腔體式藍(lán)寶石襯底LED未能走進(jìn)普通照明市場(chǎng) 一技術(shù)工藝可破
文章來源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2017-09-21
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大功率LED的市場(chǎng)的使用率正在擴(kuò)大,。在工業(yè)照明應(yīng)用中使用這些設(shè)備，會(huì)帶來高效率,。正是因?yàn)樾试礁�,，散熱就越低，最終,，熱管理就越簡(jiǎn)單,、便宜。
鑒于LED行業(yè)的狀況,，所以許多芯片制造商正在努力提高設(shè)備的效率,，并且在大電力行業(yè)中獲得了更多的成功和更大的利潤(rùn)空間。即使這些設(shè)備制造商只比同行高出百分之幾的效率,，但是這將給他們帶來相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì),，他們可以有很大的利潤(rùn)空間，其中很大一部分來自高端LED芯片的生產(chǎn),。
能夠生產(chǎn)高效率設(shè)備的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,，家用照明，如果它們也具有可靠性,，那么它們可以在汽車大燈領(lǐng)域挑戰(zhàn)成功,。但是，它們沒有取得成功的地方卻在一般照明,。在一般照明中,，星級(jí)酒店照明燈具，大量使用中低效LED,，這些設(shè)備的許多制造商日子煎熬,。
提取光子
一個(gè)高效LED的關(guān)鍵要求之一是提取其中生成的大部分光子。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很重要,，因?yàn)镚aN的折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的折射率,，導(dǎo)致大多數(shù)光子因全內(nèi)反射而被困在器件內(nèi)部,。
克服這個(gè)問題的常用方法是在圖案化藍(lán)寶石上生產(chǎn)器件。波紋表面可以在許多方向上散射光子,，增加了光從芯片逸出的可能性,。
這些基板是這樣形成的：采用一塊平面藍(lán)寶石，用光致抗蝕劑掩模和電感耦合等離子體將圖案蝕刻進(jìn)里面,。通過這個(gè)過程,，掩模逐漸侵蝕，出現(xiàn)圓頂形表面,。 如果想要錐體,，則可以通過調(diào)節(jié)蝕刻條件來形成。
當(dāng)光傳播通過在圖案化藍(lán)寶石襯底上形成的LED時(shí),，由于折射率的差異,，光被反射和衍射。光的傳播在界面處發(fā)生最大的變化,，折射率出現(xiàn)最大的差異,，這出現(xiàn)在GaN和空氣之間的邊界處。因此,，國(guó)際資訊,，許多研究小組試圖將高折射率對(duì)比度腔體結(jié)構(gòu)融入到LED里,。這種結(jié)構(gòu)是成功的,，可以增加光提取，但到目前為止,，還沒有關(guān)于在LED行業(yè)內(nèi)使用生產(chǎn)級(jí),、成腔工藝的報(bào)告。
對(duì)腔體式LED做出了重大貢獻(xiàn)的其中一個(gè)研究小組是韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的Euijoon Yoon和同事組成的團(tuán)隊(duì),。他們花了幾年的時(shí)間用中空二氧化硅納米球形成的納米級(jí)腔體制作LED,， led質(zhì)量，通過在LED中引入腔體來增加光提取,。此外,，由于腔周圍的GaN中的壓應(yīng)力減少，他們減少了翹曲度,。這意味著更薄的藍(lán)寶石晶片可以用于LED制造,，削減生產(chǎn)成本。
然而,，仍有改進(jìn)的空間,。由于中空腔的密度低以及位置的隨機(jī)性，光提取的增加并不高,。必須解決這些缺點(diǎn),，以便為L(zhǎng)ED生產(chǎn)創(chuàng)造出更好,、更可靠的空腔成型工藝。
從實(shí)驗(yàn)室到工廠
下面將介紹的是韓國(guó)的Hexa Solution公司是如何解決這些問題的,，他們的核心技術(shù)是腔體藍(lán)寶石襯底,。韓國(guó)的兩個(gè)研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一項(xiàng)可行性研究，實(shí)驗(yàn)室規(guī)模生產(chǎn)表明,，結(jié)合空腔設(shè)計(jì)的藍(lán)寶石襯底的LED比圖案化藍(lán)寶石襯底的LED要好,。
他們生產(chǎn)腔體式藍(lán)寶石襯底的工藝是很穩(wěn)健的，恒光,，并且是可擴(kuò)展的（見圖1）,。該工藝從光致抗蝕劑圖案開始，通過回流工藝先將圓柱形光致抗蝕劑制成圓頂?shù)男螤�,。隨后,，在所有暴露的表面上以120℃的溫度將80nm厚的無定形氧化鋁層進(jìn)行原子層沉積。氧化鋁部分覆蓋藍(lán)寶石,，部分覆蓋光致抗蝕劑,。
圖1. 用于形成腔體式襯底的制造工藝包括將無定形氧化鋁進(jìn)行完全結(jié)晶，使其變成藍(lán)寶石,。這大大簡(jiǎn)化了隨后的GaN生長(zhǎng),。
下一步是在氧化氣氛中進(jìn)行熱處理。這可以將氧通過多孔氧化鋁層進(jìn)行內(nèi)擴(kuò)散,，將氧化副產(chǎn)物向外擴(kuò)散,，得到的結(jié)果就是圓頂形腔。
同時(shí),，LED照明企業(yè),，無定形氧化鋁變成完全結(jié)晶，從藍(lán)寶石接觸區(qū)域開始,，在光致抗蝕劑的圓頂頂部完成,。該方法的一個(gè)好處就是無定形氧化鋁的結(jié)晶相是藍(lán)寶石。因此,，由于氧化鋁在熱處理期間結(jié)晶成藍(lán)寶石,，所以不需要額外的加工步驟來暴露藍(lán)寶石種子層并開始GaN生長(zhǎng)（參見圖2）。
圖2. 掃描電子顯微鏡顯示GaN生長(zhǎng)后形成的六角形圓頂嵌入腔,。
這種腔體式襯底的巨大優(yōu)勢(shì)是它們獨(dú)特的光學(xué)性能,。它們產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，產(chǎn)業(yè)資訊,，導(dǎo)致肉眼可以看到一系列顏色,。與圖案藍(lán)寶石相比，由于腔的強(qiáng)衍射，在白熾燈和熒光照明下會(huì)產(chǎn)生更生動(dòng)的干涉色（見圖3）,。
圖3. 與圖案化藍(lán)寶石相比,，腔體式藍(lán)寶石中的衍射更強(qiáng)，LED-T5一體化燈管,，在照明下出現(xiàn)更亮的顏色,。
此外，透射實(shí)驗(yàn)表明,，腔體式藍(lán)寶石在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生的透射率比圖案化藍(lán)寶石更高,。
時(shí)域有限差分模擬顯示，高折射率對(duì)比度腔與即將到來的平面波相互作用非常強(qiáng)烈,。結(jié)果顯示,，空腔在改變光的傳播方向是有效的（見圖4）。
圖4. 時(shí)域有限差分模擬顯示,，在空腔式藍(lán)寶石中的散射要比圖案化藍(lán)寶石更強(qiáng),。在模擬中，酒店led照明,，使用入射角為0°（頂部）和45°（底部）的平面波,。
空氣腔體的另一個(gè)結(jié)果是它作為對(duì)平面波的光學(xué)干擾，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部造成顯著的相位變形,。根據(jù)惠更斯的原理,，嵌入式空氣腔陣列能夠從LED中提取更多的光，LED射燈,，星級(jí)酒店照明燈具,，因?yàn)槊總�(gè)單獨(dú)的空氣腔會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的次級(jí)波。LED內(nèi)部產(chǎn)生的光與高折射率對(duì)比度腔體陣列相互作用強(qiáng)烈,，因此,，與傳統(tǒng)器件中的全內(nèi)反射相比,，家用照明,，光離開了芯片，建筑照明,，或者換句話說,，光是衍射的（參見圖5）。
圖5. 時(shí)域有限差分模擬顯示,，腔體式藍(lán)寶石的LED在提取光線方面比使用圖案化藍(lán)寶石襯底的更有效,。
性能驗(yàn)證
為了展示腔體式藍(lán)寶石的LED的卓越性能，并且與圖案化藍(lán)寶石上形成的LED相比,，研究人員在MOCVD反應(yīng)器中同時(shí)在兩種類型的基板上生產(chǎn)設(shè)備,。之后，同時(shí)加工兩種晶片，商業(yè)照明燈具,，生產(chǎn)出尺寸為1075μm * 750μm的大面積,、橫向型藍(lán)色發(fā)光InGaN / GaN LED。