶石襯底的晶面選擇有著密切關(guān)系。當前，工業(yè)化生長GaN晶體一般都取c-面的藍寶石作為襯底基板，GaN晶體生長與襯底晶體取向會保持一個固定的配位關(guān)系（這也就是“外延”的意思）。GaN外延片表面是晶體的六方密排c-面，晶體的生長是沿著c-軸逐層原子堆積而成的，也就是c-軸方向成長。

　　GaN基LED外延片的基本結(jié)構(gòu)是在藍寶石襯底上依次生長：（1）GaN結(jié)晶層；（2）n-型GaN（實際生產(chǎn)中一般先長一層非故意摻雜的n型GaN）；（3）InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層；（4）p-型GaN.為了獲得高性能的器件，整個外延生長過程的各項參數(shù)都要得到優(yōu)化并且精確控制，其中對發(fā)光效率影響最大的結(jié)構(gòu)是InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層。p和n型材料的摻雜元素通常為Mg和Si,Mg通過替代GaN中的Ga原子（Mg比Ga少一個外圍電子），形成一個空穴載流子，Si通過替代Ga原子，形成一個電子載流子（Si比Ga多一個外圍電子）。一般整個器件的外延層厚度范圍在4~8μm,平均生長速度大約1μm/小時，因此完成一次器件的生長大約需要8小時。

　　完成MOCVD外延生長后，需要通過一系列的光罩圖形處理和物理刻蝕或沉積工藝制備GaN基LED芯片。普通藍、綠光LED芯片的基本結(jié)構(gòu)，需要在外延片上依次做如下器件加工：（1）刻蝕局部區(qū)域露出n-型GaN導(dǎo)電層；（2）蒸鍍透明導(dǎo)電薄膜NiAu或ITO;（3）蒸鍍焊線電極，包括p電極和n電極；（4）蒸鍍鈍化保護層。芯片加工過程需要嚴格管理質(zhì)量，避免出現(xiàn)類似焊盤機械黏附力不足、表面異物污染等容易導(dǎo)致器件在封裝使用過程失效的問題。此外，芯片隨后還需要做襯底減薄、物理切割分離、測試、分選，最后獲得光電參數(shù)一致的芯片成品。由于GaN基LED芯片襯底藍寶石是絕緣體，芯片通過上表面的兩個+/-電極與金屬焊線連接來導(dǎo)電。相比而言，目前普通GaAs襯底的紅光芯片還是通過導(dǎo)電膠使襯底與支架之間形成導(dǎo)電通道，工藝控制導(dǎo)電膠的物理黏結(jié)強度對封裝斷路失效控制就顯得特別重要。

　　藍、綠光LED芯片光電參數(shù)特征

　　1、I-V關(guān)系曲線

　　藍、綠光LED芯片通常在正向加壓2.4V左右時開始導(dǎo)通，工作電流20mA下電壓Vf的范圍一般是3.0~3.4V（對于14×14mil2見方的芯片尺寸，），較高的工作電壓是由GaN半導(dǎo)體的禁帶寬度決定的。

　　2.2環(huán)境溫度對光電特性的影響

　　一顆普通結(jié)構(gòu)14×14mil2綠光LED芯片在不同環(huán)境溫度下的特性變化曲線。當環(huán)境溫度從20℃上升到80℃時，顯示綠光LED的發(fā)光波長發(fā)生明顯漂移，從522nm紅移到527nm;顯示發(fā)光亮度降低了25%;顯示工作電壓從3.23V降到2.98V。

　　隨著環(huán)境溫度的升高，發(fā)光波長紅移以及工作電壓下降都是由于半導(dǎo)體禁帶寬度縮小導(dǎo)致的。但是，由于GaN體系的材料禁帶寬度大，可以容忍的環(huán)境溫度上限比其它材料有非常明顯的優(yōu)勢。實驗發(fā)現(xiàn)，在150℃環(huán)境溫度下，GaN基的藍、綠光LED器件還可以發(fā)光，只是效率大大降低了。但是，另一方面，對于此類普通結(jié)構(gòu)的芯片，藍光的電光轉(zhuǎn)換效率在20~30%之間；綠光明顯更低，一般只有10~20%.電能除了少部分轉(zhuǎn)變成光能外，其它都產(chǎn)生熱，這些熱能對于微小的晶片面積來說是很大的負擔。因此，在芯片封裝使用時，需要特別注意做好芯片的散熱通道設(shè)計，從而確保芯片能穩(wěn)定可靠地工作。

　　2、工作電流密度對波長的影響

　　普通14×14mil2綠光LED芯片發(fā)光波長隨工作電流變化的曲線。隨著電流密度的增大，綠光芯片發(fā)光波長從534nm（2mA下測試）藍移到522nm（30mA下測試）。實際上藍光芯片也有類似的藍移趨勢，只是幅度比綠光芯片小，這個特性對設(shè)計使用芯片的工作條件非常重要。為了避免顏色隨亮度變化而發(fā)生漂移，調(diào)節(jié)亮度的方式一般選擇改變脈沖寬度，而不是改變電流強度。

　　為發(fā)光層量子阱工作的基本原理示意圖。電子-空穴復(fù)合生成光子的能量決定了發(fā)光波長，而光子的能量是由束縛在量子阱的電子-空穴對的勢能決定的。實際上，芯片從2mA增加到30mA電流的過程中，量子阱中電子-空穴對的勢能發(fā)生了兩個非常重要的變化：先是屏蔽了量子阱內(nèi)建電場，使得導(dǎo)帶和價帶距離增大；然后載流子填充效應(yīng)使得電子-空穴對之間的勢能進一步增大，而增大的電子-空穴對勢能轉(zhuǎn)變成的光子對應(yīng)的波長將變短，這一點可以從前述波長和能量的換算關(guān)系推得。

　　技術(shù)發(fā)展歷程中的關(guān)鍵階段

　　1、p-n結(jié)GaN二極管關(guān)鍵技術(shù)突破階段（1970~1993年）

　　早在1970年代，美國科學(xué)家J.Pankove等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)GaN是一種良好的寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料，并且成功制作了能發(fā)出藍光的GaN肖特基管。但是，隨后的十幾年里，科學(xué)家們的努力研究一直沒能突破制備p-型GaN材料的難關(guān)。直到20世紀80年代末期，日本科學(xué)家Akasaki和Amano發(fā)現(xiàn)，可以先在異質(zhì)襯底上沉積AlN結(jié)晶層，然后能夠?qū)崿F(xiàn)MOCVD外延生長表面平整的GaN單晶薄膜材料。在此基礎(chǔ)上，他們又發(fā)現(xiàn)可以通過電子束激活Mg摻雜的GaN材料中的空穴載流子，實現(xiàn)p-型GaN材料的制備，這是GaN基p-n結(jié)發(fā)光二極管最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)突破。隨后，GaN基LED技術(shù)從研究院所的實驗室走進了工廠。日本Nichia（日亞）公司的科學(xué)家Nakamura[15,16]實現(xiàn)了采用GaN結(jié)晶層實現(xiàn)高質(zhì)量的外延層MOCVD生長，很快又發(fā)現(xiàn)可以通過熱退火的方式激活Mg摻雜的GaN實現(xiàn)p型導(dǎo)電。作為這一系列突破的成果，1993年Nichia公司成功實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)GaN藍光LED.

　　2、內(nèi)量子效率提升階段（1993~2000年

　　在成功實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)藍光LED后，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對該領(lǐng)域的許多關(guān)鍵物理課題投入了極大的研究熱情。核心問題之一就是如何提高藍光LED芯片的InGaN/GaN量子阱內(nèi)量子效率，也就是如何提高電光轉(zhuǎn)換效率。許多研究單位和企業(yè)的MOCVD設(shè)備被用于試驗優(yōu)化生長條件，提高InGaN量子阱的晶體質(zhì)量；同時還有很多新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計也被嘗試以提高載流子的注入效率和復(fù)合效率。在這階段，新的研究發(fā)現(xiàn)主要促成了兩大成果：（1）綠光LED的商用化（1995年[17]）；（2）藍光LED效率得到了成倍提升。

　　3、內(nèi)、外量子效率同時提升階段（2000年至今）

　　在藍、綠光LED性能顯著提高的基礎(chǔ)上，它們得到了大規(guī)模的商用化，