稀磁氮化物引發(fā)紅光LED革命

紅光、橙光和黃光稀磁氮化物LED具有更高的功率和低的溫度敏感度。拿傳統(tǒng)的紅光AlGaInP LED和新型InGaNP LED作比較，發(fā)現(xiàn)后者發(fā)光亮度更強(qiáng)，適合做大屏幕彩顯的背光單元。

在參與到普通照明市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)之后，藍(lán)光和白光LED的性能有了巨大的提升，這與應(yīng)用在大型彩色屏幕、交通燈和建筑照明等領(lǐng)域的紅色、琥珀色和黃色發(fā)光管形成了鮮明的對(duì)比，后者性能提升緩慢。

然而，一家剛從加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）分離出來的新公司Quanlight，已經(jīng)開發(fā)了一種完全不同的芯片制造工藝，它能夠克服這些阻礙并極大地提升LED的性能。通過把傳統(tǒng)的AlGaInP材料替換成新型的稀磁氮化物材料InGaPN，就有可能制備出高亮度LED，并且它對(duì)溫度變化不甚敏感。這將對(duì)那些需要穩(wěn)定紅光輸出的高質(zhì)量圖像來說有幫助，適合大屏幕彩色顯示等應(yīng)用。

傳統(tǒng)的紅光LED已經(jīng)用在汽車的剎車燈上，當(dāng)轉(zhuǎn)向基于InGaPN的器件以后，車燈的亮度得到提高，所需器件數(shù)目得到降低。來源：BMW公司

這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的核心來自加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的研究成果。由charles Tu領(lǐng)導(dǎo)的UCSD團(tuán)隊(duì)，在Quanlight公司成立之前已經(jīng)在InGaPN方面取得了一些進(jìn)展。這種材料含有大約1%的氮，看起來是紅色發(fā)光管另一種理想的材料。InGaPN和GaP一經(jīng)結(jié)合，就能產(chǎn)生比AlInGaP基LED更大的能帶差的異質(zhì)結(jié)。計(jì)算表明由于更大的電流處理能力它能產(chǎn)生更高亮度的LED。此外，盡管這種材料體系還不成熟，對(duì)它知之甚少并難以生長(zhǎng)，InGaPN就已經(jīng)有了一些令人振奮的初步結(jié)果。

UCSD的研究人員設(shè)法設(shè)計(jì)了一個(gè)有效的原型LED，在器件性能方面如預(yù)料中那樣實(shí)現(xiàn)了幾項(xiàng)提升，包括縮短了發(fā)射波長(zhǎng)隨著溫度的漂移大小。盡管這些設(shè)備對(duì)于最初的研究來說是足夠的，可是用MBE設(shè)備會(huì)污染材料，這點(diǎn)限制了LED的亮度。因此，進(jìn)一步的研發(fā)工作還需轉(zhuǎn)向商業(yè)化生產(chǎn)廠，并且里面采用的工藝和設(shè)備是基于MOCVD平臺(tái)的。

學(xué)術(shù)研究的商業(yè)化

為此我們創(chuàng)立了Quanlight公司，并組成了一支研發(fā)隊(duì)伍。從私人投資者處募集到了兩筆基金共計(jì)400萬美元后，在2006年8月初我們通過Bandwidth Semiconductor代工服務(wù)來開發(fā)外延片，目前取得了很好的進(jìn)展，并于去年年底按照計(jì)劃制造并出售紅色LED外延片給芯片制造商?，F(xiàn)在我們計(jì)劃將外延片的范圍擴(kuò)展至涵蓋585nm到660nm的橙色和黃色波段。此外，我們也開始授權(quán)專有的工藝技術(shù)，或與其它公司建立伙伴關(guān)系。

InGaPN LED相對(duì)于AlGaInP LED的優(yōu)勢(shì)主要有三：更低的制造成本，更好的色溫穩(wěn)定性和大電流下更高的亮度。

更低的制造成本來源于更簡(jiǎn)化的制造工藝，它使用的生產(chǎn)設(shè)備與傳統(tǒng)紅光LED的一致。傳統(tǒng)的AlInGaP基發(fā)光管是在GaAs襯底上生長(zhǎng)的，為了提升輸出功率，外延片通常是放到一個(gè)透明的GaP襯底或者鏡面的支撐體上。我們的工藝稀磁氮化物能夠直接地生長(zhǎng)在GaP襯底上，這就減少了傳統(tǒng)制作所需的“外延層去除和壓焊”兩大工藝步驟；從而降低了材料成本。

在我們的器件中，GaP襯底和InGaPN材料之間存在小小的晶格失配，這意味著外延片是贗勢(shì)應(yīng)變的，但是它允許在LED中整合足夠的量子阱以實(shí)現(xiàn)大功率的輸出。這樣產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)其質(zhì)量和在GaAs襯底上生長(zhǎng)的AlInGaP材料的類似，但缺點(diǎn)是市面上不提供采用垂直梯度冷凝法（VGF）制備的GaP襯底。VGF是一種能夠生長(zhǎng)非常低位錯(cuò)密度梨晶的制造工藝。

提高GaP質(zhì)量

圖1. Quanlight的635nm LED相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，它受到溫度的影響更小，穩(wěn)定性更好。

我們現(xiàn)在用的3quot;襯底是用液封直拉（LEC）工藝生長(zhǎng)的，它適用于LED的量產(chǎn)，所得器件在亮度和可靠性方面具備商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)我們也在和PVA TePla合作開發(fā)新的技術(shù)，使用VGF方法制備GaP梨晶。我們希望這個(gè)冒險(xiǎn)能夠取得成功，因?yàn)閂GF方法被業(yè)內(nèi)熟知，并早已用來生長(zhǎng)其它材質(zhì)的襯底了。盡管不能預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)用VGF材料之后能有多大利潤(rùn)，但我們預(yù)計(jì)它能夠提高InGaPN基LED的壽命和功率輸出。我們已經(jīng)開始對(duì)初期測(cè)量在這個(gè)平臺(tái)上制取的LED，并希望在很短的時(shí)間內(nèi)能取得初步的結(jié)果。

InGaNP的本征屬性確保了器件的峰值波長(zhǎng)隨溫度的漂移將小于AlInGaP器件的。對(duì)于那些需要穩(wěn)定光源的應(yīng)用如彩色顯示器，發(fā)光器件更具吸引力。在UCSB實(shí)驗(yàn)室，我們發(fā)現(xiàn)了用MBE法制成的紅色發(fā)光管其色彩穩(wěn)定性得到了提高，但這對(duì)MOCVD法制成的LED也同樣有效。通過外部加熱法將LED從25℃升溫至125℃，并記錄不同溫度下的峰值發(fā)光波長(zhǎng)。測(cè)試結(jié)果如圖1所示，LED的峰值發(fā)射波長(zhǎng)在整個(gè)溫度范圍僅僅變化了3nm，相對(duì)于一家領(lǐng)先的紅光LED制造商所生產(chǎn)的AlInGaP芯片，3nm偏移量?jī)H是后者的五分之一。

InGaPN LED的第三個(gè)優(yōu)勢(shì)是在高溫下發(fā)光更亮，它源于一種優(yōu)異的能帶結(jié)構(gòu)，能提高有源區(qū)的載流子限制效應(yīng)。帶有GaP勢(shì)壘的InGaPN LED產(chǎn)生的能帶偏移量較大，通常是AlGaInP量子阱與AlGaInP勢(shì)壘能帶偏移量的2-3倍。

在25℃到125℃范圍內(nèi)，通過比較Quanlight LED和傳統(tǒng)紅光LED的輸出功率，結(jié)果驗(yàn)證了前者在更高溫度下性能更強(qiáng)（圖2）。

Quanlight器件在125℃時(shí)的發(fā)射功率是它在25℃時(shí)的48%，但是參考的LED僅僅是其初始值的25%。當(dāng)我們完成器件工藝的研發(fā)工作之時(shí)，希望我們的材料能制備出和室溫下AlInGaP芯片一樣明亮的器件，并比150℃時(shí)AlInGaP芯片的亮度高2倍左右。在高溫下InGaNP LED的性能得到提升，這個(gè)特性對(duì)紅色和黃色交通燈更具吸引力。它們?cè)诿绹?guó)的最小熔化標(biāo)準(zhǔn)是25℃和74℃。

有源區(qū)中增強(qiáng)的載流子限制效應(yīng)同樣有益于電流處理，在研發(fā)階段的測(cè)試器件已經(jīng)產(chǎn)生了高達(dá)9A/mm2的電流密度（圖3）。這些測(cè)試是在外延片上進(jìn)行的，而不是對(duì)每個(gè)劃開的芯片進(jìn)行的。因此可以合理地預(yù)測(cè)新生成的產(chǎn)品的有效參數(shù)會(huì)低一些。盡管如此，我們還能預(yù)測(cè)InGaPN LED的飽和電流密度是基于AlInGaP同類產(chǎn)品的2-3倍。

圖2. 更高溫度下635nm發(fā)光管的輸出功率在衰減，其幅度隨著載流子限制效應(yīng)的增加而平緩。AlInGaP LED的數(shù)據(jù)來源于一家領(lǐng)先的LED制造商。

從傳統(tǒng)的紅光芯片轉(zhuǎn)向InGaPN器件好處有三：更高的電流處理能力，對(duì)LED封裝和應(yīng)用工程師有幫助；在更大的驅(qū)動(dòng)電流下使用更小的器件，并能發(fā)出同樣亮度的光；或者在大功率陣列中可采用更少的大尺寸LED。這些方式都能夠減少LED尺寸并降低總體的成本，無論是采用更少量LED還是同樣個(gè)數(shù)的LED，總的成本會(huì)因?yàn)長(zhǎng)ED尺寸小而更加便宜。

現(xiàn)在我們正測(cè)試這款紅色發(fā)光管的可靠性，將對(duì)研發(fā)中的器件進(jìn)行5000小時(shí)的測(cè)試；我們也計(jì)劃比較LEC和VGF法生長(zhǎng)的襯底所制成LED的性能。

準(zhǔn)備啟動(dòng)

我們已經(jīng)將器件的生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到了MOCVD平臺(tái)上，并采用了最優(yōu)化的外延層設(shè)計(jì)。從我們的器件中觀測(cè)到了光輸出的提高。與稀磁氮化物的本征屬性有關(guān)，我們無需損害發(fā)光器的色彩和熱穩(wěn)定性就能獲得上述優(yōu)勢(shì)。

盡管我們領(lǐng)域的許多人可能以為稀磁氮化物是一種難懂的材料，沒有在電信部門發(fā)揮它應(yīng)有的作用。我們有理由認(rèn)為這款器件將會(huì)是一個(gè)商業(yè)上的成功。稀磁氮化物通信激光器的外延層需要高濃度的銦含量，增加了材料的應(yīng)力并降低了器件的壽命和可靠性。但是紅色、橙色和黃色I(xiàn)nGaPN LED的含銦量很少，它就不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題。

圖3. Quanlight的LED能夠經(jīng)受很高的電流密度，不像傳統(tǒng)的LED只能在2.0A/mm2以下才發(fā)出峰值亮度；在外延片上測(cè)試，這些InGaNP LED將在這兩處發(fā)出最亮的光：若是300×300祄的芯片，其電流密度是9.0A/mm2；若是400×400祄的芯片，其電流密度為5.5A/mm2。

我們?cè)谥苽湎〈诺镏蝎@得了豐富的經(jīng)驗(yàn)，相對(duì)于其他可能正準(zhǔn)備開發(fā)基于此材料的產(chǎn)品的公司，這為我們贏得了很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。盡管外延片是在Bandwidth Semiconductor生長(zhǎng)的，但我們還是將工藝知識(shí)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)掌握在自己的手中，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)場(chǎng)參與所有的開發(fā)生長(zhǎng)過程。這個(gè)團(tuán)隊(duì)帶動(dòng)了這種材料的研發(fā)。

當(dāng)我們啟動(dòng)更多組合產(chǎn)品如覆蓋585nm到660nm的大功率紅色、褐色和黃色外延片LED時(shí)，我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)目標(biāo)5億美元的快速增長(zhǎng)的高亮度市場(chǎng)。我們產(chǎn)品的性能優(yōu)勢(shì)將適合需要大功率和穩(wěn)定色彩輸出的應(yīng)用。發(fā)光芯片的溫度誘發(fā)的波長(zhǎng)漂移減少，讓LCD TV背光單元、投影機(jī)的光引擎、戶外顯示和其它紅綠藍(lán)混色應(yīng)用從中受益，也即顯示設(shè)備的控制機(jī)制得到簡(jiǎn)化。同時(shí)，此款高強(qiáng)度輸出的新型紅光LED也適合用在運(yùn)輸、危險(xiǎn)地、劇院和建筑物等方面的照明。

諸如交通燈和汽車剎車燈的應(yīng)用都使用AlInGaP LED來降低能源和成本，對(duì)于這種類型的大功率應(yīng)用，InGaPN LED使工程師設(shè)計(jì)更多更低成本的燈具，原因在前面提到了：在更高的電流下使用更小尺寸的芯片，或者在陣列中使用更少的大尺寸LED。由于Quanlight LED在高溫下能有效地工作，需要使用一個(gè)更緊湊結(jié)構(gòu)或能加強(qiáng)散熱的外殼。

在缺少嚴(yán)格輸出規(guī)范的低功率應(yīng)用領(lǐng)域，比如圣誕樹照明，這對(duì)InGaPN LED而言是唯一不高人一等的地方，目前Quanlight沒有積極進(jìn)取這個(gè)低功率應(yīng)用市場(chǎng)，因?yàn)榈蛢r(jià)的低功率AlInGaP芯片已經(jīng)普遍供應(yīng)了。