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LED半导体照明外延及芯片技能的最新进展

作者:环亚ag88时间:2018-08-04 23:26浏览:

  LED半导体照明外延及芯片技能的最新进展

  自上世纪90年代初中村修二创造高亮度蓝光LED以来,根据GaN基蓝光LED和黄色荧光粉组合宣布白光办法的半导体照明技能在世界范围内得到了广泛注重和快速开展。迄今为止,商品化白光LED的光效现已超越150 lm/W,而试验室水平现已超越了200 lm/W,远远高于传统白炽灯(15 lm/W)和荧光灯(80 lm/W)的水平。从商场看,LED现已广泛运用于显示屏、液晶背光源、交通指示灯、室外照明等范畴,并现已开端向室内照明、汽车灯、舞台灯光、特种照明等商场浸透,未来有望全面替换传统光源。

  半导体照明光源的质量和LED芯片的质量休戚相关。进一步前进LED的光效(尤其是大功率作业下的光效)、可靠性、寿数是LED资料和芯片技能开展的方针。现将LED资料和芯片的关键技能及其未来的开展趋势做如下整理:

  一、资料外延

  1.外延技能

  金属有机物化学气相堆积(MOCVD)技能是成长LED的干流技能。近年来,得益于MOCVD设备的前进,LED资料外延的本钱现已显着的下降。现在商场上首要的设备供给商是德国的Aixtron和美国的Veeco。前者可供给水平行星式反响室和近耦合喷淋头式反响室两种类型的设备,其长处在于节约质料、成长得到的LED外延片均匀性好。后者的设备运用托盘的高速旋转发生层流,其长处在于保护简略、产能大。除此以外,日本酸素出产专供日本企业运用的常压MOCVD,能够取得更好的结晶质量。美国运用资料公司首创了多反响腔MOCVD设备,并现已开端在产业界试用。

  未来MOCVD设备的开展方向包含:进一步扩展反响室体积以前进产能,进一步前进对MO源、氨气等质料的运用率,进一步前进对外延片的在位监控才能,进一步优化对温度场和气流场的操控以进步对大尺度衬底外延的支撑才能等。

  2.衬底

  (1)图形衬底

  衬底是支撑外延薄膜的基底,因为缺少同质衬底,GaN基LED一般成长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。开展至今,蓝宝石现已成为性价比最高的衬底,运用最为广泛。因为GaN的折射率比蓝宝石高,为了削减从LED出射的光在衬底界面的全发射,现在正装芯片一般都在图形衬底上进行资料外延以前进光的散射。常见的图形衬底图画一般是按六边形密排的尺度为微米量级的圆锥阵列,能够将LED的光提取功率前进至60%以上。一起也有研讨标明,运用图形衬底并结合必定的成长工艺能够操控GaN中位错的延伸方向然后有用下降GaN外延层的位错密度。在未来适当一段时间内图形衬底仍然是正装芯片采纳的首要技能手法。

  未来图形衬底的开展方向是向更小的尺度开展。现在,受限于制作本钱,蓝宝石图形衬底一般选用触摸式曝光和ICP干法刻蚀的办法进行制作,尺度只能做到微米量级。如能进一步减小尺度至和光波长可比较的百nm量级,则能够进一步前进对光的散射才能。乃至能够做成周期性结构,运用二维光子晶体的物理效应进一步前进光提取功率。纳米图形的制作办法包含电子束曝光、纳米压印、纳米小球自拼装等,从本钱上考虑,后两者更适合用于衬底的加工制作。

  (2)大尺度衬底

  现在,产业界中仍以2英寸蓝宝石衬底为干流,某些世界大厂现已在运用3英寸乃至4英寸衬底,未来有望扩展至6英寸衬底。衬底尺度的扩展有利于减小外延片的边缘效应,前进LED的成品率。可是现在大尺度蓝宝石衬底的价格仍然贵重,且扩展衬底尺度后相配套的资料外延设备和芯片工艺设备都要面对晋级,对厂商而言是一项不小的投入。

  (3)SiC衬底

  SiC衬底和GaN基资料之间的晶格失配度更小,事实证明在SiC上成长取得的GaN晶体质量要略好于在蓝宝石衬底上的成果。可是SiC衬底尤其是高质量的SiC衬底制作本钱很高,故鲜有厂商用于LED的资料外延。可是美国Cree公司凭仗自身在高质量SiC衬底上的制作优势,成为业界仅有一个只在SiC衬底上成长LED的厂商,然后避开在蓝宝石衬底上成长GaN的专利壁垒。现在SiC衬底的干流尺度是3英寸,未来有望拓宽至4英寸。SiC衬底比较蓝宝石衬底更适合于制作GaN基电子器件,未来跟着宽禁带半导体功率电子器件的开展,SiC衬底的本钱有望进一步下降。

  (4)Si衬底

  Si衬底被看作是下降LED外延片本钱的抱负挑选,因为其大尺度(8寸、12寸)衬底开展得最为老练。可是,因为晶格失配和热失配太大,难于操控,根据Si衬底的LED资料质量相对较差,且成品率偏低,所以现在商场上根据Si衬底的LED产品非常罕见。现在在Si上成长LED首要选用以6英寸以下的衬底为主,考虑成品率要素,实践LED的本钱和根据蓝宝石衬底的比较不占优势。和SiC衬底相同,大多数研讨机构和厂商愈加喜爱在Si衬底上成长电子器件而不是LED。凯发娱乐网站,未来Si衬底上的LED外延技能应该瞄准8英寸或12英寸这种更大尺度的衬底。

  (5)同质衬底

  正如前面说到的,现在LED的外延成长仍然是以异质衬底的外延为主。可是晶格匹配和热匹配的同质衬底仍然被看作前进晶体质量和LED功能的终究处理方案。最近几年,跟着氢化物气相堆积(HVPE)外延技能的开展,大面积GaN基厚衬底制作技能得到了注重,其制作办法一般为选用HVPE在异质衬底上快速成长取得数十至数百微米厚的GaN体资料,再选用机械、化学或物理手法将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来,运用此GaN厚层作为衬底,进行LED外延。日本三菱公司和住友公司现已能够供给GaN基衬底的产品,可是价格贵重,关于一般LED的成长不划算。首要是用于激光器的制作或许非极性/半极性面LED的研讨。美国加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)中村小组在非极性/半极性面LED研发方面做出了许多开创性和代表性的作业。非极性/半极性面LED能够躲避传统c面LED中存在的极化效应问题,然后进一步进步LED尤其是长波长可见光LED的功率。可是高质量的非极性/半极性面LED有必要依靠同质衬底,而非极性/半极性面的GaN衬底离实用化还有适当的间隔。此外,日本、波兰、美国等一些校园和研讨机构也在测验运用碱金属熔融法、氨热法等手法在高压和中温条件下制作GaN块状晶体,可是现在都尚处于研讨阶段。

  3.外延结构及外延技能

  (1)Droop效应

  通过若干年的开展,LED的外延层结构和外延技能现已比较老练,其内量子功率最高可达90%以上。可是,近几年跟着大功率LED芯片的鼓起,LED在大注入下的量子功率下降引起了人们的广泛注重,该现象被形象地称为Droop效应。对产业界而言,处理Droop效应能够在确保功率的前提下进一步缩小芯片尺度,到达下降本钱的意图。对学术界而言,Droop效应的原因是招引科学家研讨的热门。不同于传统半导体光电资料,GaN基LED的Droop效应原因非常复杂,相应也缺少有用的处理手法。研讨人员通过探究,比较倾向的几个原因分别是:载流子的解局域化、载流子从有源区的走漏或溢出、以及俄歇复合。尽管详细的原因还不清楚,可是试验发现选用较宽的量子阱以下降载流子的密度和优化p型区的电子阻挡层都是能够缓解Droop效应的手法。

  (2)量子阱有源区

  InGaN/GaN量子阱有源区是LED外延资料的中心,成长InGaN量子阱的关键是操控量子阱的应力,减小极化效应的影响。惯例的成长技能包含:多量子阱前成长低In组分InGaN预阱开释应力并充任载流子蓄水池,升温成长GaN垒层以前进垒层的晶体质量,凯发娱乐网站,成长晶格匹配的InGaAlN垒层或成长应力互补的InGaN/AlGaN结构等。量子阱的数量没有一致的规范,业界运用的量子阱数从5个到15个都有,终究作用不同不大,阱数较少的LED在小注入下的功率更高,而阱数较多的LED在大注入下的功率更高。

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