LED照明技术路线及长期以来的改进路线

红色、绿色、蓝色LED发光二极管是由磷、砷、氮等的III-V族化合物如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)以及氮化镓(GaN)等半导体制成的。LED照明技术路线包括了外延、衬底、封装、白光LED种类等多方面。

1、外延技术

外延片材料是LED的核心部分,LED的波长、正向电压、亮度或发光量等光电参数基本上都取决于外延片材料。外延技术和设备是外延片制造技术的关键,金属有机物气相沉积技术(MOCVD)是生长III-V族、II-VI族和合金薄层单晶的主要方法。外延片的位错作为不发光的非辐射复合中心,对器件的光电性能具有非常重要的影响。近十多年业界通过改善外延生长工艺使得位错密度得到了较大的改善。但是主流白光照明用蓝光LED的氮化镓GaN与衬底间晶格和热膨胀系数的不匹配仍导致了很高的位错密度。一直以来,通过研究LED外延技术来最大限度地降低缺陷密度、提高晶体质量是LED技术追求的目标。外延结构及外延技术研究 :① Droop效应 经过多年的发展,LED的外延层结构和外延技术已比较成熟,LED的内量子效率已可达90%以上,红光LED的内量子效率甚至已接近100%。但在大功率LED研究中,发现大电流注入下的量子效率下降较显著,被称为Droop效应。GaN基LED的Droop效应的原因比较倾向于是载流子的局域化,从有源区泄漏或溢出,以及俄歇复合。实验发现采用较宽的量子阱来降低载流子密度和优化P型区的电子阻挡层都可减缓Droop效应。② 量子阱有源区 InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延材料的核心,生长InGaN量子阱的关键是控制量子阱的应力,减小极化效应的影响。常规的生长技术包括多量子阱前生长低In组分的InGaN预阱释放应力,并充当载流子“蓄水池”,再升温生长GaN垒层以提高垒层的晶体质量,生长晶格匹配的InGaAlN垒层或生长应力互补的InGaN/AlGaN结构等。外延结构及外延技术研究中的其它具体技术有:

①衬底剥离技术 该技术首先由美国惠普公司在AlGaInP/GaAsLED实现,GaAs衬底的吸光大,剥离GaAs后,把AlGaInP粘贴在透明的GaP衬底上,发光效率提升近2倍。蓝宝石衬底激光剥离技术是基于GaN同质外延剥离发展的技术,利用紫外激光照射衬底,融化过渡层剥离,2003年OSRAM用此工艺剥离蓝宝石,将出光率提至75%,是传统的3倍,并形成了生产线。

②表面粗化技术 由于外延材料的折射率与封装材料不同导致部分出射光将被反射回到外延层,外延表面粗化就是相当于改变出射角度避免出射光的全反射,提高出光率。工艺上直接对外延表面进行处理,容易损伤外延有源层,而且透明电极更难制作,通过改变外延层生长条件达到表面粗化是可行之路。

③二维光子晶体的微结构  可提高出光效率,2003年9月日本松下电器制作出了直径1.5微米,高0.5微米的凹凸光子晶体的LED,出光率提高60%。

④倒装芯片技术 据美国Lumileds公司数据,蓝宝石衬底的LED约增加出光率1.6倍。

⑤全方位反射膜 除出光正面之外,把其它面的出射光尽可能全反射回外延层内,最终提升从正面的出光率。

2、衬底技术

常用的芯片衬底技术路线主要有已大量商品化或开始商品化的蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底三大类,另有研制中的氮化镓、氧化锌等。对衬底材料评价主要有以下方面:

① 衬底与外延膜层的结构匹配  两者材料的晶体结构相同或相近,则晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低;

② 衬底与外延膜层的热膨胀系数匹配 热膨胀系数相差过大,将使外延膜生长质量下降,在器件工作过程中,还可能由于发热而造成器件的损坏;

③衬底与外延膜层的化学稳定性匹配 衬底材料要有好的化学稳定性,在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀,不与外延膜产生化学反应使外延膜质量下降;

④材料制备的难易程度及成本的高低 产业化衬底材料的制备应简洁,成本不宜很高。衬底晶片尺寸大使综合成本相对较低。

目前,已大量用于商品化的GaN基LED的衬底只有蓝宝石和碳化硅衬底。我国硅衬底技术目前取得了技术突破,正在努力向大规模产业化应用发展。其它可用于GaN基LED的衬底材料还有离产业化还有相当一段距离的GaN同质衬底、ZnO衬底。

①蓝宝石(三氧化二铝Al2O3) 是最早应用的LED衬底技术,产量大使其目前的相对成本较低。蓝宝石衬底有许多的优点:首先,蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好;其次,蓝宝石的稳定性很好,能够运用在高温生长过程中;最后,蓝宝石的机械强度高,易于处理和清洗。蓝宝石作为衬底的缺点是:首先,晶格失配和热应力失配大,导致在外延层中产生大量缺陷,同时给后续的器件加工工艺造成困难;其次,蓝宝石是一种绝缘体,无法制作垂直结构的器件,通常只在外延层的上表面制作N型和P型两个电极,使有效发光面积减少,同时增加了光刻和刻蚀工艺过程,使材料利用率降低、成本增加。再有,为避免在P型GaN掺杂这个难题,普遍采用在P型GaN上制备金属透明电极来扩散电流达到均匀发光,但透明电极将吸收30%左右的出射光,同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高,对其刻蚀需要较好的设备。此外,蓝宝石的硬度仅次于金刚石,对它进行切割、减薄和处理需一些较贵重的设备,导致生产设备和成本增加。蓝宝石的导热性能较差(在100℃约为25W/(m·K))并且需在衬底底部使用导热本性就不好的银胶来固晶,这些对于发热量多的大功率LED器件很不利。

②碳化硅衬底(SiC) SiC衬底有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好(其导热系数490W/(m·K)比蓝宝石衬底高出10倍以上)、不吸收可见光等突出优点,有利于解决大功率型GaN基LED器件的散热问题。因此,SiC衬底材料应用程度仅次于蓝宝石,在半导体照明技术领域占重要地位。美国的CREE公司专门采用SiC材料作为衬底,其LED芯片两个电极各分布在器件的表面和底部,电流纵向流动,所产生的热量可以通过电极直接导出;同时这种衬底不需要电流扩散层,因此不存在出射光被电流扩散层的材料吸收的问题,提高了出光效率。但是,SiC衬底材料价格太高,晶体质量不如蓝宝石好,机械加工性能比较差的缺点。

③硅衬底 硅单晶是最常用的二极管、三极管及集成电路的半导体基础材料,生产历史悠久,成本低廉。因为大尺寸(8寸、12寸)发展最为成熟,被看作是降低外延片成本的最佳选择,但由于晶格失配和热失配太大且难以控制,使基于硅衬底的LED品质较差,且成品率较低。其成本与目前主流为6寸以下的蓝宝石衬底LED相比并不占优势而且光效也不如。目前,只有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极可采用两种接触方式,分别是L型接触(Laterial-contact 水平接触)和 V型接触(Vertical-contact垂直接触),通过这两种接触方式,LED芯片内部的电流可以做成是横向流动的,或者也可以做成是纵向流动的。由于电流可以纵向流动,因此增大了LED的发光面积,从而提高了LED的出光效率。因为硅是热的良导体,所以器件的导热性能可以明显改善,从而延长了器件的寿命。硅衬底的突出缺点是:a)与GaN的晶格失配度差导致位错缺陷密度大,內量子效率低,发光效率较低;b) 与GaN的热膨胀系数失配度差,导致在外延层生长的降温过程中龟裂。所以,大规模商业应用还需待时机,一步步扩大市场占有率。

④氮化镓衬底(GaN) 用于GaN生长的最理想衬底就是同质的GaN单晶材料,可以大大提高外延膜的晶体质量,降低位错密度,提高器件工作寿命,提高发光效率,提高器件工作电流密度。但是制备GaN体单晶非常困难,到目前为止还未有行之有效的商业化生产办法。

⑤ 氧化锌衬底(ZnO)ZnO之所以能成为GaN外延的候选衬底,是因为两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格识别度非常小,禁带宽度接近(能带不连续值小,接触势垒小)。但是,ZnO作为GaN外延衬底的致命弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中易分解和腐蚀。ZnO半导体材料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件,主要是材料质量达不到器件水平和P型掺杂问题没有得到真正解决,适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。

3、封装技术

封装技术路线主要有如下图所示的正装结构、垂直结构和倒装结构三种:

①正装结构封装 主要是蓝宝石衬底的LED封装,属于最早期、最成熟的封装技术。但是,因为蓝宝石是热和电的不良导体,通常只在外延层的上表面制作N型和P型两个电极,造成了出光面的有效出光面积减少,同时需增加光刻和刻蚀工序,使材料利用率降低,成本增加。由于P型GaN掺杂困难,普遍采用在P型GaN上制备金属透明电极来扩散电流,以达到均匀发光。但是透明电极一般要吸收约30%~40%的出射光。蓝宝石的导热性能不好并且制作器件时需在底部使用银胶固晶,这种银胶的传热性能也很差。商业化的LED多采用金线将芯片的PN结与支架正负极连接的正装封装结构,随着功率不断提高,光衰较大和光淬灭等失效问题相继涌现,因此,正装封装结构不适合大功率LED器件。

②倒装结构封装 LED是温度的敏感器件,芯片温度越高越不利。为改进蓝宝石衬底的LED正装封装的上述缺点,可采用倒装封装。首先,倒装芯片的蓝宝石衬底作为出光面,没有电极和电流扩上层遮挡出射光和吸收光,还可方便地在导热层进行反射处理,无需正装结构时在外延层附加反射工艺,这些在总体理论上可使外量子效率提高30%左右;其次,外延层以及其上表面的两个电极倒装直接接触散热材料,热传输距离短,散热面积大,更利于热传导,大大提高芯片的散热能力,降低了PN结温,从而降低了载流子的非辐射复合几率,提高了辐射复合几率,从而使内量子效率、发光效率提高,同时也在寿命过程中降低了光效衰退速度而延长有效寿命,而且散热能力增强使得产品大电流冲击的稳定性提高,也使蓝宝石衬底的LED器件的功率上限可以提高;再次,倒装结构可采用无金线封装,解决了因金线虚焊或接触不良引起的不亮、闪烁等问题,提高产品寿命;倒装安装使用过程更加快捷方便,避免安装造成的品质问题或隐患等。倒装结构虽然有这么多优点,但是增加了固晶在精度方面的要求,不利于提高良品率。

③垂直结构封装 对于散热好及导电性好的衬底材料例如碳化硅衬底或硅衬底,原理上来说,可以采用正装或倒装结构,但这样就白白浪费了本身其导热性和导电性良好的优势。因此,这些材料的衬底都采用了垂直结构封装,即两个电极分布在外延层的上表面和衬底的底部,电流呈纵向流动,流动中自然扩散到整个芯片,同时所产生的热量通过底部电极直接导走,使PN结温度低,从而降低了载流子的非辐射复合几率,提高了辐射复合几率,使内量子效率、发光效率提高,同时也在寿命过程中降低了光效衰退速度而延长有效寿命,而且衬底的导热性和导电性好,使得产品受大电流冲击的稳定性提高,有利于大功率LED器件制作;由于出光面不需要电流扩散层,因此,光不会被电流扩散层的材料所部分吸收,又提高了出光效率,外量子效率高。但垂直结构的缺点是出光面需采用一条金线封装,会遮挡部分光和减小发光面积,并且有一定的金线虚焊或接触不良引起的不亮、闪烁等问题,还有外延层需依靠衬底导热散热,这两点在原论上要比倒装(无金线和外延层直接紧贴热沉的方式)结构差一些。因此,倒装与垂直结构各有优势,但无论如何,垂直结构比正装结构有较大优势。

作者简介

李自力,教授级高级工程师,广东省市场监管局缺陷产品管理中心主持日常工作副主任(广东质检院电器部副部长)。2018年获《中国标准创新贡献三等奖》,牵头制定了11项照明国家标准,作为国际IEC智能照明标准专家组成员参与国际IEC标准制定,参加国家重点研发计划和“863”科研项目评审,并参与全国CCC照明指定实验室核查。