稀磁氮化物引發(fā)紅光LED革命

紅光、橙光和黃光稀磁氮化物LED具有更高的功率和低的溫度敏感度。拿傳統(tǒng)的紅光AlGaInP LED和新型InGaNP LED作比較，發(fā)現后者發(fā)光亮度更強，適合做大屏幕彩顯的背光單元。

在參與到普通照明市場的競爭之后，藍光和白光LED的性能有了巨大的提升，這與應用在大型彩色屏幕、交通燈和建筑照明等領域的紅色、琥珀色和黃色發(fā)光管形成了鮮明的對比，后者性能提升緩慢。

然而，一家剛從加州大學圣地亞哥分校（UCSD）分離出來的新公司Quanlight，已經開發(fā)了一種完全不同的芯片制造工藝，它能夠克服這些阻礙并極大地提升LED的性能。通過把傳統(tǒng)的AlGaInP材料替換成新型的稀磁氮化物材料InGaPN，就有可能制備出高亮度LED，并且它對溫度變化不甚敏感。這將對那些需要穩(wěn)定紅光輸出的高質量圖像來說有幫助，適合大屏幕彩色顯示等應用。

傳統(tǒng)的紅光LED已經用在汽車的剎車燈上，當轉向基于InGaPN的器件以后，車燈的亮度得到提高，所需器件數目得到降低。來源：BMW公司

這項關鍵技術的核心來自加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的研究成果。由charles Tu領導的UCSD團隊，在Quanlight公司成立之前已經在InGaPN方面取得了一些進展。這種材料含有大約1%的氮，看起來是紅色發(fā)光管另一種理想的材料。InGaPN和GaP一經結合，就能產生比AlInGaP基LED更大的能帶差的異質結。計算表明由于更大的電流處理能力它能產生更高亮度的LED。此外，盡管這種材料體系還不成熟，對它知之甚少并難以生長，InGaPN就已經有了一些令人振奮的初步結果。

UCSD的研究人員設法設計了一個有效的原型LED，在器件性能方面如預料中那樣實現了幾項提升，包括縮短了發(fā)射波長隨著溫度的漂移大小。盡管這些設備對于最初的研究來說是足夠的，可是用MBE設備會污染材料，這點限制了LED的亮度。因此，進一步的研發(fā)工作還需轉向商業(yè)化生產廠，并且里面采用的工藝和設備是基于MOCVD平臺的。

學術研究的商業(yè)化

為此我們創(chuàng)立了Quanlight公司，并組成了一支研發(fā)隊伍。從私人投資者處募集到了兩筆基金共計400萬美元后，在2006年8月初我們通過Bandwidth Semiconductor代工服務來開發(fā)外延片，目前取得了很好的進展，并于去年年底按照計劃制造并出售紅色LED外延片給芯片制造商。現在我們計劃將外延片的范圍擴展至涵蓋585nm到660nm的橙色和黃色波段。此外，我們也開始授權專有的工藝技術，或與其它公司建立伙伴關系。

InGaPN LED相對于AlGaInP LED的優(yōu)勢主要有三：更低的制造成本，更好的色溫穩(wěn)定性和大電流下更高的亮度。

更低的制造成本來源于更簡化的制造工藝，它使用的生產設備與傳統(tǒng)紅光LED的一致。傳統(tǒng)的AlInGaP基發(fā)光管是在GaAs襯底上生長的，為了提升輸出功率，外延片通常是放到一個透明的GaP襯底或者鏡面的支撐體上。我們的工藝稀磁氮化物能夠直接地生長在GaP襯底上，這就減少了傳統(tǒng)制作所需的“外延層去除和壓焊”兩大工藝步驟；從而降低了材料成本。

在我們的器件中，GaP襯底和InGaPN材料之間存在小小的晶格失配，這意味著外延片是贗勢應變的，但是它允許在LED中整合足夠的量子阱以實現大功率的輸出。這樣產生的結構其質量和在GaAs襯底上生長的AlInGaP材料的類似，但缺點是市面上不提供采用垂直梯度冷凝法（VGF）制備的GaP襯底。VGF是一種能夠生長非常低位錯密度梨晶的制造工藝。

提高GaP質量

圖1. Quanlight的635nm LED相比傳統(tǒng)的設計來說，它受到溫度的影響更小，穩(wěn)定性更好。

我們現在用的3quot;襯底是用液封直拉（LEC）工藝生長的，它適用于LED的量產，所得器件在亮度和可靠性方面具備商業(yè)競爭力。同時我們也在和PVA TePla合作開發(fā)新的技術，使用VGF方法制備GaP梨晶。我們希望這個冒險能夠取得成功，因為VGF方法被業(yè)內熟知，并早已用來生長其它材質的襯底了。盡管不能預測轉用VGF材料之后能有多大利潤，但我們預計它能夠提高InGaPN基LED的壽命和功率輸出。我們已經開始對初期測量在這個平臺上制取的LED，并希望在很短的時間內能取得初步的結果。

InGaNP的本征屬性確保了器件的峰值波長隨溫度的漂移將小于AlInGaP器件的。對于那些需要穩(wěn)定光源的應用如彩色顯示器，發(fā)光器件更具吸引力。在UCSB實驗室，我們發(fā)現了用MBE法制成的紅色發(fā)光管其色彩穩(wěn)定性得到了提高，但這對MOCVD法制成的LED也同樣有效。通過外部加熱法將LED從25℃升溫至125℃，并記錄不同溫度下的峰值發(fā)光波長。測試結果如圖1所示，LED的峰值發(fā)射波長在整個溫度范圍僅僅變化了3nm，相對于一家領先的紅光LED制造商所生產的AlInGaP芯片，3nm偏移量僅是后者的五分之一。

InGaPN LED的第三個優(yōu)勢是在高溫下發(fā)光更亮，它源于一種優(yōu)異的能帶結構，能提高有源區(qū)的載流子限制效應。帶有GaP勢壘的InGaPN LED產生的能帶偏移量較大，通常是AlGaInP量子阱與AlGaInP勢壘能帶偏移量的2-3倍。

在25℃到125℃范圍內，通過比較Quanlight LED和傳統(tǒng)紅光LED的輸出功率，結果驗證了前者在更高溫度下性能更強（圖2）。

Quanlight器件在125℃時的發(fā)射功率是它在25℃時的48%，但是參考的LED僅僅是其初始值的25%。當我們完成器件工藝的研發(fā)工作之時，希望我們的材料能制備出和室溫下AlInGaP芯片一樣明亮的器件，并比150℃時AlInGaP芯片的亮度高2倍左右。在高溫下InGaNP LED的性能得到提升，這個特性對紅色和黃色交通燈更具吸引力。它們在美國的最小熔化標準是25℃和74℃。

有源區(qū)中增強的載流子限制效應同樣有益于電流處理，在研發(fā)階段的測試器件已經產生了高達9A/mm2的電流密度（圖3）。這些測試是在外延片上進行的，而不是對每個劃開的芯片進行的。因此可以合理地預測新生成的產品的有效參數會低一些。盡管如此，我們還能預測InGaPN LED的飽和電流密度是基于AlInGaP同類產品的2-3倍。

圖2. 更高溫度下635nm發(fā)光管的輸出功率在衰減，其幅度隨著載流子限制效應的增加而平緩。AlInGaP LED的數據來源于一家領先的LED制造商。

從傳統(tǒng)的紅光芯片轉向InGaPN器件好處有三：更高的電流處理能力，對LED封裝和應用工程師有幫助；在更大的驅動電流下使用更小的器件，并能發(fā)出同樣亮度的光；或者在大功率陣列中可采用更少的大尺寸LED。這些方式都能夠減少LED尺寸并降低總體的成本，無論是采用更少量LED還是同樣個數的LED，總的成本會因為LED尺寸小而更加便宜。

現在我們正測試這款紅色發(fā)光管的可靠性，將對研發(fā)中的器件進行5000小時的測試；我們也計劃比較LEC和VGF法生長的襯底所制成LED的性能。

準備啟動

我們已經將器件的生長轉移到了MOCVD平臺上，并采用了最優(yōu)化的外延層設計。從我們的器件中觀測到了光輸出的提高。與稀磁氮化物的本征屬性有關，我們無需損害發(fā)光器的色彩和熱穩(wěn)定性就能獲得上述優(yōu)勢。

盡管我們領域的許多人可能以為稀磁氮化物是一種難懂的材料，沒有在電信部門發(fā)揮它應有的作用。我們有理由認為這款器件將會是一個商業(yè)上的成功。稀磁氮化物通信激光器的外延層需要高濃度的銦含量，增加了材料的應力并降低了器件的壽命和可靠性。但是紅色、橙色和黃色InGaPN LED的含銦量很少，它就不會出現這個問題。

圖3. Quanlight的LED能夠經受很高的電流密度，不像傳統(tǒng)的LED只能在2.0A/mm2以下才發(fā)出峰值亮度；在外延片上測試，這些InGaNP LED將在這兩處發(fā)出最亮的光：若是300×300祄的芯片，其電流密度是9.0A/mm2；若是400×400祄的芯片，其電流密度為5.5A/mm2。

我們在制備稀磁氮化物中獲得了豐富的經驗，相對于其他可能正準備開發(fā)基于此材料的產品的公司，這為我們贏得了很強的競爭力。盡管外延片是在Bandwidth Semiconductor生長的，但我們還是將工藝知識和知識產權掌握在自己的手中，技術團隊在現場參與所有的開發(fā)生長過程。這個團隊帶動了這種材料的研發(fā)。

當我們啟動更多組合產品如覆蓋585nm到660nm的大功率紅色、褐色和黃色外延片LED時，我們已經進入了一個目標5億美元的快速增長的高亮度市場。我們產品的性能優(yōu)勢將適合需要大功率和穩(wěn)定色彩輸出的應用。發(fā)光芯片的溫度誘發(fā)的波長漂移減少，讓LCD TV背光單元、投影機的光引擎、戶外顯示和其它紅綠藍混色應用從中受益，也即顯示設備的控制機制得到簡化。同時，此款高強度輸出的新型紅光LED也適合用在運輸、危險地、劇院和建筑物等方面的照明。

諸如交通燈和汽車剎車燈的應用都使用AlInGaP LED來降低能源和成本，對于這種類型的大功率應用，InGaPN LED使工程師設計更多更低成本的燈具，原因在前面提到了：在更高的電流下使用更小尺寸的芯片，或者在陣列中使用更少的大尺寸LED。由于Quanlight LED在高溫下能有效地工作，需要使用一個更緊湊結構或能加強散熱的外殼。

在缺少嚴格輸出規(guī)范的低功率應用領域，比如圣誕樹照明，這對InGaPN LED而言是唯一不高人一等的地方，目前Quanlight沒有積極進取這個低功率應用市場，因為低價的低功率AlInGaP芯片已經普遍供應了。