自上世紀(jì)90年代初中村修二發(fā)明高亮度藍(lán)光LED以來(lái)，基于GaN基藍(lán)光LED和黃色熒光粉組合發(fā)出白光方式的半導(dǎo)體照明技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了廣泛關(guān)注和快速發(fā)展。迄今為止，商品化白光LED的光效已經(jīng)超過(guò)150 lm/W，而實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)超過(guò)了200 lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)白熾燈(15 lm/W)和熒光燈(80 lm/W)的水平。從市場(chǎng)看，LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于顯示屏、液晶背光源、交通指示燈、室外照明等領(lǐng)域，并已經(jīng)開(kāi)始向室內(nèi)照明、汽車燈、舞臺(tái)燈光、特種照明等市場(chǎng)滲透，未來(lái)有望全面替換傳統(tǒng)光源。

　　半導(dǎo)體照明光源的質(zhì)量和LED芯片的質(zhì)量息息相關(guān)。進(jìn)一步提高LED的光效(尤其是大功率工作下的光效)、可靠性、壽命是LED材料和芯片技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)?，F(xiàn)將LED材料和芯片的關(guān)鍵技術(shù)及其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做如下梳理：

　　一、材料外延

　　1. 外延技術(shù)

　　金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)技術(shù)是生長(zhǎng)LED的主流技術(shù)。近年來(lái)，得益于MOCVD設(shè)備的進(jìn)步，LED材料外延的成本已經(jīng)明顯的下降。目前市場(chǎng)上主要的設(shè)備提供商是德國(guó)的Aixtron和美國(guó)的Veeco。前者可提供水平行星式反應(yīng)室和近耦合噴淋頭式反應(yīng)室兩種類型的設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)在于節(jié)省原料、生長(zhǎng)得到的LED外延片均勻性好。后者的設(shè)備利用托盤的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生層流，其優(yōu)點(diǎn)在于維護(hù)簡(jiǎn)單、產(chǎn)能大。除此以外，日本酸素生產(chǎn)專供日本企業(yè)使用的常壓MOCVD，可以獲得更好的結(jié)晶質(zhì)量。美國(guó)應(yīng)用材料公司獨(dú)創(chuàng)了多反應(yīng)腔MOCVD設(shè)備，并已經(jīng)開(kāi)始在產(chǎn)業(yè)界試用。

　　未來(lái)MOCVD設(shè)備的發(fā)展方向包括：進(jìn)一步擴(kuò)大反應(yīng)室體積以提高產(chǎn)能，進(jìn)一步提高對(duì)MO源、氨氣等原料的利用率，進(jìn)一步提高對(duì)外延片的在位監(jiān)控能力，進(jìn)一步優(yōu)化對(duì)溫度場(chǎng)和氣流場(chǎng)的控制以提升對(duì)大尺寸襯底外延的支持能力等。

　　2. 襯底

　　(1) 圖形襯底

　　襯底是支撐外延薄膜的基底，由于缺乏同質(zhì)襯底，GaN基LED一般生長(zhǎng)在藍(lán)寶石、SiC、Si等異質(zhì)襯底之上。發(fā)展至今，藍(lán)寶石已經(jīng)成為性價(jià)比最高的襯底，使用最為廣泛。由于GaN的折射率比藍(lán)寶石高，為了減少?gòu)腖ED出射的光在襯底界面的全發(fā)射，目前正裝芯片一般都在圖形襯底上進(jìn)行材料外延以提高光的散射。常見(jiàn)的圖形襯底圖案一般是按六邊形密排的尺寸為微米量級(jí)的圓錐陣列，可以將LED的光提取效率提高至60%以上。同時(shí)也有研究表明，利用圖形襯底并結(jié)合一定的生長(zhǎng)工藝可以控制GaN中位錯(cuò)的延伸方向從而有效降低GaN外延層的位錯(cuò)密度。在未來(lái)相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)圖形襯底依然是正裝芯片采取的主要技術(shù)手段。

　　未來(lái)圖形襯底的發(fā)展方向是向更小的尺寸發(fā)展。目前，受限于制作成本，藍(lán)寶石圖形襯底一般采用接觸式曝光和ICP干法刻蝕的方法進(jìn)行制作，尺寸只能做到微米量級(jí)。如能進(jìn)一步減小尺寸至和光波長(zhǎng)可比擬的百nm量級(jí)，則可以進(jìn)一步提高對(duì)光的散射能力。甚至可以做成周期性結(jié)構(gòu)，利用二維光子晶體的物理效應(yīng)進(jìn)一步提高光提取效率。納米圖形的制作方法包括電子束曝光、納米壓印、納米小球自組裝等，從成本上考慮，后兩者更適合用于襯底的加工制作。

　　(2) 大尺寸襯底

　　目前，產(chǎn)業(yè)界中仍以2英寸藍(lán)寶石襯底為主流，某些國(guó)際大廠已經(jīng)在使用3英寸甚至4英寸襯底，未來(lái)有望擴(kuò)大至6英寸襯底。襯底尺寸的擴(kuò)大有利于減小外延片的邊緣效應(yīng)，提高LED的成品率。但是目前大尺寸藍(lán)寶石襯底的價(jià)格依然昂貴，且擴(kuò)大襯底尺寸后相配套的材料外延設(shè)備和芯片工藝設(shè)備都要面臨升級(jí)，對(duì)廠商而言是一項(xiàng)不小的投入。

　　(3) SiC襯底

　　SiC襯底和GaN基材料之間的晶格失配度更小，事實(shí)證明在SiC上生長(zhǎng)獲得的GaN晶體質(zhì)量要略好于在藍(lán)寶石襯底上的結(jié)果。但是SiC襯底尤其是高質(zhì)量的SiC襯底制造成本很高，故鮮有廠商用于LED的材料外延。但是美國(guó)Cree公司憑借自身在高質(zhì)量SiC襯底上的制造優(yōu)勢(shì)，成為業(yè)內(nèi)唯一一個(gè)只在SiC襯底上生長(zhǎng)LED的廠商，從而避開(kāi)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)GaN的專利壁壘。目前SiC襯底的主流尺寸是3英寸，未來(lái)有望拓展至4英寸。SiC襯底相比藍(lán)寶石襯底更適合于制作GaN基電子器件，未來(lái)隨著寬禁帶半導(dǎo)體功率電子器件的發(fā)展，SiC襯底的成本有望進(jìn)一步降低。

　　(4) Si襯底

　　Si襯底被看作是降低LED外延片成本的理想選擇，因?yàn)槠浯蟪叽?8寸、12寸)襯底發(fā)展得最為成熟。但是，由于晶格失配和熱失配太大，難于控制，基于Si襯底的LED材料質(zhì)量相對(duì)較差，且成品率偏低，所以目前市場(chǎng)上基于Si襯底的LED產(chǎn)品十分少見(jiàn)。目前在Si上生長(zhǎng)LED主要采用以6英寸以下的襯底為主，考慮成品率因素，實(shí)際LED的成本和基于藍(lán)寶石襯底的相比不占優(yōu)勢(shì)。和SiC襯底一樣，大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)和廠商更加青睞在Si襯底上生長(zhǎng)電子器件而不是LED。未來(lái)Si襯底上的LED外延技術(shù)應(yīng)該瞄準(zhǔn)8英寸或12英寸這種更大尺寸的襯底。

　　(5) 同質(zhì)襯底

　　正如前面提到的，目前LED的外延生長(zhǎng)依然是以異質(zhì)襯底的外延為主。但是晶格匹配和熱匹配的同質(zhì)襯底依然被看作提高晶體質(zhì)量和LED性能的最終解決方案。最近幾年，隨著氫化物氣相沉積(HVPE)外延技術(shù)的發(fā)展，大面積GaN基厚襯底制作技術(shù)得到了重視，其制作方法一般為采用HVPE在異質(zhì)襯底上快速生長(zhǎng)獲得數(shù)十至數(shù)百微米厚的GaN體材料，再采用機(jī)械、化學(xué)或物理手段將厚層GaN薄膜從襯底上剝離下來(lái)，利用此GaN厚層作為襯底，進(jìn)行LED外延。日本三菱公司和住友公司已經(jīng)可以提供GaN基襯底的產(chǎn)品，但是價(jià)格昂貴，對(duì)于一般LED的生長(zhǎng)不劃算。主要是用于激光器的制造或者非極性/半極性面LED的研究。美國(guó)加州大學(xué)圣芭芭拉分校(UCSB)中村小組在非極性/半極性面LED研制方面做出了許多開(kāi)創(chuàng)性和代表性的工作。非極性/半極性面LED可以規(guī)避傳統(tǒng)c面LED中存在的極化效應(yīng)問(wèn)題，從而進(jìn)一步提升LED尤其是長(zhǎng)波長(zhǎng)可見(jiàn)光LED的效率。但是高質(zhì)量的非極性/半極性面LED必須依賴同質(zhì)襯底，而非極性/半極性面的GaN襯底離實(shí)用化還有相當(dāng)?shù)木嚯x。此外，日本、波蘭、美國(guó)等一些學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)也在嘗試使用堿金屬熔融法、氨熱法等手段在高壓和中溫條件下制造GaN塊狀晶體，但是目前都尚處于研究階段。

　　3. 外延結(jié)構(gòu)及外延技術(shù)

　　(1) Droop效應(yīng)

　　經(jīng)過(guò)若干年的發(fā)展，LED的外延層結(jié)構(gòu)和外延技術(shù)已經(jīng)比較成熟，其內(nèi)量子效率最高可達(dá)90%以上。但是，近幾年隨著大功率LED芯片的興起，LED在大注入下的量子效率下降引起了人們的廣泛關(guān)注，該現(xiàn)象被形象地稱為Droop效應(yīng)。對(duì)產(chǎn)業(yè)界而言，解決Droop效應(yīng)可以在保證功率的前提下進(jìn)一步縮小芯片尺寸，達(dá)到降低成本的目的。對(duì)學(xué)術(shù)界而言，Droop效應(yīng)的起因是吸引科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)半導(dǎo)體光電材料，GaN基LED的Droop效應(yīng)起因十分復(fù)雜，相應(yīng)也缺乏有效的解決手段。研究人員經(jīng)過(guò)探索，比較傾向的幾個(gè)原因分別是：載流子的解局域化、載流子從有源區(qū)的泄漏或溢出、以及俄歇復(fù)合。雖然具體的原因還不明晰，但是實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用較寬的量子阱以降低載流子的密度和優(yōu)化p型區(qū)的電子阻擋層都是可以緩解Droop效應(yīng)的手段。

　　(2) 量子阱有源區(qū)

　　InGaN/GaN量子阱有源區(qū)是LED外延材料的核心，生長(zhǎng)InGaN量子阱的關(guān)鍵是控制量子阱的應(yīng)力，減小極化效應(yīng)的影響。常規(guī)的生長(zhǎng)技術(shù)包括：多量子阱前生長(zhǎng)低In組分InGaN預(yù)阱釋放應(yīng)力并充當(dāng)載流子蓄水池，升溫生長(zhǎng)GaN壘層以提高壘層的晶體質(zhì)量，生長(zhǎng)晶格匹配的InGaAlN壘層或生長(zhǎng)應(yīng)力互補(bǔ)的InGaN/AlGaN結(jié)構(gòu)等。量子阱的數(shù)量沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，業(yè)界使用的量子阱數(shù)從5個(gè)到15個(gè)都有，最終效果差別不大，阱數(shù)較少的LED在小注入下的效率更高，而阱數(shù)較多的LED在大注入下的效率更高。

　　(3) p型區(qū)

　　GaN的p型摻雜是早期困擾LED制作的重要瓶頸之一。這是因?yàn)榉枪室鈸诫s的GaN是n型，電子濃度在1×1016 cm-3以上，p型GaN的實(shí)現(xiàn)比較困難。目前為止最成功的p型摻雜劑是Mg，但是依然面臨高濃度摻雜造成的晶格損傷、受主易被反應(yīng)室中的H元素鈍化等問(wèn)題。中村修二在日亞公司發(fā)明的氧氣熱退火方法簡(jiǎn)單有效，是廣泛使用的受主激活方法，也有廠商直接在MOCVD外延爐內(nèi)用氮?dú)庠谖煌嘶鸺せ睢Ｈ諄喒镜膒-GaN質(zhì)量是最好的，可能和常壓MOCVD生長(zhǎng)工藝相關(guān)。此外，也有一些利用p-AlGaN/GaN超晶格、p-InGaN/GaN超晶格來(lái)提高空穴濃度的報(bào)道。盡管如此，p-GaN的空穴濃度以及空穴遷移率和n-GaN的電子相比差別依然很大，這造成了LED載流子注入的不對(duì)稱。一般須在量子阱靠近p-GaN一側(cè)插入p-AlGaN的電子阻擋層。但AlGaN和量子阱區(qū)之間極性的失配被認(rèn)為是造成載流子泄漏的主要原因，因此近期也有一些廠商嘗試采用p-InGaAlN進(jìn)行替代。

　　4. 無(wú)熒光粉單芯片白光LED

　　現(xiàn)有白光LED主要采用藍(lán)光LED加黃色熒光粉的方式組合發(fā)出白光，這種白光典型的顯色指數(shù)不高，尤其是對(duì)于紅色和綠色的再現(xiàn)能力較弱。此外，熒光粉也面臨諸如可靠性差、損失效率等問(wèn)題。完全依賴InGaN材料作為發(fā)光區(qū)在單一芯片中實(shí)現(xiàn)白光從理論上是可行的。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些高校和研究機(jī)構(gòu)也都開(kāi)展了相關(guān)研究。比較有代表性的是中科院物理所陳弘小組利用InGaN量子阱中In的相分離實(shí)現(xiàn)了高In組分InGaN黃光量子點(diǎn)，和藍(lán)光量子阱組合發(fā)出白光。但是該白光的顯色指數(shù)還比較低。無(wú)熒光粉單芯片白光LED是很具吸引力的發(fā)展方向，如果能實(shí)現(xiàn)高效率和高顯色指數(shù)，將會(huì)改變半導(dǎo)體照明的技術(shù)鏈。