蓝绿光LED芯片技术发展历程

　　技术发展历程中的关键阶段

　　1、p-n结GaN二极管关键技术突破阶段（1970~1993年）

　　早在1970年代，美国科学家J. Pankove等人就已经发现GaN是一种良好的宽禁带半导体发光材料，并且成功制作了能发出蓝光的GaN肖特基管。但是，随后的十几年里，科学家们的努力研究一直没能突破制备p-型GaN材料的难关。直到20世纪80年代末期，日本科学家Akasaki和Amano发现，可以先在异质衬底上沉积AlN结晶层，然后能够实现MOCVD外延生长表面平整的GaN单晶薄膜材料。在此基础上，他们又发现可以通过电子束激活Mg掺杂的GaN材料中的空穴载流子，实现p-型GaN材料的制备，这是GaN基p-n结发光二极管最为关键的基础技术突破。随后，GaN基LED技术从研究院所的实验室走进了工厂。日本Nichia（日亚）公司的科学家Nakamura[15,16]实现了采用GaN结晶层实现高质量的外延层MOCVD生长，很快又发现可以通过热退火的方式激活Mg掺杂的GaN实现p型导电。作为这一系列突破的成果，1993年Nichia公司成功实现了商业化生产GaN蓝光LED.

　　2、内量子效率提升阶段（1993~2000年

　　在成功实现了商业化生产蓝光LED后，学术界和产业界对该领域的许多关键物理课题投入了极大的研究热情。核心问题之一就是如何提高蓝光LED芯片的InGaN/GaN量子阱内量子效率，也就是如何提高电光转换效率。许多研究单位和企业的MOCVD设备被用于试验优化生长条件，提高InGaN量子阱的晶体质量；同时还有很多新的器件结构设计也被尝试以提高载流子的注入效率和复合效率。在这阶段，新的研究发现主要促成了两大成果：（1） 绿光LED的商用化（1995年[17]）；（2） 蓝光LED效率得到了成倍提升。

　　3、内、外量子效率同时提升阶段（2000年至今）

　　在蓝、绿光LED性能显着提高的基础上，它们得到了大规模的商用化，特别是在移动电话背光源，全彩广告看板等应用领域。基于商业利益的刺激，提高发光效率成了企业间的生死时速竞赛，这在中国台湾地区、韩国以及中国大陆地区显得尤为激烈。在很多企业短时间无法显着提高内量子效率的情况下，这些新进入者开始大胆尝试在出光效率上做文章，也就是提高外量子效率。主要突破点在于：（1） 用ITO导电薄膜替代金属半透过膜NiAu,透过率提高了约25%,也就是亮度提高了25%;（2） 通过在外延层表层生长V型坑缺陷，使得表面全反射被打破，从而显着提升取光效率，如图10所示；（3） 通过利用表面粗化的蓝宝石衬底片，打破GaN/蓝宝石的全反射界面，也实现了显着提升取光效率的效果，如图11所示。这些方法在引入初期均导致了器件其它光电性能的严重牺牲，比如衰减严重、易产生漏电、静电防护能力弱等等。但是，随着企业研究人员的工程技术进步，各种特性逐步得到改善，同时，对外延材料特性的进一步认识也促进了内量子效率持续的提升。作为结果，在这一阶段，蓝、绿光LED发光效率都得到了成倍的提升，最新的研究结果表明，蓝光LED在优化内、外量子效率的情况下，可以实现50%的电光转换效率。

　　技术发展趋势展望

　　通过外延材料制备技术的提高和器件物理结构设计的优化，蓝、绿光LED技术在过去20年里取得了令人瞩目的发展。同时，归功于性能的不断提升以及成本的快速下降，应用领域和规模也得到了极大的发展。但是，展望未来更富有挑战性的通用照明新领域，LED技术更进一步的突破是必须的。这一次的突破将更为集中地围绕如何降低LED的使用成本，关键有三个发展方向：（1） 降低器件的制造成本；（2） 提高器件的电光转换效率；（3） 提高器件的输入功率。

　　1、降低器件的制造成本

　　LED器件的制造成本相对硅基器件而言还是很高的，这主要是由于该产业的规模以及技术发展程度还远不及硅基半导体工业。但是，参考成熟半导体行业的发展历程，我们可以预期LED器件的制造成本将在未来10年有持续下降空间。主要的成本节约贡献将重点依靠三个部分：（1） 核心设备制造技术的进步将成倍提高生产效率，从而显着降低折旧成本，最为典型的就是GaN外延的MOCVD设备；（2） 加工圆片的尺寸成倍提升，从目前主流的2英寸圆片发展到4英寸，将大大降低芯片工艺的加工成本；（3） 产业规模的级数扩大将显着降低消耗原物料的成本和综合管理成本。综合这些因素，可以预期未来10年LED芯片的成本将会持续降低，这将进一步刺激LED新兴应用领域的发展。

　　2、提高器件的电光转换效率

　　LED器件电光转换效率的提升也将显着降低最终客户的使用成本，这里的成本节约体现在两方面：一方面是单位流明亮度的芯片成本将随着芯片发光效率的提升而下降；另一方面是电能的节约，比如从能效25%的芯片技术发展到50%的技术，将实现节能一半的效果。而且更有意义的是，节能的效益不仅体现在经济上，还体现在社会效益上。因此，在转换效率提升的研究上，将继续获得大量商业和政府的研发资源。

　　电光转换效率的提升将沿着前述的两个方向持续推进：（1） 内量子效率的提升；（2） 取光效率的提升。内量子效率的提升主要依靠MOCVD外延材料制备技术的进步，通过改善发光层量子阱（MQW）的晶体质量，提高器件的载流子注入效率和复合效率，这方面的提升空间目前已经变得较为有限。相反，取光效率的提升还有很大的开发空间，这方面的主要工作将在于：（1） 进一步优化界面粗糙化的工艺，从而提高光从发光层逸出的效率；（2） 改善芯片切割工艺，减少透明蓝宝石衬底侧面亮度吸收损失。

　　3、提高器件的输入功率

　　在可以保持器件电光转换效率不变的前提下，通过提高单位面积芯片的输入功率，也可以达到降低使用成本的效果。这个努力方向依赖两方面的技术进步：一方面，需要尽可能降低芯片以及封装结构的热阻，这样可以在一定的器件工作温度上限内提高输入功率水平；另一方面，需要改善器件MQW结构设计，使其可以在更高注入载流子密度的条件下保持一定的电光转换效率。在器件热阻控制的研究方向，目前LED产品领域还有许多空间可供开发，特别是在低热阻的焊接固晶技术、高导热系数的焊接材料以及芯片支架材料方面，都是值得认真研究的。

　　结论

　　GaN基蓝、绿光LED技术过去二十几年的进步，已经开始在全球开启了一个崭新的固态新光源时代，这个技术不但带来了色彩斑斓、节能环保的新光源，而且正孕育着一个更为广阔的市场空间--固态通用照明市场。由于该技术巨大的节能效益以及其材料的环保特征，许多战略研究项目得到了各主要国家的高度关注，同时，也吸引了大批企业投身其中参与产品开发和推广。有理由相信，在未来10年内，GaN基蓝、绿光LED技术的发展必将促成一个欣欣向荣的新型固态照明市场！