OFweek半導體照明網(wǎng)訊 近幾年LED技術發(fā)展迅速，取得襯底、外延及芯片核心技術突破性進展。

　　1、圖形化襯底

　　LED外 延現(xiàn)階段普遍使用圖形化襯底（PSS），PSS目前分為微米級PSS和納米級nPSS，微米級PSS有各種形狀圖形，圖形高度一般1.1~1.6μm，園 直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術，一般可提高光效30~40%。nPSS一般采用納米壓印技術，圖形大小約 260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右。

　　（1）nPSS襯底

　　對納米模板及襯底平行度要求苛刻，nPSS優(yōu)點：LED更高發(fā)光效率，均勻性更好，成本低。如在藍寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm園孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來的三倍。

　　（2）納米柱PSS

　　英國塞倫公司的新技術，在藍寶石襯底上采用獨特的納米光刻技術，形成表面的納米柱，在此襯底上外延生長可緩解應力85%，從而大幅度減少缺陷，可提高發(fā)光亮度達80~120%，LED光效的產(chǎn)業(yè)化水平達200lm/w，并改善Droop效應，衰減減緩約30%。

　　小結：PSS能較大提高LED發(fā)光效率，特別是納米級nPSS能更大提升LED發(fā)光效率，PSS是現(xiàn)階段LED核心技術的發(fā)展趨勢。對PSS在降低成本方面有不同看法。

　　2、同質襯底

　 　同質襯底是以GaN作襯底，生長GaN襯底有多種方法，一般采用HVPE（氫化物氣相外延）或鈉流法，生產(chǎn)GaN襯底要很好解決殘留應力和表面粗糙問 題，襯底厚度約400~500μm，現(xiàn)可產(chǎn)業(yè)化。GaN襯底的優(yōu)點：位錯密度低（105~106個/cm2），內(nèi)量子效率可達80%以上，生長時間短約2 小時，節(jié)省大量原材料，可大幅度降低成本。

　　（1）實現(xiàn)高亮度LED

　　豐田合成采用c面GaN襯底生長LED芯片，其面積為1mm2，可實現(xiàn)400lm光通量。

　　（2）HVPE生長GaN襯底產(chǎn)業(yè)化

　　三菱化學、住友電工、日立電線等公司采用HVPE法生長GaN襯底，厚度450μm左右，位錯密度（106~107個/cm2），三菱化學近期宣布可提供6″GaN襯底，并計劃2015年將成本降至目前的十分之一。東莞中鎵(北大)可批量生產(chǎn)GaN襯底。

　　（3）提高內(nèi)量子效率

　　日本礙子公司采用鈉流法生長GaN襯底，低缺陷密度，內(nèi)量子效率達90%，在200mA下，其光效達200lm/w，可提供4″GaN襯底，正在加速開發(fā)低缺陷的6″襯底。

　　（4）大尺寸GaN襯底

　　住友電工和Soitec合作開發(fā)4″和6″GaN襯底，采用晶園制造技術和智能剝離層轉移技術生產(chǎn)超薄高品質GaN襯底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN襯底。

　　（5）LiGaO2襯底

　　華南理工大學研發(fā)在LiGaO2襯底上采用激光分子束外延生長非極性GaN襯底，厚度2μm，作為復合襯底生長GaN芯片，要求達到位錯密度為1×106/cm2，內(nèi)量子效率85%，轉換效率為65%。

　　（6）獲獎產(chǎn)品

　　美國Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技術制作LED替代燈，被SVIPLA評為“過去30年半導體材料科學取得最重要成就之一”。其LED晶體完整性提高1000多倍，使每盞燈使用一個LED器件成為可能。

　　小結：采 用GaN-on-GaN同質襯底生長LED，其缺陷密度達（105～106/cm2），可極大提升LED發(fā)光效率，而且加大電流密度時Droop不明顯， 使普通照明實現(xiàn)采用單芯片LED光源，將LED核心技術推向新臺階。用中村修二的話來小結：我們相信有了GaN-on-GaNLED，我們已經(jīng)真正地譜寫 了LED技術新篇章，即LED2.0版。

       3、非極性、半極性襯底

　　藍寶石（Al2O3）晶面有極性C面、半極性M面、R面和非極性A面。采用非極性或半極性襯底，生長難，可大幅度降低缺陷密度。采用非極性襯底生長LED，可作顯示屏、電視、手機等背光源，沒有取向性，不要外置擴散片，并可用于錄光、激光、太陽能板。

　　（1）非極性、半極性藍寶石襯底

　　英國塞倫光電采用非極性藍寶石上生長LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光轉換效率可提高7倍，大幅度提高亮度而有效改善美元/流明值。

　　（2）“npolo”LED

　　首爾半導體采用非極性GaN襯底生長LED稱為“npolo”LED，在1mm2芯片上實現(xiàn)500lm光通量，首爾半導體CEO李貞勛說：同一表面的亮度大幅改善5倍，未來可提高10倍以上，是LED光源的終極目標。

　　（3）非極性GaN襯底

　　三菱化學采用非極性GaN襯底生長藍光LED，其缺陷密度最少僅為1×104/cm2。計劃目標，在1mm2芯片發(fā)光亮度可達1000lm光通量。

　　（4）非極性、半極性GaN襯底產(chǎn)業(yè)化

　　住友公司宣布已開發(fā)半極性、非極性GaN襯底材料，可提供制作白光LED的半極性、非極性襯底。

　　（5）紫外LED采用非極性襯底

　　首爾半導體采用非極性GaN襯底開發(fā)紫外LED并與R、G、B熒光粉組合可實現(xiàn)高顯色指數(shù)的白光照明和色彩表現(xiàn)范圍大的背光源。

　　小結：采用半極性、非極性藍寶石和GaN襯底生長LED的核心技術，已取得突破性進展，有可能在1mm2芯片上實現(xiàn)1000lm光通量，采用單芯片作為一盞LED燈的光源成為可能。

　　4、芯片新結構

　　LED核心技術，還有LED芯片結構新技術。芯片結構設計主要是考慮如何提高外量子效率，即芯片的光萃取效率，提高芯片散熱性能以及在降低成本上進行采用新結構新工藝。芯片有很多種新結構。

　　（1）六面體發(fā)光芯片

　　六面體發(fā)光芯片指芯片的六個面全部出光，采用多面表面粗化技術，減少界面對光子的反射，提高光萃取率。

　　（2）DA芯片結構

　 　Cree公司利用SiC襯底優(yōu)勢，已推出的DA系列產(chǎn)品，采用SiC透明襯底作為發(fā)光面，在SiC襯底上制作3D結構，即在SiC基板的外側設置V字形 溝槽，從V字溝槽一側發(fā)光，以增強高折射率SiC襯底的光萃取效果，而且是大電流倒裝芯片，發(fā)光層一側與封裝接合，獲得高質量的散熱性，采用共晶焊、無金 線，面積幾乎是原來的一半，顯著降低成本，實現(xiàn)雙倍性價比。并在第三代碳化硅技術SC3平臺上，采用匹配的最新封裝技術，宣布獲得光效達276lm/w。

　　（3）單芯片白光技術

　 　三星公司采用納米級的六角棱錐結構技術做出白光LED，可以實現(xiàn)半極性、非極性襯底上生長GaN，有利于光萃取的提升，因納米結構微小能有效降低應變， 達到更佳的晶體質量，而且散熱性能好。同時發(fā)綠光、黃光、紅光，其內(nèi)量子效率分別為61%、45%、29%。實現(xiàn)單芯片發(fā)多色光組合白光LED，取得突破 性進展。將會提高光色質量和避免波長轉移引起光能損失，并可減少封裝工藝，提高封裝可靠性和降低封裝成本，成為實現(xiàn)白光LED的另一條技術路線。

　　小結：LED芯片結構研發(fā)方面不斷有新結構出現(xiàn)，在提高光效、散熱性能、降低成本上不斷有所突破。更要關注單芯片發(fā)多色光組合成白光LED的研發(fā)進展，將是LED照明技術發(fā)展中另一條可行的技術路線。

       5、襯底、外延新技術

　　以下介紹幾種在LED襯底、外延核心技術研究中的新技術是具有開創(chuàng)性。

　　（1）外延偏移生長技術

　　美國加州大學采用掩膜及分層偏移技術生長低位錯GaN，如圖所示。

　 　示意圖中SiO2厚200nm，SiNX厚120nm。先低溫530℃生長25nm成核層，之后在1040℃下外延GaN，進行偏移生長，阻檔位錯生 長，可獲位錯密度為7×105個/cm2，可極大提高內(nèi)量子效率，減少Droop效應。在外延上采用創(chuàng)新技術，取得突破性進展，將極大提高LED性能指 標。

　　（2）3D硅基GaN技術

　　Aledia公司發(fā)布采用3D硅基GaNmicrowire技術，制造3D硅基LED芯片的成本僅為傳統(tǒng)2D平面LED的五分之一。該技術基于升級了microwire生產(chǎn)工藝，采用大尺寸園晶和低成本材料的解決方案，該技術已在法國LETI-CEA公司開始使用。

　　（3）氧化鎵β-Ga2O3襯底

　　氧化鎵Ga2O3具有多種結構形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β結構最為穩(wěn)定，禁帶寬度為4.8~4.9ev，現(xiàn)已做出高品質、低缺陷密度Ga2O3MOSFET，具有優(yōu)異器件潛力。

　　日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga2O3襯底生長GaN藍光加熒光粉，芯片尺寸2mm見方，加6A電流，其可獲500lm光通量，計劃目標達2000~3000lm。

　　（4）稀土氧化物REO復合襯底

　　據(jù)《半導體化合物》2013年7月報導：在Si基上生長REO復合襯底，并生長大面積GaN園片，并具有消除應力、減少翹度，可大面積生長，REO性能穩(wěn)定，減少成本，并具有更高DBR反射效應。已生長氧化釓、氧化鉺等復合襯底，取得很好成果。

　　（5）介質復合襯底

　　上海藍光最近發(fā)布：通過緩沖層與介質襯底的組合技術，使各項參數(shù)達到或超過藍寶石PSS襯底的水平，取得突破性的成果。

　　小結：上述介紹幾種新技術研究成果，是具有開拓性的創(chuàng)新成果，一旦產(chǎn)業(yè)化，將是顛覆的技術突破，開辟了LED照明技術發(fā)展上另一條重要的技術路線。