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LED半导体照明外延及芯片技术的新进展
发布日期:2020-07-23 18:13

北京赛车pk10投注自上世纪90年代初中村修二发明高亮度蓝光LED以来,基于GaN基蓝光LED和黄色荧光粉组合发出白光方式的半导体照明技术在世界范围内得到了广泛关注和快速发展。迄今为止,商品化白光LED的光效已经超过150 lm/W,而实验室水平已经超过了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。从市场看,LED已经广泛应用于显示屏、液晶背光源、交通指示灯、室外照明等领域,并已经开始向室内照明、汽车灯、舞台灯光、特种照明等市场渗透,未来有望全面替换传统光源。

北京赛车pk10投注半导体照明光源的质量和LED芯片的质量息息相关。进一步提高LED的光效(尤其是大功率工作下的光效)、可靠性、寿命是LED材料和芯片技术发展的目标。现将LED材料和芯片的关键技术及其未来的发展趋势做如下梳理:

一、材料外延

1.外延技术

金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术是生长LED的主流技术。近年来,得益于MOCVD设备的进步,LED材料外延的成本已经明显的下降。目前市场上主要的设备提供商是德国的Aixtron和美国的Veeco。前者可提供水平行星式反应室和近耦合喷淋头式反应室两种类型的设备,其优点在于节省原料、生长得到的LED外延片均匀性好。后者的设备利用托盘的高速旋转产生层流,其优点在于维护简单、产能大。除此以外,日本酸素生产日本企业使用的常压MOCVD,可以获得更好的结晶质量。美国应用材料公司独创了多反应腔MOCVD设备,并已经开始在产业界试用。

北京赛车pk10投注未来MOCVD设备的发展方向包括:进一步扩大反应室体积以提高产能,进一步提高对MO源、氨气等原料的利用率,进一步提高对外延片的在位监控能力,进一步优化对温度场和气流场的控制以提升对大尺寸衬底外延的支持能力等。

2.衬底

(1)图形衬底

衬底是支撑外延薄膜的基底,由于缺乏同质衬底,GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。发展至今,蓝宝石已经成为性价比高的衬底,使用为广泛。由于GaN的折射率比蓝宝石高,为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射,目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。常见的图形衬底图案一般是按六边形密排的尺寸为微米量级的圆锥阵列,可以将LED的光提取效率提高至60%以上。同时也有研究表明,利用图形衬底并结合一定的生长工艺可以控制GaN中位错的延伸方向从而有效降低GaN外延层的位错密度。在未来相当一段时间内图形衬底依然是正装芯片采取的主要技术手段。

未来图形衬底的发展方向是向更小的尺寸发展。目前,受限于制作成本,蓝宝石图形衬底一般采用接触式曝光和ICP干法刻蚀的方法进行制作,尺寸只能做到微米量级。如能进一步减小尺寸至和光波长可比拟的百nm量级,则可以进一步提高对光的散射能力。甚至可以做成周期性结构,利用二维光子晶体的物理效应进一步提高光提取效率。纳米图形的制作方法包括电子束曝光、纳米压印、纳米小球自组装等,从成本上考虑,后两者更适合用于衬底的加工制作。

(2)大尺寸衬底

目前,产业界中仍以2英寸蓝宝石衬底为主流,某些国际大厂已经在使用3英寸甚至4英寸衬底,未来有望扩大至6英寸衬底。衬底尺寸的扩大有利于减小外延片的边缘效应,提高LED的成品率。但是目前大尺寸蓝宝石衬底的价格依然昂贵,且扩大衬底尺寸后相配套的材料外延设备和芯片工艺设备都要面临升级,对厂商而言是一项不小的投入。

(3)SiC衬底

SiC衬底和GaN基材料之间的晶格失配度更小,事实证明在SiC上生长获得的GaN晶体质量要略好于在蓝宝石衬底上的结果。但是SiC衬底尤其是高质量的SiC衬底制造成本很高,故鲜有厂商用于LED的材料外延。但是美国Cree公司凭借自身在高质量SiC衬底上的制造优势,成为业内一个只在SiC衬底上生长LED的厂商,从而避开在蓝宝石衬底上生长GaN的专利壁垒。目前SiC衬底的主流尺寸是3英寸,未来有望拓展至4英寸。SiC衬底相比蓝宝石衬底更适合于制作GaN基电子器件,未来随着宽禁带半导体功率电子器件的发展,SiC衬底的成本有望进一步降低。

(4)Si衬底

Si衬底被看作是降低LED外延片成本的理想选择,因为其大尺寸(8寸、12寸)衬底发展得为成熟。但是,由于晶格失配和热失配太大,难于控制,基于Si衬底的LED材料质量相对较差,且成品率偏低,所以目前市场上基于Si衬底的LED产品十分少见。目前在Si上生长LED主要采用以6英寸以下的衬底为主,考虑成品率因素,实际LED的成本和基于蓝宝石衬底的相比不占优势。和SiC衬底一样,大多数研究机构和厂商更加青睐在Si衬底上生长电子器件而不是LED。未来Si衬底上的LED外延技术应该瞄准8英寸或12英寸这种更大尺寸的衬底。

(5)同质衬底

正如前面提到的,目前LED的外延生长依然是以异质衬底的外延为主。但是晶格匹配和热匹配的同质衬底依然被看作提高晶体质量和LED性能的终解决方案。近几年,随着氢化物气相沉积(HVPE)外延技术的发展,大面积GaN基厚衬底制作技术得到了重视,其制作方法一般为采用HVPE在异质衬底上快速生长获得数十至数百微米厚的GaN体材料,再采用机械、化学或物理手段将厚层GaN薄膜从衬底上剥离下来,利用此GaN厚层作为衬底,进行LED外延。日本三菱公司和住友公司已经可以提供GaN基衬底的产品,但是价格昂贵,对于一般LED的生长不划算。主要是用于激光器的制造或者非极性/半极性面LED的研究。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研制方面做出了许多开创性和代表性的工作。非极性/半极性面LED可以规避传统c面LED中存在的极化效应问题,从而进一步提升LED尤其是长波长可见光LED的效率。但是高质量的非极性/半极性面LED必须依赖同质衬底,而非极性/半极性面的GaN衬底离实用化还有相当的距离。此外,日本、波兰、美国等一些学校和研究机构也在尝试使用碱金属熔融法、氨热法等手段在高压和中温条件下制造GaN块状晶体,但是目前都尚处于研究阶段。

3.外延结构及外延技术

(1)Droop效应

经过若干年的发展,LED的外延层结构和外延技术已经比较成熟,其内量子效率高可达90%以上。但是,近几年随着大功率LED芯片的兴起,LED在大注入下的量子效率下降引起了人们的广泛关注,该现象被形象地称为Droop效应。对产业界而言,解决Droop效应可以在保证功率的前提下进一步缩小芯片尺寸,达到降低成本的目的。对学术界而言,Droop效应的起因是吸引科学家研究的热点。不同于传统半导体光电材料,GaN基LED的Droop效应起因十分复杂,相应也缺乏有效的解决手段。研究人员经过探索,比较倾向的几个原因分别是:载流子的解局域化、载流子从有源区的泄漏或溢出、以及俄歇复合。虽然具体的原因还不明晰,但是实验发现采用较宽的量子阱以降低载流子的密度和优化p型区的电子阻挡层都是可以缓解Droop效应的手段。

(2)量子阱有源区

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