LED灯珠照明技术路线包括了外延、衬底、封装、白光LED灯珠种类等多方面。红色、绿色、蓝色LED灯珠是由磷、砷、氮等的III-V族化合物如砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)以及氮化镓(GaN)等半导体制成的。

1、LED灯珠外延技术

  近十多年业界通过改善外延生长工艺使得位错密度得到了较大的改善。但是主流白光照明用蓝光LED灯珠的氮化镓GaN与衬底间晶格和热膨胀系数的不匹配仍导致了很高的位错密度。一直以来,通过研究LED灯珠外延技术来最大限度地降低缺陷密度、提高晶体质量是LED灯珠技术追求的目标。

  LED灯珠的外延片是LED灯珠的核心部分,LED灯珠的波长、正向电压、亮度或发光量等光电参数基本上都取决于外延片材料。外延技术和设备是外延片制造技术的关键,金属有机物气相沉积技术(MOCVD)是生长III-V族、II-VI族和合金薄层单晶的主要方法。外延片的位错作为不发光的非辐射复合中心,对器件的光电性能具有非常重要的影响。

LED灯珠外延结构及外延技术研究 :

  ①LED灯珠常规的生长技术包括多量子阱前生长低In组分的InGaN预阱释放应力,并充当载流子“蓄水池”,再升温生长GaN垒层以提高垒层的晶体质量,生长晶格匹配的InGaAlN垒层或生长应力互补的InGaN/AlGaN结构等。 量子阱有源区InGaN/GaN量子阱有源区是LED灯珠外延材料的核心,生长InGaN量子阱的关键是控制量子阱的应力,减小极化效应的影响。

  ②经过多年的发展,LED灯珠的外延层结构和外延技术已比较成熟,LED灯珠的内量子效率已可达90%以上,红光LED灯珠的内量子效率甚至已接近100%。但在大功率LED灯珠研究中,发现大电流注入下的量子效率下降较显著,被称为Droop效应。GaN基LED灯珠的Droop效应的原因比较倾向于是载流子的局域化,从有源区泄漏或溢出,以及俄歇复合。实验发现采用较宽的量子阱来降低载流子密度和优化P型区的电子阻挡层都可减缓Droop效应。

LED灯珠外延结构及外延技术研究中的其它具体技术有:

①表面粗化技术 

  LED灯珠外延表面粗化就是相当于改变出射角度避免出射光的全反射提高出光率，由于外延材料的折射率与封装材料不同导致部分出射光将被反射回到外延层。工艺上直接对外延表面进行处理,容易损伤外延有源层,而且透明电极更难制作,通过改变外延层生长条件达到表面粗化是可行之路。

②衬底剥离技术

  LED灯珠蓝宝石衬底激光剥离技术是基于GaN同质外延剥离发展的技术,利用紫外激光照射衬底,融化过渡层剥离,2003年OSRAM用此工艺剥离蓝宝石,将出光率提至75%,是传统的3倍,并形成了生产线。

③LED灯珠倒装芯片技术 据美国Lumileds公司数据,蓝宝石衬底的LED灯珠约增加出光率1.6倍。

④LED灯珠全方位反射膜 除出光正面之外,把其它面的出射光尽可能全反射回外延层内,最终提升从正面的出光率。

⑤LED灯珠二维光子晶体的微结构 可提高出光效率,2003年9月日本松下电器制作出了直径1.5微米,高0.5微米的凹凸光子晶体的LED灯珠,出光率提高60%。

2、衬底技术

  LED灯珠常用的芯片衬底技术路线主要有蓝宝石衬底、碳化硅衬底、硅衬底三大类,另有研制中的氮化镓、氧化锌等。对衬底材料提出要求:

①LED灯珠衬底与外延膜层的化学稳定性匹配，衬底材料要有好的化学稳定性,在外延生长的温度和气氛中不易分解和腐蚀,不与外延膜产生化学反应使外延膜质量下降；

② LED灯珠衬底与外延膜层的热膨胀系数匹配，热膨胀系数相差过大,将使外延膜生长质量下降,在器件工作过程中,还可能由于发热而造成器件的损坏;

③LED灯珠 衬底与外延膜层的结构匹配，两者材料的晶体结构相同或相近,则晶格常数失配小、结晶性能好、缺陷密度低。

  我国LED灯珠硅衬底技术目前取得了技术突破,正在努力向大规模产业化应用发展。目前,已大量用于商品化的GaN基LED灯珠的衬底只有蓝宝石和碳化硅衬底。其它可用于GaN基LED灯珠的衬底材料还有离产业化还有相当一段距离的GaN同质衬底、ZnO衬底。