LED芯片 16 种衬底、外延及芯片结构分析
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LED芯片 16 種襯底、外延及芯片結構分析

發布日期:2015-12-21    瀏覽次數:4672

 來源: 廣東LED
http://lights.ofweek.com/2015-12/ART-220001-11000-29041686.html


OFweek半導體照明網訊 近幾年LED技術發展迅速,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優點:LED更高發光效率,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,可提高發光亮度達80~120%,LED光效的產業化水平達200lm/w,并改善Droop效應,衰減減緩約30%。
小結:PSS能較大提高LED發光效率,特別是納米級nPSS能更大提升LED發光效率,PSS是現階段LED核心技術的發展趨勢。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,現可產業化。GaN襯底的優點:位錯密度低(105~106個/cm2),內量子效率可達80%以上,生長時間短約2小時,節省大量原材料,可大幅度降低成本。
(1)實現高亮度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400lm光通量。
(2)HVPE生長GaN襯底產業化
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GaN襯底。
(3)提高內量子效率
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,正在加速開發低缺陷的6″襯底。
(4)大尺寸GaN襯底
住友電工和Soitec合作開發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,內量子效率85%,轉換效率為65%。
(6)獲獎產品
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發光效率,而且加大電流密度時Droop不明顯,使普通照明實現采用單芯片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芯片發光亮度可達1000lm光通量。
(4)非極性、半極性GaN襯底產業化
住友公司宣布已開發半極性、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襯底開發紫外LED并與R、G、B熒光粉組合可實現高顯色指數的白光照明和色彩表現范圍大的背光源。
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)六面體發光芯片
六面體發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襯底優勢,已推出的DA系列產品,采用SiC透明襯底作為發光面,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。同時發綠光、黃光、紅光,其內量子效率分別為61%、45%、29%。實現單芯片發多色光組合白光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,成為實現白光LED的另一條技術路線。
小結:LED芯片結構研發方面不斷有新結構出現,在提高光效、散熱性能、降低成本上不斷有所突破。更要關注單芯片發多色光組合成白光LED的研發進展,將是LED照明技術發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,可極大提高內量子效率,減少Droop效應。在外延上采用創新技術,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公司發布采用3D硅基GaNmicrowire技術,制造3D硅基LED芯片的成本僅為傳統2D平面LED的五分之一。該技術基于升級了microwire生產工藝,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結構最為穩定,禁帶寬度為4.8~4.9ev,現已做出高品質、低缺陷密度Ga2O3MOSFET,具有優異器件潛力。
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《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
上海藍光最近發布:通過緩沖層與介質襯底的組合技術,使各項參數達到或超過藍寶石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,是具有開拓性的創新成果,一旦產業化,將是顛覆的技術突破,開辟了LED照明技術發展上另一條重要的技術路線。