通过先进的基板和制造技术提高LED的效率性能

理论上，制造高亮度LED很容易。只需将n型和p型半导体粘合在一起，添加一个小的偏置电压，并在光子流出时退回。然而，在实践中，这些固态光源不是简单的。先进的材料和制造工艺汇集在一起，生产具有光输出的奇特设备，这些设备在半年前就被认为是幻想的。

尽管他们生产出令人印象深刻且高效的设备，但LED制造商并没有满足于他们的成就。 Cree，OSRAM和首尔半导体等领先的LED公司在材料科学和制造技术方面投入了数百万美元，以进一步提高其产品的性能。

当代高亮度LED已经受益于先进的基板和制造技术，如碳化硅（SiC）和化学气相沉积（CVD），明天的芯片将利用仍在渗透的图案蓝宝石等材料。实验室。本文将详细介绍这些材料和工艺，并评估它们对商用LED性能的影响。

介意带隙

由于发出的光的波长是用于形成结的n和p掺杂半导体的能带隙的函数，因此工程师在制造材料的选择上受到限制LED指示灯。选择发射眼睛无法检测到的光子的半导体几乎没有意义。

经过多年的实验和数以亿计的研究资金，结果发现氮化铟镓（InGaN） - 氮化镓（GaN）和氮化铟（InN）的组合 - 是目前市场上最好的半导体产品 - 亮度LED。可以通过改变GaN与InN的比率来控制InGaN的带隙。例如，在“白色”LED中心使用的芯片在光谱的390到440纳米部分（紫外线，紫蓝色和蓝色） 1 发射光子。然后通过与荧光粉相互作用将这些光子转换成白光。然而，虽然InGaN在光子生成方面具有许多优点，但从批量生产的角度来看确实存在一些明显的缺点。其中最主要的是，“生长”InGaN锭（与用于制造集成电路（IC）的硅不同）非常困难（因此也很昂贵）。锭对于大规模生产是有利的，因为它们可以作为大晶片切片和加工，从而导致更低成本的芯片。相反，制造商通常采用更便宜的工艺，通过称为外延的工艺生长InGaN薄膜 - 在结晶衬底上沉积结晶覆盖层。有几种外延技术用于形成高亮度LED所需的InGaN层，但最常见的现代方法是金属有机CVD（MOCVD）。

MOCVD是一个复杂的过程，但从基本的角度来说，反应气体被送入真空室并在原子水平上与基板结合并形成薄的结晶薄膜。

在MOCVD期间，沉积膜的晶体结构试图与衬底的晶体结构取向。该取向的精确度取决于每种材料的晶格的相似性。不匹配的晶格导致沉积膜，而宏观尺度上的块状晶体实际上充满了微观位错。

减少穿线位错

图1显示了商用高亮度LED结构的简化示意图。

图1：横截面图高亮度LED。

MOCVD工艺通过在蓝宝石衬底上沉积连续的薄膜，建立LED的有源区 - 夹在p-和n-接触之间的多层 - 。蓝宝石作为LED生产的基板具有许多优点：它相对便宜;它被用作集成电路的基板，因此制造工艺已经建立;它非常坚硬耐用，是一种很好的绝缘体。

但是有一些缺点。一个这样的缺点是蓝宝石和InGaN之间的热膨胀系数的不匹配，这可能导致所制造的模具的高应力和破裂。然而，更大的缺点是InGaN和蓝宝石的晶格之间的相对较大的不匹配（图2）。不匹配 - 约14.8％ - 导致InGaN薄膜的微观缺陷称为穿透位错（图3）。

图2：蓝宝石衬底和InGaN薄膜之间的晶格失配会产生穿透位错。 （由Cree提供。）

图3：InGaN衬底中的穿线位错。

线性位错是提高LED效率的一项挑战，因为在这些位置发生的电子和空穴之间的重组主要是“非辐射的”。换句话说，没有发射可见光子。这是因为位错引入了超出设计者预期的带隙的额外带隙，因此不对应于产生具有波长在可见光谱部分中的光子的能量差。

或者，重组中发出的能量通过“声子”的发射传递，“声子”是引入晶格的振动，不会增加芯片的发光度，但会产生不必要的热量。由于与蓝宝石衬底不匹配，InGaN遭受许多穿透位错，典型密度超过每平方厘米108个或更多。 2 更糟糕的是，穿透位错增加随着LED年龄的增长，进一步损害光度（参见TechZone文章“了解高亮度LED褪色的原因”）。

提高效率的动力

由于其制造优势，大多数制造商已经准备好接受蓝宝石带来的螺纹位错折衷，同时通过关注LED性能的其他方面来提高产品的功效。例如，欧司朗的OSLON SSL等LED可以产生高达108 lm/W（350 mA），这是一种先进的性能，同时在蓝宝石衬底上制造。事实上，目前大多数领先制造商生产的高亮度LED超过90％均采用蓝宝石衬底制造。 3

效果从改善LED性能的其他方面 - 例如载流子注入效率，光子提取和磷光体转换效率 - 开始减少，LED制造商正在将注意力转向替代基板。

其中一种替代方案是碳化硅（SiC）。与蓝宝石一样，SiC可以使用相当标准的半导体制造技术批量生产。它还具有与InGaN类似的热膨胀系数的附加优点，可以限制应力积累和模具开裂。主要缺点是需要支付许可费用的高成本和专利制造工艺。

Cree是一家领先的美国LED照明制造商，它可能也不足为奇地认为它拥有许多制造专利 - 支持将SiC基板用于LED制造。该材料相对于蓝宝石的主要优势是晶格结构与InGaN更紧密地匹配。通过使用SiC，与InGaN的晶格失配减少到3.4％。 4 这种紧密匹配仍然不足以完全消除穿线缺陷（图4），虽然缺陷密度显着降低 - 比蓝宝石低至少一个，有时低两个数量级，但是显着减少非辐射重组的数量，通过减慢褪色速度来提高效率并延长LED的使用寿命。

图4：尽管在InGaN-on-SiC衬底内仍然存在穿线缺陷，但与蓝宝石上的InGaN相比，缺陷密度显着降低。

Cree在SiC基板上生产许多LED产品。例如，XLamp XB-D系列基于该公司的“SC3”技术，该技术采用InGaN-on-SiC基板。 XLamp XB-D的效率高达136 lm/W（350 mA），在1A时可产生高达289 lm的电流。蓝宝石和SiC都存在另一个明显的缺点。 MOCVD工艺 - 由此在体晶体衬底上生长薄膜 - 促进了极化形式的InGaN的产生。不幸的是，这种极化对LED的效率没有任何帮助，因为当通过器件的电流增加时，它会在晶体中感应出一个电场，开始排斥应该结合释放光子的电子和空穴。这被认为是LED在低电流下表现出高效率的一个原因，但随着电流的增加，功效“下降”（参见TechZone文章“识别LED效率下降的原因”）。

该解决方案由韩国LED制造商首尔半导体公司开发，概念简单，但很难付诸实践，使公司用了十年时间将该技术商业化。

首尔半导体公司的工程师所做的是通过避免外延和从头开始生长大块形状的InGaN晶体来消除蓝宝石上InGaN或SiC上的极化。不需要衬底，并且可以在优选的方向上切割所得的块状晶体以使非极性最大化。

如前所述，增长的块状InGaN非常困难且昂贵。然而，首尔半导体声称这是值得的，因为合成的“nPola”LED比同等的蓝宝石/极性InGaN器件亮5到10倍。这意味着工程师可以在照明功能中使用更少的芯片，从而减少一些初始更高的成本（图5）。

图5：首尔半导体的nPola LED（右）比传统设备更亮，因此灯具需要的更少。

这些“nPola”LED尚未用于商业用途，但很快就会推出。与此同时，首尔半导体确实提供了一系列最先进的设备，如Z-Power P4 LED。这些芯片可在350 mA的正向电流下提供高达100 lm的电流。

增强蓝宝石

尽管其更高的穿线缺陷数量以及它促使InGaN形成极性晶体的事实，蓝宝石衬底仍然有很多生命。 LED制造商正在寻找最大化材料潜力的新方法。正在研究的一种技术是生产所谓的图案化蓝宝石。该技术在蓝宝石晶片上以网格图案形成一系列圆顶状结构（图6）。然后以常规方式在蓝宝石衬底的顶部上形成LED。

图6：圆顶直径约为3μm的图案化蓝宝石衬底间距约为2微米。

出于复杂的物理原因，事实证明，图案化的基板能够生成具有较少穿线缺陷的InGaN层，从而有助于提高LED的内部量子效率（IQE）。 6 然而，IQE的改善实际上是微不足道的，图案化蓝宝石的主要增益是发射光子从LED中逸出的能力显着提高（提取效率）

更高的圆顶放大了对提取效率的影响（图7）。到目前为止，还没有制造商为其商用设备采用图案化的蓝宝石衬底，但产品推出肯定只是时间问题。

图7：作为正向电流的函数的不同蓝宝石图案高度的电致发光（EL）强度。