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LED芯片 16 种衬底、外延及芯片结构分析

浏览数量:1     作者:本站编辑     发布时间: 2015-12-22      来源: 广东LED

OFweek半导体照明网讯 近几年LED技术发展迅速,取得衬底、外延及芯片核心技术突破性进展。

  1、图形化衬底

  LED外 延现阶段普遍使用图形化衬底(PSS),PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS,微米级PSS有各种形状图形,图形高度一般1.1~1.6μm,园 直径2.5~3μm,周期约4μm,采用光微投影及电浆干式蚀刻技术,一般可提高光效30~40%。nPSS一般采用纳米压印技术,图形大小约 260nm,周期约460nm,一般可提高光效70%左右。

  (1)nPSS衬底

  对纳米模板及衬底平行度要求苛刻,nPSS优点:LED更高发光效率,均匀性更好,成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm园孔的六角形阵列,使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

  (2)纳米柱PSS

  英国塞伦公司的新技术,在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术,形成表面的纳米柱,在此衬底上外延生长可缓解应力85%,从而大幅度减少缺陷,可提高发光亮度达80~120%,LED光效的产业化水平达200lm/w,并改善Droop效应,衰减减缓约30%。

  小结:PSS能较大提高LED发光效率,特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率,PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。

  2、同质衬底

   同质衬底是以GaN作衬底,生长GaN衬底有多种方法,一般采用HVPE(氢化物气相外延)或钠流法,生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问 题,衬底厚度约400~500μm,现可产业化。GaN衬底的优点:位错密度低(105~106个/cm2),内量子效率可达80%以上,生长时间短约2 小时,节省大量原材料,可大幅度降低成本。

  (1)实现高亮度LED

  丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片,其面积为1mm2,可实现400lm光通量。

  (2)HVPE生长GaN衬底产业化

  三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底,厚度450μm左右,位错密度(106~107个/cm2),三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底,并计划2015年将成本降至目前的十分之一。东莞中镓(北大)可批量生产GaN衬底。

  (3)提高内量子效率

  日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底,低缺陷密度,内量子效率达90%,在200mA下,其光效达200lm/w,可提供4″GaN衬底,正在加速开发低缺陷的6″衬底。

  (4)大尺寸GaN衬底

  住友电工和Soitec合作开发4″和6″GaN衬底,采用晶园制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底,具有低缺陷密度,并宣布可提供GaN衬底。

  (5)LiGaO2衬底

  华南理工大学研发在LiGaO2衬底上采用激光分子束外延生长非极性GaN衬底,厚度2μm,作为复合衬底生长GaN芯片,要求达到位错密度为1×106/cm2,内量子效率85%,转换效率为65%。

  (6)获奖产品

  美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯,被SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完整性提高1000多倍,使每盏灯使用一个LED器件成为可能。

  小结:采 用GaN-on-GaN同质衬底生长LED,其缺陷密度达(105~106/cm2),可极大提升LED发光效率,而且加大电流密度时Droop不明显, 使普通照明实现采用单芯片LED光源,将LED核心技术推向新台阶。用中村修二的话来小结:我们相信有了GaN-on-GaNLED,我们已经真正地谱写 了LED技术新篇章,即LED2.0版。

       3、非极性、半极性衬底

  蓝宝石(Al2O3)晶面有极性C面、半极性M面、R面和非极性A面。采用非极性或半极性衬底,生长难,可大幅度降低缺陷密度。采用非极性衬底生长LED,可作显示屏、电视、手机等背光源,没有取向性,不要外置扩散片,并可用于录光、激光、太阳能板。

  (1)非极性、半极性蓝宝石衬底

  英国塞伦光电采用非极性蓝宝石上生长LED,大幅度降低缺陷密度,其外延片的光转换效率可提高7倍,大幅度提高亮度而有效改善美元/流明值。

  (2)“npolo”LED

  首尔半导体采用非极性GaN衬底生长LED称为“npolo”LED,在1mm2芯片上实现500lm光通量,首尔半导体CEO李贞勋说:同一表面的亮度大幅改善5倍,未来可提高10倍以上,是LED光源的终极目标。

  (3)非极性GaN衬底

  三菱化学采用非极性GaN衬底生长蓝光LED,其缺陷密度最少仅为1×104/cm2。计划目标,在1mm2芯片发光亮度可达1000lm光通量。

  (4)非极性、半极性GaN衬底产业化

  住友公司宣布已开发半极性、非极性GaN衬底材料,可提供制作白光LED的半极性、非极性衬底。

  (5)紫外LED采用非极性衬底

  首尔半导体采用非极性GaN衬底开发紫外LED并与R、G、B荧光粉组合可实现高显色指数的白光照明和色彩表现范围大的背光源。

  小结:采用半极性、非极性蓝宝石和GaN衬底生长LED的核心技术,已取得突破性进展,有可能在1mm2芯片上实现1000lm光通量,采用单芯片作为一盏LED灯的光源成为可能。

  4、芯片新结构

  LED核心技术,还有LED芯片结构新技术。芯片结构设计主要是考虑如何提高外量子效率,即芯片的光萃取效率,提高芯片散热性能以及在降低成本上进行采用新结构新工艺。芯片有很多种新结构。

  (1)六面体发光芯片

  六面体发光芯片指芯片的六个面全部出光,采用多面表面粗化技术,减少界面对光子的反射,提高光萃取率。

  (2)DA芯片结构

   Cree公司利用SiC衬底优势,已推出的DA系列产品,采用SiC透明衬底作为发光面,在SiC衬底上制作3D结构,即在SiC基板的外侧设置V字形 沟槽,从V字沟槽一侧发光,以增强高折射率SiC衬底的光萃取效果,而且是大电流倒装芯片,发光层一侧与封装接合,获得高质量的散热性,采用共晶焊、无金 线,面积几乎是原来的一半,显著降低成本,实现双倍性价比。并在第三代碳化硅技术SC3平台上,采用匹配的最新封装技术,宣布获得光效达276lm/w。

  (3)单芯片白光技术

   三星公司采用纳米级的六角棱锥结构技术做出白光LED,可以实现半极性、非极性衬底上生长GaN,有利于光萃取的提升,因纳米结构微小能有效降低应变, 达到更佳的晶体质量,而且散热性能好。同时发绿光、黄光、红光,其内量子效率分别为61%、45%、29%。实现单芯片发多色光组合白光LED,取得突破 性进展。将会提高光色质量和避免波长转移引起光能损失,并可减少封装工艺,提高封装可靠性和降低封装成本,成为实现白光LED的另一条技术路线。

  小结:LED芯片结构研发方面不断有新结构出现,在提高光效、散热性能、降低成本上不断有所突破。更要关注单芯片发多色光组合成白光LED的研发进展,将是LED照明技术发展中另一条可行的技术路线。

       5、衬底、外延新技术

  以下介绍几种在LED衬底、外延核心技术研究中的新技术是具有开创性。

  (1)外延偏移生长技术

  美国加州大学采用掩膜及分层偏移技术生长低位错GaN,如图所示。

   示意图中SiO2厚200nm,SiNX厚120nm。先低温530℃生长25nm成核层,之后在1040℃下外延GaN,进行偏移生长,阻档位错生 长,可获位错密度为7×105个/cm2,可极大提高内量子效率,减少Droop效应。在外延上采用创新技术,取得突破性进展,将极大提高LED性能指 标。

  (2)3D硅基GaN技术

  Aledia公司发布采用3D硅基GaNmicrowire技术,制造3D硅基LED芯片的成本仅为传统2D平面LED的五分之一。该技术基于升级了microwire生产工艺,采用大尺寸园晶和低成本材料的解决方案,该技术已在法国LETI-CEA公司开始使用。

  (3)氧化镓β-Ga2O3衬底

  氧化镓Ga2O3具有多种结构形式:α、β、γ、δ、ε等,其中β结构最为稳定,禁带宽度为4.8~4.9ev,现已做出高品质、低缺陷密度Ga2O3MOSFET,具有优异器件潜力。

  日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga2O3衬底生长GaN蓝光加荧光粉,芯片尺寸2mm见方,加6A电流,其可获500lm光通量,计划目标达2000~3000lm。

  (4)稀土氧化物REO复合衬底

  据《半导体化合物》2013年7月报导:在Si基上生长REO复合衬底,并生长大面积GaN园片,并具有消除应力、减少翘度,可大面积生长,REO性能稳定,减少成本,并具有更高DBR反射效应。已生长氧化钆、氧化铒等复合衬底,取得很好成果。

  (5)介质复合衬底

  上海蓝光最近发布:通过缓冲层与介质衬底的组合技术,使各项参数达到或超过蓝宝石PSS衬底的水平,取得突破性的成果。

  小结:上述介绍几种新技术研究成果,是具有开拓性的创新成果,一旦产业化,将是颠覆的技术突破,开辟了LED照明技术发展上另一条重要的技术路线。

 

 

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