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　　近幾年LED技術(shù)發(fā)展迅速，取得襯底、外延及芯片核心技術(shù)突破性進(jìn)展。

　　1圖形化襯底

　　LED外延現(xiàn)階段普遍使用圖形化襯底（PSS），PSS目前分為微米級(jí)PSS和納米級(jí)nPSS，微米級(jí)PSS有各種形狀圖形，圖形高度一般1.1~1.6μm，園直徑2.5~3μm，周期約4μm，采用光微投影及電漿干式蝕刻技術(shù)，一般可提高光效30~40%。nPSS一般采用納米壓印技術(shù)，圖形大小約260nm，周期約460nm，一般可提高光效70%左右。

　　（1）nPSS襯底

　　對(duì)納米模板及襯底平行度要求苛刻， nPSS優(yōu)點(diǎn)：LED更高發(fā)光效率，均勻性更好，成本低。如在藍(lán)寶石襯底上用納米壓印光刻獲周期為450nm園孔的六角形陣列，使綠光LED輸出光功率是原來(lái)的三倍。

　　（2）納米柱PSS

　　英國(guó)塞倫公司的新技術(shù)，在藍(lán)寶石襯底上采用獨(dú)特的納米光刻技術(shù)，形成表面的納米柱，在此襯底上外延生長(zhǎng)可緩解應(yīng)力85%，從而大幅度減少缺陷，可提高發(fā)光亮度達(dá)80~120%，LED光效的產(chǎn)業(yè)化水平達(dá)200 lm/w，并改善Droop效應(yīng)，衰減減緩約30%。

　　小結(jié)：PSS能較大提高LED發(fā)光效率，特別是納米級(jí)nPSS能更大提升LED發(fā)光效率，PSS是現(xiàn)階段LED核心技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)PSS在降低成本方面有不同看法。

　　  2同質(zhì)襯底

　　同質(zhì)襯底是以GaN作襯底，生長(zhǎng)GaN襯底有多種方法，一般采用HVPE（氫化物氣相外延）或鈉流法，生產(chǎn)GaN襯底要很好解決殘留應(yīng)力和表面粗糙問(wèn)題，襯底厚度約400~500μm，現(xiàn)可產(chǎn)業(yè)化。GaN襯底的優(yōu)點(diǎn)：位錯(cuò)密度低（105~106個(gè)/cm2），內(nèi)量子效率可達(dá)80%以上，生長(zhǎng)時(shí)間短約2小時(shí)，節(jié)省大量原材料，可大幅度降低成本。

　　（1）實(shí)現(xiàn)高亮度LED

　　豐田合成采用c面GaN襯底生長(zhǎng)LED芯片，其面積為1mm2，可實(shí)現(xiàn)400 lm光通量。

　　（2）HVPE生長(zhǎng)GaN襯底產(chǎn)業(yè)化

　　三菱化學(xué)、住友電工、日立電線等公司采用HVPE法生長(zhǎng)GaN襯底，厚度450μm左右，位錯(cuò)密度（106~107個(gè)/cm2），三菱化學(xué)近期宣布可提供6″GaN襯底，并計(jì)劃2015年將成本降至目前的十分之一。東莞中鎵(北大)可批量生產(chǎn)GaN襯底。

　　（3）提高內(nèi)量子效率

　　日本礙子公司采用鈉流法生長(zhǎng)GaN襯底，低缺陷密度，內(nèi)量子效率達(dá)90%，在200mA下，其光效達(dá)200 lm/w，可提供4″GaN襯底，正在加速開(kāi)發(fā)低缺陷的6″襯底。

　　（4）大尺寸GaN襯底

　　住友電工和Soitec合作開(kāi)發(fā)4″和6″GaN襯底，采用晶園制造技術(shù)和智能剝離層轉(zhuǎn)移技術(shù)生產(chǎn)超薄高品質(zhì)GaN襯底，具有低缺陷密度，并宣布可提供GaN襯底。

　　（5）LiGaO2襯底

　　華南理工大學(xué)研發(fā)在LiGaO2襯底上采用激光分子束外延生長(zhǎng)非極性GaN襯底，厚度2μm，作為復(fù)合襯底生長(zhǎng)GaN芯片，要求達(dá)到位錯(cuò)密度為1×106/cm2，內(nèi)量子效率85%，轉(zhuǎn)換效率為65%。

　　  （6）獲獎(jiǎng)產(chǎn)品

　　美國(guó)Soraa公司采用中村修二的GaN-on-GaN技術(shù)制作LED替代燈，被SVIPLA評(píng)為“過(guò)去30年半導(dǎo)體材料科學(xué)取得最重要成就之一”。其LED晶體完整性提高1000多倍，使每盞燈使用一個(gè)LED器件成為可能。

　　小結(jié)：采用GaN-on-GaN同質(zhì)襯底生長(zhǎng)LED，其缺陷密度達(dá)（105～106/cm2），可極大提升LED發(fā)光效率，而且加大電流密度時(shí)Droop不明顯，使普通照明實(shí)現(xiàn)采用單芯片LED光源，將LED核心技術(shù)推向新臺(tái)階。用中村修二的話來(lái)小結(jié)：我們相信有了GaN-on-GaN LED，我們已經(jīng)真正地譜寫了LED技術(shù)新篇章，即LED2.0版。

　　  3非極性、半極性襯底

　　藍(lán)寶石（Al2O3）晶面有極性C面、半極性M面、R面和非極性A面。采用非極性或半極性襯底，生長(zhǎng)難，可大幅度降低缺陷密度。采用非極性襯底生長(zhǎng)LED，可作顯示屏、電視、手機(jī)等背光源，沒(méi)有取向性，不要外置擴(kuò)散片，并可用于錄光、激光、太陽(yáng)能板。

　　（1）非極性、半極性藍(lán)寶石襯底

　　英國(guó)塞倫光電采用非極性藍(lán)寶石上生長(zhǎng)LED，大幅度降低缺陷密度，其外延片的光轉(zhuǎn)換效率可提高7倍，大幅度提高亮度而有效改善美元/流明值。

　　（2）“npolo”LED

　　首爾半導(dǎo)體采用非極性GaN襯底生長(zhǎng)LED稱為“npolo”LED，在1mm2芯片上實(shí)現(xiàn)500 lm光通量，首爾半導(dǎo)體CEO李貞勛說(shuō)：同一表面的亮度大幅改善5倍，未來(lái)可提高10倍以上，是LED光源的終極目標(biāo)。

　　（3）非極性GaN襯底

　　三菱化學(xué)采用非極性GaN襯底生長(zhǎng)藍(lán)光LED，其缺陷密度最少僅為1×104/cm2。計(jì)劃目標(biāo)，在1mm2芯片發(fā)光亮度可達(dá)1000 lm光通量。

　　（4）非極性、半極性GaN襯底產(chǎn)業(yè)化

　　住友公司宣布已開(kāi)發(fā)半極性、非極性GaN襯底材料，可提供制作白光LED的半極性、非極性襯底。

　　（5）紫外LED采用非極性襯底

　　首爾半導(dǎo)體采用非極性GaN襯底開(kāi)發(fā)紫外LED并與R、G、B熒光粉組合可實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的白光照明和色彩表現(xiàn)范圍大的背光源。

　　小結(jié)：采用半極性、非極性藍(lán)寶石和GaN襯底生長(zhǎng)LED的核心技術(shù)，已取得突破性進(jìn)展，有可能在1mm2芯片上實(shí)現(xiàn)1000 lm光通量，采用單芯片作為一盞LED燈的光源成為可能。

　　  4芯片新結(jié)構(gòu)

　　LED核心技術(shù)，還有LED芯片結(jié)構(gòu)新技術(shù)。芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是考慮如何提高外量子效率，即芯片的光萃取效率，提高芯片散熱性能以及在降低成本上進(jìn)行采用新結(jié)構(gòu)新工藝。芯片有很多種新結(jié)構(gòu)。

　　（1）六面體發(fā)光芯片

　　六面體發(fā)光芯片指芯片的六個(gè)面全部出光，采用多面表面粗化技術(shù)，減少界面對(duì)光子的反射，提高光萃取率。

　　（2）DA芯片結(jié)構(gòu)

　　Cree公司利用SiC襯底優(yōu)勢(shì)，已推出的DA系列產(chǎn)品，采用SiC透明襯底作為發(fā)光面，在SiC襯底上制作3D結(jié)構(gòu)，即在SiC基板的外側(cè)設(shè)置V字形溝槽，從V字溝槽一側(cè)發(fā)光，以增強(qiáng)高折射率SiC襯底的光萃取效果，而且是大電流倒裝芯片，發(fā)光層一側(cè)與封裝接合，獲得高質(zhì)量的散熱性，采用共晶焊、無(wú)金線，面積幾乎是原來(lái)的一半，顯著降低成本，實(shí)現(xiàn)雙倍性價(jià)比。并在第三代碳化硅技術(shù)SC3平臺(tái)上，采用匹配的最新封裝技術(shù)，宣布獲得光效達(dá)276 lm/w。

　　  （3）單芯片白光技術(shù)

　　三星公司采用納米級(jí)的六角棱錐結(jié)構(gòu)技術(shù)做出白光LED，可以實(shí)現(xiàn)半極性、非極性襯底上生長(zhǎng)GaN，有利于光萃取的提升，因納米結(jié)構(gòu)微小能有效降低應(yīng)變，達(dá)到更佳的晶體質(zhì)量，而且散熱性能好。同時(shí)發(fā)綠光、黃光、紅光，其內(nèi)量子效率分別為61%、45%、29%。實(shí)現(xiàn)單芯片發(fā)多色光組合白光LED，取得突破性進(jìn)展。將會(huì)提高光色質(zhì)量和避免波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移引起光能損失，并可減少封裝工藝，提高封裝可靠性和降低封裝成本，成為實(shí)現(xiàn)白光LED的另一條技術(shù)路線。

　　  小結(jié)：LED芯片結(jié)構(gòu)研發(fā)方面不斷有新結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，在提高光效、散熱性能、降低成本上不斷有所突破。更要關(guān)注單芯片發(fā)多色光組合成白光LED的研發(fā)進(jìn)展，將是LED照明技術(shù)發(fā)展中另一條可行的技術(shù)路線。

　　  5襯底、外延新技術(shù)

　　以下介紹幾種在LED襯底、外延核心技術(shù)研究中的新技術(shù)是具有開(kāi)創(chuàng)性。

　　  （1）外延偏移生長(zhǎng)技術(shù)

　　美國(guó)加州大學(xué)采用掩膜及分層偏移技術(shù)生長(zhǎng)低位錯(cuò)GaN，如圖所示。

　　示意圖中SiO2厚200nm，SiNX厚120nm。先低溫530℃生長(zhǎng)25nm成核層，之后在1040℃下外延GaN，進(jìn)行偏移生長(zhǎng)，阻檔位錯(cuò)生長(zhǎng)，可獲位錯(cuò)密度為7×105個(gè)/cm2，可極大提高內(nèi)量子效率，減少Droop效應(yīng)。在外延上采用創(chuàng)新技術(shù)，取得突破性進(jìn)展，將極大提高LED性能指標(biāo)。

　　  （2）3D硅基GaN技術(shù)

　　ALEDia公司發(fā)布采用3D硅基GaN microwire技術(shù)，制造3D硅基LED芯片的成本僅為傳統(tǒng)2D平面LED的五分之一。該技術(shù)基于升級(jí)了microwire生產(chǎn)工藝，采用大尺寸園晶和低成本材料的解決方案，該技術(shù)已在法國(guó)LETI-CEA公司開(kāi)始使用。

　　  （3）氧化鎵β-Ga2O3襯底

　　氧化鎵Ga2O3具有多種結(jié)構(gòu)形式：α、β、γ、δ、ε等，其中β結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，禁帶寬度為4.8~4.9ev，現(xiàn)已做出高品質(zhì)、低缺陷密度Ga2O3 MOSFET，具有優(yōu)異器件潛力。

　　日本田村制作及子公司光波公司采用β-Ga 2O3襯底生長(zhǎng)GaN藍(lán)光加熒光粉，芯片尺寸2mm見(jiàn)方，加6A電流，其可獲500 lm光通量，計(jì)劃目標(biāo)達(dá)2000~3000 lm。

　　（4）稀土氧化物REO復(fù)合襯底

　　據(jù)《半導(dǎo)體化合物》2013年7月報(bào)導(dǎo)：在Si基上生長(zhǎng)REO復(fù)合襯底，并生長(zhǎng)大面積GaN園片，并具有消除應(yīng)力、減少翹度，可大面積生長(zhǎng)，REO性能穩(wěn)定，減少成本，并具有更高DBR反射效應(yīng)。已生長(zhǎng)氧化釓、氧化鉺等復(fù)合襯底，取得很好成果。

　　   （5）介質(zhì)復(fù)合襯底

　　上海藍(lán)光最近發(fā)布：通過(guò)緩沖層與介質(zhì)襯底的組合技術(shù)，使各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到或超過(guò)藍(lán)寶石PSS襯底的水平，取得突破性的成果。

　　小結(jié)：上述介紹幾種新技術(shù)研究成果，是具有開(kāi)拓性的創(chuàng)新成果，一旦產(chǎn)業(yè)化，將是顛覆的技術(shù)突破，開(kāi)辟了LED照明技術(shù)發(fā)展上另一條重要的技術(shù)路線。