剖析LED顯示屏中所用的藍(lán)色與綠色芯片的具體作用

1、剖析LED顯示屏中所用的藍(lán)色與綠色芯片的具體作用剖析LED顯示屏中所用的藍(lán)色與綠色芯片的具體作用。LED的工作原理是在正向?qū)ǖ那闆r下，注入二極管 P/N節(jié)區(qū)的電子和空穴相遇復(fù)合，將電勢(shì)能轉(zhuǎn)換 為光能。所發(fā)出光子的波長(zhǎng)（也就是光的顏色）是由半導(dǎo)體的能帶寬度決定的，通 俗地講，半導(dǎo)體能帶寬度越寬，發(fā)出的光子能量越大，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越短，簡(jiǎn)單的換 算關(guān)系是：（nm）。當(dāng)前藍(lán)、綠光LED器件的材料基礎(chǔ)是III族氮化物半導(dǎo)體， 也就是GaN為主，InN、AlN為輔的四元AIGalnN合金體系，目前，絕大部分藍(lán)、綠光LED芯片的量子阱發(fā)光層材料是由InxGa1-xN合金 和GaN組成的，由于InxGa1-x

2、N合金的能帶寬度隨著InN的比例x變化，可以在 3.4eV （對(duì)應(yīng)GaN的能帶寬度）和0.7eV （對(duì)應(yīng)InN的能帶寬度）調(diào)整，所以理論 上這個(gè)材料體系可以覆蓋整個(gè)可見光光譜區(qū)域。但是，目前的材料制備技術(shù)是基于 GaN晶體的外延層生長(zhǎng)技術(shù)，只能生長(zhǎng)含InN組份較低的合金材料。InxGa1-xN合 金在InN的組份x>15%以后，晶體質(zhì)量急劇下降。實(shí)際上，目前工業(yè)界的技術(shù)水 平通常做到藍(lán)光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率大約是綠光的2倍，就是因?yàn)榍罢叩腎nN組份遠(yuǎn)小于后者，綠光器件中InN的組份估計(jì)已經(jīng)在30%以上（InGaN合金材料精確 組份的測(cè)定目前在學(xué)術(shù)界還是一個(gè)疑難科學(xué)問題）。也就是說，目前的技

3、術(shù)還很難 通過繼續(xù)增加InN的組份，使得InGaN合金器件能高效率地發(fā)出紅光。但值得慶 幸的是，早在上個(gè)世紀(jì)90年代，山族磷化物體系（也通常表述為四元體系， AlGaInP）已經(jīng)成為紅、黃光LED器件成熟的材料基礎(chǔ)。這兩個(gè)材料體系的基本物 理特征以及其所含元素在周期表中的位置。III族氮化物半導(dǎo)體材料目前工業(yè)化制備是通過金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）來實(shí)現(xiàn)的。該技術(shù)的基本原理 是通過在密閉化學(xué)反應(yīng)腔中引入高純度的金屬有機(jī)源（MO源）和氨氣（NH3），使其在加熱的襯底基板（一般選擇藍(lán)寶石做襯底）上生長(zhǎng)出高質(zhì)量的

4、晶體?；净?學(xué)反應(yīng)式是：Ga （CH3） 3+NHSGaN+CH4.通常GaN晶體是六方狀的纖鋅礦結(jié) 構(gòu)，基本的物理特性如表2所示。需要特別指出的有兩點(diǎn)：（1） GaN的能帶寬度 在常溫300K時(shí)，等于3.39eV,是非常難得的寬禁帶半導(dǎo)體材料，如果發(fā)光，對(duì)應(yīng) 的光子波長(zhǎng)應(yīng)該是，屬于紫外光；（2） GaN的p-型摻雜非常困難，目前可以達(dá)到 的載流子濃度比n-型摻雜低將近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，電阻很大。這個(gè)特性對(duì)其器件的設(shè) 計(jì)提出了特殊的要求，這一點(diǎn)在隨后介紹LED器件結(jié)構(gòu)時(shí)將提到。GaN與它同族的AlN和InN的物理屬性差異非常顯著，表 3給出了具體的比對(duì)。在晶體生長(zhǎng)過 程中，GaN晶體的取向和藍(lán)寶石

5、襯底的晶面選擇有著密切關(guān)系。當(dāng)前，工業(yè)化生 長(zhǎng)GaN晶體一般都取c-面的藍(lán)寶石作為襯底基板，GaN晶體生長(zhǎng)與襯底晶體取向 會(huì)保持一個(gè)固定的配位關(guān)系（這也就是外延”的意思）。GaN外延片表面是晶體的六方密排c-面，晶體的生長(zhǎng)是沿著c-軸逐層原子堆積而成的，也就是 c-軸方向成 長(zhǎng)。GaN基LED外延片的基本結(jié)構(gòu)是在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)：（1） GaN結(jié)晶 層；（2） n-型GaN （實(shí)際生產(chǎn)中一般先長(zhǎng)一層非故意摻雜的 n型GaN）；（ 3）InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層；（4） p-型GaN.為了獲得高性能的器件，整個(gè)外延生 長(zhǎng)過程的各項(xiàng)參數(shù)都要得到優(yōu)化并且精確控制，其中對(duì)發(fā)光效率影響最大的結(jié)

6、構(gòu)是 InGaN/GaN多量子阱發(fā)光層。p和n型材料的摻雜元素通常為 Mg和Si,Mg通過替 代GaN中的Ga原子（Mg比Ga少一個(gè)外圍電子），形成一個(gè)空穴載流子，Si通過替代Ga原子，形成一個(gè)電子載流子（Si比Ga多一個(gè)外圍電子）。一般整個(gè)器 件的外延層厚度范圍在48卩m平均生長(zhǎng)速度大約1卩m小時(shí)，因此完成一次器件的 生長(zhǎng)大約需要8小時(shí)。完成MOCVD外延生長(zhǎng)后，需要通過一系列的光罩圖形處理和物理刻蝕或沉 積工藝制備GaN基LED芯片。普通藍(lán)、綠光LED芯片的基本結(jié)構(gòu)，需要在外延 片上依次做如下器件加工：（1）刻蝕局部區(qū)域露出n-型GaN導(dǎo)電層；（2）蒸鍍 透明導(dǎo)電薄膜NiAu或ITO; （

7、3）蒸鍍焊線電極，包括p電極和n電極；（4）蒸鍍 鈍化保護(hù)層。芯片加工過程需要嚴(yán)格管理質(zhì)量，避免出現(xiàn)類似焊盤機(jī)械黏附力不 足、表面異物污染等容易導(dǎo)致器件在封裝使用過程失效的問題。此外，芯片隨后還 需要做襯底減薄、物理切割分離、測(cè)試、分選，最后獲得光電參數(shù)一致的芯片成 品。由于GaN基LED芯片襯底藍(lán)寶石是絕緣體，芯片通過上表面的兩個(gè) +/-電極與 金屬焊線連接來導(dǎo)電。相比而言，目前普通 GaAs襯底的紅光芯片還是通過導(dǎo)電膠 使襯底與支架之間形成導(dǎo)電通道，工藝控制導(dǎo)電膠的物理黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)封裝斷路失效 控制就顯得特別重要。II藍(lán)、綠光LED芯片光電參數(shù)特征1、I-V關(guān)系曲線藍(lán)、綠光LED芯片通常在正

8、向加壓2.4V左右時(shí)開始導(dǎo)通，工作電流 20mA下 電壓Vf的范圍一般是3.03.4V （對(duì)于14X14mil2見方的芯片尺寸，），較高的工 作電壓是由GaN半導(dǎo)體的禁帶寬度決定的。2.2環(huán)境溫度對(duì)光電特性的影響一顆普通結(jié)構(gòu)14X14mil2綠光LED芯片在不同環(huán)境溫度下的特性變化曲線。 當(dāng)環(huán)境溫度從20C上升到80C時(shí)，顯示綠光LED的發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生明顯漂移，從 522nm紅移到527nm;顯示發(fā)光亮度降低了 25%;顯示工作電壓從3.23V降到2.98V。隨著環(huán)境溫度的升高，發(fā)光波長(zhǎng)紅移以及工作電壓下降都是由于半導(dǎo)體禁帶寬 度縮小導(dǎo)致的。但是，由于 GaN體系的材料禁帶寬度大，可以容忍的環(huán)境

9、溫度上 限比其它材料有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在150C環(huán)境溫度下，GaN基的藍(lán)、綠光LED器件還可以發(fā)光，只是效率大大降低了。但是，另一方面，對(duì)于此類普 通結(jié)構(gòu)的芯片，藍(lán)光的電光轉(zhuǎn)換效率在 2030%之間；綠光明顯更低，一般只有 1020% .電能除了少部分轉(zhuǎn)變成光能外，其它都產(chǎn)生熱，這些熱能對(duì)于微小的晶片 面積來說是很大的負(fù)擔(dān)。因此，在芯片封裝使用時(shí)，需要特別注意做好芯片的散熱 通道設(shè)計(jì)，從而確保芯片能穩(wěn)定可靠地工作。2、工作電流密度對(duì)波長(zhǎng)的影響普通14Xl4mil2綠光LED芯片發(fā)光波長(zhǎng)隨工作電流變化的曲線。隨著電流密 度的增大，綠光芯片發(fā)光波長(zhǎng)從 534nm（2mA下測(cè)試）藍(lán)移到52

10、2nm （30mA下測(cè) 試）。實(shí)際上藍(lán)光芯片也有類似的藍(lán)移趨勢(shì)，只是幅度比綠光芯片小，這個(gè)特性對(duì) 設(shè)計(jì)使用芯片的工作條件非常重要。為了避免顏色隨亮度變化而發(fā)生漂移，調(diào)節(jié)亮 度的方式一般選擇改變脈沖寬度，而不是改變電流強(qiáng)度。為發(fā)光層量子阱工作的基本原理示意圖。電子-空穴復(fù)合生成光子的能量決定 了發(fā)光波長(zhǎng)，而光子的能量是由束縛在量子阱的電子 -空穴對(duì)的勢(shì)能決定的。實(shí)際 上，芯片從2mA增加到30mA電流的過程中，量子阱中電子-空穴對(duì)的勢(shì)能發(fā)生了 兩個(gè)非常重要的變化：先是屏蔽了量子阱內(nèi)建電場(chǎng)，使得導(dǎo)帶和價(jià)帶距離增大；然 后載流子填充效應(yīng)使得電子-空穴對(duì)之間的勢(shì)能進(jìn)一步增大，而增大的電子 -空穴對(duì) 勢(shì)

11、能轉(zhuǎn)變成的光子對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)將變短，這一點(diǎn)可以從前述波長(zhǎng)和能量的換算關(guān)系推 得。技術(shù)發(fā)展歷程中的關(guān)鍵階段1、p-n結(jié)GaN二極管關(guān)鍵技術(shù)突破階段（19701993年）早在1970年代，美國(guó)科學(xué)家J.Pankove等人就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)GaN是一種良好的寬 禁帶半導(dǎo)體發(fā)光材料，并且成功制作了能發(fā)出藍(lán)光的 GaN肖特基管。但是，隨后 的十幾年里，科學(xué)家們的努力研究一直沒能突破制備 p-型GaN材料的難關(guān)。直到 20世紀(jì)80年代末期，日本科學(xué)家 Akasaki和Ama no發(fā)現(xiàn)，可以先在異質(zhì)襯底上沉 積AlN結(jié)晶層，然后能夠?qū)崿F(xiàn)MOCVD外延生長(zhǎng)表面平整的GaN單晶薄膜材料。 在此基礎(chǔ)上，他們又發(fā)現(xiàn)可以通過電子

12、束激活 Mg摻雜的GaN材料中的空穴載流 子，實(shí)現(xiàn)p-型GaN材料的制備，這是GaN基p-n結(jié)發(fā)光二極管最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)技 術(shù)突破。隨后，GaN基LED技術(shù)從研究院所的實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)了工廠。日本 Nichia（日亞）公司的科學(xué)家Nakamura15,16實(shí)現(xiàn)了采用GaN結(jié)晶層實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的外延 層MOCVD生長(zhǎng)，很快又發(fā)現(xiàn)可以通過熱退火的方式激活Mg摻雜的GaN實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電。作為這一系列突破的成果，1993年Nichia公司成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn) GaN 藍(lán)光 LED.2、內(nèi)量子效率提升階段（19932000年在成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)藍(lán)光LED后，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)該領(lǐng)域的許多關(guān)鍵 物理課題投入了極大的研究

13、熱情。核心問題之一就是如何提高藍(lán)光LED芯片的InGaN/GaN量子阱內(nèi)量子效率，也就是如何提高電光轉(zhuǎn)換效率。許多研究單位和 企業(yè)的MOCVD設(shè)備被用于試驗(yàn)優(yōu)化生長(zhǎng)條件，提高InGaN量子阱的晶體質(zhì)量； 同時(shí)還有很多新的器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也被嘗試以提高載流子的注入效率和復(fù)合效率。在 這階段，新的研究發(fā)現(xiàn)主要促成了兩大成果：（1）綠光LED的商用化（1995年 17）；（ 2）藍(lán)光LED效率得到了成倍提升。3、內(nèi)、外量子效率同時(shí)提升階段（2000年至今）在藍(lán)、綠光LED性能顯著提高的基礎(chǔ)上，它們得到了大規(guī)模的商用化，特別 是在移動(dòng)電話背光源，全彩廣告看板等應(yīng)用領(lǐng)域。基于商業(yè)利益的刺激，提高發(fā)光 效率成

14、了企業(yè)間的生死時(shí)速競(jìng)賽，這在中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、韓國(guó)以及中國(guó)大陸地區(qū)顯得 尤為激烈。在很多企業(yè)短時(shí)間無法顯著提高內(nèi)量子效率的情況下，這些新進(jìn)入者開 始大膽嘗試在出光效率上做文章，也就是提高外量子效率。主要突破點(diǎn)在于：（1）用ITO導(dǎo)電薄膜替代金屬半透過膜 NiAu,透過率提高了約25%,也就是亮度提 高了 25%; （2）通過在外延層表層生長(zhǎng) V型坑缺陷，使得表面全反射被打破，從 而顯著提升取光效率；（3）通過利用表面粗化的藍(lán)寶石襯底片，打破 GaN/藍(lán)寶石 的全反射界面，也實(shí)現(xiàn)了顯著提升取光效率的效果。這些方法在引入初期均導(dǎo)致了 器件其它光電性能的嚴(yán)重犧牲，比如衰減嚴(yán)重、易產(chǎn)生漏電、靜電防護(hù)能力弱

15、等等。但是，隨著企業(yè)研究人員的工程技術(shù)進(jìn)步，各種特性逐步得到改善，同時(shí)，對(duì) 外延材料特性的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)也促進(jìn)了內(nèi)量子效率持續(xù)的提升。作為結(jié)果，在這一階 段，藍(lán)、綠光LED發(fā)光效率都得到了成倍的提升，最新的研究結(jié)果表明，藍(lán)光 LED在優(yōu)化內(nèi)、外量子效率的情況下，可以實(shí)現(xiàn) 50%的電光轉(zhuǎn)換效率。技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望通過外延材料制備技術(shù)的提高和器件物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，藍(lán)、綠光LED技術(shù)在過去20年里取得了令人矚目的發(fā)展。同時(shí)，歸功于性能的不斷提升以及成本 的快速下降，應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模也得到了極大的發(fā)展。但是，展望未來更富有挑戰(zhàn)性 的通用照明新領(lǐng)域，LED技術(shù)更進(jìn)一步的突破是必須的。這一次的突破將更為集 中地

16、圍繞如何降低LED的使用成本，關(guān)鍵有三個(gè)發(fā)展方向：（1）降低器件的制造 成本；（2）提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率；（3）提高器件的輸入功率。II1、降低器件的制造成本LED器件的制造成本相對(duì)硅基器件而言還是很高的，這主要是由于該產(chǎn)業(yè)的 規(guī)模以及技術(shù)發(fā)展程度還遠(yuǎn)不及硅基半導(dǎo)體工業(yè)。但是，參考成熟半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā) 展歷程，我們可以預(yù)期LED器件的制造成本將在未來10年有持續(xù)下降空間。主要 的成本節(jié)約貢獻(xiàn)將重點(diǎn)依靠三個(gè)部分：（1）核心設(shè)備制造技術(shù)的進(jìn)步將成倍提高 生產(chǎn)效率，從而顯著降低折舊成本，最為典型的就是GaN外延的MOCVD設(shè)備；（2） 加工圓片的尺寸成倍提升，從目前主流的 2英寸圓片發(fā)展到4英寸，將

17、大大 降低芯片工藝的加工成本；（3）產(chǎn)業(yè)規(guī)模的級(jí)數(shù)擴(kuò)大將顯著降低消耗原物料的成 本和綜合管理成本。綜合這些因素，可以預(yù)期未來10年LED芯片的成本將會(huì)持續(xù) 降低，這將進(jìn)一步刺激LED新興應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。2、提高器件的電光轉(zhuǎn)換效率LED器件電光轉(zhuǎn)換效率的提升也將顯著降低最終客戶的使用成本，這里的成 本節(jié)約體現(xiàn)在兩方面：一方面是單位流明亮度的芯片成本將隨著芯片發(fā)光效率的提 升而下降；另一方面是電能的節(jié)約，比如從能效 25%的芯片技術(shù)發(fā)展到50%的技 術(shù)，將實(shí)現(xiàn)節(jié)能一半的效果。而且更有意義的是，節(jié)能的效益不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)上， 還體現(xiàn)在社會(huì)效益上。因此，在轉(zhuǎn)換效率提升的研究上，將繼續(xù)獲得大量商業(yè)和政 府

18、的研發(fā)資源。電光轉(zhuǎn)換效率的提升將沿著前述的兩個(gè)方向持續(xù)推進(jìn)：（1內(nèi)量子效率的提升；（2）取光效率的提升。內(nèi)量子效率的提升主要依靠 MOCVD外延材料制備技 術(shù)的進(jìn)步，通過改善發(fā)光層量子阱（MQW）的晶體質(zhì)量，提高器件的載流子注入 效率和復(fù)合效率，這方面的提升空間目前已經(jīng)變得較為有限。相反，取光效率的提 升還有很大的開發(fā)空間，這方面的主要工作將在于：（1）進(jìn)一步優(yōu)化界面粗糙化 的工藝，從而提高光從發(fā)光層逸出的效率；（2）改善芯片切割工藝，減少透明藍(lán) 寶石襯底側(cè)面亮度吸收損失。3、提高器件的輸入功率在可以保持器件電光轉(zhuǎn)換效率不變的前提下，通過提高單位面積芯片的輸入功 率，也可以達(dá)到降低使用成本的效果。這個(gè)努力方向依賴兩方面的技術(shù)進(jìn)步：一方 面，需要盡可能降低芯片以及封裝結(jié)構(gòu)的熱阻，這樣可以在一定的器件工作溫度上 限內(nèi)提高輸入功率水平；另一方面，需要改善器件 MQW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其可以在 更高注入載流子密度的條件下保持一定的電光轉(zhuǎn)換效率。在器件熱阻控制的研究方 向