LED照明技術路線及長期以來的改進路線
紅色、綠色、藍色LED發光二極管是由磷、砷、氮等的III-V族化合物如砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)以及氮化鎵(GaN)等半導體制成的。LED照明技術路線包括了外延、襯底、封裝、白光LED種類等多方面。
1、外延技術
外延片材料是LED的核心部分,LED的波長、正向電壓、亮度或發光量等光電參數基本上都取決于外延片材料。外延技術和設備是外延片制造技術的關鍵,金屬有機物氣相沉積技術(MOCVD)是生長III-V族、II-VI族和合金薄層單晶的主要方法。外延片的位錯作為不發光的非輻射復合中心,對器件的光電性能具有非常重要的影響。近十多年業界通過改善外延生長工藝使得位錯密度得到了較大的改善。但是主流白光照明用藍光LED的氮化鎵GaN與襯底間晶格和熱膨脹系數的不匹配仍導致了很高的位錯密度。一直以來,通過研究LED外延技術來最大限度地降低缺陷密度、提高晶體質量是LED技術追求的目標。外延結構及外延技術研究 :① Droop效應 經過多年的發展,LED的外延層結構和外延技術已比較成熟,LED的內量子效率已可達90%以上,紅光LED的內量子效率甚至已接近100%。但在大功率LED研究中,發現大電流注入下的量子效率下降較顯著,被稱為Droop效應。GaN基LED的Droop效應的原因比較傾向于是載流子的局域化,從有源區泄漏或溢出,以及俄歇復合。實驗發現采用較寬的量子阱來降低載流子密度和優化P型區的電子阻擋層都可減緩Droop效應。② 量子阱有源區 InGaN/GaN量子阱有源區是LED外延材料的核心,生長InGaN量子阱的關鍵是控制量子阱的應力,減小極化效應的影響。常規的生長技術包括多量子阱前生長低In組分的InGaN預阱釋放應力,并充當載流子“蓄水池”,再升溫生長GaN壘層以提高壘層的晶體質量,生長晶格匹配的InGaAlN壘層或生長應力互補的InGaN/AlGaN結構等。外延結構及外延技術研究中的其它具體技術有:
①襯底剝離技術 該技術首先由美國惠普公司在AlGaInP/GaAsLED實現,GaAs襯底的吸光大,剝離GaAs后,把AlGaInP粘貼在透明的GaP襯底上,發光效率提升近2倍。藍寶石襯底激光剝離技術是基于GaN同質外延剝離發展的技術,利用紫外激光照射襯底,融化過渡層剝離,2003年OSRAM用此工藝剝離藍寶石,將出光率提至75%,是傳統的3倍,并形成了生產線。
②表面粗化技術 由于外延材料的折射率與封裝材料不同導致部分出射光將被反射回到外延層,外延表面粗化就是相當于改變出射角度避免出射光的全反射,提高出光率。工藝上直接對外延表面進行處理,容易損傷外延有源層,而且透明電極更難制作,通過改變外延層生長條件達到表面粗化是可行之路。
③二維光子晶體的微結構 可提高出光效率,2003年9月日本松下電器制作出了直徑1.5微米,高0.5微米的凹凸光子晶體的LED,出光率提高60%。
④倒裝芯片技術 據美國Lumileds公司數據,藍寶石襯底的LED約增加出光率1.6倍。
⑤全方位反射膜 除出光正面之外,把其它面的出射光盡可能全反射回外延層內,最終提升從正面的出光率。
2、襯底技術
常用的芯片襯底技術路線主要有已大量商品化或開始商品化的藍寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底三大類,另有研制中的氮化鎵、氧化鋅等。對襯底材料評價主要有以下方面:
① 襯底與外延膜層的結構匹配 兩者材料的晶體結構相同或相近,則晶格常數失配小、結晶性能好、缺陷密度低;
② 襯底與外延膜層的熱膨脹系數匹配 熱膨脹系數相差過大,將使外延膜生長質量下降,在器件工作過程中,還可能由于發熱而造成器件的損壞;
③襯底與外延膜層的化學穩定性匹配 襯底材料要有好的化學穩定性,在外延生長的溫度和氣氛中不易分解和腐蝕,不與外延膜產生化學反應使外延膜質量下降;
④材料制備的難易程度及成本的高低 產業化襯底材料的制備應簡潔,成本不宜很高。襯底晶片尺寸大使綜合成本相對較低。
目前,已大量用于商品化的GaN基LED的襯底只有藍寶石和碳化硅襯底。我國硅襯底技術目前取得了技術突破,正在努力向大規模產業化應用發展。其它可用于GaN基LED的襯底材料還有離產業化還有相當一段距離的GaN同質襯底、ZnO襯底。
①藍寶石(三氧化二鋁Al2O3) 是最早應用的LED襯底技術,產量大使其目前的相對成本較低。藍寶石襯底有許多的優點:首先,藍寶石襯底的生產技術成熟、器件質量較好;其次,藍寶石的穩定性很好,能夠運用在高溫生長過程中;最后,藍寶石的機械強度高,易于處理和清洗。藍寶石作為襯底的缺點是:首先,晶格失配和熱應力失配大,導致在外延層中產生大量缺陷,同時給后續的器件加工工藝造成困難;其次,藍寶石是一種絕緣體,無法制作垂直結構的器件,通常只在外延層的上表面制作N型和P型兩個電極,使有效發光面積減少,同時增加了光刻和刻蝕工藝過程,使材料利用率降低、成本增加。再有,為避免在P型GaN摻雜這個難題,普遍采用在P型GaN上制備金屬透明電極來擴散電流達到均勻發光,但透明電極將吸收30%左右的出射光,同時GaN基材料的化學性能穩定、機械強度較高,對其刻蝕需要較好的設備。此外,藍寶石的硬度僅次于金剛石,對它進行切割、減薄和處理需一些較貴重的設備,導致生產設備和成本增加。藍寶石的導熱性能較差(在100℃約為25W/(m·K))并且需在襯底底部使用導熱本性就不好的銀膠來固晶,這些對于發熱量多的大功率LED器件很不利。
②碳化硅襯底(SiC) SiC襯底有化學穩定性好、導電性能好、導熱性能好(其導熱系數490W/(m·K)比藍寶石襯底高出10倍以上)、不吸收可見光等突出優點,有利于解決大功率型GaN基LED器件的散熱問題。因此,SiC襯底材料應用程度僅次于藍寶石,在半導體照明技術領域占重要地位。美國的CREE公司專門采用SiC材料作為襯底,其LED芯片兩個電極各分布在器件的表面和底部,電流縱向流動,所產生的熱量可以通過電極直接導出;同時這種襯底不需要電流擴散層,因此不存在出射光被電流擴散層的材料吸收的問題,提高了出光效率。但是,SiC襯底材料價格太高,晶體質量不如藍寶石好,機械加工性能比較差的缺點。
③硅襯底 硅單晶是最常用的二極管、三極管及集成電路的半導體基礎材料,生產歷史悠久,成本低廉。因為大尺寸(8寸、12寸)發展最為成熟,被看作是降低外延片成本的最佳選擇,但由于晶格失配和熱失配太大且難以控制,使基于硅襯底的LED品質較差,且成品率較低。其成本與目前主流為6寸以下的藍寶石襯底LED相比并不占優勢而且光效也不如。目前,只有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式,分別是L型接觸(Laterial-contact 水平接觸)和 V型接觸(Vertical-contact垂直接觸),通過這兩種接觸方式,LED芯片內部的電流可以做成是橫向流動的,或者也可以做成是縱向流動的。由于電流可以縱向流動,因此增大了LED的發光面積,從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導體,所以器件的導熱性能可以明顯改善,從而延長了器件的壽命。硅襯底的突出缺點是:a)與GaN的晶格失配度差導致位錯缺陷密度大,內量子效率低,發光效率較低;b) 與GaN的熱膨脹系數失配度差,導致在外延層生長的降溫過程中龜裂。所以,大規模商業應用還需待時機,一步步擴大市場占有率。
④氮化鎵襯底(GaN) 用于GaN生長的最理想襯底就是同質的GaN單晶材料,可以大大提高外延膜的晶體質量,降低位錯密度,提高器件工作壽命,提高發光效率,提高器件工作電流密度。但是制備GaN體單晶非常困難,到目前為止還未有行之有效的商業化生產辦法。
⑤ 氧化鋅襯底(ZnO)ZnO之所以能成為GaN外延的候選襯底,是因為兩者具有非常驚人的相似之處。兩者晶體結構相同、晶格識別度非常小,禁帶寬度接近(能帶不連續值小,接觸勢壘小)。但是,ZnO作為GaN外延襯底的致命弱點是在GaN外延生長的溫度和氣氛中易分解和腐蝕。ZnO半導體材料尚不能用來制造光電子器件或高溫電子器件,主要是材料質量達不到器件水平和P型摻雜問題沒有得到真正解決,適合ZnO基半導體材料生長的設備尚未研制成功。
3、封裝技術
封裝技術路線主要有如下圖所示的正裝結構、垂直結構和倒裝結構三種:
①正裝結構封裝 主要是藍寶石襯底的LED封裝,屬于最早期、最成熟的封裝技術。但是,因為藍寶石是熱和電的不良導體,通常只在外延層的上表面制作N型和P型兩個電極,造成了出光面的有效出光面積減少,同時需增加光刻和刻蝕工序,使材料利用率降低,成本增加。由于P型GaN摻雜困難,普遍采用在P型GaN上制備金屬透明電極來擴散電流,以達到均勻發光。但是透明電極一般要吸收約30%~40%的出射光。藍寶石的導熱性能不好并且制作器件時需在底部使用銀膠固晶,這種銀膠的傳熱性能也很差。商業化的LED多采用金線將芯片的PN結與支架正負極連接的正裝封裝結構,隨著功率不斷提高,光衰較大和光淬滅等失效問題相繼涌現,因此,正裝封裝結構不適合大功率LED器件。
②倒裝結構封裝 LED是溫度的敏感器件,芯片溫度越高越不利。為改進藍寶石襯底的LED正裝封裝的上述缺點,可采用倒裝封裝。首先,倒裝芯片的藍寶石襯底作為出光面,沒有電極和電流擴上層遮擋出射光和吸收光,還可方便地在導熱層進行反射處理,無需正裝結構時在外延層附加反射工藝,這些在總體理論上可使外量子效率提高30%左右;其次,外延層以及其上表面的兩個電極倒裝直接接觸散熱材料,熱傳輸距離短,散熱面積大,更利于熱傳導,大大提高芯片的散熱能力,降低了PN結溫,從而降低了載流子的非輻射復合幾率,提高了輻射復合幾率,從而使內量子效率、發光效率提高,同時也在壽命過程中降低了光效衰退速度而延長有效壽命,而且散熱能力增強使得產品大電流沖擊的穩定性提高,也使藍寶石襯底的LED器件的功率上限可以提高;再次,倒裝結構可采用無金線封裝,解決了因金線虛焊或接觸不良引起的不亮、閃爍等問題,提高產品壽命;倒裝安裝使用過程更加快捷方便,避免安裝造成的品質問題或隱患等。倒裝結構雖然有這么多優點,但是增加了固晶在精度方面的要求,不利于提高良品率。
③垂直結構封裝 對于散熱好及導電性好的襯底材料例如碳化硅襯底或硅襯底,原理上來說,可以采用正裝或倒裝結構,但這樣就白白浪費了本身其導熱性和導電性良好的優勢。因此,這些材料的襯底都采用了垂直結構封裝,即兩個電極分布在外延層的上表面和襯底的底部,電流呈縱向流動,流動中自然擴散到整個芯片,同時所產生的熱量通過底部電極直接導走,使PN結溫度低,從而降低了載流子的非輻射復合幾率,提高了輻射復合幾率,使內量子效率、發光效率提高,同時也在壽命過程中降低了光效衰退速度而延長有效壽命,而且襯底的導熱性和導電性好,使得產品受大電流沖擊的穩定性提高,有利于大功率LED器件制作;由于出光面不需要電流擴散層,因此,光不會被電流擴散層的材料所部分吸收,又提高了出光效率,外量子效率高。但垂直結構的缺點是出光面需采用一條金線封裝,會遮擋部分光和減小發光面積,并且有一定的金線虛焊或接觸不良引起的不亮、閃爍等問題,還有外延層需依靠襯底導熱散熱,這兩點在原論上要比倒裝(無金線和外延層直接緊貼熱沉的方式)結構差一些。因此,倒裝與垂直結構各有優勢,但無論如何,垂直結構比正裝結構有較大優勢。
作者簡介
李自力,教授級高級工程師,廣東省市場監管局缺陷產品管理中心主持日常工作副主任(廣東質檢院電器部副部長)。2018年獲《中國標準創新貢獻三等獎》,牽頭制定了11項照明國家標準,作為國際IEC智能照明標準專家組成員參與國際IEC標準制定,參加國家重點研發計劃和“863”科研項目評審,并參與全國CCC照明指定實驗室核查。
