半导体发光前沿技术研究和产业化——访南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心江风益院士

LED光效提高对于节能减排效益将是显著的,在能源、信息、材料、健康、农业等领域均有广阔的应用前景。尽管可见光LED进展喜人,但光效发光不平衡,还有大量的科学技术问题亟待解决。国内LED先进技术水平与国际相比,原创性基础发明专利较少,引领性基础研究成果不多《。微纳电子与智能制造》邀请到南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心江风益院士,就半导体发光研究前沿技术和产业化领域进行采访。红光Micro-LED光效领先其他材料体系,有望在新型微显示器件市场进行应用,未来江院士团队将研究与元宇宙VR技术结合起来、实现红光Micro-LED批量应用。就如何从基础研究走到产业化的问题,江院士建议大力加强创新链各环节的有组织活动,整合人力、物力、财力等多种有效资源,建立快速反馈的企业化科教融合机制,有利于科教人员准确判断科技突破的方向,同时也是基础研究走向产业化的重要保障。

基于光谱分析的AMOLED蓝光危害与节律效应随年龄变化研究

当前光生物安全研究多针对光谱分布恒定的人工照明,且较少考虑人眼透射率随年龄变化的影响。未来20年AMOLED可能将逐步成为智能手机的主流显示屏。为了探索AMOLED的蓝光危害与节律效应与使用者年龄的关系,为AMOLED个性化设计及使用提供理论参考,我们根据CIE 203-2012A给出的人眼透射率随年龄变化的函数表达式,得到了11个不同年龄(1—100岁,每间隔10岁)人眼透射率。采集了6个不同色温(2 300、 2 700、 3 400、 4 100、 5 000和6 500 K)AMOLED 380~780 nm可见光波段的原始光谱分布数据,对不同色温下AMOLED的原始光谱分布数据进行归一化处理,由不同色温下AMOLED的归一化光谱分布数据乘以不同年龄人眼透射率,得到不同年龄下不同色温AMOLED在人眼视网膜上的有效光谱分布。利用人眼视网膜有效光谱分布,代替蓝光危害因子与节律因子计算公式中的原始光谱分布,计算了AMOLED在不同年龄人眼视网膜上有效光谱分布的蓝光危害因子与节律因子。通过高质量函数拟合分析,研究了AMOLED的蓝光危害与节律效应随年龄变化。研究分析结果表明:AMOLED的蓝光危害与节律效应均随使用者年龄的增大而降低;对于色温为6 500 K的AMOLED,使用者年龄由1岁增加至100岁,视网膜有效光谱的蓝光危害因子与节律因子分别降低为原来的0.290 7和0.403 8倍;当年龄大于40岁时,各色温的蓝光危害因子与节律因子随年龄增加而降低的速度均明显加快;6个不同色温下,40—100岁的蓝光危害因子与节律因子随年龄增加而降低的平均速度,分别是1—40岁的2.748 2和2.993 3倍;当年龄由1岁增加至100岁,6个色温的平均蓝光危害因子与平均节律因子分别下降为原来的0.305 6和0.452 0倍。由以上结果知:AMOLED对年轻人的蓝光危害与节律效应较大,特别是年龄小于40岁的年轻使用者,应减少使用时间,注意蓝光危害与节律效应;蓝光危害受年龄的影响大于节律效应;该结论可为相关研究提供一定的理论参考。

硅衬底氮化镓基LED薄膜转移至柔性黏结层基板后其应力及发光性能变化的研究

本文将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜转移至含有柔性黏结层的基板上,获得了不受衬底和支撑基板束缚的LED薄膜.利用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)研究了薄膜转移前后的应力变化,同时对其光致发光(PL)光谱的特性进行了研究.结果表明:硅衬底GaN基LED薄膜转移至柔性基板后,GaN受到的应力会由转移前巨大的张应力变为转移后微小的压应力,InGaN/GaN量子阱受到的压应力则增大;尽管LED薄膜室温无损转移至柔性基板其InGaN阱层的In组分不会改变,然而按照HRXRD倒易空间图谱通用计算方法会得出平均铟组发生了变化;GaN基LED薄膜从外延片转移至柔性基板时其PL谱会发生明显红移.

硅基金黄光LED器件性能及应用研究

可见光发光二极管(LED)范围内,因“黄光鸿沟”这一世界难题的存在,照明用白光LED主要通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来实现。然而,由于荧光粉的光光转换效率在自身发热所产生的高温环境中易出现衰退的现象,导致荧光型白光LED在使用过程中容易出现光衰、色温飘移等问题。本团队在高光效InGaN黄光LED取得突破的基础上,利用高光效的红、黄光LED合成了一种新型的低色温LED光源器件,其具有无荧光粉、无蓝光的技术特点,本文称之为“硅基金黄光LED”。当LED芯片工作电流密度为20 A/cm^2时,硅基金黄光LED器件的色温为2170 K,光效为156 lm/W,显色指数Ra为77,当LED芯片工作电流密度为1 A/cm^2时,光效可达217 lm/W。本文报道了这一新型LED器件的光效和色温随电流和环境温度的变化趋势,同时对该器件的空间光谱分布进行了优化研究。此外,开展了该器件的高温、高温高湿、冷热冲击等可靠性型式试验,验证了硅基金黄光LED器件具有高可靠性的特点。最后,本文介绍了硅基金黄光LED器件在道路照明、隧道照明等领域的示范应用,以及在母婴灯等家居照明领域的推广应用。

五基色LED照明光源技术进展

现有的白光LED是通过蓝光LED激发黄色荧光粉获得的,虽然其光电转换效率已远超白炽灯和日光灯,但其显色指数、色温和光效之间难以协调发展。采用多色高效率LED(红、黄、绿、青、蓝光)可合成低色温、高显色指数、高光效、对人眼安全与舒适的全光谱无荧光粉白光光源,是下一代高品质光源。其难点在于获得高光效黄光LED。目前我们在黄光LED光效提升方面取得重大突破,获得了电光转换功率效率高达21.5%的硅衬底InGaN基黄光LED(565nm,20A/cm^2),对应130 lm/W,远好于文献报道和可查询到的最高水平。基于红、黄、绿、青、蓝五色LED芯片合成的白光灯珠,显色指数94.8,色温3 263K,光效100.5 lm/W,达到了实用化水平。无荧光粉五基色LED照明技术省去了稀土这一稀缺资源,具有现实价值和战略意义,同时在可见光通信、情景照明、智能照明方面有优势。

硅衬底GaN基LED薄膜芯片的应力调制

将Si衬底GaN基LED外延薄膜经晶圆键合、去硅衬底等工艺制作成垂直结构GaN基LED薄膜芯片,并对其进行不同温度的连续退火,通过高分辨X射线衍射（HRXRD）研究了连续退火过程中GaN薄膜芯片的应力变化。研究发现：垂直结构LED薄膜芯片在160~180℃下退火应力释放明显,200℃时应力释放充分,GaN的晶格常数接近标准值。继续升温应力不再发生明显变化,GaN薄膜的晶格常数只在标准晶格常数值附近波动。扫描电子显微镜给出的bonding层中Ag-In合金情况很好地解释了薄膜芯片应力的变化。

垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响

用MOCVD技术在硅衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料,研究了有源层多量子阱中垒的生长温度对发光效率的影响,获得了不同电流密度下外量子效率（EQE）随垒温的变化关系。结果表明,在860~915℃范围内,发光效率随着垒温的上升而上升。当垒温超过915℃后,发光效率大幅下降。这一EL特性与X光双晶衍射和二次离子质谱所获得的阱垒界面陡峭程度有明显的对应关系,界面越陡峭则发光效率越高。垒温过高使界面变差的原因归结为阱垒界面的原子扩散。垒温偏低使界面变差的原因归结为垒对前一个量子阱界面的修复作用和为后一个量子阱提供台阶流界面的能力偏弱。外延生长时的最佳垒温范围为895~915℃。

图形硅衬底GaN基发光二极管薄膜去除衬底及AlN缓冲层后单个图形内微区发光及应力变化的研究

研究了图形硅衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜、去除硅衬底后的无损自由状态LED薄膜以及去除氮化铝(AlN)缓冲层后的自由状态LED薄膜单个图形内的微区光致发光(PL)性能,用荧光显微镜与扫描电镜观测了去除.AlN缓冲层前后LED薄膜断面弯曲状况的变化.研究结果表明:1)去除硅衬底后,自由支撑的LED薄膜朝衬底方向呈柱面弯曲状态,且相邻图形的柱面弯曲方向不一致,当进一步去除AlN缓冲层后薄膜会由弯曲变为平整;2)LED薄膜在去除硅衬底前后同一图形内不同位置的PL谱具有显著差异,而当去除AlN缓冲层后不同位置的PL谱会基本趋于一致;LED薄膜每一位置的PL谱在去除硅衬底后均出现明显红移,进一步去除AlN缓冲层后PL谱出现程度不一的微小蓝移;3)自由支撑的LED薄膜去除AlN缓冲层后,PL光强随激光激发密度变化的线性关系增强,光衰减得到改善.

量子垒结构对Si衬底GaN基绿光LED光电性能的影响

在Si衬底上外延生长了3种不同量子垒结构的绿光外延片并制作成垂直结构芯片,3种量子垒结构分别为Ga N、In0.05Ga0.95N/Al0.1Ga0.9N/In0.05Ga0.95N、In0.05Ga0.95N/Ga N/In0.05Ga0.95N,对应的3种芯片样品为A、B、C,研究了3种样品的变温电致发光特性。垒结构的改变虽然对光功率影响很小,但是在光谱性能上会引起显著改变,结果如下:在低温(13 K)大电流下,随着电流密度的增大,样品的EL谱峰值波长蓝移更为显著,程度依次为B>A≈C;在高温(300 K)小电流下,随着电流密度的增大,样品EL谱的峰值波长蓝移程度的大小依次为A>B>C。在同一电流下,随着温度的升高,样品在大部分电流下的EL谱峰值波长出现"S"型波长漂移,在极端电流下又表现出不同的漂移情况。这些现象与局域态、应力、压电场、禁带宽度等因素有关。

Si衬底LED薄膜芯片Ni/Ag反射镜保护技术

Ag基反射镜提高了薄膜型LED芯片的出光效率,但其易受破坏,通常选择抗腐蚀金属作为其保护材料,同时需要研究保护金属与p-GaN的接触性能,避免在p-GaN上同时形成两种欧姆接触引入的电流分流效应。通过传输线的方法研究了Pt,Cr,Ni/Ag与p-GaN的接触行为(在不同的合金条件),讨论了Cr和Pt作为保护材料的可行性。结果发现,N2中500℃合金后,NiAg/p-GaN的比接触电阻率(ρc)达到最低,ρc最低值为1.42×10-3Ω.cm2;同条件下,80 nm Pt/p-GaN的ρc为6.63×10-3Ω.cm2,30 nm Cr/p-GaN的ρc为2.03×10-2Ω.cm2,且其合金前的ρc为5.74×10-2Ω.cm2,比合金后的ρc更高。这说明,Cr是更为理想的Ni/Ag保护材料,若Ni/Ag合金后再蒸Cr,效果更佳。最后,通过芯片老化实验,验证了Cr是一种较为理想的、可靠的反射镜保护材料,采用其制备的薄膜型功率芯片具有很高的可靠性。

V形坑尺寸对硅衬底InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的影响

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了InGaN/AlGaN近紫外LED,通过改变低温GaN插入层的厚度调控V形坑尺寸,系统地研究了V形坑尺寸对InGaN/AlGaN近紫外LED(395 nm)光电性能的影响。结果表明,低温GaN插入层促进了V形坑的形成,并且V形坑尺寸随着插入层厚度的增加而增大。在电学性能方面,随着V形坑尺寸的增大,-5 V下的漏电流从5.2×10^(-4)μA增加至6.5×10~2μA;350 mA下正向电压先从3.55 V降至3.44 V,然后升高至3.60 V。在光学性能方面,随着V形坑尺寸的增大,35 A/cm^2下的归一化外量子效率先从0.07提高至最大值1,然后衰退至0.53。对V形坑尺寸影响InGaN/AlGaN近紫外LED光电性能的物理机理进行了分析,结果表明:InGaN/AlGaN近紫外LED的光电性能与V形坑尺寸密切相关,最佳的V形坑尺寸为120~190 nm,尺寸太大或者太小都会降低器件性能。

InGaN/GaN多量子阱LED载流子泄漏与温度关系研究

通过测量光电流,直接观察了InGaN/GaN量子阱中载流子的泄漏程度随温度升高的变化关系。当LED温度从300K升高到360K时,在相同的光照强度下,LED的光电流增大,说明在温度上升之后,载流子从量子阱中逃逸的数目更多,即载流子泄漏比例增大。同时,光电流的增大在激发密度较低的时候更为明显,而且光电流随温度的增加幅度与激发光子的能量有关。用量子阱-量子点复合模型能很好地解释所观察到的实验现象。实验结果直接证明,随着温度的升高,InGaN/GaN量子阱中的载流子泄漏将显著增加,而且在低激发密度下这一效应更为明显。温度升高导致的载流子泄漏增多是InGaN多量子阱LED发光效率随温度升高而降低的重要原因。

SiON钝化膜对硅衬底氮化镓绿光LED可靠性的影响

研制了4种不同表面钝化类型Si衬底GaN基绿光LED,分别标记为样品A、B、C、D。样品A无钝化层,样品B为台面SiON钝化,样品C为侧面SiON钝化,样品D为台面和侧面均钝化。将4种样品进行了常温60 mA(电流密度312 A/cm2)下168 h的加速老化,并对比了老化前后的I-V和光衰等特性。结果表明:侧边的SiON钝化层可有效抑制有源区内非辐射复合缺陷的增加,从而有效降低器件老化后的漏电流和光衰。与台面上的SiON相比,侧边的SiON对钝化起到了决定性作用。

Si(111)衬底切偏角对GaN基LED外延膜的影响

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在具有偏角(0°~0.9°)的Si(111)衬底上生长了Ga N薄膜。采用高分辨X射线衍射(HRXRD)对Si衬底的偏角进行了精确的测量,利用HRXRD、原子力显微镜(AFM)以及光致发光(PL)对外延薄膜的晶体质量、量子阱中In组分、表面形貌及光学特性进行了研究。结果表明,Si(111)衬底偏角对量子阱中的In组分、Ga N外延膜的表面形貌、晶体质量以及光学性能具有重大影响。为了获得高质量的Ga N外延薄膜,衬底偏角必须控制在小于0.5°的范围内。超出该范围,Ga N薄膜的晶体质量、表面形貌及光学性能都明显下降。

等离子体表面处理对硅衬底GaN基蓝光发光二极管内置n型欧姆接触的影响

硅衬底GaN基发光二极管(LED)的内置n型欧姆接触在晶圆键合时的高温过程中常常退化,严重影响LED的工作电压等器件性能.本文深入研究了内置n电极蒸镀前对n-GaN表面的等离子体处理工艺对硅衬底GaN基发光二极管n型欧姆接触特性的影响.实验结果表明,1.1 mm×1.1 mm的LED芯片在350 m A电流下,n-GaN表面未做等离子体处理时,n电极为高反射率Cr/Al的芯片正向电压为3.43 V,比n电极为Cr的芯片正向电压高0.28 V.n-GaN表面经O2等离子体表面处理后,Cr/Al和Cr电极芯片的正向电压均有所降低,但Cr/Al电极芯片的正向电压仍比Cr电极芯片高0.14 V.n-GaN表面经Ar等离子体处理后,Cr/Al电极芯片正向电压降至Cr电极芯片的正向电压,均为2.92 V.利用X射线光电子能谱对Ar等离子体处理前后的n-GaN表面进行分析发现,Ar等离子体处理增加了n-GaN表面的N空位(施主)浓度,更多的N空位可以提高n型欧姆接触的热稳定性,缓解晶圆键合的高温过程对n型欧姆接触特性的破坏.同时还发现,经过Ar等离子体处理并用HCl清洗后,n-GaN表面的O原子含量略有增加,但其存在形式由以介电材料GaO_x为主转变为导电材料GaO_xN_(1-x)和介电材料GaO_x含量相当的状态,这会使得接触电阻进一步降低.上述两方面的变化均有利于降低LED芯片的正向电压.

p层厚度对Si基GaN垂直结构LED出光的影响

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法在Si衬底上生长了一系列具有不同p层厚度d的InGaN/GaN蓝光LED薄膜并制备成垂直结构发光二极管(VLEDs),研究了p层厚度即p面金属反射镜与量子阱层的间距对LED出光效率的影响,并采用F-P干涉模型进行了理论分析。结果显示,光提取效率受d影响很大,随d的增加呈现类似阻尼振动的变化趋势,分别在0.73λn处和1.01λn处取得第一个极大值和极小值,且前者是后者两倍多。因此优化p层厚度可以有效提高LED的出光效率。

电子阻挡层Al组分对Si衬底GaN基黄光LED内量子效率的影响

为了探究具有双层电子阻挡层设计的GaN基黄光LED中首层电子阻挡层(EBL-1)Al组分对内量子效率的影响以及其中载流子注入的主要物理机制,首先使用硅衬底GaN基黄光LED外延与芯片工艺,在外延过程中通过控制三甲基铝(TMAl)流量,分别获得EBL-1含有Al组分约20%、50%、80%的硅衬底GaN基黄光LED;随后使用半导体仿真软件Silvaco Atlas对这3种样品的实际测试内量子效率曲线进行拟合。结果表明,EBL-1中Al组分对内量子效率的影响主要体现在两方面:一是EBL-1的Al组分越高越有利于空穴从V形坑侧壁注入到多量子阱有源区;二是EBL-1中过高的Al组分会降低p型GaN晶体质量,导致空穴浓度下降;综合表现为Al组分约50%的EBL-1在这种双层电子阻挡层的设计下最有利于提高硅衬底GaN基黄光LED的内量子效率。

低色温无荧光粉LED光源的可靠性研究

为了对比研究新型低色温无荧光粉LED光源和低色温荧光粉LED光源的可靠性,本文进行了85℃加速老化和温度步进应力实验,测试了各光电参数在老化过程中的变化规律,并分析了有无荧光粉低色温光源的老化衰减机理。实验结果表明,在20 A/cm2工作电流密度、85℃的加速老化条件下,两种类型的光源都表现出很好的稳定性,但随着功率的增加,无荧光粉光源展现出更好的光通量稳定性;随着温度的升高,无荧光粉光源在高达200℃左右仍表现出良好的可靠性,而荧光粉光源则在175℃后出现了明显的光通量衰减和色温升高。电流应力或温度应力提升以后,无荧光粉光源展现出更优异的可靠性。

氮化镓基绿光LED中V坑对空穴电流分布的影响

采用实验与理论模拟相结合的方法,研究了氮化镓基绿光发光二极管(LED)中V坑对空穴电流分布的影响。首先,实验获得了V坑面积占比不同的3种样品;然后,建立数值模型,使得理论计算的外量子效率(EQE)及电压与实验测试的变化趋势相匹配,从而确立了所用数值模型的可信性。计算结果显示:V坑改变了空穴电流的分布,空穴电流密度在V坑处显著增加,在平台处明显减小。进一步的分析表明:V坑面积占比在0~10%范围内,V坑空穴电流占比与V坑面积占比之间呈近线性增长(斜率为2.06),但V坑空穴注入在整个空穴注入的过程中仍未占主导。

无蓝光、无荧光粉的金黄光LED在市政照明上的应用技术优势

本文介绍了一种无蓝光、无荧光粉、低色温、高显指、高光效的金黄光LED照明技术,并结合金黄光LED路灯代替传统道路照明灯具的应用案例,分析了金黄光LED在市政照明中的应用优势,解决了市政照明中光品质与节能环保难以协同发展的问题。