简介
LED(发光二极体)光源具有节省能源,环保与坚固耐用等优点,具有取代灯源的潜力,也因此LED相关研究在2000年获得诺贝尔奖的肯定.2000年诺贝尔奖物理项得主Herbert Kroemer就是因为异质结构半导体界面的研究而获奖,而他的研究正是LED发展的基础.2000年诺贝尔奖化学项得主之一Alan J. Heeger则是因为研究高分子导电材料而获奖,而他正是OLED (有机发光二极体)的先驱.在市场方面,根据Strategies Unlimited的统计,2002年LED全球的产值高达38亿美元,其中高亮度LED产值为18亿美元,较2001年的12亿美元成长了50%,预估2003年会达23亿美元.未来五年高亮度LED年复合成长率应可达到20%,产值并将在2007年达到47亿美元.台湾在2002年LED的产值已经跃居全世界第二位.2002年高亮度LED的主要应用为:显示器背光模组应用(40%),讯号指示与显示器(23%),汽车(18%),照明(5%),交通号志(2%). 1907年美国Round 首次研发出SiC LED(发光二极体),在10 V偏压下发现微弱的黄光,绿光与橘光在阴极出现,其中SiC是研磨沙纸上常用的材料.1923年俄国Losseve则将电流注入意外形成的SiC p-n接面,并使组件发出蓝光.1936年法国Destriau发现了注入电流可以让ZnS粉末发光.1962年任职于美国GE公司N. Holoyak Jr (现任University of Illinois, Urbana-Champaign电子电算工程系与物理系教授)等人制作并发表首颗GaAsP红光LED,但直到1970年LED的发光原理才 被进一步了解,1971年夏天美国RCA公司Pankove等人制作出第一个电激发光MIS结构GaN LED.有机半导体材料LED (OLED)则在1980年中期到末期开始发展.1990年初期美国Hewlett-Packard公司的Kuo与日本Toshiba公司的 Sugawara等人使用AlInGaP材料发展高亮度红光与琥珀色LED.
1986年Amano等人(Isamu Akasaki-赤崎勇教授研究团队,Nagoya
University-日本名古屋城大学)利用MOCVD磊晶低温AlN缓冲层,成功地成长透明,没有表面崩裂的GaN薄膜. 稍后Akasaki等人进一步由X-ray绕射光谱,光激光谱-PL等量测结果,验证了加入低温AlN缓冲层后所磊晶的GaN薄膜,具有完美的晶格排列, 此外本质缺陷所形成的施体浓度,也因此减少到1×1015 cm-3,电子移动率则提高了一个次级(10倍)以上,而低温缓冲层的加入也改善了GaN薄膜的电特性.1989年使用CP2Mg掺杂源已经可以在低温缓 冲层上,成功地磊晶出p-GaN薄膜,日本Akasaki研究团队利用低能量电子束照射(Low-Energy Electron-Beam Irradiation, LEEBI)GaN薄膜,并藉此获得低电阻特性,同时他们也成功地制作出具有p-n接面之蓝光GaN LED.1992年日本Nichia公司的Nakamura (中村修二博士),使用热退火技术成功地活化磊晶在低温缓冲层上的GaN薄膜,并在1995年研制出高亮度GaN蓝光与绿光LED.1996年Nakamura又提出利用InGaN蓝光LED (波长460 nm ~ 470 nm)激发钇铝石榴石: 铈黄色萤光物质之白光LED.
LED的 发光波长范围包含紫外光到红外光,目前主要的应用市场仍以可见光为主,在材料方面目前则以应用在红光,黄光的AlGaInP(磷化铝镓铟)与应用在绿光, 蓝光的AlGaInN(氮化铝镓铟)可以达到较高的发光效率.此外有机材料LED近几年在显示器的应用上亦有相当大的进步.在本篇论文中,我们将针对 AlGaInP与AlGaInN LED发展的瓶颈与方向作详细的介绍,希望可以让专业领域的读者可以藉此建立研究地图,而非专业领域的读者也可以因此了解LED发展的轮廓.
8 w1 d3 w8 j0 k. D# d
一,磷化物材料 4 l4 n X2 ^5 E: K9 y* [
因为AlP与GaP的晶格常数相 当接近,因此当AlInGa中In的组成固定在048时,AlGaInP材料的晶格常数几乎与Ga,Al的组成比例无关,并可以与GaAs基板达到晶格匹 配.当AlGa中Al的比例低于0.58时(相当于2.25 eV的能隙与550 nm波长),AlGaInP材料具有直接能隙.0 E6 E. S8 J [, a& w6 L! n
AlGaInP材料与有机金属化学气相沈积设备(MOCVD) 的发展息息相关,因为在MOCVD技术成熟发展前,LED多采用液相沈积法(LPE)或氢化物气相磊晶法(HVPE),然而AlGaInP材料并无法用 LPE或HVPE获得高品质的薄膜.1990年美国Hewlett-Packard公司与日本Toshiba公司的研发团队,才分别利用MOCVD设备成 功地研制出高效率AlGaInP LED,主要波长应用在560 nm (黄绿光)~650 nm (红光).
1.主要的瓶颈
高 效率AlGaInP LED最主要面临的瓶颈为光取出效率低,这是因为内部光损耗机制与高折射系数(n=3~3.5)的缘故.AlGaInP的高折射系数导致LED与外面的介 质间有很大的折射系数差,因此大部分的光在LED表面与外面介质的接面处产生全反射(全反射角约只有16°),因此尽管LED的内部量子效率接近 100%,其外部量子效率可能仅剩下2%.内部光损耗机制包括:自由载子的吸收,主动区的再吸收与欧姆金属电极反射等. 2 w4 X9 H3 E* |" M" _& {
2. 目前主要发展方向
以下将针对AlGaInP LED目前的研究方向进行说明,主要包括:窗户层,电流阻障层,布拉格反射层,芯片键合技术,透明或网状电极,表面糙化与晶粒外观改变. ) F4 Q( I# S! Q
2.1 窗户层(Window Layer)
1992年 美国Hewlett-Packard公司的Huang等人提出,以MOCVD磊晶技术成长AlGaInP LED后,再以HVPE磊晶9~63 μm的GaP窗户层,将可以使波长范围在555~620 nm的AlGaInP LED,外部量子效率达到26%,能量转换效率则可以达到20 lm/W.除了GaP材料常被采用为窗户层外,具有大能隙的AlGaAs也被Toshiba公司采用为窗户层.窗户层除了可以增加光从LED侧面取出的效 率外,尚具有改善电流分散的效果,因此已成为近来专利诉讼的焦点.
2.2 电流阻障层(Current Blocking Layer)
AlInGaP LED大 部分的注入电流多集中在正电极的下方,然而当主动区产生的光抵达正电极时,大部分却被反射最后被半导体吸收转为热,因此要达到低金属接触电阻(电极够 厚),又要避免电极过份阻挡光输出,在1989年Gaw等人在其美国专利中揭露,于正面电极的正下方加入电流阻障层,如此将可以减少正电极下方电流路径, 提高光输出效率.1991年日本Toshiba公司的Sugawara等人则在视窗层与上夹层(Cladding layer)间加入整流pn接面,但由于需要两次MOCVD成长,因此会有成本高与良率低的问题.此外,其它研究团队也分别提出使用萧特基或异质整流接 面,当作电流阻档层.
2.3 布拉格反射镜面(DBR) ( J( l( j3 h5 i! e b
由于AlGaInP LED都使用GaAs基板,然而GaAs材料因为能隙小,因此会吸收AlInGaP LED所发出的光,并将吸收光转换为热能,容易导致组件特性劣化.利用AlGaAs或AlGaInP材料所制作的布拉格反射镜面(利用折射系数不同的材 料,重复堆叠结构),常被安置在发光区与基板间,使朝向基板放射的光线,可以大部分被反射再利用.譬如波长630 nm之LED可以使用20周期的AlGaAsAlAs DBR,其整体反射率可以达到50%.
2.5 芯片键合(Wafer Bonding) . U C; g1 H5 ?% [2 `& P+ r
因为GaP在AlGaInP LED放射光波长范围具有良好的光穿透性,因此Hewlett-Packard公司的Kish等人发展去除会吸光的GaAs基板技术,并将剩余的LED薄膜直接键合到透明GaP基板上,并成功地开发出2吋LED芯 片键合技术,然而在朝向更大面积发展的同时,缺乏大面积的GaP基板反而是该技术的主要限制.键合时芯片表面必须有相当严格的清洁度限制,并需要施予单一 轴向的压力,环境温度需升高到750 oC以上,此外芯片方向的对准与良率问题均是严格的考验,目前Hewlett-Packard公司持续在生产该产品,并称之为TS (Transparent Substrate) 型LED.
利 用金属层作为芯片键合介质在Si积体电路上已经普遍被采用,特别在微机电组件的制作.在AlGaInP LED方面,则是将LED磊芯片利用金属层(焊料,譬如:AuSn合金)先键合到新基板上,再将GaAs基板去除,利用金属与半导体介面的高反射率与欧姆 接触特性,提高LED的光取出效率与散热性.薄膜LED其制作温度仅需要350oC,远低于TS型LED直接芯片键合所需之温度.利用退火制程将可以降低 接触电阻,但所形成的合金也会使光反射率减少,因此可以将光反射金属与半导体接触金属分开,在导电金属上制作网状薄介电质材料(譬如:SiN或SiO 等),没有介电质覆盖的区域负责电流传输,有覆盖介电质的区域则具有高光反射功能.利用蚀刻技术也可以先在键合接口处,制作具有高光反射的平台或曲面,达 到增加光输出的效果,德国Osram公司已经利用此一技术量产四吋LED产品.
国 内大叶大学洪瑞华教授(现任中兴大学教授)的研究团队,则将SiO沈积在低价的Si基板上,再利用Au与AuBe与AlGaInP LED(波长600~620 nm)键合,该LED具有不错的热导性,但正,负电极必须制作在同一面,在20 mA的操作电流下波长620 nm的LED具有90 mcd的光输出,50 mA的操作电流下则有2054 w" R0 o6 I7 D c
mcd的光输出.2003年该研究团队将原本绝缘的SiO以金属取代,并制作电极分别置放在LED上下的结构,在波长626 nm时操作电流20 mA下操作电压为2.1 V,光输出达到165 mcd.
2.6透明电极与网状电极 5 a# `: Z% w: e$ K5 i R( A
在传统的LED结构 中,AuZn,AuBe常被使用为正面p型金属电极材料,然而为了减少金属-半导体接触电阻,金属的厚度通常让主动区所产生的光无法穿透,又为了达到均匀 电流分布的效果,正面金属电极的大小通常占据了LED大部分的正面面积,导致大部分主动区所产生的光,都在金属与半导体接面被反射或吸收,被反射的光也可 能因为在半导体内行进路径过长,而被半导体所吸收并产生剩余热.
为 了减少正面金属电极阻挡过多的光输出,自1994年包括国内清华大学与工研院光电所,英国Wales大学与Cardiff大学等研究团队,开始采用 ITO(氧化铟锡)当作AlGaInP LED的透明电极.由于ITO电极无法直接与AlGaInP材料形成良好的欧姆金属接触,因此需要先在LED结构上先磊晶一层高掺杂之p+-GaAs (p~1019 cm-3)半导体接触层,才能获得具有低顺向偏压之操作特性,然而高掺杂的半导体层,过多的自由载子会吸收大量的输出光,因此必须限制高掺杂GaAs层的 厚度.我们的研究团队提出利用化学蚀刻法,将p+-GaAs层蚀刻为网状结构,接着沈积ITO薄膜,因此覆盖在p+-GaAs层上的ITO将可形成良好的 欧姆接触,但覆盖在AlGaInP上的ITO则会形成萧特基接触(Shcottky Contact),所以注入电流既可以透过p+-GaAs网状结构,均匀注入LED,主动区所产生的光也可以充分地由没有覆盖p+-GaAs的区域取出.
2.7 表面糙化与晶粒外观改变 , @! d0 u0 m5 p; V* p% h& K
晶粒外观的改变包括半球面,圆锥 状等都曾被提出,以增加光取出效率,但实际上尚未被应用在量产上.1973年Bergh等人在美国专利中提出,将LED的表面糙化并在背面制作反射镜面, 将可以增加光取出效率.直到1993年美国加州大学Los Angels分校Schnitzer等人利用胶体材料当作光罩,实际进行LED表面的糙化蚀刻,并将LED的基板去除后镀上光反射层,制作出外部量子效率 高达30%的GaAs LED.1 f; M. L# r- l" V- Z, B: @ j
1999年美国Hewlett-Packard公司的Krames等人发表倒金字塔(TIP- Truncated# |0 L; T1 C1 v8 N" l* Z
Inverted Pyramid)结 构,使LED的光取出效率可以达到55%,主要是因为减少自由载子与主动层的再吸收.该结构的制作方式如下:将AlGaInP/GaP多层量子井结构磊晶 在GaAs基板上,再将GaAs基板以化学蚀刻的方式去除,并透过芯片键合技术贴到透明的GaP:S基板上,使用倾斜刀片划过晶粒侧边,使形成与垂直方向 具有35o夹角,最后在封装时 将p型材料朝下使发光区域得以接近散热底座,达到良好的散热效果.该组件主要操作在红光波段,中心波长为650 nm,在600 mA的直流注入电流操作下,最大光输出可以达到440 mW,比传统的组件大一个级次以上.在100 mA直流电流操作下,外部量子效率可以达到55%,转换效率可以达到100 lmW.最佳特性为橘光(610 nm),峰值转换效率为102 lm/W,琥珀色(波长598 nm)则具有68 lm/W的操作特性. 2 i( Q4 _ G. M' w+ n/ z- {3 p9 Y( r
) ]1 @0 R' u! q; C! v5 B3 Y2 Q
二,氮化物材料
根 据2003年六月Strategies Unlimited的统计,累积到2003年第一季全世界共有184家公司参与AlGaInN量产或研发(组件,材料与设备),约有293间学校,研究中 心参与AlGaInN的研发工作,相较于2000年五月的统计,分别增加了74%与24%.从1999年开始AlGaInN组件市场(主要为蓝光,绿光与 白光LED)共成长了221%,产值为13.5亿美元.AlGaInN LED在1995年开始量产后市场以每年年增率64.5%增加.GaN组件(包括电组件)应该可以在2007年前达到45亿美元的产值.
目前市面上AlGaInN LED波长范围,主要包含近紫外光(380 nm)到绿光(530" s) X; b# p$ V
nm),尽管相较于AlGaInP材料LED,AlGaInN LED显得较不成熟,但在蓝光或较短波长的LED方面,其外部量子效率已经可以达到20%以上.
1. 主要的瓶颈
AlGaInN LED发展的主要瓶颈包括:缺乏低价之晶格匹配基板,低p-GaN掺杂浓度导致高金属半导体接触电阻,半透明电极大量吸收放射光,高温磊晶条件使发光区特性劣质化,缺陷密度过高导致短波长组件寿命短,组件散热特性不佳,材料硬度高导致低制程良率. . A7 E/ m! W. C* N
2. 目前主要发展方向
以下将针对AlGaInN LED目前主要的研究方向进行说明,主要包括:改善正极金属半导体接触电阻,改善正极金属光穿透度,芯片键合与覆晶(Flip-Chip)技术.
2.1 改善正极金属半导体接触电阻
由 于p型掺杂Mg在p-GaN中的活化率很低,因此导致金属与p-GaN材料的接触电阻很大,LED也需要较高的操作电压.包括美国加州大学Santa Barbara分校,波士顿大学与日本NTT等研究团队发现,利用AlGaN/GaN或InGaN/GaN超晶格结构,将可以有效提高掺杂浓度,以达到较 低的金属半导体接触电阻.国内中央大学许进恭博士研究团队,将AlGaN/GaN超晶格结构应用在AlGaInN LED上,使20 mA操作电流条件下,操作电压由原先的3.8 V减少到3 V.而我们的研究团队则将InGaN/GaN短周期超晶格结构,应用在AlGaInN LED的正极金属接触上,当操作在20 mA时操作电压为3.78~2.94 V,串联电阻则由原本的41欧姆减少到10欧姆.
原 本与正极接触的p-GaN材料,可以利用穿透接面(p+-n+)将原本p型材料金属接触,转为利用n型材料与金属接触,如此就可以利用n型材料高掺杂的特 性,减少接触电阻,同时正负电极均可以采用相同的金属.韩国Chonbuk大学Jeon等人在发光区的上方加入穿透接面,由于减少半穿透电极的吸光作用, 光输出可以大幅提升,但也因为穿透接面的加入,使得操作电压增加1 V,因此对LED整体特性改善有限.研究团队提出p-down结构,并将穿透接面加在LED发光区的下方,但是此一组件同样面临操作电压过大的问题.
2.2改善正极金属光穿透度
1999年 美国加州大学Santa Barbara分校的Margalith研究团队,将ITO(氧化铟锡)透明电极应用在AlGaInN LED,在10mA的操作电压下操作电压为2 V,这是因为ITO与p-GaN间的接触电阻过大,但是ITO在波长420 nm时的光吸收低于金属材料,因此该LED组件仍有不错的光输出.2001年国内中兴大学洪瑞华教授团队,利用Ni改善ITO与p-GaN间的接触电阻, 并在空气中以600 °C退火,获得极低的特性接触电阻(8.6×10-4 Ωcm2)与高光穿透率(在波长450~550 nm范围超过80%).我们的研究团队利用Ni/Au/Ni/ITO制作透明电极,经过300 °C快速退火后,AlGaInN LED在20 mA的操作电流下顺向电压达到3.29 V,光输出较传统Ni/Au电极LED高出65%.韩国Pohang科技大学Kim的研究团队,将ITO覆盖在Ni/Au电极上,并在沈积ITO前先以 500 °C在氧气的环境中退火,获得2.0×10-4( c S) n+ d. R3 h# j2 H
Ωcm2极低的特性电阻,在波长 470 nm光穿透率可以高达90.3%.国内工研院光电所潘锡明博士研究团队,直接利用NiO改善ITO与AlInGaN LED的接触电阻,并不需要高温退火的步骤,在波长470 nm时光穿透率高达98%,在20 mA的操作电流下,操作电压为3.4 V,光输出约6.6 mW. , [3 q- i% T. F! y# {
2.3 芯片键合与覆晶(Flip-Chip)技术
AlGaInN LED主 要磊晶在Sapphire基板上,由于Sapphire基板并不导电,因此LED的正负电极必须制作在组件的同一面,也因此大部分的光输出都被金属电极所 反射或吸收,其中又以NiAu半透明正电极对光输出的影响最大.在理想条件下半透明正电极的厚度必须要够厚(>500 ),如此才能在低p-GaN掺杂浓度条件下,增加电流的分散效果,然而当半透明电极厚度增加的同时,却又导致光损耗的大幅增加.透过覆晶技术可以让 AlGaInN LED透过透明基板射出,因此不再有放射光被半透明电极吸收的问题,此外正负电极的厚度也不再被严格限制,因此可以增加LED的散热特性,又利用高反射率 金属材料当作电极,则可以反射原本损耗在底座接面的光输出.5 c. P2 n1 A8 y! R- t
覆晶技术是在30年前首次由美国IBM公司所提出,并已成熟应用在Si积体电路制程上,透过覆晶技术可以解决不同材料与组件间积体化的问题,稍后IBM则将此技术授权给Motorola,AMD等公司,此外Delco与其它稍具规模的公司则自行发展相关技术.( z; \, A. |4 D/ G+ C) W/ M
1980年 日本Matsushita公司的Hiroyuki Kobayashim等人在美国专利(专利编号4316208,4396929,4476620)中揭露,在GaN LED的封装上利用覆晶技术取代传统的wire bonding,以提高组件操作的可靠度.2001年美国LumiLeds Lighting公司的Wierer等人利用覆晶技术,制作大面积(0.07 mm2)大功率的AlGaInN+ H4 d; J5 [% _1 k: M
LED,可 以在200~1000 mA大电流条件下操作,其操作电压在200 mA时仅2.8 V,外部量子效率在波长435 nm时可以达到21%,在1A操作电流时可以达到400 mW的光输出.2002年日本Toyda Gosei的Koike等人,发表以有机金属气相沈积AlN缓冲层并配合覆晶技术,将蓝光LED的光输出提高为两倍,并配合量产的AlGaInP LED发展出多彩封装技术.
6 t3 ?' k5 q& q9 W/ q
结论 ) }+ M: \" Z4 e+ l6 \4 G
在本论文中,我们回顾了新近磷化 物与氮化物LED的一些研发方向,以为未来研究发展之参考.尽管LED产业看似已经相当成熟,但评估目前LED的特性,尚仍无法完全取代液晶萤幕背光的 CCFL(冷阴极萤光灯管)或一般照明用日光灯管,这也意味着LED组件的结构,材料特性等方面,仍有相当大的努力空间.国内的LED产业已具相当规模, 并开始威胁到拥有基础专利的一些国际大厂,因此将来面临的不仅是组件本身的瓶颈,也必须要正视专利诉讼问题,但除了必须加强国内LED产业的研发能力外, 结合产官学的研发计画也应该要持续推动,透过==的力量整合学术界与产业界的研发能量,才有希望持续立足于世界的舞台.
Showing posts with label 发光二极管. Show all posts
Showing posts with label 发光二极管. Show all posts
Monday, August 23, 2010
Monday, April 19, 2010
LED半导体发光二极管工作原理、特性及应用
半导体发光器件包括半导体 发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简 称矩阵管）等。事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。
一、 半导体发光二极管工作原理、特性及应用
（一）LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N 结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进 入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发 光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光 的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。 理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生 可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、 绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性
1． 极限参数的意义
（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。
（2） 最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此 值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工 作，效率大大降低。
2．电参数的意义
（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极 管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。
（2）发光强度 IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德 拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。
（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度. 是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.
（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向） 的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。
图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度 角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越 大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在 0.6·IFm以下。
（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在 IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。
（7）V-I特性：发光二极管的电压与电 流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得 出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μa以下。
（三）LED的分类
1．按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和 纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分 成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。
2． 按发光管出光面特征分
按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、 φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把 φ4.4mm的记作T-1（1/4）。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：
（1）高指向性。一般为尖 头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测 系统。
（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。
（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更 大，散射剂的量较大。
3．按发光二极管的结构分
按发光二极管的结构分有全环氧 包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
4．按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的 LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的led（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。一 般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。
（四）LED 的应用
由于发光二极管的颜色、尺寸、形状、发光强度及透明情况等不同，所以使用发光二极管时应根据实际需要进行恰当选择。由于发光二极管具有 最大正向电流IFm、最大反向电压VRm的限制，使用时，应保证不超过此值。为安全起见，实际电流IF应在0.6IFm以下；应让可能出现的反向电压 VR<0。6VRm。LED被广泛用于种电子仪器和电子设备中，可作为电源指示灯、电平指示或微光源之用。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥 控器中。
（1）利用高亮度或超高亮度发光二极管制作微型手电的电路如图5所示。图中电阻R限流电阻，其值应保证电源电压最高时应使LED的电流 小于最大允许电流IFm。
（2）图6(a)、(b)、(c)分别为直流 电源、整流电源及交流电源指示电路。
图(a)中的电阻≈（E-VF）/IF；
图(b)中的R≈（1.4Vi-VF）/IF;
图(c)中的R≈Vi/IF式中，Vi——交流电压有效值。
（3）单LED电 平指示电路。在放大器、振荡器或脉冲数字电路的输出端，可用LED表示输出信号是否正常，如图7所示。R为限流电阻。只有当输出电压大于LED的阈值电压 时，LED才可能发光。
（4）单LED可充作低压稳压管用。由于LED正向导通后，电流随电压变化非常快，具有普通稳压管稳压特性。发光二极管 的稳定电压在1.4～3V间，应根据需要进行选择VF，如图8所示。
（5）电平表。目前，在音响设备中大量使用LED电平表。它是利用多只 发光管指示输出信号电平的，即发光的LED数目不同，则表示输出电平的变化。图9是由5只发光二极管构成的电平表。当输入信号电平很低时，全不发光。输入 信号电平增大时，首先LED1亮，再增大LED2亮……。
（五）发光二极管的检测
1． 普通发光二极管的检测
（1）用万用表检测。利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几 十至200kΩ,反向电阻的值为∝。如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为 ×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。
如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好 地检查发光二极管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下 的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。两块万用表均置×10Ω挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至 ×1Ω若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于×1Ω，以免电流过大，损坏发光二极管。
（2） 外接电源测量。用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。为此可按图10所示连接电路即可。 如果测得VF在1.4～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。
2．红外发光二极管的检测
由于红外发光二极管，它发射 1～3μm的红外光，人眼看不到。通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。红外LED的正向压降一般为 1.3～2.5V。正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情 况正常否。为此，最好准备一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光电池）作接收器。用万用表测光电池两端电压的变化情况。来判断红外LED加上适当正向电流 后是否发射红外光。其测量电路如图11所示。资料来源：电子技术网
Sunday, March 28, 2010
GaN材料的外延
本文列举氮化物在外延方面所改良的方式，使大家都能知道氮化物的发展进步过程并启发大家发展外延技术的思路。9
一．
氮化物外延所遇到的困难及改良
1、改善GaN与蓝宝石之间晶格不匹配的问题：在蓝光发光材料研究初期，大部分的研究人员都看好 ZnSe系材料，因为虽然与GaN相同，它们都有组成元素的高蒸气压(以GaN为例，其生长要在一万至两万大气压,温度在1500-1600℃左右)、不易形成p型半导体的缺点，但是GaN更面临到没有晶格常数匹配的合适衬底。但是当时日本的赤崎教授并没有放弃，并在1985年时使用MOCVD法以较低温在蓝宝石衬底上先长出一成AlN缓冲层，再生长GaN外延层，结果不但解决了直接将GaN生长在蓝宝石上所产生的外延面不平坦及龟裂问题，也为GaN材料带来了一线曙光。
2、GaN的p型参杂：1989年，赤崎博士和它的学生正以电子显微镜观察掺Mg的GaN外延片时，晶片上的光点因受到电子的冲击而越亮。事后再去测量电阻时竟发现电阻由刚生长时的108Ωcm降到35Ωcm左右而得到p型的GaN外延膜，但当时对于p型参杂的原因仍并不清楚。
3、MOCVD装置的再改良：双流式MOCVD及现场监测(in situ)外延法的建立。日本的中村博士在1990年9月时完成了双流式(Two Flow)MOCVD装置，并应用此系统直接在蓝宝石上长出GaN外延层，可得到当时最好质量且均匀的外延材料(其空穴迁移率为200cm2/V·S，比当时的50cm2/V·S高出许多)。但仍不够理想。同一年，中村博士使用红外线温度计观察 GaN外延的生长温度时发现温度在做周期性摆动，经过讨论后发现在有AlN缓冲层时生长的外延层中摆动的情形比没有AlN缓冲层还明显，这是因为外延膜面较为平坦之因。利用这个原理，便发展出实时观测(in situ)外延法的技术，对于GaN之后外延质量的控制有很大的贡献。
4、使用GaN缓冲层取代AlN：1991年，中村博士也许因考虑到专利问题，除了重复赤崎教授的AlN缓冲层实验外，也另外使用GaN缓冲层去长外延。在生长GaN外延层之前，先在蓝宝石上以低温450℃- 600℃长一层非晶GaN层。结果发现在其上所长出的GaN外延层在室温的空穴迁移率高达600cm2/V·S以上，比使用AlN缓冲层的 350~430cm2/V·S高出许多。但是到目前仍不知其原因。
5、GaN的p型参杂突破：1991年，正当中村博士以电子束照射掺Mg的 GaN时，意外发现晶面温度上升的很高，因此他怀疑p型化是否与温度有关。为了证明想法，他在真空或氮气中，利用400℃以上的热退火(Thermal Annealing)法处理刚长好的掺Mg的 GaN，结果发现可得到低阻p型GaN(使电阻由106Ωcm下降到2Ωcm)。使用这种热退火技术，可使整个外延层p型化非常均匀，而不像电子束照射法的晶面下1μm的p型化，而且也使p型化的制程更加简化。
p型化的原理：由于使用MOCVD生长GaN外延膜时，与生长无p型化问题的GaAs外延膜的程序差异，除了温度较高外，还有就是使用了氨气。因此可以推断GaN的p型化问题与氨气有关。因此将经过电子束照射p型化的掺Mg 的GaN外延片置于氨气与氮气中进行热退火，结果发现在氨气中超过400℃中进行热退火的晶片恢复成原来的高阻材料，但是在氮气中的晶片则没有多大的改变。经过近一步的分析得知，氨气在大于400℃时会分解出氢原子而与GaN中的Mg结合成Mg-H(Complex)，使Mg失去受主 (Acceptor)特性而起不了p型化的特性。但是在氮气的环境中，温度大于400℃时会使Mg-H中之H脱离，使Mg活化，产生低阻的p型GaN。这才解决了困惑十多年的问题。
此之后，GaN技术飞速发展，同质结构、异质结构、以及InGaN的外延技术也纷纷出现。
二．
InGaN蓝色激光现状：
1、多量子阱(MWQ)与AlGaN的Cladding层的应用：日本的赤崎教授在测量GaN多量子阱的激光光谱时发现，当量子阱的厚度低于3nm时，所产生的强度最高，光电局限性 (Confinement)因用了AlGaN的Cladding层而增加一倍左右。
2、AlGaN/GaN超晶格的Cladding层的运用：以前的激光用单层的AlGaN做的Cladding层，但是当超过某一特定的厚度(Critical Thickness)时，则会因为晶格不匹配而产生的应力发生裂痕。J.Yamamoto等人发现如果直接在GaN上面及下面长一层AlGaN，做成 AlGaN/GaN/AlGaN结构时，表面会有许多裂痕。但如果做成GaN/AlN多层超晶格(Superlattice)时则表面平坦无裂痕。日亚公司激光的Cladding层是用125层Al0.14Ga0.86N(25埃)/GaN(25埃)的结构。其p型Cladding层是用Mg掺杂，n型 Cladding层则是用Si掺杂，而GaN则无掺杂。这种掺杂法叫做调节掺杂(Modulation Doping)，可以减少电流经过时的电阻，也就是减少操作时的电压。
3、调节掺杂(Modulation Doping)：调节掺杂首先被用来做高迁移率的材料。如果SLS(Strained-Layer Super-lattice)中的AlGaN与GaN均用同一杂质掺杂，则激光操作时的电压为6-7V，但若只掺杂AlGaN而不掺杂GaN时则操作电压降为4-5V。因为双异质结构中有不同的能带宽度(Energy Bandgap)。电子的传导要靠热能放射(Thermal Emission)或隧道效应(Tunneling)所以会产生较高的电阻，也就会提高操作电压。而使用拋物线渐变层(Parabolically Graded Interface)并用MD则得到平坦的导电带。
4、横向再生长(Lateral Overgrowth)：使用横向再生长在有条纹(Stripe)的衬底上可减少穿透位错(Threading Dislocation)。A.Usui 使用这种衬底，先在(0001)蓝宝石衬底上用MOCVD法长1-1.5nm厚的GaN，再在其上成长约0.1μm厚的SiO2，然后用刻蚀法在 GaN<1100>方向形成宽约1.4μm，间距约7μm之条纹，然后在其上成长10μm以上厚度之GaN，形成平坦的面。 T.S.Zheleva等人指出用此法在SiC衬底上成长时，横方向的成长可逐渐减少穿透位错。一方面SiO2下面的穿透位错被SiO2挡住，而横方面可成长成低缺陷的材料。另一方面，在SiO2之间的穿透位错则会在SiO2上方被弯曲(Bend)，平行于结晶表面以致减少穿透位错。
透过以上的各种改良后的长晶技术，使得InGaN激光能在室温中达到连续操作一万小时。
一．
氮化物外延所遇到的困难及改良
1、改善GaN与蓝宝石之间晶格不匹配的问题：在蓝光发光材料研究初期，大部分的研究人员都看好 ZnSe系材料，因为虽然与GaN相同，它们都有组成元素的高蒸气压(以GaN为例，其生长要在一万至两万大气压,温度在1500-1600℃左右)、不易形成p型半导体的缺点，但是GaN更面临到没有晶格常数匹配的合适衬底。但是当时日本的赤崎教授并没有放弃，并在1985年时使用MOCVD法以较低温在蓝宝石衬底上先长出一成AlN缓冲层，再生长GaN外延层，结果不但解决了直接将GaN生长在蓝宝石上所产生的外延面不平坦及龟裂问题，也为GaN材料带来了一线曙光。
2、GaN的p型参杂：1989年，赤崎博士和它的学生正以电子显微镜观察掺Mg的GaN外延片时，晶片上的光点因受到电子的冲击而越亮。事后再去测量电阻时竟发现电阻由刚生长时的108Ωcm降到35Ωcm左右而得到p型的GaN外延膜，但当时对于p型参杂的原因仍并不清楚。
3、MOCVD装置的再改良：双流式MOCVD及现场监测(in situ)外延法的建立。日本的中村博士在1990年9月时完成了双流式(Two Flow)MOCVD装置，并应用此系统直接在蓝宝石上长出GaN外延层，可得到当时最好质量且均匀的外延材料(其空穴迁移率为200cm2/V·S，比当时的50cm2/V·S高出许多)。但仍不够理想。同一年，中村博士使用红外线温度计观察 GaN外延的生长温度时发现温度在做周期性摆动，经过讨论后发现在有AlN缓冲层时生长的外延层中摆动的情形比没有AlN缓冲层还明显，这是因为外延膜面较为平坦之因。利用这个原理，便发展出实时观测(in situ)外延法的技术，对于GaN之后外延质量的控制有很大的贡献。
4、使用GaN缓冲层取代AlN：1991年，中村博士也许因考虑到专利问题，除了重复赤崎教授的AlN缓冲层实验外，也另外使用GaN缓冲层去长外延。在生长GaN外延层之前，先在蓝宝石上以低温450℃- 600℃长一层非晶GaN层。结果发现在其上所长出的GaN外延层在室温的空穴迁移率高达600cm2/V·S以上，比使用AlN缓冲层的 350~430cm2/V·S高出许多。但是到目前仍不知其原因。
5、GaN的p型参杂突破：1991年，正当中村博士以电子束照射掺Mg的 GaN时，意外发现晶面温度上升的很高，因此他怀疑p型化是否与温度有关。为了证明想法，他在真空或氮气中，利用400℃以上的热退火(Thermal Annealing)法处理刚长好的掺Mg的 GaN，结果发现可得到低阻p型GaN(使电阻由106Ωcm下降到2Ωcm)。使用这种热退火技术，可使整个外延层p型化非常均匀，而不像电子束照射法的晶面下1μm的p型化，而且也使p型化的制程更加简化。
p型化的原理：由于使用MOCVD生长GaN外延膜时，与生长无p型化问题的GaAs外延膜的程序差异，除了温度较高外，还有就是使用了氨气。因此可以推断GaN的p型化问题与氨气有关。因此将经过电子束照射p型化的掺Mg 的GaN外延片置于氨气与氮气中进行热退火，结果发现在氨气中超过400℃中进行热退火的晶片恢复成原来的高阻材料，但是在氮气中的晶片则没有多大的改变。经过近一步的分析得知，氨气在大于400℃时会分解出氢原子而与GaN中的Mg结合成Mg-H(Complex)，使Mg失去受主 (Acceptor)特性而起不了p型化的特性。但是在氮气的环境中，温度大于400℃时会使Mg-H中之H脱离，使Mg活化，产生低阻的p型GaN。这才解决了困惑十多年的问题。
此之后，GaN技术飞速发展，同质结构、异质结构、以及InGaN的外延技术也纷纷出现。
二．
InGaN蓝色激光现状：
1、多量子阱(MWQ)与AlGaN的Cladding层的应用：日本的赤崎教授在测量GaN多量子阱的激光光谱时发现，当量子阱的厚度低于3nm时，所产生的强度最高，光电局限性 (Confinement)因用了AlGaN的Cladding层而增加一倍左右。
2、AlGaN/GaN超晶格的Cladding层的运用：以前的激光用单层的AlGaN做的Cladding层，但是当超过某一特定的厚度(Critical Thickness)时，则会因为晶格不匹配而产生的应力发生裂痕。J.Yamamoto等人发现如果直接在GaN上面及下面长一层AlGaN，做成 AlGaN/GaN/AlGaN结构时，表面会有许多裂痕。但如果做成GaN/AlN多层超晶格(Superlattice)时则表面平坦无裂痕。日亚公司激光的Cladding层是用125层Al0.14Ga0.86N(25埃)/GaN(25埃)的结构。其p型Cladding层是用Mg掺杂，n型 Cladding层则是用Si掺杂，而GaN则无掺杂。这种掺杂法叫做调节掺杂(Modulation Doping)，可以减少电流经过时的电阻，也就是减少操作时的电压。
3、调节掺杂(Modulation Doping)：调节掺杂首先被用来做高迁移率的材料。如果SLS(Strained-Layer Super-lattice)中的AlGaN与GaN均用同一杂质掺杂，则激光操作时的电压为6-7V，但若只掺杂AlGaN而不掺杂GaN时则操作电压降为4-5V。因为双异质结构中有不同的能带宽度(Energy Bandgap)。电子的传导要靠热能放射(Thermal Emission)或隧道效应(Tunneling)所以会产生较高的电阻，也就会提高操作电压。而使用拋物线渐变层(Parabolically Graded Interface)并用MD则得到平坦的导电带。
4、横向再生长(Lateral Overgrowth)：使用横向再生长在有条纹(Stripe)的衬底上可减少穿透位错(Threading Dislocation)。A.Usui 使用这种衬底，先在(0001)蓝宝石衬底上用MOCVD法长1-1.5nm厚的GaN，再在其上成长约0.1μm厚的SiO2，然后用刻蚀法在 GaN<1100>方向形成宽约1.4μm，间距约7μm之条纹，然后在其上成长10μm以上厚度之GaN，形成平坦的面。 T.S.Zheleva等人指出用此法在SiC衬底上成长时，横方向的成长可逐渐减少穿透位错。一方面SiO2下面的穿透位错被SiO2挡住，而横方面可成长成低缺陷的材料。另一方面，在SiO2之间的穿透位错则会在SiO2上方被弯曲(Bend)，平行于结晶表面以致减少穿透位错。
透过以上的各种改良后的长晶技术，使得InGaN激光能在室温中达到连续操作一万小时。
Wednesday, March 24, 2010
LED倒装简介
1、倒装（Flip chip） ! ?- z5 T7 n# k9 a" I# e
1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED（1W LUXOEN 器件），使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历 史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。1W LUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个 lm飞跃达到十几个lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。目前GaN基外延衬底材料有两大类： 一类是以日本日亚化学为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底 GaN芯片结构，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和“发光”层被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的 p-GaN层取出。p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降 低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大 电流的能力。因此这种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金 属低（为35W/mK），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分光线，所以，这种正装LED芯片的器件功率、 出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds公司发明了倒装芯片（Flip chip）结构。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flip chip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/mK），散热效果更优；而且在pn 结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。/ j9 n$ p( r4 Y7 x) W
4 e, u$ N1 @; b
2 基于Flip chip的大功率LED热分析
我们知道，表征系统热性能的一个主要参数是 系统的热阻。热阻的定义为：在热平衡的条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号：Rθ或 Rth；热阻单位：K/W或℃/ W一般倒装型大功率LED表面贴装到金属线路板，也可以再安装外部热沉，增加散热效果。大功率LED芯片电极上焊接的数个BUMP（金球）与Si衬底上对 应的BUMP通过共晶焊接在一起，Si衬底通过粘接材料与器件内部热沉粘接在一起。为了有较好的出光效果，热沉上制作有一个聚光杯，芯片安放在杯的中央， 热沉选用高导热系数的金属材料如铜或铝。
3 衬底粘接材料对大功率LED热特性的影响 ; T. _4 P. ~. [+ [- H
LED倒装芯片被粘在管座（器件内部热沉）里，可 以通过三种方式：导热胶粘贴、导电型银浆粘贴和锡浆粘贴。导热胶的硬化温度一般低于150℃，甚至可以在室温下固化，但导热胶的热导率较小，导热特性较 差。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200℃，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度。锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的，一般用于金属之间焊 接，导电性能也非常优越。在大功率LED器件的封装中，生产厂家容易忽略衬底粘接材料对器件热导特性的影响。其 实衬底粘接材料在影响器件热导特性因素中是一个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻过大，导致在额定工作条件下器件的结温过高，导致器件的 出光效率下降、可靠性降低。当选用铅锡焊料63Sn/37Pb，λ=39W/mK，同时其厚度等于20μm 时，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度为 100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；当选用热沉粘接胶Ablefilm 5020K，λ=0.7W/mK，同时其厚度等于20μm时， RΘAttach等于1.457（K/W），当其厚度为100μm时， RΘAttach等于7.286（K/W）；当我们选用导电型芯片粘接胶 Ablebond 84-1LMISR4，λ=2.5W/m•K，同时其厚度等于20μm 时，RΘAttach等于0.408（K/W），当其厚度为100μm时， RΘAttach等于2.041（K/W）。因此，选用不同的粘接材料对其热阻存在很大的影响，同时，在印刷或涂敷芯片粘接材料时，如何降低材料厚度也十 分重要。
( Z- ]% y; F" F! `5 t: m* T
4 小结
LED芯片结温最高允许125℃，如果其最差工作 环境温度为65℃，则对一个1W的大功率LED来说，考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为40（K/W），器件pn结至器件的热阻应小于20（K /W）。而对一个5W的大功率LED来说，如果其最差工作环境温度为65℃，则从pn结至环境的热阻要小于12 K/W才能保证芯片结温不超过125℃，而如果选用Ablefilm 5020K热沉粘接胶，λ=0.7W/m•K同时其厚度为100μm，仅芯片粘贴材料的热 阻RΘAttach就等于7.286（K/W）。因此，在 Flip chip 大功率LED器件的封装中，选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的可靠性和出光特 性是十分重要的。
1998年Lumileds公司封装出世界上第一个大功率LED（1W LUXOEN 器件），使LED器件从以前的指示灯应用变成可以替代传统照明的新型固体光源，引发了人类历 史上继白炽灯发明以来的又一场照明革命。1W LUXOEN器件使LED的功率从几十毫瓦一跃超过1000毫瓦，单个器件的光通量也从不到1个 lm飞跃达到十几个lm。大功率LED由于芯片的功率密度很高，器件的设计者和制造者必须在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。目前GaN基外延衬底材料有两大类： 一类是以日本日亚化学为代表的蓝宝石；一类是美国CREE公司为代表的SiC衬底。传统的蓝宝石衬底 GaN芯片结构，电极刚好位于芯片的出光面。在这种结构中，小部分p-GaN层和“发光”层被刻蚀，以便与下面的n-GaN层形成电接触。光从最上面的 p-GaN层取出。p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉淀一层电流扩散的金属层。这个电流扩散层由Ni和Au组成，会吸收部分光，从而降 低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。厚度的减少反过来又限制了电流扩散层在p-GaN层表面均匀和可靠地扩散大 电流的能力。因此这种p型接触结构制约了LED芯片的工作功率。同时这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金 属低（为35W/mK），因此，这种结构的LED芯片热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分光线，所以，这种正装LED芯片的器件功率、 出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds公司发明了倒装芯片（Flip chip）结构。在这种结构中，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。由于不从电流扩散层出光，这样不透光的电流扩散层可以加厚，增加Flip chip的电流密度。同时这种结构还可以将pn结的热量直接通过金属凸点导给热导系数高的硅衬底（为145W/mK），散热效果更优；而且在pn 结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面较优的特性。/ j9 n$ p( r4 Y7 x) W
4 e, u$ N1 @; b
2 基于Flip chip的大功率LED热分析
我们知道，表征系统热性能的一个主要参数是 系统的热阻。热阻的定义为：在热平衡的条件下，两规定点（或区域）温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比。热阻符号：Rθ或 Rth；热阻单位：K/W或℃/ W一般倒装型大功率LED表面贴装到金属线路板，也可以再安装外部热沉，增加散热效果。大功率LED芯片电极上焊接的数个BUMP（金球）与Si衬底上对 应的BUMP通过共晶焊接在一起，Si衬底通过粘接材料与器件内部热沉粘接在一起。为了有较好的出光效果，热沉上制作有一个聚光杯，芯片安放在杯的中央， 热沉选用高导热系数的金属材料如铜或铝。
3 衬底粘接材料对大功率LED热特性的影响 ; T. _4 P. ~. [+ [- H
LED倒装芯片被粘在管座（器件内部热沉）里，可 以通过三种方式：导热胶粘贴、导电型银浆粘贴和锡浆粘贴。导热胶的硬化温度一般低于150℃，甚至可以在室温下固化，但导热胶的热导率较小，导热特性较 差。导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200℃，既有良好的热导特性，又有较好的粘贴强度。锡浆粘贴的热导特性是三种方式中最优的，一般用于金属之间焊 接，导电性能也非常优越。在大功率LED器件的封装中，生产厂家容易忽略衬底粘接材料对器件热导特性的影响。其 实衬底粘接材料在影响器件热导特性因素中是一个比较重要的因素，如果处理不好，将使得LED的热阻过大，导致在额定工作条件下器件的结温过高，导致器件的 出光效率下降、可靠性降低。当选用铅锡焊料63Sn/37Pb，λ=39W/mK，同时其厚度等于20μm 时，RθAttach等于0.026（K/W），即使其厚度为 100μm，RΘAttach也只等于0.131（K/W）；当选用热沉粘接胶Ablefilm 5020K，λ=0.7W/mK，同时其厚度等于20μm时， RΘAttach等于1.457（K/W），当其厚度为100μm时， RΘAttach等于7.286（K/W）；当我们选用导电型芯片粘接胶 Ablebond 84-1LMISR4，λ=2.5W/m•K，同时其厚度等于20μm 时，RΘAttach等于0.408（K/W），当其厚度为100μm时， RΘAttach等于2.041（K/W）。因此，选用不同的粘接材料对其热阻存在很大的影响，同时，在印刷或涂敷芯片粘接材料时，如何降低材料厚度也十 分重要。
( Z- ]% y; F" F! `5 t: m* T
4 小结
LED芯片结温最高允许125℃，如果其最差工作 环境温度为65℃，则对一个1W的大功率LED来说，考虑到从大功率器件外部热沉的热阻一般为40（K/W），器件pn结至器件的热阻应小于20（K /W）。而对一个5W的大功率LED来说，如果其最差工作环境温度为65℃，则从pn结至环境的热阻要小于12 K/W才能保证芯片结温不超过125℃，而如果选用Ablefilm 5020K热沉粘接胶，λ=0.7W/m•K同时其厚度为100μm，仅芯片粘贴材料的热 阻RΘAttach就等于7.286（K/W）。因此，在 Flip chip 大功率LED器件的封装中，选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的可靠性和出光特 性是十分重要的。
LED外延片--衬底材料
衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了半导体照明技术的发展路线。衬 底材料的选择主要取决于以下九个方面：
表2-4： 用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较! Z2 @ x! ?- e& z% A
1） 氮化镓衬底! k: R+ C9 f" h: b! [5 p
用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件 工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其 他衬底(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获 得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓 薄膜的位错密度要明显低；但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。, w$ ~: }4 j% H' n
氮化镓衬底生产技术和设备：) h5 C2 W# X4 o4 @) _3 f. a
缺乏氮化镓衬底是阻碍氮化物研究的主要困难之一，也是造成氮化镓发光器件进展目前再次停顿的根本原因！虽然有人从 高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料，但尺寸很小，无法使用，目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二 极管产品，但高档产品只能在氮化镓衬底上生产。目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，价格奇贵，一片2英寸衬底价格约1万美元，这些衬底全部由 HVPE（氢化物气相外延）生产。
HVPE是二十世纪六七十年代 的技术，由于它生长速率很快（一分钟一微米以上），不能生长量子阱、超晶格等结构材料，在八十年代被MOCVD、MBE等技术淘汰。然而，恰是由于它生长 速率快，可以生长氮化镓衬底，这种技术又在“死灰复燃”并受到重视。可以断定，氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必然会重新受到重视。 与高压提拉法相比，HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不过国际上目前还没有商品化的设备出售。/ j) }* L: O4 ^6 ~% H3 v( |" C
目前国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。即先用MOCVD生长0.1～1微米的结晶层，再用HVPE生长约300微米 的氮化镓衬底层，最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个生长室中分两次生长，需要降温、生长停顿、取出等过程，这样不可避免地会出现以下 问题：①样品表面粘污；②生长停顿、降温造成表面再构，影响下次生长。
今后研发的重点仍是寻找合适的生长 方法，大幅度降低其成本。) z! N* I6 x% `; A0 G
2） Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面虽然很多，但均一一被克服， 如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力 因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
国内外 Al2O3衬底今后的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶，向4-6英吋方向发展，以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。
3）SiC 衬底 . R0 d9 ?# O$ F. A2 j
除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第二，目前还未有第三种衬底用 于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量 难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要象Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采 用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题，故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。
目前国际上能提供商用的 高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大 幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。 T* _- b2 E/ g% |) Z" G7 z
4）Si衬底
在 硅衬底上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许 多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配， 以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低) x4 K0 V( n8 q: N
目前国外文献报导的硅衬底上蓝光LED光功率最好水平是420mW，是德国Magdeburg大学研制的。日本Nagoya技术研究所今年在上海国际半导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光LED光输 出功率为18 mW。
" M. s( [, R( d2 X1 [
5）ZnO衬底
之所以ZnO作为GaN外延的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近 （能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材 料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平 和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。6 ]2 d9 @: D* h( F, ~, H2 M: N
但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。这是因为，ZnO的激子束缚能高达60 meV，比其他半导体材料高得多（GaN为26 meV），因而具有比其他材料更高的发光效率。 8 r1 t) N" p( P( V0 Y
另外ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。因而，今后ZnO材料的生产是真正意义上的绿色生产，原材料锌 和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。
- [1]结构特性好，外延材料与衬底的晶体结构相同或相近、晶格常数失配度小、结晶性能好、缺陷密 度小；
- [2]界面特性好，有利于外延材料成核且黏附性强；
- [3]化学稳定性好，在外延生长的温度和气氛中不容易分解 和腐蚀；
- [4]热学性能好，包括导热性好和热失配度小；
- [5]导电性好，能制成上下结构；
- [6] 光学性能好，制作的器件所发出的光被衬底吸收小；
- [7]机械性能好，器件容易加工，包括减薄、抛光和切割等；
- [8] 价格低廉；
- [9]大尺寸，一般要求直径不小于2英吋。
表2-4： 用于氮化镓生长的衬底材料性能优劣比较! Z2 @ x! ?- e& z% A
| : v9 r8 |9 V7 B0 x, W# J 衬底材料 | Al2O3 | SiC | Si | ZnO | GaN |
晶格失配度 | 差 | 中 | 差 | 良 | 优 |
界面特性 | 良 | 良 | 良 | 良 | 优 |
| 化学稳定性 # q( E t7 U: _# r, q | 优 | 优 | 良 | 差 | 优 |
导热性 能 | 差 | 优 | 优 | 优 | 优 |
热失配 度 | 差 | 中 | 差 | 差 | 优 |
导电性 | 差 | 优 | 优 | 优 | 优 |
光学性 能 | 优 | 优 | 差 | 优 | 优 |
机械性 能 | 差 | 差 | 优 | 良 | 中 |
价格 | 中 | 高 | 低 | 高 | 高 |
尺寸 | 中 | 中 | 大 | 中 | 小 |
用于氮化镓生长的最理想的衬底自然是氮化镓单晶材料，这样可以大大提高外延膜的晶体质量，降低位错密度，提高器件 工作寿命，提高发光效率，提高器件工作电流密度。可是，制备氮化镓体单晶材料非常困难，到目前为止尚未有行之有效的办法。有研究人员通过HVPE方法在其 他衬底(如Al2O3、SiC、LGO)上生长氮化镓厚膜，然后通过剥离技术实现衬底和氮化镓厚膜的分离，分离后的氮化镓厚膜可作为外延用的衬底。这样获 得的氮化镓厚膜优点非常明显，即以它为衬底外延的氮化镓薄膜的位错密度，比在Al2O3、SiC上外延的氮化镓 薄膜的位错密度要明显低；但价格昂贵。因而氮化镓厚膜作为半导体照明的衬底之用受到限制。, w$ ~: }4 j% H' n
氮化镓衬底生产技术和设备：) h5 C2 W# X4 o4 @) _3 f. a
缺乏氮化镓衬底是阻碍氮化物研究的主要困难之一，也是造成氮化镓发光器件进展目前再次停顿的根本原因！虽然有人从 高压熔体中得到了单晶氮化镓体材料，但尺寸很小，无法使用，目前主要是在蓝宝石、硅、碳化硅衬底上生长。虽然在蓝宝石衬底上可以生产出中低档氮化镓发光二 极管产品，但高档产品只能在氮化镓衬底上生产。目前只有日本几家公司能够提供氮化镓衬底，价格奇贵，一片2英寸衬底价格约1万美元，这些衬底全部由 HVPE（氢化物气相外延）生产。
HVPE是二十世纪六七十年代 的技术，由于它生长速率很快（一分钟一微米以上），不能生长量子阱、超晶格等结构材料，在八十年代被MOCVD、MBE等技术淘汰。然而，恰是由于它生长 速率快，可以生长氮化镓衬底，这种技术又在“死灰复燃”并受到重视。可以断定，氮化镓衬底肯定会继续发展并形成产业化，HVPE技术必然会重新受到重视。 与高压提拉法相比，HVPE方法更有望生产出可实用化的氮化镓衬底。不过国际上目前还没有商品化的设备出售。/ j) }* L: O4 ^6 ~% H3 v( |" C
目前国内外研究氮化镓衬底是用MOCVD和HVPE两台设备分开进行的。即先用MOCVD生长0.1～1微米的结晶层，再用HVPE生长约300微米 的氮化镓衬底层，最后将原衬底剥离、抛光等。由于生长一个衬底需要在两个生长室中分两次生长，需要降温、生长停顿、取出等过程，这样不可避免地会出现以下 问题：①样品表面粘污；②生长停顿、降温造成表面再构，影响下次生长。
今后研发的重点仍是寻找合适的生长 方法，大幅度降低其成本。) z! N* I6 x% `; A0 G
2） Al2O3衬底
目前用于氮化镓生长的最普遍的衬底是Al2O3，其优点是化学稳定性好、不吸收可见光、价格适中、制造技术相对成熟；不足方面虽然很多，但均一一被克服， 如很大的晶格失配被过渡层生长技术所克服，导电性能差通过同侧P、N电极所克服，机械性能差不易切割通过激光划片所克服，很大的热失配对外延层形成压应力 因而不会龟裂。但是，差的导热性在器件小电流工作下没有暴露出明显不足，却在功率型器件大电流工作下问题十分突出。
国内外 Al2O3衬底今后的研发任务是生长大直径的Al2O3单晶，向4-6英吋方向发展，以及降低杂质污染和提高表面抛光质量。
3）SiC 衬底 . R0 d9 ?# O$ F. A2 j
除了Al2O3衬底外，目前用于氮化镓生长衬底就是SiC，它在市场上的占有率位居第二，目前还未有第三种衬底用 于氮化镓LED的商业化生产。它有许多突出的优点，如化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等，但不足方面也很突出，如价格太高、晶体质量 难以达到Al2O3和Si那么好、机械加工性能比较差。 另外，SiC衬底吸收380 nm以下的紫外光，不适合用来研发380 nm以下的紫外LED。由于SiC衬底优异的的导电性能和导热性能，不需要象Al2O3衬底上功率型氮化镓LED器件采用倒装焊技术解决散热问题，而是采 用上下电极结构，可以比较好的解决功率型氮化镓LED器件的散热问题，故在发展中的半导体照明技术领域占有重要地位。
目前国际上能提供商用的 高质量的SiC衬底的厂家只有美国CREE公司。国内外SiC衬底今后研发的任务是大 幅度降低制造成本和提高晶体结晶质量。 T* _- b2 E/ g% |) Z" G7 z
4）Si衬底
在 硅衬底上制备发光二极管是本领域里梦寐以求的一件事情，因为一旦技术获得突破，外延生长成本和器件加工成本将大幅度下降。Si片作为GaN材料的衬底有许 多优点，如晶体质量高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。然而，由于GaN外延层与Si衬底之间存在巨大的晶格失配和热失配， 以及在GaN的生长过程中容易形成非晶氮化硅，所以在Si 衬底上很难得到无龟裂及器件级质量的GaN材料。另外，由于硅衬底对光的吸收严重，LED出光效率低) x4 K0 V( n8 q: N
目前国外文献报导的硅衬底上蓝光LED光功率最好水平是420mW，是德国Magdeburg大学研制的。日本Nagoya技术研究所今年在上海国际半导体照明论坛上报道的硅衬底上蓝光LED光输 出功率为18 mW。
" M. s( [, R( d2 X1 [
5）ZnO衬底
之所以ZnO作为GaN外延的候选衬底，是因为他们两者具有非常惊人的相似之处。两者晶体结构相同、晶格失配度非常小，禁带宽度接近 （能带不连续值小，接触势垒小）。但是，ZnO作为GaN外延衬底的致命的弱点是在GaN外延生长的温度和气氛中容易分解和被腐蚀。目前，ZnO半导体材 料尚不能用来制造光电子器件或高温电子器件，主要是材料质量达不到器件水平 和P型掺杂问题没有真正解决，适合ZnO基半导体材料生长的设备尚未研制成功。今后研发的重点是寻找合适的生长方法。6 ]2 d9 @: D* h( F, ~, H2 M: N
但是，ZnO本身是一种有潜力的发光材料。 ZnO的禁带宽度为3.37 eV，属直接带隙，和GaN、SiC、金刚石等宽禁带半导体材料相比，它在380 nm附近紫光波段发展潜力最大，是高效紫光发光器件、低阈值紫光半导体激光器的候选材料。这是因为，ZnO的激子束缚能高达60 meV，比其他半导体材料高得多（GaN为26 meV），因而具有比其他材料更高的发光效率。 8 r1 t) N" p( P( V0 Y
另外ZnO材料的生长非常安全，可以采用没有任何毒性的水为氧源，用有机金属锌为锌源。因而，今后ZnO材料的生产是真正意义上的绿色生产，原材料锌 和水资源丰富、价格便宜，有利于大规模生产和持续发展。
Wednesday, March 17, 2010
Si衬底GaN基材料及器件的研究
Si衬底GaN基材料及器件的研究
滕晓云，刘彩池，郝秋艳，赵丽伟，张帷
（河北工业大学材料学院，天津 300130）
摘要：GaN具有禁带宽、热导率 高等特点，广泛应用于光电子和微电子器件领域。Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统器件工艺的集成，因而具有很高的研究价 值。介绍了Si衬底GaN基材料生长及特性方面的研究现状和GaN基器件的进展情况。
*
关键词：GaN；Si衬底；外延生长
中图分类 号：TN316 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2006)02-0098-042 D0 E5 i% ?" ^# G9 j, J
1 引言 6 f/ O% N8 ^, `
GaN作为新型的宽禁带半导体材料，一直是国际上化合物半导体方面研究的热点。GaN属于直接带隙材料,可与InN,AlN形成组分连续可变的三元或四元 固溶体合金（AlGaN、InGaN、AlInGaN），对应的波长覆盖了红光到近紫外光的范围，而且具有化学稳定性和热稳定性好等优越的特性，因此在光 电子领域具有极大的应用前景。其次，GaN材料与Si和GaAs等其他材料相比，在高电场强度下，具有更大的电子迁移速度，使之在微电子器件方面也具有很 高的应用价值。近十年来，以GaN为代表的宽禁带半导体材料与器件发展迅猛，对信息科学技术的发展和应用起了巨大的推动作用，被称为继以Si为代表的第一 代半导体、以GaAs为代表的第二代半导体后的第三代半导体。
2 x/ r$ Z% [& g9 Q+ [
从1971年Pankove[1]报道的第一个GaN发光二极管到Nakamura[2]研制出的GaN基蓝光激光器仅仅只有二十几年的时间。近年来，有 关GaN基材料和器件的研究及发展更是大大加速了。由于GaN大尺寸体单晶生长极为困难，现在所有成熟的器件都是以蓝宝石或SiC异质衬底为基础的。但从 晶格匹配和电导、热导特性上看，蓝宝石还不是理想的异质外延衬底，而SiC衬底与GaN之间虽然晶格失配小于蓝宝石衬底，但其加工困难以及昂贵的价格也限 制了该衬底的进一步应用开发。Si衬底和以上两种衬底相比，除了晶格失配和热失配较大外，其他方面比较符合GaN材料生长的要求，如低成本、大尺寸、高质 量、导电性等优点，且Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统Si基器件工艺的集成，被认为是最有前途的GaN衬底材料。但是由 于过去人们把相当的注意力都放在寻找晶格失配较小的衬底上，Si衬底的使用并未引起人们太多兴趣，随着许多技术和观念上的突破，Si衬底GaN基材料生长 越来越成为人们关注的焦点。我国南昌大学就首先突破了硅基GaN LED外延片和新基板焊接剥离技术，利用LP-MOCVD系统在Si(111)衬底上成功生长出了高质量的InGaN MQW蓝光LED外延片，X射线双晶对称和非对称摇摆曲线的半高宽已经达到了市场上蓝宝石衬底GaN LED水平。
2 外延生长技术
$ b
实现GaN基材料生长的外延技术主要有金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）[3，4]、分子束外延（MBE）[5]、氢化物汽相外延（HVPE）[6] 等。
2.1 MOCVD
MOCVD是一种非 平衡生长技术，它依赖于源气体传输过程和随后的Ⅲ族烷基化合物与Ⅴ族氢化物的热裂解反应。组分和生长速率均由各种不同成分的气流和精确控制的源流量所决 定。MOCVD的一个重要的特征是反应管壁的温度大大低于内部加热的衬底温度，使热管壁反应消耗降低。MOCVD方法的生长速率适中，可以比较精确地控制 膜厚，特别适合于LEDs和LDs的大规模工业化生产，目前已经成为使用最多、生长材料和器件质量最高的方法。美国的EMCORE、德国的AIXTRON 公司以及英国的Thomas Swan公司都已经开发出用于工业化生产的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)设备。
2.2 MBE
MBE是直接以Ga的分子束作为Ga源，以 NH 3为N源，在衬底表面反应生成GaN。该方法可以在较低的温度下实现GaN的生长，有可能减少N的挥发，从而降低背景电子浓度。其生长反应过程简单，可以 实时表征或精确监控生长表面的结构、成分和膜厚，生长温度低，均匀性较好。由于这种方法的生长速率较慢，可以精确地控制膜厚，特别适合于量子阱、超晶格等 超薄层结构的材料生长，但对于外延层较厚的器件，如LEDs和LDs，生长时间较长，不能满足大规模生产的要求，而且当采用等离子体辅助方式时，要采取措 施避免高能离子对于薄膜的损伤。
2.3 HVPE0 A7 y6 k' N7 @6 s3 T1 b
人 们最早就是采用这种生长技术制备出了GaN 单晶薄膜。氢化物汽相外延技术是一种化学汽相输运技术，与传统的物理汽相输运技术相比，它可以提供很高的生长率（每小时100μm以上），在短时间内生长 很厚的GaN膜，从而减少热失配和晶格失配对材料性能的影响，可采用剥离技术，将获得的低位错密度的厚膜与衬底分离，从而成为体单晶 GaN晶片的替代品，用作采用其他方法进行同质外延生长的衬底。HVPE的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的提 高。
3 生长难点及解决方案
3.1 主要难点
8 N1 \& A
首先，Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17%, 在生长过程中的晶格失配将引入大量位错。其次，Si衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异导致较大的热失配。由表1可知，Si的热膨胀系数为 3.59×10- 6K-1, 而GaN的热膨胀系数为5.59×1010-6K-1 , 二者相差很大，造成高温生长后降温的过程中外延层将承受很大的张应力，由于外延层的厚度远小于衬底厚度，所以外延层会产生裂纹。
另 一个是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体，而GaN原子间是极性键属极性半导体。对于极性/非极性异质结界面有许多物理性质不同 于传统异质结器件，所以界面原子、电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极矩、带阶、输运特性等都会有很大的不同，这也是研究Si衬底GaN基材料和器件所必 须认识到的问题。
最后，Si衬底上Si原子 的扩散也是一个重要问题，在高温生长过程中Si原子的扩散加剧，导致外延层中会含有一定量的Si原子，这些Si原子易于与生长气氛中的氨气发生反应，而在 衬底表面形成非晶态Si xNy薄膜，降低外延层的晶体质量。另外，Ga原子也可以扩散到Si衬底表面发生很强的化学反应，将对衬底产生回熔而破坏界面，降低外延层的晶体质量。
3.2 解决问题的手段
\
3.2.1 缓冲层的选取
缓冲层技术的引入是解决Si衬底上生长GaN时晶格失配、Si扩散和极性问题的有效手段，同时在一定程度上也可缓解薄膜中的应力。ZnO [7]，3C-SiC[8，9]，AlN[3，10] 和AlAs[11]等都曾被用作GaN外延层与Si衬底之间的缓冲层进行尝试，其中AlN结果最好，这是由于AlN 缓冲层在Si衬底上具有较好的浸润性，可有效减少界面能，使GaN一开始就进入二维生长模式，部分缓解了Si基GaN生长的困难，此外AlN还可以和 GaN在同一反应室进行生长，且Al－N键形成优于Si－N键，在一定程度上抑制SiN x的形成。目前各研究小组通过优化AlN 缓冲层的生长条件如生长温度、厚度、Ⅴ/Ⅲ比、反应室压强等，得到了高质量GaN外延膜 [3，12]。但由于缓冲层技术条件下生长出的GaN材料仍具有较高的缺陷密度，会影响到发光器件的发光强度、工作寿命和反向特性等重要技术指标，因此人 们又在该基础上发展了多缓冲层技术，从而获得更高质量的GaN单晶材料。
3.2.2 微裂问题的解决
由于Si衬底与GaN外延层的热失配较大，单纯采用缓冲层得到的无裂纹的GaN外延层的厚度比较有限（1 mm左右），微裂问题已经成为影响Si 衬底GaN 外延生长的最主要的障碍，各国相继开展解决微裂问题的研究。
Min-Ho Kimn 等人[13]采用梯度组分AlGaN缓冲层的方法，就是在AlN缓冲层与GaN外延层之间逐渐改变Al和Ga的组分，使其有个渐进的过渡，这样可在生长过 程中利用AlN与GaN晶格常数的差别形成压应力，部分弥补降温过程中形成的张应力，从而有效降低外延层中的位错和裂纹密度。M. Seon等人[14] 提出超晶格缓冲层的方法，即直接在Si衬底上生长超晶格缓冲层，然后生长GaN外延层，这样超晶格层既可以缓解衬底与外延层之间的应力，又可以阻止来自衬 底的Si扩散。但存在的问题是，直接在Si衬底上生长超晶格层比较困难，这样超晶格缓冲层的作用也就弱化了。Eric Feltin等人[15]在GaN外延层与AlN缓冲层之间采用10个周期的AlN/GaN超晶格作插入层，生长出了较厚且没有裂纹的GaN晶体 （0.9～2.5 mm）。采用超晶格结构除了产生额外的压应力外，还可很好地过滤位错，特别是穿透位错，明显提高外延层的晶体质量。Y.Honda等人 [16]采用选择区域外延（SAG）法，利用GaN在介质隐蔽膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有隐蔽膜的区域中生长，形成分立的窗口，从 而释放整个外延层中的张应力，得到XRD双晶测量（0004）半高宽为388arcs的高质量外延膜。Dadgar等人 [10]将低温AlN插入层技术用于Si基GaN的生长，这种方法可以有效控制GaN外延层的应力，并且降低位错密度。应力补偿效应的研究表明,由于 AlN插入层很薄，低温沉积的无定型性质会在高温生长GaN外延层时成为结晶体,此驰豫过程中所引入的压应力可有效补偿来自热失配所引起的张应力。德国 A.Krost组采用低温AlN插入层方法实现了3 mm无微裂GaN层的MOCVD生长，XRD的半高宽为400 arcs。最近他们又得到7mm无微裂GaN层，几乎满足了所有器件应用的需要 [17]。
目前，采用低温AlN插入层被认为是解决Si衬底GaN基材料微裂的最简单有效的方法。在实际的生长过程中，也可以将几种方法综合在一起使用。
4 Si衬底GaN基器件的进展
随 着Si衬底GaN材料生长的逐渐发展，其各种器件的应用也开发出来，其中最重要的就是Si衬底GaN基LED。1998年IBM公司报道了第一次采用 MBE生长的材料制作Si衬底紫外和紫色GaN发光二极管，波长分别为360nm和420nm。从300 mm×300mm器件的I-V 特性可知，其正向工作电压很高，大于12V，这可能和p型掺杂以及p型接触有关。1999年EMCORE公司采用MOCVD 技术在Si衬底上选择外延生长InGaN/GaN多量子阱LED结构，电荧光光谱波长为465nm，半高宽为40nm，阈值电压为4V，20mA时工作电 压为8V。2000年，美国南卡大学M.Asif Khan等人报道了在Si衬底上选择性外延生长InGaN/GaN多量子阱结构LED的新进展，LED结构峰值波长为465nm，半高宽为40nm，正向 电阻比蓝宝石衬底相同结构高4倍，而光输出强度比蓝宝石衬底的LED强5倍，尽管结果还不理想，但其在适合低成本和大规模制造方面已是一项重大突破，让人 们看到了Si衬底LED商品化的曙光。同年，日本的名古屋理工学院采用常压 MOCVD技术生长Si衬底LED，LED光荧光峰值波长为430nm，半高宽为18nm（2002 年报道实现光功率20mW输出）,从LED结构的I-V 特性可看出，其阈值电压为3V，已经和蓝宝石衬底LED结构相当了。最近，德国的A.Krost等人在研究高亮度InGaN/GaN多量子阱LED过程中 取得重大突破， 2002年他们先后报道了采用低温AlN插入层和SiNx 插入层的方法实现LED输出功率152mW和400mW，开创了高亮度Si衬底LED的先河。此外，在LD方面，2002年Aachen, Minsk 和Aixtron的联合实验室首次实现了Si衬底InGaN/GaN多量子阱蓝光激光器的光泵浦发光，该激光器波长为447nm，最高工作温度可达 420K。
Si 衬底GaN 基材料除了在发光器件方面取得进展外，在场效应管、探测器等方面，西班牙的E. Calleja和美国加洲大学圣巴巴拉分校等科研人员也取得很大进展。特别值得一提的是美国Nitronex公司最新在100mm Si衬底上实现高电子迁移率晶体管（HEMT），他们采用MOCVD外延技术生长低缺陷密度GaN，其缺陷密度降低到105cm-3 ，器件室温下二维电子气迁移率大于1600cm2/V·s。
Si衬底GaN基材料的生长技术及器件制造工艺已取得了商业应用的实质进步和突破，但是Si衬底GaN基材料生长过程的物理机制尚不清楚，GaN中的很多 缺陷有待于进一步研究。此外，欧姆接触的接触电阻还比较大，影响了器件的性能。相信宽禁带半导体GaN基的系列光电子器件将在半导体工业中占据举足轻重的 地位。
滕晓云，刘彩池，郝秋艳，赵丽伟，张帷
（河北工业大学材料学院，天津 300130）
摘要：GaN具有禁带宽、热导率 高等特点，广泛应用于光电子和微电子器件领域。Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统器件工艺的集成，因而具有很高的研究价 值。介绍了Si衬底GaN基材料生长及特性方面的研究现状和GaN基器件的进展情况。
*
关键词：GaN；Si衬底；外延生长
中图分类 号：TN316 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2006)02-0098-042 D0 E5 i% ?" ^# G9 j, J
1 引言 6 f/ O% N8 ^, `
GaN作为新型的宽禁带半导体材料，一直是国际上化合物半导体方面研究的热点。GaN属于直接带隙材料,可与InN,AlN形成组分连续可变的三元或四元 固溶体合金（AlGaN、InGaN、AlInGaN），对应的波长覆盖了红光到近紫外光的范围，而且具有化学稳定性和热稳定性好等优越的特性，因此在光 电子领域具有极大的应用前景。其次，GaN材料与Si和GaAs等其他材料相比，在高电场强度下，具有更大的电子迁移速度，使之在微电子器件方面也具有很 高的应用价值。近十年来，以GaN为代表的宽禁带半导体材料与器件发展迅猛，对信息科学技术的发展和应用起了巨大的推动作用，被称为继以Si为代表的第一 代半导体、以GaAs为代表的第二代半导体后的第三代半导体。
2 x/ r$ Z% [& g9 Q+ [
从1971年Pankove[1]报道的第一个GaN发光二极管到Nakamura[2]研制出的GaN基蓝光激光器仅仅只有二十几年的时间。近年来，有 关GaN基材料和器件的研究及发展更是大大加速了。由于GaN大尺寸体单晶生长极为困难，现在所有成熟的器件都是以蓝宝石或SiC异质衬底为基础的。但从 晶格匹配和电导、热导特性上看，蓝宝石还不是理想的异质外延衬底，而SiC衬底与GaN之间虽然晶格失配小于蓝宝石衬底，但其加工困难以及昂贵的价格也限 制了该衬底的进一步应用开发。Si衬底和以上两种衬底相比，除了晶格失配和热失配较大外，其他方面比较符合GaN材料生长的要求，如低成本、大尺寸、高质 量、导电性等优点，且Si衬底GaN基材料及器件的研制将进一步促进GaN基器件与传统Si基器件工艺的集成，被认为是最有前途的GaN衬底材料。但是由 于过去人们把相当的注意力都放在寻找晶格失配较小的衬底上，Si衬底的使用并未引起人们太多兴趣，随着许多技术和观念上的突破，Si衬底GaN基材料生长 越来越成为人们关注的焦点。我国南昌大学就首先突破了硅基GaN LED外延片和新基板焊接剥离技术，利用LP-MOCVD系统在Si(111)衬底上成功生长出了高质量的InGaN MQW蓝光LED外延片，X射线双晶对称和非对称摇摆曲线的半高宽已经达到了市场上蓝宝石衬底GaN LED水平。
2 外延生长技术
$ b
实现GaN基材料生长的外延技术主要有金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）[3，4]、分子束外延（MBE）[5]、氢化物汽相外延（HVPE）[6] 等。
2.1 MOCVD
MOCVD是一种非 平衡生长技术，它依赖于源气体传输过程和随后的Ⅲ族烷基化合物与Ⅴ族氢化物的热裂解反应。组分和生长速率均由各种不同成分的气流和精确控制的源流量所决 定。MOCVD的一个重要的特征是反应管壁的温度大大低于内部加热的衬底温度，使热管壁反应消耗降低。MOCVD方法的生长速率适中，可以比较精确地控制 膜厚，特别适合于LEDs和LDs的大规模工业化生产，目前已经成为使用最多、生长材料和器件质量最高的方法。美国的EMCORE、德国的AIXTRON 公司以及英国的Thomas Swan公司都已经开发出用于工业化生产的Ⅲ族氮化物MOCVD(LP-MOCVD)设备。
2.2 MBE
MBE是直接以Ga的分子束作为Ga源，以 NH 3为N源，在衬底表面反应生成GaN。该方法可以在较低的温度下实现GaN的生长，有可能减少N的挥发，从而降低背景电子浓度。其生长反应过程简单，可以 实时表征或精确监控生长表面的结构、成分和膜厚，生长温度低，均匀性较好。由于这种方法的生长速率较慢，可以精确地控制膜厚，特别适合于量子阱、超晶格等 超薄层结构的材料生长，但对于外延层较厚的器件，如LEDs和LDs，生长时间较长，不能满足大规模生产的要求，而且当采用等离子体辅助方式时，要采取措 施避免高能离子对于薄膜的损伤。
2.3 HVPE0 A7 y6 k' N7 @6 s3 T1 b
人 们最早就是采用这种生长技术制备出了GaN 单晶薄膜。氢化物汽相外延技术是一种化学汽相输运技术，与传统的物理汽相输运技术相比，它可以提供很高的生长率（每小时100μm以上），在短时间内生长 很厚的GaN膜，从而减少热失配和晶格失配对材料性能的影响，可采用剥离技术，将获得的低位错密度的厚膜与衬底分离，从而成为体单晶 GaN晶片的替代品，用作采用其他方法进行同质外延生长的衬底。HVPE的缺点是很难精确控制膜厚，反应气体对设备具有腐蚀性，影响GaN材料纯度的提 高。
3 生长难点及解决方案
3.1 主要难点
8 N1 \& A
首先，Si衬底上外延GaN，其晶格失配为17%, 在生长过程中的晶格失配将引入大量位错。其次，Si衬底和GaN之间较大的热膨胀系数差异导致较大的热失配。由表1可知，Si的热膨胀系数为 3.59×10- 6K-1, 而GaN的热膨胀系数为5.59×1010-6K-1 , 二者相差很大，造成高温生长后降温的过程中外延层将承受很大的张应力，由于外延层的厚度远小于衬底厚度，所以外延层会产生裂纹。
另 一个是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体，而GaN原子间是极性键属极性半导体。对于极性/非极性异质结界面有许多物理性质不同 于传统异质结器件，所以界面原子、电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极矩、带阶、输运特性等都会有很大的不同，这也是研究Si衬底GaN基材料和器件所必 须认识到的问题。
最后，Si衬底上Si原子 的扩散也是一个重要问题，在高温生长过程中Si原子的扩散加剧，导致外延层中会含有一定量的Si原子，这些Si原子易于与生长气氛中的氨气发生反应，而在 衬底表面形成非晶态Si xNy薄膜，降低外延层的晶体质量。另外，Ga原子也可以扩散到Si衬底表面发生很强的化学反应，将对衬底产生回熔而破坏界面，降低外延层的晶体质量。
3.2 解决问题的手段
\
3.2.1 缓冲层的选取
缓冲层技术的引入是解决Si衬底上生长GaN时晶格失配、Si扩散和极性问题的有效手段，同时在一定程度上也可缓解薄膜中的应力。ZnO [7]，3C-SiC[8，9]，AlN[3，10] 和AlAs[11]等都曾被用作GaN外延层与Si衬底之间的缓冲层进行尝试，其中AlN结果最好，这是由于AlN 缓冲层在Si衬底上具有较好的浸润性，可有效减少界面能，使GaN一开始就进入二维生长模式，部分缓解了Si基GaN生长的困难，此外AlN还可以和 GaN在同一反应室进行生长，且Al－N键形成优于Si－N键，在一定程度上抑制SiN x的形成。目前各研究小组通过优化AlN 缓冲层的生长条件如生长温度、厚度、Ⅴ/Ⅲ比、反应室压强等，得到了高质量GaN外延膜 [3，12]。但由于缓冲层技术条件下生长出的GaN材料仍具有较高的缺陷密度，会影响到发光器件的发光强度、工作寿命和反向特性等重要技术指标，因此人 们又在该基础上发展了多缓冲层技术，从而获得更高质量的GaN单晶材料。
3.2.2 微裂问题的解决
由于Si衬底与GaN外延层的热失配较大，单纯采用缓冲层得到的无裂纹的GaN外延层的厚度比较有限（1 mm左右），微裂问题已经成为影响Si 衬底GaN 外延生长的最主要的障碍，各国相继开展解决微裂问题的研究。
Min-Ho Kimn 等人[13]采用梯度组分AlGaN缓冲层的方法，就是在AlN缓冲层与GaN外延层之间逐渐改变Al和Ga的组分，使其有个渐进的过渡，这样可在生长过 程中利用AlN与GaN晶格常数的差别形成压应力，部分弥补降温过程中形成的张应力，从而有效降低外延层中的位错和裂纹密度。M. Seon等人[14] 提出超晶格缓冲层的方法，即直接在Si衬底上生长超晶格缓冲层，然后生长GaN外延层，这样超晶格层既可以缓解衬底与外延层之间的应力，又可以阻止来自衬 底的Si扩散。但存在的问题是，直接在Si衬底上生长超晶格层比较困难，这样超晶格缓冲层的作用也就弱化了。Eric Feltin等人[15]在GaN外延层与AlN缓冲层之间采用10个周期的AlN/GaN超晶格作插入层，生长出了较厚且没有裂纹的GaN晶体 （0.9～2.5 mm）。采用超晶格结构除了产生额外的压应力外，还可很好地过滤位错，特别是穿透位错，明显提高外延层的晶体质量。Y.Honda等人 [16]采用选择区域外延（SAG）法，利用GaN在介质隐蔽膜和衬底上生长的选择性，把GaN外延层限制在没有隐蔽膜的区域中生长，形成分立的窗口，从 而释放整个外延层中的张应力，得到XRD双晶测量（0004）半高宽为388arcs的高质量外延膜。Dadgar等人 [10]将低温AlN插入层技术用于Si基GaN的生长，这种方法可以有效控制GaN外延层的应力，并且降低位错密度。应力补偿效应的研究表明,由于 AlN插入层很薄，低温沉积的无定型性质会在高温生长GaN外延层时成为结晶体,此驰豫过程中所引入的压应力可有效补偿来自热失配所引起的张应力。德国 A.Krost组采用低温AlN插入层方法实现了3 mm无微裂GaN层的MOCVD生长，XRD的半高宽为400 arcs。最近他们又得到7mm无微裂GaN层，几乎满足了所有器件应用的需要 [17]。
目前，采用低温AlN插入层被认为是解决Si衬底GaN基材料微裂的最简单有效的方法。在实际的生长过程中，也可以将几种方法综合在一起使用。
4 Si衬底GaN基器件的进展
随 着Si衬底GaN材料生长的逐渐发展，其各种器件的应用也开发出来，其中最重要的就是Si衬底GaN基LED。1998年IBM公司报道了第一次采用 MBE生长的材料制作Si衬底紫外和紫色GaN发光二极管，波长分别为360nm和420nm。从300 mm×300mm器件的I-V 特性可知，其正向工作电压很高，大于12V，这可能和p型掺杂以及p型接触有关。1999年EMCORE公司采用MOCVD 技术在Si衬底上选择外延生长InGaN/GaN多量子阱LED结构，电荧光光谱波长为465nm，半高宽为40nm，阈值电压为4V，20mA时工作电 压为8V。2000年，美国南卡大学M.Asif Khan等人报道了在Si衬底上选择性外延生长InGaN/GaN多量子阱结构LED的新进展，LED结构峰值波长为465nm，半高宽为40nm，正向 电阻比蓝宝石衬底相同结构高4倍，而光输出强度比蓝宝石衬底的LED强5倍，尽管结果还不理想，但其在适合低成本和大规模制造方面已是一项重大突破，让人 们看到了Si衬底LED商品化的曙光。同年，日本的名古屋理工学院采用常压 MOCVD技术生长Si衬底LED，LED光荧光峰值波长为430nm，半高宽为18nm（2002 年报道实现光功率20mW输出）,从LED结构的I-V 特性可看出，其阈值电压为3V，已经和蓝宝石衬底LED结构相当了。最近，德国的A.Krost等人在研究高亮度InGaN/GaN多量子阱LED过程中 取得重大突破， 2002年他们先后报道了采用低温AlN插入层和SiNx 插入层的方法实现LED输出功率152mW和400mW，开创了高亮度Si衬底LED的先河。此外，在LD方面，2002年Aachen, Minsk 和Aixtron的联合实验室首次实现了Si衬底InGaN/GaN多量子阱蓝光激光器的光泵浦发光，该激光器波长为447nm，最高工作温度可达 420K。
Si 衬底GaN 基材料除了在发光器件方面取得进展外，在场效应管、探测器等方面，西班牙的E. Calleja和美国加洲大学圣巴巴拉分校等科研人员也取得很大进展。特别值得一提的是美国Nitronex公司最新在100mm Si衬底上实现高电子迁移率晶体管（HEMT），他们采用MOCVD外延技术生长低缺陷密度GaN，其缺陷密度降低到105cm-3 ，器件室温下二维电子气迁移率大于1600cm2/V·s。
Si衬底GaN基材料的生长技术及器件制造工艺已取得了商业应用的实质进步和突破，但是Si衬底GaN基材料生长过程的物理机制尚不清楚，GaN中的很多 缺陷有待于进一步研究。此外，欧姆接触的接触电阻还比较大，影响了器件的性能。相信宽禁带半导体GaN基的系列光电子器件将在半导体工业中占据举足轻重的 地位。
Wednesday, October 21, 2009
半导体发光二极管的基本原理
目前使用的大部分灯具是白炽钨丝灯或者采取气体放电，而半导体发光二极管（LED）的发光原理则与大部分灯迥然不同。发光二极管自发性（Spontaneous）的发光是由于电子与 空穴的复合而产生的。一般的半导体发光二极管，多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体为材料。图1示出的是Ⅲ-Ⅴ及Ⅱ-Ⅵ族元素的带隙（Bandgap）与晶 格常数（Lattice Constant）的关系。由图可知，这些材料的发光范围由红光到紫外线，目前红光的材料主要有AlGaInP，而蓝绿光及紫外线的主要材料则有 AlGaInN。虽然Ⅱ-Ⅵ族材料也可以得到红光和绿光，但是这族材料极为不稳定，所以目前使用的发光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。
发光效率与材料是否为直接带隙（Direct Bandgap）有关，图2(a)是直接带隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等，这些材料的导带最低点与价带最 高点在同一K空间。所以电子与空穴可以有效地再复合（Recombination）而发光。而图2(b)的材料均是间接带隙（Indirect Bandgap），其带隙即导带最低点与价带最高点不在同一K空间，以致电子与空穴复合时除了发光外，还需要声子（Phonon）的配合，所以发光效率 低。目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。
在直接带隙材料中，电子与空穴复合时，其发光跃迁（Radiative Transition）有多种可能性，如图3所示。图3（a）是带间复合，图3(b)是自由激子(Exciton)相互抵消，图3(c)是在能带势能波动 区域低势能区局部束缚激子的再复合。图3(a)及(b)是一般AlGaInP红光LED产生光的原理，而图3(c)则是AlGaInN的蓝光及绿光LED 产生光的原理。
上述的“复合”是由于本身内部（Intrinsic）产生的，但是假设将杂质（Impurity）掺入半导体，则会在带隙中产生施主（Donor）及受主 （Acceptor）的能级，因此又可能产生不同的复合而发出光如图4所示。图4(a)是受主与导带复合，图4(b)是施主与价带复合，图4(c)是施主 与受主的再复合，图4(d)是激子再复合。
当电子与空穴复合而产生光时，这些光被称为自发辐射（Spontaneous Emission），其光的方向如图5(a)所示，是多方向的，这是发光二极管的发光特性。但是，如果发出的光是激发辐射（Stimulated）的，如 图5(b)所示其方向一致，则此种元件被称为半导体激光二极管（LD：Laser Diode）。目前要得到高功率LED就是要得到非常高的自发辐射。
图6所示为发光二极管pn结（Junction）的能带结构，p型半导体是掺杂了受主杂质，而n型则是掺杂了施主杂质，将两种材料放在一起即得到pn结。 n型半导体中产生电子，p型半导体中产生空穴，在其中间产生耗尽层（Depletion Layer）。当正向偏压(Forward Bias)加在pn结时，多余的载流子（Carrier）会经过耗尽至而渗透至对方。图6所示的是pn结能带，其中，图6(a)表示在平衡状态，图 6(b)表示在正向偏压时，图6(c)表示在注入高密度电流时的电子与空穴复合产生光的情况，至于不发光的复合，则有通过禁带中央深能级（Deep Trap Center）的复合以及在晶体中产生的热能损失。
当电子与空穴复合时产生不同波长的光，而光波λ与能量E间的关系是
其中，h是普朗克常数；c是光速。
所有的发光元件都需要具有高的内部量子效率（Internal Quantum Efficiency），即产生的光子（Photon）与进入pn结内的载流子之比，同时也要有高的外部量子效率（External Quantum Efficiency），即产生的发光光子数目与越过pn结的载流子数目之比，外部量子效率比内部量子效率低，原因之一是有些光在材料表面辐射之前被吸 收，而且光到达表面时只有低于临界角（Critical Angle）的光才能辐射。
要得到高的内部量子效率，一部分与结构有关，简单的pn结用同质结构（Homo-Structure）不易得到高效率，因为pn结材料间折射率之差低，光 的阈值也低，其结果如图7(a)所示。用图7(b)所示的双异质结构（DH：Double-Hetero Structure），可以提高效率。在双异质结构中，pn结材料与中间活性层（Active Region）的材料不同，带隙较高，可以得到较高的折射率之差，所辐射的光不但强而且半高宽较窄，如图7(b)所示，所以此种结构已完全取代同质结构。
目前，LED的活性层也采用了半导体激光器所用的量子阱(Quantum Well)结构，图8所示是量子阱能带图。当活性层的厚度减小到与德布罗意（de Broglie）波长相近时，量子力学现象出现，这些薄的活性层就是量子阱，量子阱的数目可以是一个到数十个，量子阱的带隙是不连续的 （Discrete），也是分离的。用量子阱可以得到小的临界电流（Threshold Current），同时量子阱的材料可以改变晶格不匹配以产生压缩性或者伸张性应变（Strain），这些应变可以改变波长并减少临界电流。
用AlGaAs及AlGaInP均可得到红光，用AlGaInN可以得到蓝光、绿光及紫外线，一般都用MOCVD(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法或OMVPE（Organic Metal Vapor Phase Epitaxial）法生长AlGaInP及AlGaInN材料，用不同量子阱材料得到不同颜色的LED。图9(a)所示是一些例子，例如用AlGaAs 得到649nm红光，用AlGaInP得到594nm的琥珀色光，用AlGaInN得到517nm的绿光及465nm与427nm的蓝光等。这些LED的 I-V（电流-电压）特性示于图9(b)。由图可见，AlGaAs DH LED 及AlGaInP DH LED 的I-V特性相近，效率r=2表示电流主要是用作发光的再复合，AlGaInN DH LED 则不同，低电流主要是隧道（Tunnelling）电流，但是AlGaInN SQW（单量子阱）低电流时 r=2，高电流时有高电阻。图10所示是可见光LED的发展史，自1970年左右开始红光LED的光功率不断上升，但是蓝光LED的特性到1992年后才突飞猛进。
Thursday, September 24, 2009
LED战国争雄
因为中村修二的发明，LED进入白光时代，使LED进入普通照明领域成为可能。也因为中村修二的倒戈，LED巨头间的知识产权纷争更具有戏剧化成分。随着日亚化学和中村修二诉讼的和解，LED巨头开始了合纵连横的战国争雄时代。
Cree报喜
2005年10月20日，世界领先的LED制造商Cree公司发布了2006财年第一季度业绩，其第1季获利2170万美元合每股28美分，超过预期的23美分。销售收入由 9590万美元增至1.039亿，也超过预期的1.028亿。
Cree公司CEO Chuck Swoboda说：“我们对公司超过预期每股收益感到很高兴。在激烈竞争的LED市场，这一成绩证明了公司在业界的领导地位，也是公司开拓手机白色背光源市场的战略的成功。同时我们对公司未来在照明和通讯市场的增长保持乐观。”
相比去年同期每股32美分的收益，Cree公司2006第一财务季度的每股收益略有下挫。这也是LED市场激烈竞争的反应。在LED的主要市场——移动设备背光源领域，市场成长不高，而价格下降却成为不可避免的趋势。
即便如此，标准普尔还是在今年7月给Cree公司以“强烈买入”的评级。与Cree同时被评为买入的还有互联网新星Google以及因为iPOD而如日中天的苹果公司。
今年8月，飞利浦公司宣布以9.5亿美元的代价取得了安捷伦持有的Lumileds公司47%的股份，加上原来持有的股份，飞利浦取得了 Lumileds公司96.5%的绝对控股权。作为世界3大照明器材供应商之一，飞利浦增持Lumileds公司的股份，也表达了对Led进入照明领域前景的信心。在交易完成后的9月28日，就有消息说飞利浦联合Lumileds公司开发汽车照明模块，以推动汽车制造商采用固态照明解决方案的进程。在 LED应用的另一个重要领域，LCD背光源部分，飞利浦也以15亿美元的代价取得了LG LCD半数股份。这样，飞利浦在LED时下增长最快的两个领域——汽车照明和LCD背光源部分，都能形成良好的整合关系。
实际上，Lumileds公司2004年的成绩也非常喜人，销售收入增长43％达到2.8亿美元，纯利润0.62亿美元，增长2倍。预期未来纯利润将保持在20—25％之间。
相比之下，年产60亿颗白光LED的日亚化学成绩更加突出，其产能几乎是Cree公司的2倍，2004年LED销售额接近20亿美元，税前利润超过50％。
2000年化合物半导体投资高峰过后，在华尔街消声匿迹的化合物半导体产业分析师，再次在白光LED领域找到了用武之地。白光LED产业可以用金矿来形容。
日亚好斗
因为中村修二的发明而领先世界LED产业的日亚化学成立于1956年。在1993年之前，公司主要的产品是荧光灯、显象管用的荧光粉，销售额也不过是200亿日元。
日亚化学先在1988年资助中村修二到美国佛罗里达州立大学研究有机金属气象法（MOCVD），1989年又从日本酸素制造购买了一台MOCVD设备供中村修二研究。其时整个产业界对蓝绿光LED都束手无策，而作为今天LED最主要材料的氮化镓，当时很难找到与之晶格常数相匹配的衬底，这样生长的外延片原子排列就不规则，发光效率无法提升。同时，作为发光二极管中不可缺少的部分P型GaN成长不易。因此在1990年前后，氮化物半导体研究几经周折，甚至当时日亚化学还一度中止了中村修二的研究。
技术的突破首先从被称为氮化物之父的名古屋大学的赤崎勇教授开始，他利用MOCVD在低温下成长了氮化铝缓冲层，而后在高温下成长氮化镓。随后，中村修二在1991年利用低温成长非结晶氮化镓缓冲层，再以高温成长氮化镓结晶。1989年，赤崎勇教授利用电子束照射得到P型氮化镓，中村修二直接利用热退火完成P型氮化镓的制作。这样，困扰氮化物半导体的两个重大问题先后被赤崎和中村攻克，从此开创了今天氮化物半导体在白光LED中的核心地位。
而日亚化学也因为中村修二“诺贝尔奖级别”的发明奠定了世界领先地位——1993年首先开发出蓝色LED，1997年开发出紫外LED，1999年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。
随着蓝光和白光LED产品的成熟，LED新的应用领域不断涌现。在赤崎勇教授的指导下，丰田合成首先开始了与日亚的竞争。同时也成为日亚化学发难的对象。1996年8月，日亚化学工业以侵犯该公司拥有的专利为由，向东京地方法院起诉了丰田合成。1997年8月，丰田合成反过来又以侵犯该公司拥有的专利为由，起诉了日亚化学工业。这样两家公司包括侵犯专利的诉讼及撤销专利厅判决的诉讼合计40件。日亚化学在 2000年8月及同年11月胜诉，而丰田合成则在2002年2月取得了2起诉讼的胜利。但无论对哪一项判决，败诉的一方均提起上诉。
在与国内对手丰田合成开战的同时，日亚化学还同远在美国的Cree公司争斗。1999年12月，日亚化学控告住友商事，指控其销售Cree公司的氮化镓蓝光LED侵犯专利，此案由东京地方法院于2001年5月作出驳回请求的判决。
接踵而至的是2001年5月Cree全资公司Cree Lighting状告日亚化学和日亚化学美国公司侵犯其专利，随后加入这一诉讼的还有波士顿大学以及和Cree有专利授权的Romh公司。
在这一场你来我往的专利诉讼中，2001年5月由东京地方法院作出的驳回日亚化学诉讼请求的判决倍受关注。日亚化学和住友商事争议的焦点在于Cree 公司的蓝光LED与日亚化学的蓝光专利是否相同，判决结果表明在蓝光LED的制造方法上，日亚化学的专利并不是唯一解，Cree公司独辟蹊径的结构得到承认。
在日亚化学和Cree激战正酣的时候，日亚化学的头号功臣中村修二也不满日亚化学对技术人员的待遇而愤然出走。根据后来诉讼公布的材料，中村修二在1999年离开日亚化学前几个月，曾经向Cree公司表示自己正在考虑与日亚化学专利无关的方法。
与日亚化学采用蓝宝石衬底不同，Cree公司采用炭化硅（SiC）作为衬底，在此基础上生长氮化镓外延片，由于炭化硅导电，而日亚化学采用的蓝宝石衬底不导电，因此制作LED二极管的结构就有了不同。日亚化学想通过扩大衬底的定义来模糊两者的差别，没有得到法院的支持。这样蓝光LED结构就不再为日亚化学一家所垄断。
2001年对日亚化学来说可谓流年不利，2000年前日亚化学的专利官司基本上是一边倒，几乎是无往不胜。但是2001年先是撞到了Cree阵营的铁板上，而更让日亚化学郁闷的是中村修二已经成为Cree公司研发的得力干将，并且对日亚化学提起了专利权不属于职务发明的确权之诉。如果诉讼成功，日亚化学专利权的根本将受到动摇。
受挫的日亚化学在2002年改变了策略，先后与丰田合成达成了和解合约，与Cree和Lumileds签署了相互进出口许可合同。从2002年开始，在日亚化学、丰田合成和Cree以及Lumileds公司之间达成了一系列的专利交叉许可协议。巨头之间的竞争开始走向合作的一面。最新的授权发生在 2005年5月，日亚化学和Cree就白色Led的交叉授权达成了协议，老冤家合作的程度越来越深入。
2004年8月，面对迅速崛起的中国台湾竞争者，日亚化学一改此前不授权多诉讼的策略，突然授权给台湾光磊科技公司蓝光专利。日亚化学的善举并非转性，实在是迫于欧美等企业授权的压力，努力保持一些收入。
中村修二发动“奴隶战争”
相比公司间的斗斗合合，中村修二与日亚化学的纠纷可以说是恩断义绝。2005年1月，历时5年的专利权纠纷以法律上的和解而告终。不得已选择和解的中村修二愤怒的面对记者：“他们（东京高等法院）连看都不看审理用的预备文件，就直接提出了调解建议。真不知道为什么还要做厚厚的庭审准备材料”，“东京地方法院先前判定的600亿日元的补偿金数额被认为过高，而判定仅有其百分之一的6亿日元是一个妥当的数字，并且按照这种逻辑来计算出贡献度，根本讲不通。”
和解后的中村修二可以从日亚化学得到8亿4千万日元的报酬，但是中村修二还是认为：“在东京高等法院所做的调解这件事上看，实际我们是完全败诉了。”业界的分析也证实了中村修二的感言。
中村修二诉讼的重点是“氮化物半导体结晶膜的成长方法”，并不包括另两项重要贡献——P型氮化镓的制造方法和氮化镓系化合物结晶成长方法。通过和解，日亚化学以6.08亿日元的代价取得了中村修二在职参与的191件专利以及未提出专利申请而为公司珍藏的其他技术。而支付给中村修二的8.4亿日元，其实还包括2.35亿日元的利息。中村修二为此将激烈的情绪指向了日本的司法制度，说出了“日本司法制度已经腐烂”的心声。
据英国《金融时报》的报道，中村修二为日亚化学作出了获取近2000亿日元收益的基本发明，但是日亚化学仅仅给中村修二区区2万日元的奖励，甚至还被调离研发一线，被国际同行称为“中村奴隶”。日亚化学在中村修二离开公司时，先是想以区区6000万日元的价格买断中村修二氮化物半导体的研究方向，被拒绝后就先发制人，2000年秋状告中村修二泄露公司秘密。一时在国际LED产业界，中村修二是否状告日亚化学成为最没有悬念的故事，而猜测什么时候起诉成为新的悬念。
在中村修二开始进军氮化物研究之初，日亚化学曾经下令中止研究。中村修二的执着才有了原创性发明,据此，中村修二提出了专利研究不属于职务发明的请求。1989年日亚化工虽然购买了日本酸素的MOCVD设备，但是按照设备手册根本无法试制足以商品化的氮化镓结晶薄膜，正是中村修二的不断改进才于 1990年2月突破了关键性的发明。日亚化学的投资早在专利的使用中收回，因此中村修二主张他对专利权的贡献是100％。
2004年1月，由东京地方法院作出的判决中，日亚化学应该支付给中村修二200亿日元，与和解最后达成的8.4亿日元相去甚远。
比较戏剧化的是为了取得诉讼胜利，日亚化学甚至提出中村修二发明不足以保证顺利生长蓝光LED，公司其他研究员研制出了其他更优质的氮化镓生产方法，想从根本上否定中村修二发明对氮化物半导体的基础作用。在达成和解以后，日亚化学还提出说明，1993年首次推出蓝光LED后，其他公司在1995年推出了亮度更好的蓝光LED，而其他公司目前销售的蓝光LED已经超过日亚化学1993年产品的20倍。日亚化学是想从这个角度否定中村修二专利作用，而忘记了1989年在氮化镓外延片研究陷入僵局时，公司管理层曾经下达过中止研究的命令，也忘记了没有中村修二和赤崎勇教授突破氮化物研究瓶颈，现在有没有氮化物研究这个方向都还存疑的事实。
对东京高等法院的法官，中村修二曾怒不可遏的表示：“只要有1%的可能性推翻高等法院的调解提案就不要进行调解，争取继续向最高法院上告”。然而律师方面提出的建议是最高法院提出等价补偿的法律依据与东京高等法院不会不同，向东京高等法院下达发回重审的命令几乎没有任何希望。无奈之下，中村修二只能接受和解的结局。在发出“个人不可能打赢大企业”叹息后，中村修二结合自己的遭遇，建议日本技术人员应该到更能够体现价值的国家从事研究工作。
达成和解以后，有业内分析师认为日亚化学官僚的领导层也许会就此更迭。而据参与日亚化学面试者在其博客网志记载，参与面试的不过廖廖数十人，日亚化学竟给人以迫害功臣、亏待员工的形象。
中村修二对日亚化学的诉讼不但在LED产业界广受关注，甚至成为日本知识产权领域的历史性事件。《日经电子》甚至就此发起了一次紧急调查。结果赞成美国企业研究员奖励制度的比例高达66.9%，此事对日本的冲击由此可见。
中国台湾工研院研究员在分析日亚化学的专利诉讼后得出这样的结论：知识产权个别收支好坏并不重要，对恶意侵权要断然采取法律行动；技术能力是创造市场的源泉，与知识产权价值并非一致；对于技术互补的竞争对手，积极采取交互授权的合作方式。
不过这位研究员还是遗漏了一点，蓝光LED并非由日亚化学一家所垄断，欧美同行的竞争压力改变了日亚化学的专利授权政策，最关键的是给台湾LED企业一个做大的机会。
后起之秀
2005年在中国台湾连续发生了两起大的并购，首先是元砷宣布以1比1.36换股比例并购联铨科技，接着晶元电以1比2.24的换股比例合并国联光电。经过此两次合并，在蓝光LED方面，晶元电与元砷都以月产两亿只的产能，排在月产5亿只的日亚化学、月产3.5亿只的Cree、月产2.5亿只的丰田合成之后，成为蓝色LED世界产能最大的前5强。而晶元电也因为这次合并，在四色LED产能方面跃居世界首位。
以元砷和晶元电为代表，台湾白光LED市场占有超过20％，成为仅次于日本的第二大供应地。而多年来困扰台湾LED业界的专利问题也因为开放授权而取得突破。
2005年，欧系照明及LED大厂欧司朗(Osram)再度对台湾厂商授权，包括此前李洲科技取得日本厂商萤光粉供货权，台湾共有5家厂商可免于白光专利威胁。
不过，欧司朗这张入场券代价不低。据了解，欧司朗白光授权首先必须先缴一笔2亿元台币授权金，而后在每个产品出货后，抽单价4-7%的权利金，再加上向欧司朗购买的萤光粉，这个代价并不是每个封装厂都可承受。
2004年日亚化工宣布，考虑与部分制造蓝色发光二极管（LED）等GaN系发光二极管的台湾厂商进行合作，包括提供授权在内。而此前的2003年，日亚化工一直与台湾的发光二极管芯片厂商晶元光电以及模块厂商亿光电子等发生专利纠纷。
回顾台湾地区LED产业的发展，也是历经波折。台湾的LED之父石修在日本开始MOCVD外延技术时，极力建议台湾省工业研究院建立MOCVD研发技术，但是其时主事者张忠谋以LED前途不明，德州仪器放弃了LED研究投入为由拒绝。
10年后，石修建议台湾省着手MOCVD关键技术，摆脱台湾省外延芯片依赖欧美日的局面。好在此次恰逢世界LED产业投资高峰，工研院接受了建议。上世纪90年代末，工研院出来的研究团队以及国外回中国台湾人才创立了晶元光电、国联、胜阳等外延片厂商，掌握了高亮度外延片制造技术，弥补了台湾省上游 LED产业缺口。目前中国台湾高亮度外延片设备多达140余部，外延片自给率高居80％，也打破了日亚化工等全球独大的市场。
面对目前台湾省LED受困于专利的局面，国联光电董事长也认为，如果台湾省早在15年前大力扶植LED产业，不任企业自生自灭，也许高亮LED关键技术也不会受制于人。
对有自主专利在手的日亚化工、Cree、丰田合成以及Lumileds和欧思朗，通过交叉授权提高市场反应能力，同时面对产能扩张迅速，并有成本优势的中国台湾企业，则采取专利授权的办法尽量获取权利收入。在手机和LCD背光源市场，白光LED性能已经满足要求，现在的问题是成本仍然过于高昂，而进入汽车车前灯甚至普通照明领域，现有的白光LED性能还略显不足。这样，在蓝光LED领域，专利授权和合作成为主流；而在有望取得更高发光效率的紫外光领域，各家在研发上的竞争正如火如荼的进行。市场短暂的平稳也必然随着紫光LED的突破而重新趋于激烈。
来源：《中国科技财富》
Cree报喜
2005年10月20日，世界领先的LED制造商Cree公司发布了2006财年第一季度业绩，其第1季获利2170万美元合每股28美分，超过预期的23美分。销售收入由 9590万美元增至1.039亿，也超过预期的1.028亿。
Cree公司CEO Chuck Swoboda说：“我们对公司超过预期每股收益感到很高兴。在激烈竞争的LED市场，这一成绩证明了公司在业界的领导地位，也是公司开拓手机白色背光源市场的战略的成功。同时我们对公司未来在照明和通讯市场的增长保持乐观。”
相比去年同期每股32美分的收益，Cree公司2006第一财务季度的每股收益略有下挫。这也是LED市场激烈竞争的反应。在LED的主要市场——移动设备背光源领域，市场成长不高，而价格下降却成为不可避免的趋势。
即便如此，标准普尔还是在今年7月给Cree公司以“强烈买入”的评级。与Cree同时被评为买入的还有互联网新星Google以及因为iPOD而如日中天的苹果公司。
今年8月，飞利浦公司宣布以9.5亿美元的代价取得了安捷伦持有的Lumileds公司47%的股份，加上原来持有的股份，飞利浦取得了 Lumileds公司96.5%的绝对控股权。作为世界3大照明器材供应商之一，飞利浦增持Lumileds公司的股份，也表达了对Led进入照明领域前景的信心。在交易完成后的9月28日，就有消息说飞利浦联合Lumileds公司开发汽车照明模块，以推动汽车制造商采用固态照明解决方案的进程。在 LED应用的另一个重要领域，LCD背光源部分，飞利浦也以15亿美元的代价取得了LG LCD半数股份。这样，飞利浦在LED时下增长最快的两个领域——汽车照明和LCD背光源部分，都能形成良好的整合关系。
实际上，Lumileds公司2004年的成绩也非常喜人，销售收入增长43％达到2.8亿美元，纯利润0.62亿美元，增长2倍。预期未来纯利润将保持在20—25％之间。
相比之下，年产60亿颗白光LED的日亚化学成绩更加突出，其产能几乎是Cree公司的2倍，2004年LED销售额接近20亿美元，税前利润超过50％。
2000年化合物半导体投资高峰过后，在华尔街消声匿迹的化合物半导体产业分析师，再次在白光LED领域找到了用武之地。白光LED产业可以用金矿来形容。
日亚好斗
因为中村修二的发明而领先世界LED产业的日亚化学成立于1956年。在1993年之前，公司主要的产品是荧光灯、显象管用的荧光粉，销售额也不过是200亿日元。
日亚化学先在1988年资助中村修二到美国佛罗里达州立大学研究有机金属气象法（MOCVD），1989年又从日本酸素制造购买了一台MOCVD设备供中村修二研究。其时整个产业界对蓝绿光LED都束手无策，而作为今天LED最主要材料的氮化镓，当时很难找到与之晶格常数相匹配的衬底，这样生长的外延片原子排列就不规则，发光效率无法提升。同时，作为发光二极管中不可缺少的部分P型GaN成长不易。因此在1990年前后，氮化物半导体研究几经周折，甚至当时日亚化学还一度中止了中村修二的研究。
技术的突破首先从被称为氮化物之父的名古屋大学的赤崎勇教授开始，他利用MOCVD在低温下成长了氮化铝缓冲层，而后在高温下成长氮化镓。随后，中村修二在1991年利用低温成长非结晶氮化镓缓冲层，再以高温成长氮化镓结晶。1989年，赤崎勇教授利用电子束照射得到P型氮化镓，中村修二直接利用热退火完成P型氮化镓的制作。这样，困扰氮化物半导体的两个重大问题先后被赤崎和中村攻克，从此开创了今天氮化物半导体在白光LED中的核心地位。
而日亚化学也因为中村修二“诺贝尔奖级别”的发明奠定了世界领先地位——1993年首先开发出蓝色LED，1997年开发出紫外LED，1999年蓝紫色LED样品开始出货，2001年开始提供白光LED。
随着蓝光和白光LED产品的成熟，LED新的应用领域不断涌现。在赤崎勇教授的指导下，丰田合成首先开始了与日亚的竞争。同时也成为日亚化学发难的对象。1996年8月，日亚化学工业以侵犯该公司拥有的专利为由，向东京地方法院起诉了丰田合成。1997年8月，丰田合成反过来又以侵犯该公司拥有的专利为由，起诉了日亚化学工业。这样两家公司包括侵犯专利的诉讼及撤销专利厅判决的诉讼合计40件。日亚化学在 2000年8月及同年11月胜诉，而丰田合成则在2002年2月取得了2起诉讼的胜利。但无论对哪一项判决，败诉的一方均提起上诉。
在与国内对手丰田合成开战的同时，日亚化学还同远在美国的Cree公司争斗。1999年12月，日亚化学控告住友商事，指控其销售Cree公司的氮化镓蓝光LED侵犯专利，此案由东京地方法院于2001年5月作出驳回请求的判决。
接踵而至的是2001年5月Cree全资公司Cree Lighting状告日亚化学和日亚化学美国公司侵犯其专利，随后加入这一诉讼的还有波士顿大学以及和Cree有专利授权的Romh公司。
在这一场你来我往的专利诉讼中，2001年5月由东京地方法院作出的驳回日亚化学诉讼请求的判决倍受关注。日亚化学和住友商事争议的焦点在于Cree 公司的蓝光LED与日亚化学的蓝光专利是否相同，判决结果表明在蓝光LED的制造方法上，日亚化学的专利并不是唯一解，Cree公司独辟蹊径的结构得到承认。
在日亚化学和Cree激战正酣的时候，日亚化学的头号功臣中村修二也不满日亚化学对技术人员的待遇而愤然出走。根据后来诉讼公布的材料，中村修二在1999年离开日亚化学前几个月，曾经向Cree公司表示自己正在考虑与日亚化学专利无关的方法。
与日亚化学采用蓝宝石衬底不同，Cree公司采用炭化硅（SiC）作为衬底，在此基础上生长氮化镓外延片，由于炭化硅导电，而日亚化学采用的蓝宝石衬底不导电，因此制作LED二极管的结构就有了不同。日亚化学想通过扩大衬底的定义来模糊两者的差别，没有得到法院的支持。这样蓝光LED结构就不再为日亚化学一家所垄断。
2001年对日亚化学来说可谓流年不利，2000年前日亚化学的专利官司基本上是一边倒，几乎是无往不胜。但是2001年先是撞到了Cree阵营的铁板上，而更让日亚化学郁闷的是中村修二已经成为Cree公司研发的得力干将，并且对日亚化学提起了专利权不属于职务发明的确权之诉。如果诉讼成功，日亚化学专利权的根本将受到动摇。
受挫的日亚化学在2002年改变了策略，先后与丰田合成达成了和解合约，与Cree和Lumileds签署了相互进出口许可合同。从2002年开始，在日亚化学、丰田合成和Cree以及Lumileds公司之间达成了一系列的专利交叉许可协议。巨头之间的竞争开始走向合作的一面。最新的授权发生在 2005年5月，日亚化学和Cree就白色Led的交叉授权达成了协议，老冤家合作的程度越来越深入。
2004年8月，面对迅速崛起的中国台湾竞争者，日亚化学一改此前不授权多诉讼的策略，突然授权给台湾光磊科技公司蓝光专利。日亚化学的善举并非转性，实在是迫于欧美等企业授权的压力，努力保持一些收入。
中村修二发动“奴隶战争”
相比公司间的斗斗合合，中村修二与日亚化学的纠纷可以说是恩断义绝。2005年1月，历时5年的专利权纠纷以法律上的和解而告终。不得已选择和解的中村修二愤怒的面对记者：“他们（东京高等法院）连看都不看审理用的预备文件，就直接提出了调解建议。真不知道为什么还要做厚厚的庭审准备材料”，“东京地方法院先前判定的600亿日元的补偿金数额被认为过高，而判定仅有其百分之一的6亿日元是一个妥当的数字，并且按照这种逻辑来计算出贡献度，根本讲不通。”
和解后的中村修二可以从日亚化学得到8亿4千万日元的报酬，但是中村修二还是认为：“在东京高等法院所做的调解这件事上看，实际我们是完全败诉了。”业界的分析也证实了中村修二的感言。
中村修二诉讼的重点是“氮化物半导体结晶膜的成长方法”，并不包括另两项重要贡献——P型氮化镓的制造方法和氮化镓系化合物结晶成长方法。通过和解，日亚化学以6.08亿日元的代价取得了中村修二在职参与的191件专利以及未提出专利申请而为公司珍藏的其他技术。而支付给中村修二的8.4亿日元，其实还包括2.35亿日元的利息。中村修二为此将激烈的情绪指向了日本的司法制度，说出了“日本司法制度已经腐烂”的心声。
据英国《金融时报》的报道，中村修二为日亚化学作出了获取近2000亿日元收益的基本发明，但是日亚化学仅仅给中村修二区区2万日元的奖励，甚至还被调离研发一线，被国际同行称为“中村奴隶”。日亚化学在中村修二离开公司时，先是想以区区6000万日元的价格买断中村修二氮化物半导体的研究方向，被拒绝后就先发制人，2000年秋状告中村修二泄露公司秘密。一时在国际LED产业界，中村修二是否状告日亚化学成为最没有悬念的故事，而猜测什么时候起诉成为新的悬念。
在中村修二开始进军氮化物研究之初，日亚化学曾经下令中止研究。中村修二的执着才有了原创性发明,据此，中村修二提出了专利研究不属于职务发明的请求。1989年日亚化工虽然购买了日本酸素的MOCVD设备，但是按照设备手册根本无法试制足以商品化的氮化镓结晶薄膜，正是中村修二的不断改进才于 1990年2月突破了关键性的发明。日亚化学的投资早在专利的使用中收回，因此中村修二主张他对专利权的贡献是100％。
2004年1月，由东京地方法院作出的判决中，日亚化学应该支付给中村修二200亿日元，与和解最后达成的8.4亿日元相去甚远。
比较戏剧化的是为了取得诉讼胜利，日亚化学甚至提出中村修二发明不足以保证顺利生长蓝光LED，公司其他研究员研制出了其他更优质的氮化镓生产方法，想从根本上否定中村修二发明对氮化物半导体的基础作用。在达成和解以后，日亚化学还提出说明，1993年首次推出蓝光LED后，其他公司在1995年推出了亮度更好的蓝光LED，而其他公司目前销售的蓝光LED已经超过日亚化学1993年产品的20倍。日亚化学是想从这个角度否定中村修二专利作用，而忘记了1989年在氮化镓外延片研究陷入僵局时，公司管理层曾经下达过中止研究的命令，也忘记了没有中村修二和赤崎勇教授突破氮化物研究瓶颈，现在有没有氮化物研究这个方向都还存疑的事实。
对东京高等法院的法官，中村修二曾怒不可遏的表示：“只要有1%的可能性推翻高等法院的调解提案就不要进行调解，争取继续向最高法院上告”。然而律师方面提出的建议是最高法院提出等价补偿的法律依据与东京高等法院不会不同，向东京高等法院下达发回重审的命令几乎没有任何希望。无奈之下，中村修二只能接受和解的结局。在发出“个人不可能打赢大企业”叹息后，中村修二结合自己的遭遇，建议日本技术人员应该到更能够体现价值的国家从事研究工作。
达成和解以后，有业内分析师认为日亚化学官僚的领导层也许会就此更迭。而据参与日亚化学面试者在其博客网志记载，参与面试的不过廖廖数十人，日亚化学竟给人以迫害功臣、亏待员工的形象。
中村修二对日亚化学的诉讼不但在LED产业界广受关注，甚至成为日本知识产权领域的历史性事件。《日经电子》甚至就此发起了一次紧急调查。结果赞成美国企业研究员奖励制度的比例高达66.9%，此事对日本的冲击由此可见。
中国台湾工研院研究员在分析日亚化学的专利诉讼后得出这样的结论：知识产权个别收支好坏并不重要，对恶意侵权要断然采取法律行动；技术能力是创造市场的源泉，与知识产权价值并非一致；对于技术互补的竞争对手，积极采取交互授权的合作方式。
不过这位研究员还是遗漏了一点，蓝光LED并非由日亚化学一家所垄断，欧美同行的竞争压力改变了日亚化学的专利授权政策，最关键的是给台湾LED企业一个做大的机会。
后起之秀
2005年在中国台湾连续发生了两起大的并购，首先是元砷宣布以1比1.36换股比例并购联铨科技，接着晶元电以1比2.24的换股比例合并国联光电。经过此两次合并，在蓝光LED方面，晶元电与元砷都以月产两亿只的产能，排在月产5亿只的日亚化学、月产3.5亿只的Cree、月产2.5亿只的丰田合成之后，成为蓝色LED世界产能最大的前5强。而晶元电也因为这次合并，在四色LED产能方面跃居世界首位。
以元砷和晶元电为代表，台湾白光LED市场占有超过20％，成为仅次于日本的第二大供应地。而多年来困扰台湾LED业界的专利问题也因为开放授权而取得突破。
2005年，欧系照明及LED大厂欧司朗(Osram)再度对台湾厂商授权，包括此前李洲科技取得日本厂商萤光粉供货权，台湾共有5家厂商可免于白光专利威胁。
不过，欧司朗这张入场券代价不低。据了解，欧司朗白光授权首先必须先缴一笔2亿元台币授权金，而后在每个产品出货后，抽单价4-7%的权利金，再加上向欧司朗购买的萤光粉，这个代价并不是每个封装厂都可承受。
2004年日亚化工宣布，考虑与部分制造蓝色发光二极管（LED）等GaN系发光二极管的台湾厂商进行合作，包括提供授权在内。而此前的2003年，日亚化工一直与台湾的发光二极管芯片厂商晶元光电以及模块厂商亿光电子等发生专利纠纷。
回顾台湾地区LED产业的发展，也是历经波折。台湾的LED之父石修在日本开始MOCVD外延技术时，极力建议台湾省工业研究院建立MOCVD研发技术，但是其时主事者张忠谋以LED前途不明，德州仪器放弃了LED研究投入为由拒绝。
10年后，石修建议台湾省着手MOCVD关键技术，摆脱台湾省外延芯片依赖欧美日的局面。好在此次恰逢世界LED产业投资高峰，工研院接受了建议。上世纪90年代末，工研院出来的研究团队以及国外回中国台湾人才创立了晶元光电、国联、胜阳等外延片厂商，掌握了高亮度外延片制造技术，弥补了台湾省上游 LED产业缺口。目前中国台湾高亮度外延片设备多达140余部，外延片自给率高居80％，也打破了日亚化工等全球独大的市场。
面对目前台湾省LED受困于专利的局面，国联光电董事长也认为，如果台湾省早在15年前大力扶植LED产业，不任企业自生自灭，也许高亮LED关键技术也不会受制于人。
对有自主专利在手的日亚化工、Cree、丰田合成以及Lumileds和欧思朗，通过交叉授权提高市场反应能力，同时面对产能扩张迅速，并有成本优势的中国台湾企业，则采取专利授权的办法尽量获取权利收入。在手机和LCD背光源市场，白光LED性能已经满足要求，现在的问题是成本仍然过于高昂，而进入汽车车前灯甚至普通照明领域，现有的白光LED性能还略显不足。这样，在蓝光LED领域，专利授权和合作成为主流；而在有望取得更高发光效率的紫外光领域，各家在研发上的竞争正如火如荼的进行。市场短暂的平稳也必然随着紫光LED的突破而重新趋于激烈。
来源：《中国科技财富》
Saturday, April 05, 2008
有机发光二极管制造技术取得突破
如果装修新房时能将含有OLED（有机发光二极管）材料的不同颜色“墙纸”，随心所欲地剪成自己所需要的形状，贴在墙面或屋顶后再通上电，如此便拥有色彩艳丽、分布均匀的墙壁照明。据通用电气公司提供的消息，3月19日该公司宣布在OLED制造技术上所取得的重大突破将让这一想象变为现实。
这项技术是世界上首次成功采用卷对卷的“旋涂”方式生产OLED。此项技术将大幅降低OLED及其它高效能有机电子产品的生产成本，实现了照明方式的一次飞跃，让平面照明进入商业应用不再是一种奢望。
OLED照明是全球各大公司重点发展的技术。虽然其技术上已经可以实现应用，但由于OLED不能够大规模生产，平面照明只能因为成本过高而留在实验室里。通用电气公司有机电子高级技术项目经理阿尼尔•达格表示，长期以来研究人员一直梦想能够像印刷报纸一样通过“卷对卷”的旋涂方式生产 OLED，现在我们证明这是可以实现的，从而满足了照明商业应用低成本的要求。
通用电气公司中国研发中心总裁陈向力博士说：“商业化OLED照明时代即将到来，这项低成本的旋涂工艺将打破目前阻碍OLED照明大规模应用的屏障，建筑师们将拥有更多非常‘现代’的设计选择，我们的很多生活习惯和观念也将因此改变。”
OLED器件由两个电极板之间夹一层或多层半导体有机薄膜构成，通电后有机薄膜可发射出强光。作为下一代平面分布式固态光源，其具有轻薄、可弯折及高效能的特点，可用于照明系统、平面显示等诸多家用及商业领域。今后，不仅铺满墙面和顶棚的“墙纸灯”将可能取代传统的灯具，电脑的显示屏也将被卷成筒状而随身携带。作为高效光源，该技术还有大幅提高发光效率、节约能源的潜力。
这项技术是世界上首次成功采用卷对卷的“旋涂”方式生产OLED。此项技术将大幅降低OLED及其它高效能有机电子产品的生产成本，实现了照明方式的一次飞跃，让平面照明进入商业应用不再是一种奢望。
OLED照明是全球各大公司重点发展的技术。虽然其技术上已经可以实现应用，但由于OLED不能够大规模生产，平面照明只能因为成本过高而留在实验室里。通用电气公司有机电子高级技术项目经理阿尼尔•达格表示，长期以来研究人员一直梦想能够像印刷报纸一样通过“卷对卷”的旋涂方式生产 OLED，现在我们证明这是可以实现的，从而满足了照明商业应用低成本的要求。
通用电气公司中国研发中心总裁陈向力博士说：“商业化OLED照明时代即将到来，这项低成本的旋涂工艺将打破目前阻碍OLED照明大规模应用的屏障，建筑师们将拥有更多非常‘现代’的设计选择，我们的很多生活习惯和观念也将因此改变。”
OLED器件由两个电极板之间夹一层或多层半导体有机薄膜构成，通电后有机薄膜可发射出强光。作为下一代平面分布式固态光源，其具有轻薄、可弯折及高效能的特点，可用于照明系统、平面显示等诸多家用及商业领域。今后，不仅铺满墙面和顶棚的“墙纸灯”将可能取代传统的灯具，电脑的显示屏也将被卷成筒状而随身携带。作为高效光源，该技术还有大幅提高发光效率、节约能源的潜力。
Tuesday, February 26, 2008
美研究生发明重力灯 使用寿命长达200年
据国外媒体报道，在最近举行的“新手发明者大会”(GGC)上，美国一名研究生发明的“重力电灯”获得了二等奖。“重力电灯”依靠重力产生电力，其亮度相当于一个12瓦的日光灯，使用寿命可以达到200年。来自美国弗吉尼亚州的克雷·毛尔顿，去年在弗吉尼亚科技大学获得了硕士学位。他的研究课题是一种使用发光二极管制成的灯具，这种灯具被命名为“格拉维亚”，它事实上是一个高度略大于4 英尺(约1.21米)、由丙烯酸材料做成的柱体。这种灯具的发光原理是：灯具上的重物在缓缓落下时带动转子旋转，由旋转产生的电能将给灯具通电并使其发光。
这种灯具的光通量为600至800流明(相当于一个12瓦日光灯的亮度)，持续时间为4小时。要打开灯具，操作者只需将灯上的重物从底端移到顶部，将其放进顶部的凹槽里。让重物缓缓下降，只需几秒钟，这种发光二极管灯具即被点亮。
克雷·毛尔顿说，操作这种灯当然要比按开关麻烦，但仍可接受，而且更显有趣，这就好给一款古典的钟表上弦或悠然自得地冲上一杯可口的咖啡。毛尔顿估计，格拉维亚灯具的使用寿命可以达到200年以上。目前，这种名为“格拉维亚”的灯具已经申请并获得了专利。
Wednesday, January 09, 2008
LED照亮中国：LED小资料
http://stock.163.com 2005-10-28 15:55:48 来源: 中国科技财富 网友评论 0 条
《中国科技财富》2005年10月刊 作者：黄建军
技术资料
外延片生长
外延生长的基本原理是，在一块加热至适当温度的衬底基片（主要有红宝石和SiC两种）上，气态物质In,Ga,Al,P有控制的输送到衬底表面，生长出特定单晶薄膜。目前LED外延片生长技术主要采用有机金属化学气相沉积方法。
MOCVD
金属有机物化学气相淀积（Metal- OrganicChemicalVaporDeposition，简称 MOCVD）， 1968年由美国洛克威尔公司提出来的一项制备化合物半导体单品薄膜的新技术。该设备集精密机械、半导体材料、真空电子、流体力学、光学、化学、计算机多 学科为一体，是一种自动化程度高、价格昂贵、技术集成度高的尖端光电子专用设备，主要用于GaN（氮化镓）系半导体材料的外延生长和蓝色、绿色或紫外发光 二极管芯片的制造，也是光电子行业最有发展前途的专用设备之一。
公司情况
日亚化工（株）
日亚化工是GaN系的开拓者，在LED和激光领域居世界首位。在蓝色、白色LED市场遥遥领 先于其他同类企业。它以蓝色LED的开发而闻名于全球，与此同时，它又是以荧光粉为主要产品的规模最大的精细化工厂商。它的荧光粉生产在日本国内市场占据 70％的比例，在全球则占据36％的市场份额。荧光粉除了灯具专用的以外，还有CRT专用、PDP专用、X光专用等类型，这成为日亚化工扩大LED事业的 坚实基础。除此以外，日亚化工还生产磁性材料、电池材料以及薄膜材料等精细化工制品，广泛地涉足于光的各个领域。
在该公司LED的生产当中，70％是白色LED，主要有单色芯片型和RGB三色型两大类型。 此外，该公司是世界上唯一一家可以同时量产蓝色LED和紫外线LED两种产品的厂商。以此为基础，日亚化工不断开发出新产品，特别是在SMD（表面封装） 型的高能LED方面，新品层出不穷。
2004年10月，日亚化工开发出了发光效率为50lm/W的高能白色LED。该产品成功地 将之前量产产品约20lm/W的发光效率提高了2.5倍。同月底，日亚化工开始向特定客户提供这种产品的样品，并计划在2005年夏季之前使其月产量达到 100万个。新LED主要针对车载专用前灯和照明市场。它的光亮度胜过HID光源，因此对目前占据15％车前灯市场的HID光源（High Intensity Cischarge）构成了很大的威胁。日亚化工计划于2006年上半年正式批量生产该产品，并计划于2007年，以与HID同样的价格正式销售这种更明 亮的产品。
以蓝色、白色LED市场的扩大为起爆剂，日亚化工的总销售额也呈现出逐年上升的势头，由 1996年的290亿日元增长到2003年的1810亿日元。这期间，荧光粉的销售额每年基本稳定在300亿日元左右。到2003年，LED相关产品的销 售额已经占了总销售额的85.1％，为1540亿日元。2003年全球LED市场约为6000亿日元，因此，日亚化工占据了约25％的全球市场份额。
目前日亚化学的紫外460nmLED，外部量子效率达到36%，白色发光效率达到60 lm/W。
丰田合成（株）
如果将LED比喻为汽车，那么可以说，日亚化工提出了车轮和发动机的概念，而丰田合成则提出 了车体和轮胎的概念。1986年，受名誉教授赤崎先生的委托，丰田合成利用自身在汽车零部件薄膜技术方面的积累，开始展开LED方面的研发工作。1987 年，受科学技术振兴事业团的开发委托，丰田合成成功地在蓝宝石上形成了LED电极。因此，把丰田合成誉为“蓝色LED的先锋”并不为过。
丰田合成在近年来的发展速度也相当快。1998年，其销售额为63亿日元，但到2002年， 已增长至252亿日元。2003年，由于手机白色光源亮度不足、中国台湾和韩国等地采取低价策略以及欧洲显示屏市场的低迷等诸多原因，致使丰田合成没能完 成原计划销售340亿日元的任务，但是其销售额和利润均达到历史最高水平。
其中增长最多的是手机专用的白色LED。由2002年的27亿日元增长为123亿日元，占总销售额的四成。其余的为蓝色、蓝绿色和3in1型的白色LED。2003年，国内销售占8成，为237亿日元。海外销售：亚洲47亿日元。
在应用方面，手机占了72％。此外应用较多的还有液晶背光、按键、背面液晶背光（3in1）等。信号设备、大型显示屏等方面的应用也比较多。2004年，丰田合成原计划销售420亿日元，但由于手机市场低迷，于是不得不将销售计划修正为300亿日元。
为了攻夺日亚化工占据手机背光市场90％的市场份额，丰田合成意图提高白色LED的光亮度， 于2004年秋季开发出光亮度为1000mcd级的白色LED“TG WHITE Ⅱ”，这比原来的600－700mcd亮了很多。紧接着，丰田化合又开始开发1300mcd的白色LED。
此外，汽车导航系统和电脑专用液晶控制器、TV专用大型液晶的背光等也是丰田化合的目标市 场。照明应用方面的设计开发也正在紧锣密鼓之中。丰田化合的生产据点除了爱知县平和町的工厂以外，还在佐贺县武雄市建立了生产蓝色LED等GaN LED的第二个生产据点。其设备投资总额达156亿日元，计划2006年月产量达到2亿个。届时两个工厂的总生产能力可达到月产4.2亿个，其目标是 2008年LED的销售额达到1200亿日元。
Lumileds
创建于1999年，Lumileds照明是世界著名的LED生产商，在包括自动照明、计算机 显示、液晶电视、信号灯及通用照明在内的固态照明应用领域中居领先地位。公司获得专利的Luxeon是首次将传统照明与具有小针脚、长寿命等优点的LED 相结合的高功率发光材料。公司也提供核心LED材料和LED封装产品，每年LEDs的产品达数十亿只，是世界上最亮的红光、琥珀光、蓝光、绿光和白光 LED生产商。公司总部在加利福尼亚州的圣荷塞，在荷兰、日本和马来西亚有分支机构，并且拥有遍及全球各地的销售网络。
Lumileds的前身是40年前惠普公司的光电子事业部。是惠普的专家们从无到有创建的。 到了90年代后期，在意识固态发光的前景后，惠普和当时世界上最大的照明设备公司之一的飞利浦公司开始了如何一起发展最新的固态照明技术并引入市场的计 划。1999年惠普公司一分为二，她的光电子事业部被安捷伦技术公司收购，同年11月，巨大的市场潜力促使安捷伦和飞利浦组成了Lumileds公司，赋 予其开发世界上亮度最大的LED发光材料的使命，并向市场推广。今天的Lumileds，作为一个安捷伦科技和飞利浦照明的合资公司，继续领导着世界固态 照明产业的发展。
GELcore
GELcore是GE照明与EMCORE公司的合资公司，创建于1999年1月，总部位于美 国新泽西州。公司致力于高亮度LED产品的研发和生产。通过把GE先进的照明技术、品牌优势和全球渠道与EMCORE权威的半导体技术相结合， GELcore已经在转变人们对照明的认识过程中扮演了重要的角色。GELcore现有的产品包括大功率LED交通信号灯、大型景观灯、其他建筑、消费和 特殊照明应用等。通过把电子、光学、机械和热能管理等各个领域的技术相结合，GELcore加快了LED技术的应用并创造了世界级的LED系统。另外， GELcore还利用独特的客户管理系统来和那些LED专家和产品应用客户保持长期的友好关系。
大洋日酸
大洋日酸公司的有机金属气象化学沉淀技术的研究和开发可以追溯到1983年，在日本80年代 整个化合物半导体工业革命大背景之下产生。大洋日酸研发了一系列高纯度气体如AsH3, PH3 和 NH3 的专业应用技术，以及用于生产LD和LED产品的MOVPE设备。大洋日酸还开发了用于吸收这些应用产生的大量废气的净化系统，并使之商品化。到目前为 止，大洋日酸已经为从研发机构到生产厂商等有着不同需求的客户提供了超过450台的MOCVD设备。其中大洋日酸的GaN-MOCVD SR 系列，包括SR-2000 和 SR-6000是专门为蓝色镓氮LED、半导体激光和电子设备的研究和生产而设计。
Cree
Cree公司建于1987年，位于美国加利福尼亚洲。研制开发并生产基于碳化硅（SiC）、 氮化镓（GaN）、硅（Si）和相关化合物的材料与设备。公司的产品包括绿光、蓝光和紫外光LEDs，近紫外激光、射频和微波半导体设备，电源转换设备和 半导体集成芯片。这些产品的目标应用包括固态照明、光学存储、无线基础和电路转换等。公司的大部分利润来自于LED产品和SiC、GaN材料的生产，产品 销往北美、欧洲和亚洲。
目前Cree 460nmLED, 外部量子效率47%，白色发光效率 80lm/W。
Osram
OSRAM是全世界最大的两个照明生厂商之一。建于1919年，最大的股东为Siemens AG，总部位于慕尼黑，在全世界拥有超过36,000的员工。OSRAM 商标早在1906年注册，到目前为止是世界公认的历史最悠久的商标名称之一。OSRAM已经从一个传统的灯泡厂商发展成为一个照明领域的高科技公司。 2004财年的销售额达到42亿欧元，服务于140多个国家的个人客户和19个国家的50多家厂商。目前，公司大约有三分之一的收入来自于光电半导体和 LED，长期来看，这个数字还将上升到50% 。
Tuesday, April 24, 2007
世界首台点阵模块全彩色LED超高均匀度显示屏问世
中科院长春光机与物理研究所长春希达电子技术有限公司历经十多年的科技攻关，日前研制出世界首台点阵模块全彩色LED超高均匀度显示屏。
据研制负责人王瑞光研究员介绍，该LED显示屏的核心技术是拥有完全自主知识产权的“适合大规模批量化生产的LED显示屏亮度、色度逐点一致化校正技术”，这一成果已申请了12项专利，其中国家发明专利9项，标志着我国LED显示屏已跻身世界先进行列。
通常LED显示屏是由几十万或几百万个半导体元器件（发光二极管）组成的，由于元器件本身的离散性，很难做到显示屏高均匀度。“LED全色大屏幕显示屏”，使用亮度和色彩补偿技术，彻底解决了显示屏的均匀性问题，实现发光基色的亮度可独立调节，消除显示时的各种色彩偏差，确保整屏色彩、亮度的均匀性、一致性；使用高精度显示灰度控制技术，使显示屏具有4万亿种颜色表现能力，可以非线性地复现 1600万种颜色，使图像层次更细腻，色彩过渡更柔和，图像更逼真；使用业界领先的控制系统，保证显示屏获得最佳图像质量。
“点阵模块全彩色LED超高均匀度显示屏”还有一个显著的特点，就是原材料成本最低、生产工艺简单、质量稳定，其制作成本比目前通用的“单灯分立LED显示屏”成本降低20%左右。
作者：张兆军 来源：科技日报
据研制负责人王瑞光研究员介绍，该LED显示屏的核心技术是拥有完全自主知识产权的“适合大规模批量化生产的LED显示屏亮度、色度逐点一致化校正技术”，这一成果已申请了12项专利，其中国家发明专利9项，标志着我国LED显示屏已跻身世界先进行列。
通常LED显示屏是由几十万或几百万个半导体元器件（发光二极管）组成的，由于元器件本身的离散性，很难做到显示屏高均匀度。“LED全色大屏幕显示屏”，使用亮度和色彩补偿技术，彻底解决了显示屏的均匀性问题，实现发光基色的亮度可独立调节，消除显示时的各种色彩偏差，确保整屏色彩、亮度的均匀性、一致性；使用高精度显示灰度控制技术，使显示屏具有4万亿种颜色表现能力，可以非线性地复现 1600万种颜色，使图像层次更细腻，色彩过渡更柔和，图像更逼真；使用业界领先的控制系统，保证显示屏获得最佳图像质量。
“点阵模块全彩色LED超高均匀度显示屏”还有一个显著的特点，就是原材料成本最低、生产工艺简单、质量稳定，其制作成本比目前通用的“单灯分立LED显示屏”成本降低20%左右。
作者：张兆军 来源：科技日报
Subscribe to:
Posts (Atom)