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半导体黄光LED技术取得突破性进展

时间:2019年03月05日 点击:

 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。

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;20A/cm23 A/cm2电流密度的驱动下,565nm硅基黄光LED光效提高到24.3%33.7%,分别对应149 lm/W192 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66143 lm/W的暖色调、无荧光粉的特点。

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。

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