[01396109]高光效黄光LED材料与芯片制造技术

【课题来源与背景】 1. 课题来源 任务来源：国家重点研发计划、江西省重大研发专项。 2. 背景：LED是一种节能环保的半导体发光器件,被广泛应用于照明、显示、指示、背光等领域。近年来,LED发展迅猛,其电光转换效率,在蓝光波段已经突破60%,在红光波段也已超过50%。然而在介于他们之间的黄绿光波段,特别是黄光波段,长期以来电光转换效率都低于10%,这也被称作为黄光鸿沟（Yellow gap）。高效黄光LED的缺乏,严重制约其在照明端的应用,人们被迫采用蓝光LED激发黄色荧光粉合成白光,而这一技术方案存在诸多缺陷,如显指低、色温高、蓝光危害、荧光粉下转换效率损失,色温固定等。若采用多基色LED合成全光谱白光,将会消除或改善上述缺点,重塑LED照明产业。多基色全光谱照明的实现,关键在于如何获得高效的黄光LED。因此,仅从照明的角度来看,发展高效黄光LED就具有极大的意义,是我国LED照明技术全面超越国外、引领国际的突破口之一。 【技术原理及性能指标】 1. 技术原理：黄光LED是实现非荧光粉转化全光谱LED照明的基础。然而,无论是AlGaInP还是InGaN,在黄光波段的效率都远低于其他颜色,也被称作“黄光鸿沟”。AlGaInP因能带转变为间接带隙导致效率急剧下降,属于物理瓶颈;而InGaN主要在于难以生长高In组分的量子阱,属于技术瓶颈,通过生长方法的改进,获得突破的可能性很大。黄光LED量子阱中的高的In组分是其效率低下的主要原因：一方面高In组分InGaN需要更低的生长温度,生长温度降低,外延层表面原子的迁移能力也会随之变差。低的原子迁移率会导致外延层表面粗糙,粗糙的表面形貌会造成阱垒界面模糊、量子阱各处厚度不一以及In组分分布不均匀。同时氨气的裂解能力也会随着温度的降低而下降,产生氮空位。另一方面InN与GaN的互溶度较低,仅为6%,外延生长黄光量子阱时,很容易产生In偏析。此外,InGaN属于强极化材料,高In组分会带来更严重的极化场。针对黄光LED的生长难点,利用硅衬底的张应力优势提高量子阱中铟的并入能力;优化准备层结构,释放量子阱的压应力、改善相分离;合理利用位错,在有源层内形成大V型坑三维P-N结,屏蔽位错、改善空穴注入;研制专用MOCVD装备,提升铟镓氮黄光量子阱的生长温度和晶体质量,减少记忆效应,使阱和垒界面陡峭。通过多方面工艺技术创新,提升黄光量子阱铟镓氮材料晶体质量,提高黄光LED发光效率。 2. 性能指标：黄光LED,波长575nm、电流密度2A/cm2时流明效率达233 lm/W、光功率效率达40.6%;波长565nm、电流密度20A/cm2时流明效率达164 lm/W、光功率效率达26.7%,具有单面出光、光束质量高的优点,并成功实现了量产和应用。 【技术的创造性与先进性】 1.突破高In组分、厚InGaN膜生长用的MOCVD反应管结构设计与制造技术。 2.突破缓解量子阱压应力的材料生长技术─高质量、高In组分、厚InGaN膜生长工艺技术。 3.提高V-pits内材料的晶体质量,利用V-Pits微结构调控载流子注入和复合效率,提升LED的内量子效率,完善具有V-Pits的LED结构的载流子输运和复合机制及其理论模型。 【技术的成熟程度、适用范围和安全性】 该技术解决了国际上长期未能突破的高光效黄光LED的关键问题,大幅提升了黄光LED的光效,创造了国际最高值,具有里程碑意义。该技术具有完整自主知识产权,研究成果达到国际领先水平,具有重大推广应用价值。 高光效黄光LED,解决了国际上无机LED缺高光效的问题,属基础性电子元器件的新突破,在LED领域具有里程碑意义,将有力促进LED行业的技术进步与产业发展。 【应用情况及存在问题】 1. 应用情况：高光效黄光LED的出现,使LED照明不再被荧光粉所束缚,可更加灵活地应用到各种场景中。特别是在通用照明领域,以高光效黄光LED为基础,利用多基色LED混合成白光,显色指数高,且色温、光谱可调节,光效也与传统的荧光粉白光型LED接近,已在高端照明领域进行推广应用;随着技术进步和成本降低,黄光LED光效提升到更高的程度,多基色LED将会大幅超越荧光粉白光型LED,全面替代后者,对LED照明市场产生革命性变革。 2. 存在的问题：黄光LED光效虽然获得突破,在显示市场效率已很高,但用作照明,其效率仍存在较大的发展潜力。若黄光LED光效获得进一步提升,将会全面推动纯LED照明应用纵深发展。 【历年获奖情况】 黄光LED发光效率是国际公开报道的最高水平的2倍以上,获得了2016-2017年度国际半导体照明联盟颁发的“全球半导体照明年度新闻奖”。