| LED芯片技术的发展 | |
2010-6-6 17:36:55 中国半导体照明网 扬州华夏集成光电有限公司 林岳明 行业分类:外延芯片 浏览 | |
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自从1993年Nakamura发明高亮GaN蓝光LED以来，LED技术及应用突飞猛进。究其原因有两个方面：1）全系列RGB LED产生，其应用面大大拓宽，2）白光LED产生，让追求低碳时代的人们期望LED尽快成为智能化的第四代固态照明光源。虽然LED的发光效率已经超过日光灯和白炽灯，但商业化LED发光效率还是低于钠灯(150lm/W)。那么，哪些因素影响LED的发光效率呢？就白光LED来说，其封装成品发光效率是由内量子效率, 电注入效率, 提取效率和封装效率的乘积决定的。 其中内量子效率主要取决于PN结外延材料的品质如杂质、晶格缺陷和量子阱结构, 目前内量子效率达60%[1]。电注效率是由P型电极和N型电极间的半导体材料特性决定的，如欧姆接触电阻，半导体层的体电阻（电子的迁移率）。对460nm蓝光（2.7eV）LED，导通电压3.2-3.6V, 所以目前最好的电注入效率84%。但AlGaInP LEDs的大于90%。提取效率由半导体材料间及其出射介质间的不同折射率引起界面上的反射，导致在PN发射的光不能完全逸出LED芯片。提取效率目前最大达75%[2]。封装效率由封装材料荧光粉的转换效率和光学透镜等决定的，封装效率为60%[3]。因此目前白光LED的总效率可达23%。就LED芯片制造技术来说，它只直接影响着电注入效率和提取效率，因为内量子效率.和封装效率分别直接与MOCVD技术和封装技术有关，因此本文着重介绍相关于电效率和提取效率的LED芯片技术及其发展趋势。 1.改善电注入效率 从电学上来说LED可以看作由一个理想的二极管和一个等效串联电阻组成，其等效串联电阻由P型层电阻 、P型接触电阻、N型层电阻、N型接触电阻以及P-N结电阻等五部分组成。由于在四元AlGaInP LED中电注入效率大于90%，故下面重点讨论GaN基LED。 1）接触电阻 对于N-GaN的欧姆接触相对容易制作，常用几种金属组合如Ti/Al，Ti/Al/Ti/Au, Cr/Au/Ti/Au等，接触电阻率通常可以达到10-5~10-6 Ω·cm2[4]。尤其用得最多的四层金属Cr/Au/Ti/Au的欧姆接触达 0．33 nΩ·cm2[5]。值得一提的是有Al的金属组合中高温性能较差，在温度较高时Al存在横向扩散，这对于小尺寸芯片非常容易出现短路现象。 对于低阻的p-GaN欧姆接触制作比较困难，原因是p-GaN 材料的P型浓度小于1018cm- 3，其次没有与P-GaN材料的功函数（7.5eV[6]）匹配的金属材料。目前具有最大功函数的金属Pt，其功函数也只有5.65eV。所以接触电阻率通常为10 - 2~10-3Ω·cm 2。这样的接触电阻对于小功率LED来说不存在严重的问题，但对于大功率这个问题不能忽略了。在这种情况下要获得低阻的p-GaN欧姆接触就得选择合适的欧姆接触金属，还得去除GaN 表面氧化层和采用优化热退火条件的措施。[7] 2）体电阻 由于掺Mg的P型GaN 载流浓度只有 1017/cm3量级，P型GaN层电阻率比较大（~1Ω•cm），比N型电阻率高出一个数量级以上，可以认为等效串联电阻的体电阻主要产生在P型层中。因此，采用两种方法来减小体电阻：一种是合理设计P、N电极结构，尽量缩短它们间的距离，尤其对于大功率芯片。另一种采用透明导电层（ITO/TCL）。 2.改善提取效率 大家知道，无论四元AlGaInP还是GaN LED，形成PN结的半导体材料具有高的折射率，根据Snell定律，光在不同折射率界面处会发生全反射，因而降低了提取效率。下面将阐明芯片制造技术如何改变LED芯片的界面，从而提高芯片的光提取效率。 （1） 芯片塑形（chip shaping） 常规芯片的外形为立方体，左右两面相互平行，这样光在两个端面来回发射，直到完全被芯片所吸收，转化为热能，降低了芯片的出光效率。1993年，M. R. Krames等用磨成角度切割刀将AlGaInP LED成倒金字塔(Truncated Inverted Pyramid, TIP)形状（侧面与垂直方向成35度角）[8]。芯片的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度出射；同时，射到顶面大于临界角的光可以从侧面出射，从而大大提高了芯片的出光效率，外部量子效率可以达55%，发光效率高达100lm/W。但将TIP用于加工采用硬度极高的蓝宝石衬底的GaN LED有相等的困难。2001年，Cree公司成功地制作出具有相同的结构形式的GaN/SiC LED，其基板SiC具有被制作成斜面，并将外部量子效率提高到32%，但SiC价格比蓝宝石的高的多。 （2） 表面粗化 上面提到的芯片侧面增加提取效率的方法，那么在出光正面如何提高出光效率呢？目前主流的方法是通过表面粗化技术来破坏光在芯片内的全反射，增加光的出射效率，提高芯片的光提取效率。主要包括两种方法：随机表面粗化和图形表面粗化。随机表面粗化，主要是利用晶体的各向异性，通过化学腐蚀实现对芯片表面进行粗化；图形表面粗化，利用光刻、干法(湿法)刻蚀等工艺，实现对芯片表面的周期性规则图形结构的粗化效果。Lee Y J等人[9]利用HPO3:HCl(5:1)实现对AlGaInP各向异性腐蚀的随机表面粗化。粗化的AlGaInP LED比未粗化的光致发光强度提高54%，外部量子效率提高54%，光输出功率提高60%。 C. F. Shen等人[10]利用图形表面粗化——图形蓝宝石衬底（Patterned Sapphire Substrate，PSS）制作GaN LED，其采用双面PSS其光输出功率比采用单面PSS和普通衬底的分别提高了23.7%和53.2%。 （3） 全角反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR) 相对于正面出光的反向背面光采用高反镜面的形式来提高提取效率。对于经典高亮AlGaInP LED，用MOCVD外延技术生长DBR层作为镜面，使得DBR LED出光强度是原始LED的1.3-1.6倍。但由于DBR反射率随着光入射角的增加迅速减少，仍有较高的光损耗，平均反射效率并不高。为此发展出与入射角无关的高反全角反射镜(Omni-Directional Reflector，ODR)，其由介质和金属组成[13]。可以对任何方向入射的光都具有高反射率，LED 具有高光提取效率。全角反射镜可应用于正装芯片也可应用于倒装芯片。2007年，Osram公司Reiner W等，利用干法将外延刻蚀成多斜面，并在外延上沉积SiNx和金属，制作成掩埋式反射镜。在20mA，芯片在650nm波段的外部量子效率达到50%，光效为100lm/W [14]。 （4）键合技术（Wafer-Bonding） 键合技术是获取高效LED的基本技术，通常依赖于一系列要求，如温度限制、密闭性要求和需要的键合后对准精度。在LED中常采用晶片直接键合和金属共晶的方法。在金属键合中，必须控制表面的粗糙度以及晶片的翘曲度。金属合金在键合过程中会熔解并实现界面的平坦化。液态的界面使共晶键合需要施加相对较小却要一致的压力。在不同的冶金学系统中共晶合金形成于250-390℃之间。常用的共晶键合包括Au-Si，Au-Sn，In-Sn，Au-In，Pb-Sn，Au-Ge，Pd-In。四元AlGaInP/GaAs LED采用透明（GaP）和Si基板，InGaN/GaN LED常采用Si基板。键合机的重要性能指标是温度、压力的均匀性。 （5）激光剥离技术（Laser Lift Off, LLO） 近几年来，蓝宝石GaN LED的光效有了很大的提升，但由于蓝宝石GaN结构和蓝宝石导热的局限性, 进一步提升蓝宝石GaN LED的光效受到限制，利用剥离蓝宝石衬底来避免这个问题。目前有几种方法如机械磨抛和激光剥离来去除蓝宝石衬底，但激光剥离技术是比较成功的剥离技术，也成为业界主流方法。它是利用紫外KrF脉冲准分子激光，比如248nm（5eV）, 对蓝宝石衬底透光(9.9eV)，GaN层吸收从而在蓝宝石和GaN界面产生激光等离子体，爆破冲击波使他们分离的原理。 在实际工作中，首先在准备键合的基板和GaN外延上蒸镀键合金属；然后，将GaN外延键合到基板上；再用KrF脉冲准分子激光器照射蓝宝石底面，使蓝宝石和GaN界面GaN产生热分解；再加热使蓝宝石脱离GaN，从而实现对GaN 蓝宝石衬底的剥离[15]。2003年，OSRAM利用该技术成功将GaN LED蓝宝石衬底去除，将GaN LED芯片的出光效率提升至75%，为传统的三倍。 （6） 倒装技术(Flip Chip) 常规GaN LED主要采用蓝宝石衬底，由于它的绝缘性，芯片的P和N电极只能设计制作在芯片的同一外延面上，这样由于N和P型的欧姆接触区域，电极区域和封装的金线遮挡导致了芯片有效出光区的面积减小；另外P型电极上增加导电性的Ni-Au 或ITO层对光具有吸收性。因此，常规的GaN LED结构限制了GaN LED提取效率的提高。如果利用倒装技术就可以解决上述两问题，提高LED的光提取效率。 倒装技术就是将芯片进行倒置，P型电极采用覆盖整个Mesa的高反射膜，从而光从蓝宝石衬底出射，避免了P型电极金属的遮挡。加上蓝宝石衬底的折射率1.7比GaN的2.4小，可以提高芯片的光出射效率。另外，也可以解决蓝宝石散热不良问题，倒装技术可以借助电极(或凸点)与封装的基板Si直接接触，从而降低了热阻，提升芯片的散热性能，提高器件可靠性。2001年，Wierer J J等研制出GaN LED功率型倒装芯片[16]。在200mA在435nm波段的外部量子效率达到21%，光电转化效率达到20%，光提取效率是正装芯片的1.6倍；在1A下，光输出功率达到了400mW。目前倒装技术成为获取高效大功率LED芯片技术的主流之一。 （7）光子晶体（Photonic Crystal） 光子晶体主要用在LED表面或衬底上，是周期性分布的二维光学微腔。由于其在一定波段范围内光的禁带，光不能够在其中传输，因而当频率处在禁带内的光入射就会发生全反射。只要设计好光子晶体的结构参数，可以使得LED发出的光都在禁带内被反射,光子晶体不但增加了内量子效率，也增加提取效率[17]。理论研究，指出通过制作带有光子晶体表面的芯片，可以使得其出光效率达到40%[18]。M. Boroditsky等人在发光区周围制作二维光子晶体，其光致发光强度比未采用的增强了60%，外部量子效率可达到70%[19]。 （8）薄膜芯片技术（Film technology） 传统的蓝宝石衬底，由于其结构上的限制发光效率的提升受到了限制。结合键合技术（wafer-bonding）和激光剥离（LLO）技术，通过去掉衬底，粗化出光面，无论在热特性还是光特性，都具有很好的性能。再通过表面粗化和倒装技术，可以获得光效和散热最好芯片，提取效率达75%[2]。 (9) AC LED芯片技术 普通LED芯片必须供给合适的直流供电才能正常发光，而日常生活中采用的高压交流电(AC 100～220V)，必须将其由交流(AC)转换为直流(DC)，由高压转换为低压，才可以来驱动LED进行正常工作；同时，在进行AC与DC转换时有15%～30%的电能损失。用交流AC直接驱动LED发光，整个LED系统将大大简化。利用LED单向导通的特性，人眼不能响应AC的50-60Hz频率变化。所以，AC LED具有体积较小、效率高、高压低电流导通、双向导通，及GaN LED不存在静电击穿ESD等优点。AC LED 技术关键是通过串联和并联将正反向的多个微型芯片集成在单个大芯片上（如1.5mmx1.5mm），其输出功率可比同尺寸DC LED芯片提约50%。目前已有商品化功率型产品，在色温3000K为标准、CRI85下，可以实现75lm/W。 3.技术发展趋势 追求高的发光效率，一直是LED芯片技术发展的动力。倒装技术是目前获取高效大功率LED芯片的主要技术之一，衬底材料中蓝宝石和与之配套的垂直结构的衬底剥离技术（LLO）和键合技术仍将在较长时间内占统治地位。光子晶体和AC LED技术将是未来潜力很的技术。 在不久的将来，采用新的金属半导体结构，改善欧姆接触，提高晶体质量，改善电子迁移率，电注入效率可获得92%。改善LED芯片外形，表面粗化和光子晶体，高反射率镜面，透明电极，提取效率可得90%，那时白光LED的总效率可达到52%. 随着LED光效的提高，一方面芯片越做越小，在一定大小的外延片，如2²，可切割的芯片数越多，从而降低单颗芯片的成本，降低了价格。如出现6mil。另一方面单芯片功率越做越大，如3W，将来往5W，10W发展。这对于功率需求的照明等应用中可以减少芯片使用数，降低应用系统的成本。 参考文献 [1] M. 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