近期LED業，有哪些技術突破?

　　近期，LED業好消息不斷，科學家們依然很“贊”!

　　紫外LED性能取得新突破

　　紫外線雖然在太陽光中能量占比僅5%，但卻廣泛應用于人類生活。目前紫外光應用包括印刷固化、錢幣防偽、皮膚病治療、植物生長光照、破壞微生物如細菌、病毒等分子結構，因此廣泛應用于空氣殺菌、水體凈化和固體表面除菌消毒等領域。傳統的紫外光源一般是采用汞蒸氣放電的激發態來產生紫外線，有著功耗高、發熱量大、壽命短、反應慢、有安全隱患等諸多缺陷。新型的深紫外光源則采用發光二極管(light emitting diode: LED)發光原理，相對于傳統的汞燈擁有諸多的優點。其中最為重要優勢的在于其不含有毒汞元素。隨著《水俁公約》的實施，標志著2020年間將全面禁止含有汞元素紫外燈的使用，因此如何才能開發出一種全新的環保、高效紫外光源，成為了擺在人們面前的一項重要挑戰。

　　而基于寬禁帶半導體材料(GaN，AlGaN)的深紫外發光二極管(deep ultraviolet LED: DUV LED)成為了這一新應用的不二選擇。這一全固態光源體系體積小、效率高，壽命長，僅僅是拇指蓋大小的芯片，就可以發出比汞燈還要強的紫外光。這其中的奧秘主要取決于III族氮化物這一種直接帶隙半導體材料：導帶上的電子與價帶上的空穴復合，從而產生光子。而光子的能量則取決于材料的禁帶寬度，科學家們則可以通過調節AlGaN這種三元化合物中的元素組分，精密地實現不同波長的發光。然而，要想實現紫外LED的高效發光并不總是那么容易。研究者們發現，當電子和空穴復合時，并不總是一定產生光子，這一效率被稱之為內量子效率(internal quantum efficiency: IQE)。

　　中國科學技術大學微電子學院孫海定和龍世兵教授課題組和中國科學院寧波材料所郭煒和葉繼春研究員課題組發現，為了提升紫外LED的IQE數值，可以通過AlGaN材料生長的襯底——藍寶石，也就是Al2O3的斜切角調控來實現，研究人員發現，當提高襯底的斜切角時，紫外LED內部的位錯得到明顯抑制，器件發光強度明顯提高。當斜切角襯底達到4度時，器件熒光光譜的強度提升了一個數量級，而內量子效率也達到了破紀錄的90%以上。

　　與傳統紫外LED結構不同的是，這一種新型結構內部的發光層——即多層量子阱(MQW)內勢阱和勢壘的厚度并不是均勻的。借助于高分辨透射電子顯微鏡，研究人員得以在微觀尺度分析僅僅只有幾納米的量子阱結構。研究表明，在襯底的臺階處，鎵(Ga)原子會出現聚集現象，這導致了局部的能帶變窄，并且隨著薄膜的生長，富Ga和富Al的區域會一直延伸至DUV LED的表面，并且在三維空間內出現扭曲、彎折，形成三維的多量子阱結構。研究者們稱這一特殊的現象為：Al，Ga元素的相分離和載流子局域化現象。值得指出的是，在銦鎵氮(InGaN)基的藍光LED體系中，In由于和Ga并不100%互溶，導致材料內部出現富In和富Ga的區域，從而產生局域態，促進的載流子的輻射復合。但在AlGaN材料體系中，Al和Ga的相分離卻很少見到。而此工作的重要意義之一就在于人為調節材料的生長模式，促進相分離，并因此大大改善了器件的發光特性。

　　通過在4度斜切角襯底上優化外延生長調節，研究人員摸索到了一種最佳的DUV LED結構。該結構的載流子壽命超過了1.60 ns，而傳統器件中這一數值一般都低于1ns。進一步測試芯片的發光功率，科研人員發現其紫外發光功率比傳統基于0.2度斜切角襯底的器件強2倍之多。這更加確信無疑地證明了，AlGaN材料可以實現有效的相分離和載流子局域化現象。除此之外，實驗人員還通過理論計算模擬了AlGaN 多量子阱內部的相分離現象以及勢阱、勢壘厚度不均一性對發光強度和波長的影響，理論計算與實驗實現了十分吻合。

　　該研究成果由華中科技大學戴江南和陳長清教授，河北工業大學張紫輝教授，沙特阿卜杜拉國王科技大學Boon Ooi和Iman Roqan教授聯合攻關完成。研究者相信，此項研究將會為高效率的全固態紫外光源的研發提供新的思路。這種思路無需昂貴的圖形化襯底，也不需要復雜的外延生長工藝。而僅僅依靠襯底的斜切角的調控和外延生長參數的匹配和優化，就有望將紫外LED的發光特性提高到與藍光LED相媲美的高度，為高功率深紫外LED的大規模應用奠定實驗和理論基礎。相關結果以“Unambiguously Enhanced Ultraviolet Luminescence of AlGaN Wavy Quantum Well Structures Grown on Large Misoriented Sapphire Substrate”為題，在線發表在Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.201905445)。(來源：MaterialsViews)

　　微型/納米混合LED

　　III族氮化物是具有直接帶隙的獨特半導體材料系統，覆蓋從深紫外(DUV)到近紅外的寬光譜范圍。在過去的幾十年中，基于III族氮化物光電子器件取得了巨大的進步，中國科學工作者也做出了具有代表性的研究工作。近日，南京大學的劉斌教授在發表于Advanced Materials 的一篇研究進展中報道了南京大學寬禁帶半導體研究團隊在混合結構光發射器和紫外日盲光電二極管探測器兩個方面的主要成果。

　　自日本三位科學家發明了高效節能的固態照明藍色發光二極管(LED)并獲得2014年諾貝爾物理學獎以來，已經產生了數百億美元LED固態照明市場，目前正向超越照明與智能應用方向發展。近年來，Micro-LED(微米LED)等新興技術在下一代高性能顯示器和智能可穿戴消費電子產品的應用中顯示出巨大潛力。隨著LED技術向微小尺度進一步發展，賦能高分辨率(PPI)顯示、高速可見光通訊和智能可穿戴等領域的未來發展和市場規模。然而面對巨大的市場需求，III型氮化物LED仍然有很多基礎問題有待解決。眾所周知，白光LED普遍采用藍光LED激發黃/紅色熒光粉混合產生白光。然而，傳統熒光粉材料光轉換效率低，響應速率慢，并且尺寸難以進一步縮小，因此，不再適用于需要超小尺寸Micro-LED器件的高分辨率顯示領域。另一方面，顯示光源微小化后，邊緣效應顯著增加，由芯片和工藝帶來的損傷和缺陷會降低電-光轉換效率。特別是基于GaAs體系的紅光LED，特別容易受到缺陷的影響導致量子效率的大幅下降。

　　南京大學寬禁帶半導體研究團隊在III族氮化物光電子器件方面開展了相關工作，具有代表性的是高性能混合型微孔/納米孔可見光LED。研究團隊開發了紫外納米壓印(納米壓印光刻NIL)圖案化技術，能夠以較低成本得到高度有序的納米尺度圖形陣列。將CdSe/ZnS材料構成的核/殼量子點(QD)發光材料包埋于納米微孔中，制成了高性能混合型微孔/納米孔可見光LED。在InGaN/GaN材料構成的多量子阱(MQW)和CdSe/ZnS核/殼量子點(QD)發光材料之間形成一種非輻射共振能量轉移機制，通過高效率的色彩轉換可產生綠色/黃色/紅色光的高顏色轉換效率和高顯色指數，并成功將其運用于Micro-LED器件制備。該器件的穩定性、響應速率、顯色性能等方面表現出了優異的性能。

　　高性能顯示中對光源顏色的純度、強度和響應速度都有很高的要求。南京大學寬禁帶團隊利用金屬表面等離子體激元效應，通過受激輻射的輻射放大物理機制，采用混合金屬氧化物半導體(MOS)結構設計和制造了低閾值的等離子體納米線(NW)激光器，獲得了從綠光至深紫外UV-B的激光發射，為下一代超小光源打下基礎，助力中國固態照明與高性能顯示行業的發展。

　　在過去的二十年，III族氮化物半導體由于其優異和不可替代的特性，在可見-紫外光電子器件領域已經取得了巨大成就。而由于AlN和GaN組成的氮化鋁鎵(AlGaN)三元材料具有優異的光電性能，紫外LED和光電探測器件對于環境監測，健康和醫療應用，醫學診斷等新應用越來越重要。AlGaN基紫外LED和高靈敏度的紫外光電檢測器引起了重點關注。目前，這一領域仍然存在一些困難和挑戰，例如AlGaN與異質襯底之間的晶格失配較大，用于高Al成分的AlGaN合金中Al的摻入效率低，以及高導電性p型AlGaN的困難，限制了III族氮化物的紫外光電子器件的性能改進提升。針對以上困難和挑戰，南京大學寬禁帶研究團隊研發了具有獨立吸收和倍增(SAM)設計結構的高性能AlGaN基日盲紫外雪崩光電二極管(APD)探測器。通過引入極化電場，優化了器件內載流子輸運，使得APD器件的泄漏電流顯著降低，并且增益達到了創紀錄高的1.6×105。

　　綜上所述，南京大學研究團隊展示了微型/納米混合LED，實現了高性能的紅色/綠色/藍色和白色微納發光器件。設計了金屬氧化物半導體結構的等離激元納米激光器，獲得了從可見光至深紫外(Deep-UV)光譜范圍的低激發閾值的激光。此外，通過獨特的吸收和倍增結構設計，制備了性能顯著改善的AlGaN基紫外日盲光電二極管(APD)探測器，增益達到了創紀錄水平。上述納/微米混合LED、納米激光器和極化增強型APD的最新研究進展有望引領III族氮化物基光電子器件在未來的創新應用。

　　據Rebecca Pool報道，Kubos半導體公司利用其立方GaN外延技術，打算很快推出大規模制造綠色led的工藝。

　　立方GaN外延技術商業化

　　英國Kubos半導體公司和英國復合半導體中心聯手解決了LED行業臭名昭著的“綠色鴻溝”問題。

　　正如今年10月披露的那樣，合作伙伴正共同努力將用于制造高效綠色和琥珀色LED的立方GaN外延技術商業化。

　　這一舉措正值綠色LED的效率數字大大落后于藍色LED，盡管全球各行業都在努力縮小所謂的綠色差距。

　　“縮小綠色差距是一個長期存在的問題，一直是LED制造商面臨的一個長期挑戰，至今仍未解決，”Kubos首席執行官卡羅琳•奧布萊恩(Caroline O'Brien)表示。“但我們很快就會推出一種在商業上可行的解決方案，我們預計這一方案將獲得非常好的反響。”

　　她補充道：“綠色LED是我們主要的商業化催化劑，我們在這方面取得了良好的進展，因此計劃明年開始這一商業化進程。”。

　　到目前為止，六角GaN晶體已經被廣泛應用于制造藍色led，但是在綠色器件中實現高效的工作是一個問題。在這些長波長結構的有源區中，大的偏振場降低了輻射復合率，限制了LED的效率。

　　但庫博斯有答案。該公司的工藝是在硅襯底上3C(立方)SiC上生長立方GaN。與六邊形GaN不同，立方GaN沒有電場，消除了偏振問題，為高效led的設計打開了大門。

　　3C-SiC在硅上的外延工藝是由華威大學的spin-out，Anvil半導體公司首創的。Anvil謹慎地保護了它的IP，但大約在8年前，它開始在用于SiC功率器件的硅片上珩磨一個生長3C-SiC的過程，克服了不同材料的晶格參數和熱膨脹系數的不匹配。

　　該公司與劍橋大學(Cambridge University)在五年前合作，在Si模板上的立方SiC上生長立方GaN。成功之后，合作伙伴生產了世界上第一個150毫米晶圓，上面生長著100%立方GaN，Kubos獲得了獨家許可證，可以將這種IP商業化，并提供高效的綠色和琥珀色led。

　　最關鍵的是，最近的Kubos-CSC合作關系將加速Kubos的技術開發。CSC是一家由半導體外延晶圓產品制造商IQE和卡迪夫大學(Cardiff University)組成的合資企業，提供了工業標準外延工具的商業準入，為商業化提供了明確的途徑。

　　CSC的Rob Harper說：“在Si上的立方碳化硅上生長立方氮化鎵提供了一個可擴展的平臺，提供高質量的立方GaN層。”

　　“重要的是，我們有多個MOCVD工具平臺，在擴展到更大的200毫米晶圓之前，可以在更小的直徑上進行經濟高效的開發。”

　　他補充道：“AixtronG5+反應器的可用性意味著，[庫布斯]工藝可以在高達200毫米的基板上商業化。”。“在全球提供的工業標準MOCVD工具上演示Kubos技術有助于擴大規模，從而縮短上市時間。”

　　根據O'Brien的說法，Kubos已經證明在150毫米的3C-SiC硅片上可以生長出立方GaN，并且聲稱當硅硅片上的200毫米SiC可用時，立方GaN的生長也可以被縮放。

　　她說：“將其擴展到200毫米晶圓甚至更大的晶圓尺寸是沒有限制的。我們一直在努力確?？蓴U展性，以便該技術與大批量生產兼容，并在商業上可行。”

　　就成本而言，奧布萊恩和哈珀都看不到任何絆腳石。奧布萊恩認為，到目前為止，沒有任何跡象表明，一個LED制造商不能采用成本效益高、可制造性強的方法。

　　正如哈珀所說：“事實上，這可以擴展到200毫米晶圓提供了進一步的成本削減超過150毫米晶圓。”

　　他補充道：“我們還可以在多晶片MOCVD平臺(如Aixtron G5+)上提供這種功能，并同時處理5×200mm晶片或8×150mm晶片的批次，這可以提供比單晶片工具低得多的晶片成本。”。“一旦技術到位，我們可以預期，在規模經濟和優化運營效率的推動下，將進一步降低成本。”

　　主要應用包括用于顯示市場以及汽車和傳統LED照明市場的微型LED?？紤]到這一點，Kubos和合作伙伴正在努力提高將通過其工藝制造的綠色led的效率。

　　正如奧布萊恩指出的，早在2017年，美國能源部就制定了雄心勃勃的內部量子效率(IQE)目標，為54%，因此這是該公司的最終目標。她說：“目前，許多綠色LED設備的效率仍明顯低于這一水平，因此提高智商是我們目前發展的重點，雖然能源部的目標是一條路要走，但我們已經看到了這一點。”。

　　同時，工藝優化和成品率工程的工作也在進行中。合作伙伴的主要目標是將這一技術融入一級生產線，因此，他們計劃在未來2到3年內將這項技術授權給大型LED公司。正如奧布萊恩所說：“我們明年將開始與客戶接觸，而LED制造是一個非常成熟的過程，因此如果在這個時間范圍內沒有上市，我會感到失望。”