理論上，制造高亮度LED很容易。只需將n型和p型半導體粘合在一起，添加一個小的偏置電壓，并在光子流出時退回。然而，在實踐中，這些固態光源不是簡單的。先進的材料和制造工藝匯集在一起，生產具有光輸出的奇特設備，這些設備在半年前就被認為是幻想的。

盡管他們生產出令人印象深刻且高效的設備，但LED制造商并沒有滿足于他們的成就。 Cree，OSRAM和首爾半導體等領先的LED公司在材料科學和制造技術方面投入了數百萬美元，以進一步提高其產品的性能。

當代高亮度LED已經受益于先進的基板和制造技術，如碳化硅（SiC）和化學氣相沉積（CVD），明天的芯片將利用仍在滲透的圖案藍寶石等材料。實驗室。本文將詳細介紹這些材料和工藝，并評估它們對商用LED性能的影響。

介意帶隙

由于發出的光的波長是用于形成結的n和p摻雜半導體的能帶隙的函數，因此工程師在制造材料的選擇上受到限制LED指示燈。選擇發射眼睛無法檢測到的光子的半導體幾乎沒有意義。

經過多年的實驗和數以億計的研究資金，結果發現氮化銦鎵（InGaN） - 氮化鎵（GaN）和氮化銦（InN）的組合 - 是目前市場上最好的半導體產品 - 亮度LED。可以通過改變GaN與InN的比率來控制InGaN的帶隙。例如，在“白色”LED中心使用的芯片在光譜的390到440納米部分（紫外線，紫藍色和藍色） 1 發射光子。然后通過與熒光粉相互作用將這些光子轉換成白光。然而，雖然InGaN在光子生成方面具有許多優點，但從批量生產的角度來看確實存在一些明顯的缺點。其中最主要的是，“生長”InGaN錠（與用于制造集成電路（IC）的硅不同）非常困難（因此也很昂貴）。錠對于大規模生產是有利的，因為它們可以作為大晶片切片和加工，從而導致更低成本的芯片。相反，制造商通常采用更便宜的工藝，通過稱為外延的工藝生長InGaN薄膜 - 在結晶襯底上沉積結晶覆蓋層。有幾種外延技術用于形成高亮度LED所需的InGaN層，但最常見的現代方法是金屬有機CVD（MOCVD）。

MOCVD是一個復雜的過程，但從基本的角度來說，反應氣體被送入真空室并在原子水平上與基板結合并形成薄的結晶薄膜。

在MOCVD期間，沉積膜的晶體結構試圖與襯底的晶體結構取向。該取向的精確度取決于每種材料的晶格的相似性。不匹配的晶格導致沉積膜，而宏觀尺度上的塊狀晶體實際上充滿了微觀位錯。

減少穿線位錯

圖1顯示了商用高亮度LED結構的簡化示意圖。

圖1：橫截面圖高亮度LED。

MOCVD工藝通過在藍寶石襯底上沉積連續的薄膜，建立LED的有源區 - 夾在p-和n-接觸之間的多層 - 。藍寶石作為LED生產的基板具有許多優點：它相對便宜;它被用作集成電路的基板，因此制造工藝已經建立;它非常堅硬耐用，是一種很好的絕緣體。

但是有一些缺點。一個這樣的缺點是藍寶石和InGaN之間的熱膨脹系數的不匹配，這可能導致所制造的模具的高應力和破裂。然而，更大的缺點是InGaN和藍寶石的晶格之間的相對較大的不匹配（圖2）。不匹配 - 約14.8％ - 導致InGaN薄膜的微觀缺陷稱為穿透位錯（圖3）。

圖2：藍寶石襯底和InGaN薄膜之間的晶格失配會產生穿透位錯。 （由Cree提供。）

圖3：InGaN襯底中的穿線位錯。

線性位錯是提高LED效率的一項挑戰，因為在這些位置發生的電子和空穴之間的重組主要是“非輻射的”。換句話說，沒有發射可見光子。這是因為位錯引入了超出設計者預期的帶隙的額外帶隙，因此不對應于產生具有波長在可見光譜部分中的光子的能量差。

或者，重組中發出的能量通過“聲子”的發射傳遞，“聲子”是引入晶格的振動，不會增加芯片的發光度，但會產生不必要的熱量。由于與藍寶石襯底不匹配，InGaN遭受許多穿透位錯，典型密度超過每平方厘米108個或更多。 2 更糟糕的是，穿透位錯增加隨著LED年齡的增長，進一步損害光度（參見TechZone文章“了解高亮度LED褪色的原因”）。

提高效率的動力

由于其制造優勢，大多數制造商已經準備好接受藍寶石帶來的螺紋位錯折衷，同時通過關注LED性能的其他方面來提高產品的功效。例如，歐司朗的OSLON SSL等LED可以產生高達108 lm/W（350 mA），這是一種先進的性能，同時在藍寶石襯底上制造。事實上，目前大多數領先制造商生產的高亮度LED超過90％均采用藍寶石襯底制造。 3

效果從改善LED性能的其他方面 - 例如載流子注入效率，光子提取和磷光體轉換效率 - 開始減少，LED制造商正在將注意力轉向替代基板。

其中一種替代方案是碳化硅（SiC）。與藍寶石一樣，SiC可以使用相當標準的半導體制造技術批量生產。它還具有與InGaN類似的熱膨脹系數的附加優點，可以限制應力積累和模具開裂。主要缺點是需要支付許可費用的高成本和專利制造工藝。

Cree是一家領先的美國LED照明制造商，它可能也不足為奇地認為它擁有許多制造專利 - 支持將SiC基板用于LED制造。該材料相對于藍寶石的主要優勢是晶格結構與InGaN更緊密地匹配。通過使用SiC，與InGaN的晶格失配減少到3.4％。 4 這種緊密匹配仍然不足以完全消除穿線缺陷（圖4），雖然缺陷密度顯著降低 - 比藍寶石低至少一個，有時低兩個數量級，但是顯著減少非輻射重組的數量，通過減慢褪色速度來提高效率并延長LED的使用壽命。

圖4：盡管在InGaN-on-SiC襯底內仍然存在穿線缺陷，但與藍寶石上的InGaN相比，缺陷密度顯著降低。

Cree在SiC基板上生產許多LED產品。例如，XLamp XB-D系列基于該公司的“SC3”技術，該技術采用InGaN-on-SiC基板。 XLamp XB-D的效率高達136 lm/W（350 mA），在1A時可產生高達289 lm的電流。藍寶石和SiC都存在另一個明顯的缺點。 MOCVD工藝 - 由此在體晶體襯底上生長薄膜 - 促進了極化形式的InGaN的產生。不幸的是，這種極化對LED的效率沒有任何幫助，因為當通過器件的電流增加時，它會在晶體中感應出一個電場，開始排斥應該結合釋放光子的電子和空穴。這被認為是LED在低電流下表現出高效率的一個原因，但隨著電流的增加，功效“下降”（參見TechZone文章“識別LED效率下降的原因”）。

該解決方案由韓國LED制造商首爾半導體公司開發，概念簡單，但很難付諸實踐，使公司用了十年時間將該技術商業化。

首爾半導體公司的工程師所做的是通過避免外延和從頭開始生長大塊形狀的InGaN晶體來消除藍寶石上InGaN或SiC上的極化。不需要襯底，并且可以在優選的方向上切割所得的塊狀晶體以使非極性最大化。

如前所述，增長的塊狀InGaN非常困難且昂貴。然而，首爾半導體聲稱這是值得的，因為合成的“nPola”LED比同等的藍寶石/極性InGaN器件亮5到10倍。這意味著工程師可以在照明功能中使用更少的芯片，從而減少一些初始更高的成本（圖5）。

圖5：首爾半導體的nPola LED（右）比傳統設備更亮，因此燈具需要的更少。

這些“nPola”LED尚未用于商業用途，但很快就會推出。與此同時，首爾半導體確實提供了一系列最先進的設備，如Z-Power P4 LED。這些芯片可在350 mA的正向電流下提供高達100 lm的電流。

增強藍寶石

盡管其更高的穿線缺陷數量以及它促使InGaN形成極性晶體的事實，藍寶石襯底仍然有很多生命。 LED制造商正在尋找最大化材料潛力的新方法。正在研究的一種技術是生產所謂的圖案化藍寶石。該技術在藍寶石晶片上以網格圖案形成一系列圓頂狀結構（圖6）。然后以常規方式在藍寶石襯底的頂部上形成LED。

圖6：圓頂直徑約為3μm的圖案化藍寶石襯底間距約為2微米。

出于復雜的物理原因，事實證明，圖案化的基板能夠生成具有較少穿線缺陷的InGaN層，從而有助于提高LED的內部量子效率（IQE）。 6 然而，IQE的改善實際上是微不足道的，圖案化藍寶石的主要增益是發射光子從LED中逸出的能力顯著提高（提取效率）

更高的圓頂放大了對提取效率的影響（圖7）。到目前為止，還沒有制造商為其商用設備采用圖案化的藍寶石襯底，但產品推出肯定只是時間問題。

圖7：作為正向電流的函數的不同藍寶石圖案高度的電致發光（EL）強度。