藍綠光LED芯片技術發(fā)展歷程

　　技術發(fā)展歷程中的關鍵階段

　　1、p-n結GaN二極管關鍵技術突破階段（1970~1993年）

　　早在1970年代，美國科學家J. Pankove等人就已經發(fā)現(xiàn)GaN是一種良好的寬禁帶半導體發(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，科學家們的努力研究一直沒能突破制備p-型GaN材料的難關。直到20世紀80年代末期，日本科學家Akasaki和Amano發(fā)現(xiàn)，可以先在異質襯底上沉積AlN結晶層，然后能夠實現(xiàn)MOCVD外延生長表面平整的GaN單晶薄膜材料。在此基礎上，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結發(fā)光二極管最為關鍵的基礎技術突破。隨后，GaN基LED技術從研究院所的實驗室走進了工廠。日本Nichia（日亞）公司的科學家Nakamura[15,16]實現(xiàn)了采用GaN結晶層實現(xiàn)高質量的外延層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GaN藍光LED.

　　2、內量子效率提升階段（1993~2000年

　　在成功實現(xiàn)了商業(yè)化生產藍光LED后，學術界和產業(yè)界對該領域的許多關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量子阱內量子效率，也就是如何提高電光轉換效率。許多研究單位和企業(yè)的MOCVD設備被用于試驗優(yōu)化生長條件，提高InGaN量子阱的晶體質量；同時還有很多新的器件結構設計也被嘗試以提高載流子的注入效率和復合效率。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、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上，它們得到了大規(guī)模的商用化，特別是在移動電話背光源，全彩廣告看板等應用領域?；谏虡I(yè)利益的刺激，提高發(fā)光效率成了企業(yè)間的生死時速競賽，這在中國臺灣地區(qū)、韓國以及中國大陸地區(qū)顯得尤為激烈。在很多企業(yè)短時間無法顯著提高內量子效率的情況下，這些新進入者開始大膽嘗試在出光效率上做文章，也就是提高外量子效率。主要突破點在于：（1） 用ITO導電薄膜替代金屬半透過膜NiAu,透過率提高了約25%,也就是亮度提高了25%;（2） 通過在外延層表層生長V型坑缺陷，使得表面全反射被打破，從而顯著提升取光效率，如圖10所示；（3） 通過利用表面粗化的藍寶石襯底片，打破GaN/藍寶石的全反射界面，也實現(xiàn)了顯著提升取光效率的效果，如圖11所示。這些方法在引入初期均導致了器件其它光電性能的嚴重犧牲，比如衰減嚴重、易產生漏電、靜電防護能力弱等等。但是，隨著企業(yè)研究人員的工程技術進步，各種特性逐步得到改善，同時，對外延材料特性的進一步認識也促進了內量子效率持續(xù)的提升。作為結果，在這一階段，藍、綠光LED發(fā)光效率都得到了成倍的提升，最新的研究結果表明，藍光LED在優(yōu)化內、外量子效率的情況下，可以實現(xiàn)50%的電光轉換效率。

　　技術發(fā)展趨勢展望

　　通過外延材料制備技術的提高和器件物理結構設計的優(yōu)化，藍、綠光LED技術在過去20年里取得了令人矚目的發(fā)展。同時，歸功于性能的不斷提升以及成本的快速下降，應用領域和規(guī)模也得到了極大的發(fā)展。但是，展望未來更富有挑戰(zhàn)性的通用照明新領域，LED技術更進一步的突破是必須的。這一次的突破將更為集中地圍繞如何降低LED的使用成本，關鍵有三個發(fā)展方向：（1） 降低器件的制造成本；（2） 提高器件的電光轉換效率；（3） 提高器件的輸入功率。

　　1、降低器件的制造成本

　　LED器件的制造成本相對硅基器件而言還是很高的，這主要是由于該產業(yè)的規(guī)模以及技術發(fā)展程度還遠不及硅基半導體工業(yè)。但是，參考成熟半導體行業(yè)的發(fā)展歷程，我們可以預期LED器件的制造成本將在未來10年有持續(xù)下降空間。主要的成本節(jié)約貢獻將重點依靠三個部分：（1） 核心設備制造技術的進步將成倍提高生產效率，從而顯著降低折舊成本，最為典型的就是GaN外延的MOCVD設備；（2） 加工圓片的尺寸成倍提升，從目前主流的2英寸圓片發(fā)展到4英寸，將大大降低芯片工藝的加工成本；（3） 產業(yè)規(guī)模的級數(shù)擴大將顯著降低消耗原物料的成本和綜合管理成本。綜合這些因素，可以預期未來10年LED芯片的成本將會持續(xù)降低，這將進一步刺激LED新興應用領域的發(fā)展。

　　2、提高器件的電光轉換效率

　　LED器件電光轉換效率的提升也將顯著降低最終客戶的使用成本，這里的成本節(jié)約體現(xiàn)在兩方面：一方面是單位流明亮度的芯片成本將隨著芯片發(fā)光效率的提升而下降；另一方面是電能的節(jié)約，比如從能效25%的芯片技術發(fā)展到50%的技術，將實現(xiàn)節(jié)能一半的效果。而且更有意義的是，節(jié)能的效益不僅體現(xiàn)在經濟上，還體現(xiàn)在社會效益上。因此，在轉換效率提升的研究上，將繼續(xù)獲得大量商業(yè)和政府的研發(fā)資源。

　　電光轉換效率的提升將沿著前述的兩個方向持續(xù)推進：（1） 內量子效率的提升；（2） 取光效率的提升。內量子效率的提升主要依靠MOCVD外延材料制備技術的進步，通過改善發(fā)光層量子阱（MQW）的晶體質量，提高器件的載流子注入效率和復合效率，這方面的提升空間目前已經變得較為有限。相反，取光效率的提升還有很大的開發(fā)空間，這方面的主要工作將在于：（1） 進一步優(yōu)化界面粗糙化的工藝，從而提高光從發(fā)光層逸出的效率；（2） 改善芯片切割工藝，減少透明藍寶石襯底側面亮度吸收損失。

　　3、提高器件的輸入功率

　　在可以保持器件電光轉換效率不變的前提下，通過提高單位面積芯片的輸入功率，也可以達到降低使用成本的效果。這個努力方向依賴兩方面的技術進步：一方面，需要盡可能降低芯片以及封裝結構的熱阻，這樣可以在一定的器件工作溫度上限內提高輸入功率水平；另一方面，需要改善器件MQW結構設計，使其可以在更高注入載流子密度的條件下保持一定的電光轉換效率。在器件熱阻控制的研究方向，目前LED產品領域還有許多空間可供開發(fā)，特別是在低熱阻的焊接固晶技術、高導熱系數(shù)的焊接材料以及芯片支架材料方面，都是值得認真研究的。

　　結論

　　GaN基藍、綠光LED技術過去二十幾年的進步，已經開始在全球開啟了一個嶄新的固態(tài)新光源時代，這個技術不但帶來了色彩斑斕、節(jié)能環(huán)保的新光源，而且正孕育著一個更為廣闊的市場空間--固態(tài)通用照明市場。由于該技術巨大的節(jié)能效益以及其材料的環(huán)保特征，許多戰(zhàn)略研究項目得到了各主要國家的高度關注，同時，也吸引了大批企業(yè)投身其中參與產品開發(fā)和推廣。有理由相信，在未來10年內，GaN基藍、綠光LED技術的發(fā)展必將促成一個欣欣向榮的新型固態(tài)照明市場！