一技术工艺或可打破腔体式蓝宝石衬底LED市场僵局

大功率LED的市场的使用率正在扩大。在工业照明应用中使用这些设备，会带来高效率。正是因为效率越高，散热就越低，最终，热管理就越简单、便宜。

鉴于LED行业的状况，所以许多芯片制造商正在努力提高设备的效率，并且在大电力行业中获得了更多的成功和更大的利润空间。即使这些设备制造商只比同行高出百分之几的效率，但是这将给他们带来相当的优势，他们可以有很大的利润空间，其中很大一部分来自高端LED芯片的生产。

能够生产高效率设备的另一个优点是，如果它们也具有可靠性，那么它们可以在汽车大灯领域挑战成功。但是，它们没有取得成功的地方却在一般照明。在一般照明中，大量使用中低效LED，这些设备的许多制造商日子煎熬。

提取光子

一个高效LED的关键要求之一是提取其中生成的大部分光子。实现这一点很重要，因为GaN的折射率远远高于空气的折射率，导致大多数光子因全内反射而被困在器件内部。

克服这个问题的常用方法是在图案化蓝宝石上生产器件。波纹表面可以在许多方向上散射光子，增加了光从芯片逸出的可能性。

这些基板是这样形成的：采用一块平面蓝宝石，用光致抗蚀剂掩模和电感耦合等离子体将图案蚀刻进里面。通过这个过程，掩模逐渐侵蚀，出现圆顶形表面。 如果想要锥体，则可以通过调节蚀刻条件来形成。

当光传播通过在图案化蓝宝石衬底上形成的LED时，由于折射率的差异，光被反射和衍射。光的传播在界面处发生最大的变化，折射率出现最大的差异，这出现在GaN和空气之间的边界处。因此，许多研究小组试图将高折射率对比度腔体结构融入到LED里。这种结构是成功的，可以增加光提取，但到目前为止，还没有关于在LED行业内使用生产级、成腔工艺的报告。

对腔体式LED做出了重大贡献的其中一个研究小组是韩国首尔国立大学的Euijoon Yoon和同事组成的团队。他们花了几年的时间用中空二氧化硅纳米球形成的纳米级腔体制作LED，通过在LED中引入腔体来增加光提取。此外，由于腔周围的GaN中的压应力减少，他们减少了翘曲度。这意味着更薄的蓝宝石晶片可以用于LED制造，削减生产成本。

然而，仍有改进的空间。由于中空腔的密度低以及位置的随机性，光提取的增加并不高。必须解决这些缺点，以便为LED生产创造出更好、更可靠的空腔成型工艺。

从实验室到工厂

下面将介绍的是韩国的Hexa Solution公司是如何解决这些问题的，他们的核心技术是腔体蓝宝石衬底。韩国的两个研究机构进行了一项可行性研究，实验室规模生产表明，结合空腔设计的蓝宝石衬底的LED比图案化蓝宝石衬底的LED要好。

他们生产腔体式蓝宝石衬底的工艺是很稳健的，并且是可扩展的（见图1）。该工艺从光致抗蚀剂图案开始，通过回流工艺先将圆柱形光致抗蚀剂制成圆顶的形状。随后，在所有暴露的表面上以120℃的温度将80nm厚的无定形氧化铝层进行原子层沉积。氧化铝部分覆盖蓝宝石，部分覆盖光致抗蚀剂。

图1. 用于形成腔体式衬底的制造工艺包括将无定形氧化铝进行完全结晶，使其变成蓝宝石。这大大简化了随后的GaN生长。

下一步是在氧化气氛中进行热处理。这可以将氧通过多孔氧化铝层进行内扩散，将氧化副产物向外扩散，得到的结果就是圆顶形腔。

同时，无定形氧化铝变成完全结晶，从蓝宝石接触区域开始，在光致抗蚀剂的圆顶顶部完成。该方法的一个好处就是无定形氧化铝的结晶相是蓝宝石。因此，由于氧化铝在热处理期间结晶成蓝宝石，所以不需要额外的加工步骤来暴露蓝宝石种子层并开始GaN生长（参见图2）。

图2. 扫描电子显微镜显示GaN生长后形成的六角形圆顶嵌入腔。

这种腔体式衬底的巨大优势是它们独特的光学性能。它们产生强烈的干扰，导致肉眼可以看到一系列颜色。与图案蓝宝石相比，由于腔的强衍射，在白炽灯和荧光照明下会产生更生动的干涉色（见图3）。

图3. 与图案化蓝宝石相比，腔体式蓝宝石中的衍射更强，在照明下出现更亮的颜色。

此外，透射实验表明，腔体式蓝宝石在宽波长范围内产生的透射率比图案化蓝宝石更高。

时域有限差分模拟显示，高折射率对比度腔与即将到来的平面波相互作用非常强烈。结果显示，空腔在改变光的传播方向是有效的（见图4）。

图4. 时域有限差分模拟显示，在空腔式蓝宝石中的散射要比图案化蓝宝石更强。在模拟中，使用入射角为0°（顶部）和45°（底部）的平面波。

空气腔体的另一个结果是它作为对平面波的光学干扰，在结构内部和外部造成显著的相位变形。根据惠更斯的原理，嵌入式空气腔阵列能够从LED中提取更多的光，因为每个单独的空气腔会产生强烈的次级波。LED内部产生的光与高折射率对比度腔体阵列相互作用强烈，因此，与传统器件中的全内反射相比，光离开了芯片，或者换句话说，光是衍射的（参见图5）。

图5. 时域有限差分模拟显示，腔体式蓝宝石的LED在提取光线方面比使用图案化蓝宝石衬底的更有效。

性能验证

为了展示腔体式蓝宝石的LED的卓越性能，并且与图案化蓝宝石上形成的LED相比，研究人员在MOCVD反应器中同时在两种类型的基板上生产设备。之后，同时加工两种晶片，生产出尺寸为1075μm * 750μm的大面积、横向型蓝色发光InGaN / GaN LED。

两种蓝宝石的特征有显著差异。空腔式蓝宝石包含高1.5μm、直径2.4μm的半球，而图案蓝宝石上的锥体高1.7μm、直径2.7μm。从这些晶片中切割LED芯片（见图6），单个芯片安装在相同的封装上。

图6. 横向型LED，尺寸为1075μm * 750μm，采用腔体式蓝宝石技术。

使用标准积分球测量光功率，LED在腔体式蓝宝石上产生的功率通常明显高于在图案化蓝宝石上产生的功率（见图7）。采集以240mA驱动的单个LED芯片的光谱显示，在腔体式蓝宝石上生产的那些LED芯片在468nm处提供峰值发射，并且产生的光学功率比图案化蓝宝石上形成的LED高40％。在腔体式蓝宝石上生产的LED发射主波长为456nm和462nm，表现也超过图案化蓝宝石上形成的LED，但幅度较小（见图8）。

图7. 使用空腔式蓝宝石和图案化蓝宝石技术生产的LED的光功率分布。

图8. 使用腔体式蓝宝石的LED在456nm、462nm和468nm的三个主要波长处产生的功率大于图案化蓝宝石上形成的LED。

这种腔体技术的一大优点是，衬底的表面完全由蓝宝石制成。 这意味着与MOCVD生长相关的化学反应与平面和图案化蓝宝石的化学反应相同。虽然可能需要稍微调整生长温度来优化器件性能，但是采用该技术不需要对生产工艺进行重大改变。

与图案化蓝宝石制成的LED相比，价格较低源自较低成本的工艺。通过等离子体蚀刻形成的图案化蓝宝石相对昂贵，这是由于蓝宝石硬度硬，在苛刻条件下需要长时间的蚀刻时间。更糟糕的是，图案化蓝宝石的产量不能令人满意。相比之下，可以使用更稳定、更便宜的原子层沉积工艺和热处理来批量生产一批空腔式蓝宝石衬底。（编译：LEDinside James）

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