LED半导体照明外延及芯片技术的现状与未来趋势

自上世纪90年代初中村建二发明者高亮度蓝光LED以来，基于GaN基蓝光LED和黄色荧光粉人组收到白光方式的半导体灯光技术在世界范围内获得了普遍注目和较慢发展。迄今为止，商品化白光LED的光效早已多达150lm/W，而实验室水平早已多达了200lm/W，相比之下低于传统白炽灯(15lm/W)和荧光灯(80lm/W)的水平。从市场看，LED早已普遍应用于显示屏、液晶背光源、交通指示灯、室外灯光等领域，并早已开始向室内灯光、汽车灯、舞台灯光、特种灯光等市场渗入，未来未来将会全面更换传统光源。　　半导体灯光光源的质量和LED芯片的质量息息相关。

进一步提高LED的光效(特别是在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到如下辨别：　　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，归功于MOCVD设备的变革，LED材料外延的成本早已显著的上升。目前市场上主要的设备提供商是德国的Aixtron和美国的Veeco。

前者可获取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、生长获得的LED外延片均匀分布性好。后者的设备利用架上的高速旋转产生层流，其优点在于确保非常简单、生产能力大。除此以外，日本酸素生产仅供日本企业用于的常压MOCVD，可以取得更佳的结晶质量。

美国应用材料公司独有了多反应腔MOCVD设备，并早已开始在产业界试用。　　未来MOCVD设备的发展方向还包括：更进一步不断扩大反应室体积以提升生产能力，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世在位监控能力，更进一步优化对温度场和气流场的掌控以提高对大尺寸衬底外延的反对能力等。　　2.衬底　　(1)图形衬底　　衬底是承托外延薄膜的基底，由于缺少同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。

发展至今，蓝宝石早已沦为性价比最低的衬底，用于尤为普遍。由于GaN的折射率比蓝宝石低，为了增加从LED出射的光在衬底界面的全升空，目前正装芯片一般都在图形衬底上展开材料外延以提升光的衍射。少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佩，可以将LED的光萃取效率提升至60%以上。同时也有研究指出，利用图形衬底并融合一定的生长工艺可以掌控GaN中晶格的伸延方向从而有效地减少GaN外延层的晶格密度。

在未来非常一段时间内图形衬底仍然是正装芯片采行的主要技术手段。　　未来图形衬底的发展方向是向更加小的尺寸发展。目前，受限于制作成本，蓝宝石图形衬底一般使用接触式曝光和ICP干法刻蚀的方法展开制作，尺寸不能做微米量级。如能更进一步增大尺寸至和光波长可相提并论的百nm量级，则可以进一步提高对光的衍射能力。

甚至可以制成周期性结构，利用二维光子晶体的物理效应进一步提高光萃取效率。纳米图形的制作方法还包括电子束曝光、纳米压印、纳米小球自装配等，从成本上考虑到，后两者更加合适用作衬底的加工制作。　　(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，某些国际大厂早已在用于3英寸甚至4英寸衬底，未来未来将会不断扩大至6英寸衬底。

衬底尺寸的不断扩大不利于增大外延片的边缘效应，提升LED的成品率。但是目前大尺寸蓝宝石衬底的价格仍然便宜，且不断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对升级，对厂商而言是一项极大的投放。

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