藍(lán)綠光LED芯片技術(shù)發(fā)展歷程

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(shì)能轉(zhuǎn)換為光能，如圖1所示。所發(fā)出光子的波長(zhǎng)（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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越短，簡(jiǎn)單的換算關(guān)系是：（nm）。當(dāng)前藍(lán)、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，如圖2所示。

　　目前，絕大部分藍(lán)、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(duì)應(yīng)GaN的能帶寬度）和0.7eV（對(duì)應(yīng)InN的能帶寬度）調(diào)整，所以理論上這個(gè)材料體系可以覆蓋整個(gè)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(zhǎng)技術(shù)，只能生長(zhǎng)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(shí)際上，目前工業(yè)界的技術(shù)水平通常做到藍(lán)光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率大約是綠光的2倍，就是因?yàn)榍罢叩腎nN組份遠(yuǎn)小于后者，綠光器件中InN的組份估計(jì)已經(jīng)在30%以上（InGaN合金材料精確組份的測(cè)定目前在學(xué)術(shù)界還是一個(gè)疑難科學(xué)問(wèn)題）。也就是說(shuō)，目前的技術(shù)還很難通過(guò)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(gè)世紀(jì)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(gè)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如圖2和表1所示。

　　III族氮化物半導(dǎo)體材料目前工業(yè)化制備是通過(guò)金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理是通過(guò)在密閉化學(xué)反應(yīng)腔中引入高純度的金屬有機(jī)源（MO源）和氨氣（NH3），使其在加熱的襯底基板（一般選擇藍(lán)寶石做襯底）上生長(zhǎng)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)（如圖3所示），基本的物理特性如表2所示。需要特別指出的有兩點(diǎn)：（1） GaN的能帶寬度在常溫300K時(shí)，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(duì)應(yīng)的光子波長(zhǎng)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(dá)到的載流子濃度比n-型摻雜低將近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，電阻很大。這個(gè)特性對(duì)其器件的設(shè)計(jì)提出了特殊的要求，這一點(diǎn)在隨后介紹LED器件結(jié)構(gòu)時(shí)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(duì)。在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，GaN晶體的取向和藍(lán)寶石襯底的晶面選擇有著密切關(guān)系。當(dāng)前，工業(yè)化生長(zhǎng)GaN晶體一般都取c-面的藍(lán)寶石作為襯底基板，GaN晶體生長(zhǎng)與襯底晶體取向會(huì)保持一個(gè)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(zhǎng)是沿著c-軸逐層原子堆積而成的，也就是如圖3所示的c-軸方向成長(zhǎng)。

　　GaN基LED外延片的基本結(jié)構(gòu)（如圖4所示）是在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)：（1） GaN結(jié)晶層；（2） n-型GaN（實(shí)際生產(chǎn)中一般先長(zhǎng)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(gè)外延生長(zhǎng)過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)都要得到優(yōu)化并且精確控制，其中對(duì)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(guò)替代GaN中的Ga原子（Mg比Ga少一個(gè)外圍電子），形成一個(gè)空穴載流子，Si通過(guò)替代Ga原子，形成一個(gè)電子載流子（Si比Ga多一個(gè)外圍電子）。一般整個(gè)器件的外延層厚度范圍在4~8μm,平均生長(zhǎng)速度大約1μm/小時(shí)，因此完成一次器件的生長(zhǎng)大約需要8小時(shí)。

　　完成MOCVD外延生長(zhǎng)后，需要通過(guò)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(lán)、綠光LED芯片的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，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(hù)層（未在圖5中標(biāo)示）。芯片加工過(guò)程需要嚴(yán)格管理質(zhì)量，避免出現(xiàn)類似焊盤機(jī)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(guò)程失效的問(wèn)題。此外，芯片隨后還需要做襯底減薄、物理切割分離、測(cè)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(lán)寶石是絕緣體，芯片通過(guò)上表面的兩個(gè)+/-電極與金屬焊線連接來(lái)導(dǎo)電。相比而言，目前普通GaAs襯底的紅光芯片還是通過(guò)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(qiáng)度對(duì)封裝斷路失效控制就顯得特別重要。

　　藍(lán)、綠光LED芯片光電參數(shù)特征

　　1、I-V關(guān)系曲線

　　藍(lán)、綠光LED芯片通常在正向加壓2.4V左右時(shí)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(duì)于14×14mil2見方的芯片尺寸，如圖6所示），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(duì)光電特性的影響

　　圖7所示為一顆普通結(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(dāng)環(huán)境溫度從20℃上升到80℃時(shí)，圖7（a）顯示綠光LED的發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生明顯漂移，從522nm紅移到527nm;圖7（b）顯示發(fā)光亮度降低了25%;圖7（c）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(zhǎng)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(shì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在150℃環(huán)境溫度下，GaN基的藍(lán)、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(duì)于此類普通結(jié)構(gòu)的芯片，藍(lán)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(duì)于微小的晶片面積來(lái)說(shuō)是很大的負(fù)擔(dān)。因此，在芯片封裝使用時(shí)，需要特別注意做好芯片的散熱通道設(shè)計(jì)，從而確保芯片能穩(wěn)定可靠地工作。

　　2、工作電流密度對(duì)波長(zhǎng)的影響

　　圖8所示為普通14×14mil2綠光LED芯片發(fā)光波長(zhǎng)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(zhǎng)從534nm（2mA下測(cè)試）藍(lán)移到522nm（30mA下測(cè)試）。實(shí)際上藍(lán)光芯片也有類似的藍(lán)移趨勢(shì)，只是幅度比綠光芯片小，這個(gè)特性對(duì)設(shè)計(jì)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(qiáng)度。

　　圖9所示為發(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(zhǎng)，而光子的能量是由束縛在量子阱的電子-空穴對(duì)的勢(shì)能決定的。實(shí)際上，芯片從2mA增加到30mA電流的過(guò)程中，量子阱中電子-空穴對(duì)的勢(shì)能發(fā)生了兩個(gè)非常重要的變化：先是屏蔽了量子阱內(nèi)建電場(chǎng)，使得導(dǎo)帶和價(jià)帶距離增大；然后載流子填充效應(yīng)使得電子-空穴對(duì)之間的勢(shì)能進(jìn)一步