未来照明朝光品质发展 芯片要冲破蓝光领域

　　设备

　　在当前无法制备大块GaN单晶材料的情况下，MOCVD即金属有机物化学气相沉积设备仍是GaN材料异质外延最关键设备。当前商用MOCVD设备市场主要由国际两大巨头掌握，在此局面我国MOCVD仍取得较大发展，并且出现48片机。但我们仍需要认识到国内MOCVD的缺点。对于MOCVD，一般而言，研究型设备的重点是温度控制，商业化设备是均匀性、重复性等。在低温下，可以生长高In组分InGaN，适合氮化物体系材料在橙黄光、红光、红外等长波长的应用，使氮化物应用涵盖整个白光领域;而在1200oC-1500oC高温下，可以生长高Al组分的AlGaN，使得氮化物应用扩展到紫外领域和功率电子器件领域，应用范围获得更大的扩展。目前国外已经具有1600oC高温MOCVD设备，可制备出高性能紫外LED和功率器件。我国MOCVD仍需长期发展，扩大MOCVD的温度控制范围;对于商用设备不仅要提高性能，更要保证均匀性和规模化。

　　源材料

　　源材料主要包括各种气体材料、金属有机物材料、基板材料等。其中，基板材料是重中之重，直接制约外延薄膜质量。目前，GaN基LED的衬底越来越多元化，SiC、Si以及GaN等衬底技术逐步提高，部分衬底从2英寸向3英寸、4英寸甚至6英寸、8英寸等大尺寸发展。但综合来看，当前性价比最高的仍是蓝宝石;SiC性能优越但价格昂贵;Si衬底的价格、尺寸优势以及与传统集成电路技术衔接的诱惑使得Si衬底仍然是当下最有前景的技术路线之一。GaN衬底仍需在提高尺寸和降低价格方面下功夫，以便未来在高端绿光激光器和非极性LED应用方面大显身手;金属有机物材料从依赖进口到自主生产，有了很大的进展;其他气体材料也取得长足进步。总之，我国在源材料领域获得很大发展。

　　外延

　　外延，即器件结构的获得过程，是最具有技术含量的工艺步骤，直接决定LED的内量子效率。目前半导体照明芯片绝大多数采用多量子阱结构，具体技术路线往往受制于衬底材料。而蓝宝石衬底普遍采用图形衬底(PSS)技术，降低外延薄膜的为错密度提高内量子效率，同时也提高光的出取效率。未来PSS技术仍是重要的衬底技术，且图形尺寸逐渐向纳米化方向发展。而利用GaN同质衬底可以采取非极性面或半极性面外延生长技术，部分消除极化电场引起的量子斯塔克效应，在绿光、黄绿光、红橙光GaN基LED应用方面具有非常重要的意义。另外，当前的外延普遍是制备单发光波长量子阱，采用适当外延技术，可以制备多波长发射的LED，即单芯片白光LED，这也是很有前景的技术路线之一。其中，具有代表性的如用InGaN量子阱中相分离，实现了高In组分InGaN黄光量子点和蓝光量子阱组合发出白光。此外，还有利用多重量子阱发光实现宽光谱发光模式，以此实现单芯片白光输出，但是该白光的显色指数还比较低。无荧光粉单芯片白光LED是很具吸引力的发展方向，如果能实现高效率和高显色指数，将会改变半导体照明的技术链。

　　在量子阱结构方面，引入电子阻挡层阻挡电子泄露提高发光效率已经成为LED外延结构的常规方法。此外，优化量子阱的势垒和势阱仍将是重要工艺环节，如何调节应力，实现能带裁剪，可以制备不同发光波长的LED。在芯片覆盖层方面，如何提高p型层的材料质量、p型层空穴浓度、导电性能和解决大电流下droop效应仍然是当务之急。

　　芯片

　　在芯片工艺方面，如何提高光提取效率并得到更好的散热方案成为芯片设计的主旨，并相应研发了垂直结构、表面粗化、光子晶体、倒装结构、薄膜倒装结构(TFFC)、新型透明电极等技术。其中，薄膜倒装结构利用激光剥离、表面粗化等技术，可以较大幅度提高出光效率。

　　芯片应用

　　针对蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED技术方案较低的荧光转换效率，RGB多芯片白光和单芯片无荧光粉白光成为未来白光LED的主要技术趋势，效率较低的绿光LED则成为RGB多芯片白光的主要限制因素，未来半极性或非极性绿光LED将成为重要的发展趋势。在解决白光LED显色方面，可利用紫光或紫外LED激发RGB三色荧光粉，获得高显色白光LED技术，但必然牺牲一部分效率。目前，紫光或紫外光芯片效率已经获得很大进步，日亚化学公司生产的365nm波长紫外LED外量子效率已经接近50%。未来紫外LED将获得更多应用，且无其它紫外发光体系材料代替，发展前景非常巨大。一些发达国家已纷纷投入大量人力、物力开展UVLED的研究。而氮化物的红光红外光波段应用，除了环境之外，无论是价格还是性能都难以与砷化物竞争，因而前景不是很明朗。

　　根据以上阐述可知，围绕半导体照明的上游材料及设备已经获得很大的发展，尤其在效率方面，蓝光波段已经接近理想效率，芯片在半导体照明灯具的价格比也大幅度下降，未来半导体照明将从光的效率向光品质方向发展，这要求芯片材料冲破蓝光领域，同时向长波长和短波长方向发展，而绿光、紫光和紫外光LED芯片将是研究重点。