腔體式藍寶石襯底LED未能走進普通照明市場 一技術(shù)工藝可破

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2017-09-21

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大功率LED的市場的使用率正在擴大。在工業(yè)照明應(yīng)用中使用這些設(shè)備，會帶來高效率。正是因為效率越高，散熱就越低，最終，熱管理就越簡單、便宜。

鑒于LED行業(yè)的狀況，所以許多芯片制造商正在努力提高設(shè)備的效率，并且在大電力行業(yè)中獲得了更多的成功和更大的利潤空間。即使這些設(shè)備制造商只比同行高出百分之幾的效率，但是這將給他們帶來相當?shù)膬?yōu)勢，他們可以有很大的利潤空間，其中很大一部分來自高端LED芯片的生產(chǎn)。

能夠生產(chǎn)高效率設(shè)備的另一個優(yōu)點是，家用照明，如果它們也具有可靠性，那么它們可以在汽車大燈領(lǐng)域挑戰(zhàn)成功。但是，它們沒有取得成功的地方卻在一般照明。在一般照明中，星級酒店照明燈具，大量使用中低效LED，這些設(shè)備的許多制造商日子煎熬。

提取光子

一個高效LED的關(guān)鍵要求之一是提取其中生成的大部分光子。實現(xiàn)這一點很重要，因為GaN的折射率遠遠高于空氣的折射率，導(dǎo)致大多數(shù)光子因全內(nèi)反射而被困在器件內(nèi)部。

克服這個問題的常用方法是在圖案化藍寶石上生產(chǎn)器件。波紋表面可以在許多方向上散射光子，增加了光從芯片逸出的可能性。

這些基板是這樣形成的：采用一塊平面藍寶石，用光致抗蝕劑掩模和電感耦合等離子體將圖案蝕刻進里面。通過這個過程，掩模逐漸侵蝕，出現(xiàn)圓頂形表面。 如果想要錐體，則可以通過調(diào)節(jié)蝕刻條件來形成。

當光傳播通過在圖案化藍寶石襯底上形成的LED時，由于折射率的差異，光被反射和衍射。光的傳播在界面處發(fā)生最大的變化，折射率出現(xiàn)最大的差異，這出現(xiàn)在GaN和空氣之間的邊界處。因此，國際資訊，許多研究小組試圖將高折射率對比度腔體結(jié)構(gòu)融入到LED里。這種結(jié)構(gòu)是成功的，可以增加光提取，但到目前為止，還沒有關(guān)于在LED行業(yè)內(nèi)使用生產(chǎn)級、成腔工藝的報告。

對腔體式LED做出了重大貢獻的其中一個研究小組是韓國首爾國立大學(xué)的Euijoon Yoon和同事組成的團隊。他們花了幾年的時間用中空二氧化硅納米球形成的納米級腔體制作LED， led質(zhì)量，通過在LED中引入腔體來增加光提取。此外，由于腔周圍的GaN中的壓應(yīng)力減少，他們減少了翹曲度。這意味著更薄的藍寶石晶片可以用于LED制造，削減生產(chǎn)成本。

然而，仍有改進的空間。由于中空腔的密度低以及位置的隨機性，光提取的增加并不高。必須解決這些缺點，以便為LED生產(chǎn)創(chuàng)造出更好、更可靠的空腔成型工藝。

從實驗室到工廠

下面將介紹的是韓國的Hexa Solution公司是如何解決這些問題的，他們的核心技術(shù)是腔體藍寶石襯底。韓國的兩個研究機構(gòu)進行了一項可行性研究，實驗室規(guī)模生產(chǎn)表明，結(jié)合空腔設(shè)計的藍寶石襯底的LED比圖案化藍寶石襯底的LED要好。

他們生產(chǎn)腔體式藍寶石襯底的工藝是很穩(wěn)健的，恒光，并且是可擴展的（見圖1）。該工藝從光致抗蝕劑圖案開始，通過回流工藝先將圓柱形光致抗蝕劑制成圓頂?shù)男螤睢ｋS后，在所有暴露的表面上以120℃的溫度將80nm厚的無定形氧化鋁層進行原子層沉積。氧化鋁部分覆蓋藍寶石，部分覆蓋光致抗蝕劑。

圖1. 用于形成腔體式襯底的制造工藝包括將無定形氧化鋁進行完全結(jié)晶，使其變成藍寶石。這大大簡化了隨后的GaN生長。

下一步是在氧化氣氛中進行熱處理。這可以將氧通過多孔氧化鋁層進行內(nèi)擴散，將氧化副產(chǎn)物向外擴散，得到的結(jié)果就是圓頂形腔。

同時，LED照明企業(yè)，無定形氧化鋁變成完全結(jié)晶，從藍寶石接觸區(qū)域開始，在光致抗蝕劑的圓頂頂部完成。該方法的一個好處就是無定形氧化鋁的結(jié)晶相是藍寶石。因此，由于氧化鋁在熱處理期間結(jié)晶成藍寶石，所以不需要額外的加工步驟來暴露藍寶石種子層并開始GaN生長（參見圖2）。

圖2. 掃描電子顯微鏡顯示GaN生長后形成的六角形圓頂嵌入腔。

這種腔體式襯底的巨大優(yōu)勢是它們獨特的光學(xué)性能。它們產(chǎn)生強烈的干擾，產(chǎn)業(yè)資訊，導(dǎo)致肉眼可以看到一系列顏色。與圖案藍寶石相比，由于腔的強衍射，在白熾燈和熒光照明下會產(chǎn)生更生動的干涉色（見圖3）。

圖3. 與圖案化藍寶石相比，腔體式藍寶石中的衍射更強，LED-T5一體化燈管，在照明下出現(xiàn)更亮的顏色。

此外，透射實驗表明，腔體式藍寶石在寬波長范圍內(nèi)產(chǎn)生的透射率比圖案化藍寶石更高。

時域有限差分模擬顯示，高折射率對比度腔與即將到來的平面波相互作用非常強烈。結(jié)果顯示，空腔在改變光的傳播方向是有效的（見圖4）。

圖4. 時域有限差分模擬顯示，在空腔式藍寶石中的散射要比圖案化藍寶石更強。在模擬中，酒店led照明，使用入射角為0°（頂部）和45°（底部）的平面波。

空氣腔體的另一個結(jié)果是它作為對平面波的光學(xué)干擾，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部造成顯著的相位變形。根據(jù)惠更斯的原理，嵌入式空氣腔陣列能夠從LED中提取更多的光，LED射燈，星級酒店照明燈具，因為每個單獨的空氣腔會產(chǎn)生強烈的次級波。LED內(nèi)部產(chǎn)生的光與高折射率對比度腔體陣列相互作用強烈，因此，與傳統(tǒng)器件中的全內(nèi)反射相比，家用照明，光離開了芯片，建筑照明，或者換句話說，光是衍射的（參見圖5）。

圖5. 時域有限差分模擬顯示，腔體式藍寶石的LED在提取光線方面比使用圖案化藍寶石襯底的更有效。

性能驗證

為了展示腔體式藍寶石的LED的卓越性能，并且與圖案化藍寶石上形成的LED相比，研究人員在MOCVD反應(yīng)器中同時在兩種類型的基板上生產(chǎn)設(shè)備。之后，同時加工兩種晶片，商業(yè)照明燈具，生產(chǎn)出尺寸為1075μm * 750μm的大面積、橫向型藍色發(fā)光InGaN / GaN LED。