剖析LED显示屏中所用的蓝色与绿色芯片的具体作用

1、剖析LED显示屏中所用的蓝色与绿色芯片的具体作用剖析LED显示屏中所用的蓝色与绿色芯片的具体作用。LED的工作原理是在正向导通的情况下，注入二极管 P/N节区的电子和空穴相遇复合，将电势能转换 为光能。所发出光子的波长（也就是光的颜色）是由半导体的能带宽度决定的，通 俗地讲，半导体能带宽度越宽，发出的光子能量越大，对应的波长越短，简单的换 算关系是：（nm）。当前蓝、绿光LED器件的材料基础是III族氮化物半导体， 也就是GaN为主，InN、AlN为辅的四元AIGalnN合金体系，目前，绝大部分蓝、绿光LED芯片的量子阱发光层材料是由InxGa1-xN合金 和GaN组成的，由于InxGa1-x

2、N合金的能带宽度随着InN的比例x变化，可以在 3.4eV （对应GaN的能带宽度）和0.7eV （对应InN的能带宽度）调整，所以理论 上这个材料体系可以覆盖整个可见光光谱区域。但是，目前的材料制备技术是基于 GaN晶体的外延层生长技术，只能生长含InN组份较低的合金材料。InxGa1-xN合 金在InN的组份x>15%以后，晶体质量急剧下降。实际上，目前工业界的技术水 平通常做到蓝光芯片的电光转换效率大约是绿光的2倍，就是因为前者的InN组份远小于后者，绿光器件中InN的组份估计已经在30%以上（InGaN合金材料精确 组份的测定目前在学术界还是一个疑难科学问题）。也就是说，目前的技

3、术还很难 通过继续增加InN的组份，使得InGaN合金器件能高效率地发出红光。但值得庆 幸的是，早在上个世纪90年代，山族磷化物体系（也通常表述为四元体系， AlGaInP）已经成为红、黄光LED器件成熟的材料基础。这两个材料体系的基本物 理特征以及其所含元素在周期表中的位置。III族氮化物半导体材料目前工业化制备是通过金属有机物化学气相沉积（metal-organic chemical vapor deposition,MOCVD）来实现的。该技术的基本原理 是通过在密闭化学反应腔中引入高纯度的金属有机源（MO源）和氨气（NH3），使其在加热的衬底基板（一般选择蓝宝石做衬底）上生长出高质量的

4、晶体。基本化 学反应式是：Ga （CH3） 3+NHSGaN+CH4.通常GaN晶体是六方状的纤锌矿结 构，基本的物理特性如表2所示。需要特别指出的有两点：（1） GaN的能带宽度 在常温300K时，等于3.39eV,是非常难得的宽禁带半导体材料，如果发光，对应 的光子波长应该是，属于紫外光；（2） GaN的p-型掺杂非常困难，目前可以达到 的载流子浓度比n-型掺杂低将近两个数量级，电阻很大。这个特性对其器件的设 计提出了特殊的要求，这一点在随后介绍LED器件结构时将提到。GaN与它同族的AlN和InN的物理属性差异非常显着，表 3给出了具体的比对。在晶体生长过 程中，GaN晶体的取向和蓝宝石

5、衬底的晶面选择有着密切关系。当前，工业化生 长GaN晶体一般都取c-面的蓝宝石作为衬底基板，GaN晶体生长与衬底晶体取向 会保持一个固定的配位关系（这也就是外延”的意思）。GaN外延片表面是晶体的六方密排c-面，晶体的生长是沿着c-轴逐层原子堆积而成的，也就是 c-轴方向成 长。GaN基LED外延片的基本结构是在蓝宝石衬底上依次生长：（1） GaN结晶 层；（2） n-型GaN （实际生产中一般先长一层非故意掺杂的 n型GaN）；（ 3）InGaN/GaN多量子阱发光层；（4） p-型GaN.为了获得高性能的器件，整个外延生 长过程的各项参数都要得到优化并且精确控制，其中对发光效率影响最大的结

6、构是 InGaN/GaN多量子阱发光层。p和n型材料的掺杂元素通常为 Mg和Si,Mg通过替 代GaN中的Ga原子（Mg比Ga少一个外围电子），形成一个空穴载流子，Si通过替代Ga原子，形成一个电子载流子（Si比Ga多一个外围电子）。一般整个器 件的外延层厚度范围在48卩m平均生长速度大约1卩m小时，因此完成一次器件的 生长大约需要8小时。完成MOCVD外延生长后，需要通过一系列的光罩图形处理和物理刻蚀或沉 积工艺制备GaN基LED芯片。普通蓝、绿光LED芯片的基本结构，需要在外延 片上依次做如下器件加工：（1）刻蚀局部区域露出n-型GaN导电层；（2）蒸镀 透明导电薄膜NiAu或ITO; （

7、3）蒸镀焊线电极，包括p电极和n电极；（4）蒸镀 钝化保护层。芯片加工过程需要严格管理质量，避免出现类似焊盘机械黏附力不 足、表面异物污染等容易导致器件在封装使用过程失效的问题。此外，芯片随后还 需要做衬底减薄、物理切割分离、测试、分选，最后获得光电参数一致的芯片成 品。由于GaN基LED芯片衬底蓝宝石是绝缘体，芯片通过上表面的两个 +/-电极与 金属焊线连接来导电。相比而言，目前普通 GaAs衬底的红光芯片还是通过导电胶 使衬底与支架之间形成导电通道，工艺控制导电胶的物理黏结强度对封装断路失效 控制就显得特别重要。II蓝、绿光LED芯片光电参数特征1、I-V关系曲线蓝、绿光LED芯片通常在正

8、向加压2.4V左右时开始导通，工作电流 20mA下 电压Vf的范围一般是3.03.4V （对于14X14mil2见方的芯片尺寸，），较高的工 作电压是由GaN半导体的禁带宽度决定的。2.2环境温度对光电特性的影响一颗普通结构14X14mil2绿光LED芯片在不同环境温度下的特性变化曲线。 当环境温度从20C上升到80C时，显示绿光LED的发光波长发生明显漂移，从 522nm红移到527nm;显示发光亮度降低了 25%;显示工作电压从3.23V降到2.98V。随着环境温度的升高，发光波长红移以及工作电压下降都是由于半导体禁带宽 度缩小导致的。但是，由于 GaN体系的材料禁带宽度大，可以容忍的环境

9、温度上 限比其它材料有非常明显的优势。实验发现，在150C环境温度下，GaN基的蓝、绿光LED器件还可以发光，只是效率大大降低了。但是，另一方面，对于此类普 通结构的芯片，蓝光的电光转换效率在 2030%之间；绿光明显更低，一般只有 1020% .电能除了少部分转变成光能外，其它都产生热，这些热能对于微小的晶片 面积来说是很大的负担。因此，在芯片封装使用时，需要特别注意做好芯片的散热 通道设计，从而确保芯片能稳定可靠地工作。2、工作电流密度对波长的影响普通14Xl4mil2绿光LED芯片发光波长随工作电流变化的曲线。随着电流密 度的增大，绿光芯片发光波长从 534nm（2mA下测试）蓝移到52

10、2nm （30mA下测 试）。实际上蓝光芯片也有类似的蓝移趋势，只是幅度比绿光芯片小，这个特性对 设计使用芯片的工作条件非常重要。为了避免颜色随亮度变化而发生漂移，调节亮 度的方式一般选择改变脉冲宽度，而不是改变电流强度。为发光层量子阱工作的基本原理示意图。电子-空穴复合生成光子的能量决定 了发光波长，而光子的能量是由束缚在量子阱的电子 -空穴对的势能决定的。实际 上，芯片从2mA增加到30mA电流的过程中，量子阱中电子-空穴对的势能发生了 两个非常重要的变化：先是屏蔽了量子阱内建电场，使得导带和价带距离增大；然 后载流子填充效应使得电子-空穴对之间的势能进一步增大，而增大的电子 -空穴对 势

11、能转变成的光子对应的波长将变短，这一点可以从前述波长和能量的换算关系推 得。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（19701993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Ama no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

12、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Nakamura15,16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（19932000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

13、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

14、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；（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。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

15、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

16、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。II1、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

17、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

18、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