LED芯片 16 种衬底、外延及芯片结构分析 [复制链接]

近几年LED技术发展迅速，取得衬底、外延及芯片核心技术突破性进展。

　　1、图形化衬底

　　LED外延现阶段普遍使用图形化衬底（PSS），PSS目前分为微米级PSS和纳米级nPSS，微米级PSS有各种形状图形，图形高度一般1.1~1.6μm，园直径2.5~3μm，周期约4μm，采用光微投影及电浆干式蚀刻技术，一般可提高光效30~40%。nPSS一般采用纳米压印技术，图形大小约260nm，周期约460nm，一般可提高光效70%左右。

　　（1）nPSS衬底

　　对纳米模板及衬底平行度要求苛刻，nPSS优点：LED更高发光效率，均匀性更好，成本低。如在蓝宝石衬底上用纳米压印光刻获周期为450nm园孔的六角形阵列，使绿光LED输出光功率是原来的三倍。

　　（2）纳米柱PSS

　　英国塞伦公司的新技术，在蓝宝石衬底上采用独特的纳米光刻技术，形成表面的纳米柱，在此衬底上外延生长可缓解应力85%，从而大幅度减少缺陷，可提高发光亮度达80~120%，LED光效的产业化水平达200lm/w，并改善Droop效应，衰减减缓约30%。

　　小结：PSS能较大提高LED发光效率，特别是纳米级nPSS能更大提升LED发光效率，PSS是现阶段LED核心技术的发展趋势。对PSS在降低成本方面有不同看法。

　　2、同质衬底

　　同质衬底是以GaN作衬底，生长GaN衬底有多种方法，一般采用HVPE（氢化物气相外延）或钠流法，生产GaN衬底要很好解决残留应力和表面粗糙问题，衬底厚度约400~500μm，现可产业化。GaN衬底的优点：位错密度低（105~106个/cm2），内量子效率可达80%以上，生长时间短约2小时，节省大量原材料，可大幅度降低成本。

　　（1）实现高亮度LED

　　丰田合成采用c面GaN衬底生长LED芯片，其面积为1mm2，可实现400lm光通量。

　　（2）HVPE生长GaN衬底产业化

　　三菱化学、住友电工、日立电线等公司采用HVPE法生长GaN衬底，厚度450μm左右，位错密度（106~107个/cm2），三菱化学近期宣布可提供6″GaN衬底，并计划2015年将成本降至目前的十分之一。东莞中镓(北大)可批量生产GaN衬底。

　　（3）提高内量子效率

　　日本碍子公司采用钠流法生长GaN衬底，低缺陷密度，内量子效率达90%，在200mA下，其光效达200lm/w，可提供4″GaN衬底，正在加速开发低缺陷的6″衬底。

　　（4）大尺寸GaN衬底

　　住友电工和SoITec合作开发4″和6″GaN衬底，采用晶园制造技术和智能剥离层转移技术生产超薄高品质GaN衬底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN衬底。

　　（5）LiGaO2衬底

　　华南理工大学研发在LiGaO2衬底上采用激光分子束外延生长非极性GaN衬底，厚度2μm，作为复合衬底生长GaN芯片，要求达到位错密度为1×106/cm2，内量子效率85%，转换效率为65%。

　　（6）获奖产品

　　美国Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技术制作LED替代灯，被SVIPLA评为“过去30年半导体材料科学取得最重要成就之一”。其LED晶体完整性提高1000多倍，使每盏灯使用一个LED器件成为可能。

　　小结：采用GaN-on-GaN同质衬底生长LED，其缺陷密度达（105～106/cm2），可极大提升LED发光效率，而且加大电流密度时Droop不明显，使普通照明实现采用单芯片LED光源，将LED核心技术推向新台阶。用中村修二的话来小结：我们相信有了GaN-on-GaNLED，我们已经真正地谱写了LED技术新篇章，即LED2.0版。