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历经57年半导体黄光LED技术取得突破性进展
2019-03-05 09:00:25
led显示屏的发展离不开上游技术的拓展，黄色led芯片经过57年的发展，可见光LED实现了全彩化，为人类提供了色彩缤纷的视觉盛宴和高效节能的照明光源。可是长期以来，七彩LED光效(光功率效率)发展很不平衡，其中黄光LED光效远低于其他颜色，致使高光效的黄光不得不通过荧光粉进行波长转换来获得。这种“电光光”转换技术方案是目前LED照明主流技术。但荧光粉在光光转换过程中存在热损耗大、热光衰较大、响应很慢等先天性不足，制约了LED向高质量照明和高速可见光通信等方向的快速发展。
因此，解决“黄光鸿沟”问题，成为该领域诱人的奋斗目标。用何种衬底、何种材料、何种器件结构、何种芯片结构、何种设备才能制造高光效黄光LED?国内外长期未有答案。
图1 半导体黄光LED电致发光
在两种黄光材料体系中，AlGaInP随着波长从红光变短到黄光，带隙由直接变为间接，效率急剧下降，这属于物理瓶颈;而铟镓氮是直接带隙，其最大的困难是生长高质量、高铟组分铟镓氮量子阱材料，这属于技术瓶颈。黄光LED量子阱中的铟组分约为30%，明显超过蓝光量子阱约15%的铟组分。高铟组分铟镓氮生长存在很多难点：低生长温度造成氨裂解少氮空位多、原子迁移慢而表面粗糙、阱垒界面模糊而厚度各异且铟组分不均匀、严重时铟偏析相分离、InGaN/GaN强极化带来载流子波函数交叠少等等。
最近南昌大学江风益课题组在Photonics Research 上发表了文章：Efficient InGaN based Yellow Light-emitting Diodes，展示了在黄光波段LED材料设计和制造技术方面的突破性进展。他们在原有GaN/Si基蓝光LED材料、器件结构、芯片结构的基础上，设计了材料新结构、生长新设备和新工艺。他们把三大失配(热膨胀系数失配大、带隙宽度失配大、晶格常数失配大)转变成了三大优点。
该课题组发明了一种网格化的材料生长方法和技术，在衬底上制造有规则的网格以替代不规则龟裂，消除了GaN/Si应力累积效应，解决了该材料因龟裂而无法制造发光芯片的问题，还因保持GaN受张应力而具有生长高性能高铟组分铟镓氮材料的优点。
研究人员通过调控电流走向、发光位置、出光路径，发明了高取光效率的硅基LED芯片结构，既解决了衬底吸光和电极挡光问题，还具有单面出光、光束质量高的优点。发展出的新型综合过渡层，既解决了位错密度过高的难题，又合理利用位错形成带大V坑的器件结构，改善了空穴输运途径、提高了LED效率。
在将三大失配转变成三大优点的基础上，他们调控反应气体输运途径和沉积机制，发明了密集同轴套管结构反应腔，研制出更有利于铟并入的高铟组分铟镓氮材料生长设备，提升了该材料的生长温度，减少了记忆效应，使量子阱和垒界面陡峭;在20A/cm2和3 A/cm2电流密度的驱动下，565nm硅基黄光LED光效提高到24.3%和33.7%，分别对应149 lm/W和192 lm/W，从而有效地缓解了黄光鸿沟，解决了国际上LED缺高光效黄光的问题。
该材料结构是带大V坑的具有三维P-N结的硅衬底铟镓氮多量子阱结构，芯片是单面出光、薄膜型结构。图2为高光效硅基InGaN黄光LED和硅基板AlGaInP红光LED组合而成的新型LED路灯，具有模组色温2190K、显指66、143 lm/W的暖色调、无荧光粉的特点。
图2红黄混光暖色调无荧光粉新型LED路灯应用实例
这种路灯既有传统高压纳灯暖色调的优点，又有荧光型LED路灯的节能优势;既节省了稀土资源、加快了光响应速度，还避免了荧光型富蓝光LED路灯存在的光健康风险，减少了光污染，营造了温馨健康的道路照明氛围。
高光效黄光LED制造技术的突破，对精细可调的高质量LED照明和高速可见光通信等领域的发展具有重要意义。
信息来源，显示之家
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