LED芯片结构简单分析

近年来，LED技术发展迅速，衬底、外延和芯片等核心技术都有了长足的进步。

1、图形基质

PSS现在被分为微米级PSS和纳米级nPSS。 微米级PSS有各种形状的图形，图形的高度一般为1.1-1.6μm，园直径为2.5-3μm，周期为4μm左右，采用光学微投影和等离子体干刻技术，发光效率一般提高30-40 30-40％。采用纳米压印技术，图形尺寸约为260纳米，周期约为460纳米，一般可以提高70%左右的发光效率。

(1) nPSS基质

面对对纳米模板和衬底平行度的严格要求，nPSS的优点是LED发光效率高、均匀度高、成本低。我们通过使用纳米压印光刻技术和其他技术在蓝宝石衬底上以六边形图案排列450纳米的园孔，能够将绿色LED的输出光强度提高两倍。

(2) Nanopillar PSS

英国Salem公司的新技术采用独特的纳米光刻技术，在蓝宝石衬底上形成纳米柱面，在这种衬底上进行外延生长可以减轻85%的应力，大大减少缺陷，使发光强度提高80-120%，使LED发光效率提高到工业级的200lm/w，改善Droop效应，并使衰减速度减缓约30%。

摘要：PSS可以极大地提高LED的发光效率，尤其是纳米级的nPSS可以极大地提高LED的发光效率，PSS已经成为现阶段LED核心技术的发展趋势。在减少成本方面，对PSS有各种看法。

2、均匀的基质

均匀的基底是指以GaN为基底，生长GaN基底的方法有多种，但一般采用HVPE（氢化物气相外延法）或钠流法来解决生产GaN基底时的残余应力和表面粗糙度问题，约400-500μm 衬底的厚度现在可以工业化了。GaN衬底的优点：低位错密度（105-106/cm2），内部量子效率可以达到低于 80%以上，生长时间短至2小时左右，可节约大量原材料，大大降低成本。

(1) 实现高亮度的LED

丰田合成的c面GaN衬底生长的LED芯片在1mm2的面积上达到了400lm的光通量。

(2) 通过HVPE方法实现氮化镓衬底的工业化

三菱化学、住友电工、日立电缆和其他公司正在使用HVPE方法生长氮化镓基片，但厚度约为450微米，位错密度（106-107/cm2），三菱化学最近宣布可以提供6英寸的氮化镓基片，并计划到2015年将成本降低到目前水平的十分之一。东莞中关村（北大）可以大规模生产氮化镓基片。

(3) 提高内部量子效率

日本绝缘子株式会社采用钠流法生长氮化镓衬底，可以提供低缺陷密度的4英寸氮化镓衬底，内部量子效率达到90%，在低于200mA时发光效率达到200lm/w，并且正在加速开发低缺陷的6英寸衬底。

(4) 大型氮化镓衬底

住友电气工业株式会社和Soitec公司联合开发了4英寸和6英寸的氮化镓衬底，并宣布他们已经开始提供氮化镓衬底，利用晶圆园制造技术和智能剥离层转移技术制造超薄的高质量氮化镓衬底，具有低缺陷密度。

(5) LiGaO2基片

在华南理工大学，通过激光分子束外延在2μm厚的LiGaO2衬底上，使用非极性GaN衬底作为复合衬底，在达到1×106/cm2的位错密度、85%的内部量子效率和65%的转换效率的条件下，生长了GaN芯片。

(6) 获奖的产品

在美国的Soraa公司，中村修二的GaN-on-GaN技术已被用于LED替代灯，SVIPLA将其认定为 "过去30年中半导体材料科学最重要的成就之一"。LED的结晶度提高了1,000多倍，从而可以在单个灯中使用单个LED装置。

摘要：采用GaN-on-GaN均质衬底生长的LED，其缺陷密度可以显著提高LED的发光效率，达到（105-106/cm2），并且增加了电流密度Droop不明显，使普通照明用的单芯片LED光源，达到一个新的水平。 为了实现对LED核心技术的使用。用中村修二的话说："我相信，通过GaN-on-GaN LED，我们真正写下了LED技术的新篇章，即LED 2.0版。

3、非极性和半极性基质

蓝宝石（Al2O3）的晶体表面有极性的C面、半极性的M面、R面和非极性的A面。通过使用难以生长的非极性或半极性基材，可以大大降低缺陷密度。使用非极性衬底的LED可用作显示器、电视、手机等的背光。它们是无方向性的，可用于记录光、激光、太阳能电池板等，而无需使用外部扩散片。

(1) 非极性和半极性蓝宝石基底

英国Selenium光电公司采用非极性蓝宝石进行LED生长，可以大大降低缺陷密度，使其外延片的光转换效率提高7倍，从而使亮度显著提高，有效提高美元/流明值。

(2) "npolo" LED

首尔半导体公司通过采用 "npolo"（一种使用非极性GaN衬底的生长型LED），在1mm2的芯片上实现了500lm的光通量。 首尔半导体公司首席执行官Lee Jeong-hoon先生说："同一表面的亮度可以显著提高5倍，将来可以提高10倍甚至更多，这是LED光源的最终目标。

(3) 非极性GaN基材

三菱化学正在非极性GaN衬底上生长蓝色LED，将其缺陷密度降低到1×104/cm2或更高。计划是用1mm2的芯片实现1000lm的最大光通量。

(4) 非极性和半极性GaN基材的产业化

住友宣布已经开发出半极性和非极性GaN衬底材料，可以为制造白色LED提供半极性和非极性衬底。

(5) 用于紫外光LED的非极性基材

首尔半导体开发了使用非极性GaN基板的UV LED，并将其与R、G和B荧光粉相结合，实现了高显色性的白色照明和具有广泛色彩表现力的背光照明。

摘要：使用半极性和非极性蓝宝石和氮化镓衬底的LED生长核心技术的突破，使1mm2的芯片达到1000lm的光通量成为可能，使单个芯片可以作为LED灯具的光源。

4、新的结构

新的LED核心技术和LED芯片结构。在芯片的结构设计中，主要考虑的是外部量子效率，即提高芯片的光提取效率，提高芯片的散热性能，以及通过采用新的结构和工艺降低成本。在这个芯片中，有各种新的结构。

(1) 六面体发光芯片

六面体发光芯片是指芯片的六个面都被光覆盖的状态。 采用多面粗化技术，减少光子反射的界面，提高光提取率。

(2) DA芯片结构

Cree利用SiC基板的优势，推出了DA系列产品。 它使用SiC透明衬底作为发光面，并与SiC衬底实现了三维结构。 换句话说，在SiC衬底外侧设有V形槽，以增强SiC衬底的出光耦合效果，从V形槽一侧出光的折射率高，翻转芯片的电流大，一侧的发光层与封装的交界处质量高。在散热方面，采用了共晶焊接，没有金丝，几乎一半的面积，大大降低了成本，实现了两倍的性价比。此外，我们宣布第三代碳化硅技术SC3平台采用最新的封装技术，获得276lm/w的发光效率。

(3) 单芯片白光技术

三星采用纳米级六边形锥体结构技术制造白光LED，在GaN的生长过程中可以实现半极性和非极性基底，有利于光的提取，而且由于纳米结构微小，可以有效减少失真，实现更好的晶体质量，并表现出优异的散热性能。 内部量子效率 对于绿色、黄色和红色的同时发射，其内部量子效率为61%、45%和29%。实现了用单个芯片生成结合多色光的白色LED的创新方法。它提高了光的颜色质量，防止了因光能损失而产生的波长偏移，减少了封装工艺，提高了封装的可靠性，降低了封装成本，是实现白光LED的另一条技术路线。

摘要：LED芯片结构研发不断有新的突破，在提高光效、改善散热性能、降低成本等方面不断取得突破。应更加重视单芯片发多色光的组合，白光LED的研发进展将是LED照明技术发展的另一条可行的技术路线。