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。拿傳統的紅光AlGaInP LED和新型InGaNP LED作比較，發(fā)現后者發(fā)光亮度更強，適合做大屏幕彩顯的背光單元。

在參與到普通照明市場(chǎng)的競爭之后，藍光和白光LED的性能有了巨大的提升，這與應用在大型彩色屏幕、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(lái)的新公司Quanlight，已經(jīng)開(kāi)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(guò)把傳統的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，并且它對溫度變化不甚敏感。這將對那些需要穩定紅光輸出的高質(zhì)量圖像來(lái)說(shuō)有幫助，適合大屏幕彩色顯示等應用。

傳統的紅光LED已經(jīng)用在汽車(chē)的剎車(chē)燈上，當轉向基于InGaPN的器件以后，車(chē)燈的亮度得到提高，所需器件數目得到降低。來(lái)源：BMW公司

這項關(guān)鍵技術(shù)的核心來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）的研究成果。由charles Tu領(lǐng)導的UCSD團隊，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(lái)是紅色發(fā)光管另一種理想的材料。InGaPN和GaP一經(jīng)結合，就能產(chǎn)生比AlInGaP基LED更大的能帶差的異質(zhì)結。計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，對它知之甚少并難以生長(cháng)，InGaPN就已經(jīng)有了一些令人振奮的初步結果。

UCSD的研究人員設法設計了一個(gè)有效的原型LED，在器件性能方面如預料中那樣實(shí)現了幾項提升，包括縮短了發(fā)射波長(cháng)隨著(zhù)溫度的漂移大小。盡管這些設備對于最初的研究來(lái)說(shuō)是足夠的，可是用MBE設備會(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)工作還需轉向商業(yè)化生產(chǎn)廠(chǎng)，并且里面采用的工藝和設備是基于MOCVD平臺的。

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)隊伍。從私人投資者處募集到了兩筆基金共計400萬(wàn)美元后，在2006年8月初我們通過(guò)Bandwidth Semiconductor代工服務(wù)來(lái)開(kāi)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劃制造并出售紅色LED外延片給芯片制造商?，F在我們計劃將外延片的范圍擴展至涵蓋585nm到660nm的橙色和黃色波段。此外，我們也開(kāi)始授權專(zhuān)有的工藝技術(shù)，或與其它公司建立伙伴關(guān)系。

InGaPN LED相對于A(yíng)lGaInP LED的優(yōu)勢主要有三：更低的制造成本，更好的色溫穩定性和大電流下更高的亮度。

更低的制造成本來(lái)源于更簡(jiǎn)化的制造工藝，它使用的生產(chǎn)設備與傳統紅光LED的一致。傳統的AlInGaP基發(fā)光管是在GaAs襯底上生長(cháng)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(cháng)在GaP襯底上，這就減少了傳統制作所需的“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(zhù)外延片是贗勢應變的，但是它允許在LED中整合足夠的量子阱以實(shí)現大功率的輸出。這樣產(chǎn)生的結構其質(zhì)量和在GaAs襯底上生長(cháng)的AlInGaP材料的類(lèi)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(cháng)非常低位錯密度梨晶的制造工藝。

提高GaP質(zhì)量

圖1. Quanlight的635nm LED相比傳統的設計來(lái)說(shuō)，它受到溫度的影響更小，穩定性更好。

我們現在用的3quot;襯底是用液封直拉（LEC）工藝生長(cháng)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)競爭力。同時(shí)我們也在和PVA TePla合作開(kāi)發(fā)新的技術(shù)，使用VGF方法制備GaP梨晶。我們希望這個(gè)冒險能夠取得成功，因為VGF方法被業(yè)內熟知，并早已用來(lái)生長(cháng)其它材質(zhì)的襯底了。盡管不能預測轉用VGF材料之后能有多大利潤，但我們預計它能夠提高InGaPN基LED的壽命和功率輸出。我們已經(jīng)開(kāi)始對初期測量在這個(gè)平臺上制取的LED，并希望在很短的時(shí)間內能取得初步的結果。

InGaNP的本征屬性確保了器件的峰值波長(cháng)隨溫度的漂移將小于A(yíng)lInGaP器件的。對于那些需要穩定光源的應用如彩色顯示器，發(fā)光器件更具吸引力。在UCSB實(shí)驗室，我們發(fā)現了用MBE法制成的紅色發(fā)光管其色彩穩定性得到了提高，但這對MOCVD法制成的LED也同樣有效。通過(guò)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(cháng)。測試結果如圖1所示，LED的峰值發(fā)射波長(cháng)在整個(gè)溫度范圍僅僅變化了3nm，相對于一家領(lǐng)先的紅光LED制造商所生產(chǎn)的AlInGaP芯片，3nm偏移量?jì)H是后者的五分之一。

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

在25℃到125℃范圍內，通過(guò)比較Quanlight LED和傳統紅光LED的輸出功率，結果驗證了前者在更高溫度下性能更強（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)特性對紅色和黃色交通燈更具吸引力。它們在美國的最小熔化標準是25℃和74℃。

有源區中增強的載流子限制效應同樣有益于電流處理，在研發(fā)階段的測試器件已經(jīng)產(chǎn)生了高達9A/mm2的電流密度（圖3）。這些測試是在外延片上進(jìn)行的，而不是對每個(gè)劃開(kāi)的芯片進(jìn)行的。因此可以合理地預測新生成的產(chǎn)品的有效參數會(huì )低一些。盡管如此，我們還能預測InGaPN LED的飽和電流密度是基于A(yíng)lInGaP同類(lèi)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(zhù)載流子限制效應的增加而平緩。AlInGaP LED的數據來(lái)源于一家領(lǐng)先的LED制造商。

從傳統的紅光芯片轉向InGaPN器件好處有三：更高的電流處理能力，對LED封裝和應用工程師有幫助；在更大的驅動(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(wú)論是采用更少量LED還是同樣個(gè)數的LED，總的成本會(huì )因為L(cháng)ED尺寸小而更加便宜。

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

準備啟動(dòng)

我們已經(jīng)將器件的生長(cháng)轉移到了MOCVD平臺上，并采用了最優(yōu)化的外延層設計。從我們的器件中觀(guān)測到了光輸出的提高。與稀磁氮化物的本征屬性有關(guān)，我們無(wú)需損害發(fā)光器的色彩和熱穩定性就能獲得上述優(yōu)勢。

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(méi)有在電信部門(mén)發(fā)揮它應有的作用。我們有理由認為這款器件將會(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，增加了材料的應力并降低了器件的壽命和可靠性。但是紅色、橙色和黃色InGaPN LED的含銦量很少，它就不會(huì )出現這個(gè)問(wèn)題。

圖3. Quanlight的LED能夠經(jīng)受很高的電流密度，不像傳統的LED只能在2.0A/mm2以下才發(fā)出峰值亮度；在外延片上測試，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。

我們在制備稀磁氮化物中獲得了豐富的經(jīng)驗，相對于其他可能正準備開(kāi)發(fā)基于此材料的產(chǎn)品的公司，這為我們贏(yíng)得了很強的競爭力。盡管外延片是在Bandwidth Semiconductor生長(cháng)的，但我們還是將工藝知識和知識產(chǎn)權掌握在自己的手中，技術(shù)團隊在現場(chǎng)參與所有的開(kāi)發(fā)生長(cháng)過(guò)程。這個(gè)團隊帶動(dòng)了這種材料的研發(fā)。

當我們啟動(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5億美元的快速增長(cháng)的高亮度市場(chǎng)。我們產(chǎn)品的性能優(yōu)勢將適合需要大功率和穩定色彩輸出的應用。發(fā)光芯片的溫度誘發(fā)的波長(cháng)漂移減少，讓LCD TV背光單元、投影機的光引擎、戶(hù)外顯示和其它紅綠藍混色應用從中受益，也即顯示設備的控制機制得到簡(jiǎn)化。同時(shí)，此款高強度輸出的新型紅光LED也適合用在運輸、危險地、劇院和建筑物等方面的照明。

諸如交通燈和汽車(chē)剎車(chē)燈的應用都使用AlInGaP LED來(lái)降低能源和成本，對于這種類(lèi)型的大功率應用，InGaPN LED使工程師設計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)更緊湊結構或能加強散熱的外殼。

在缺少?lài)栏褫敵鲆幏兜牡凸β蕬妙I(lǐng)域，比如圣誕樹(shù)照明，這對InGaPN LED而言是唯一不高人一等的地方，目前Quanlight沒(méi)有積極進(jìn)取這個(gè)低功率應用市場(chǎng)，因為低價(jià)的低功率AlInGaP芯片已經(jīng)普遍供應了。