稀磁氮化物引发红光LED革命

红光、橙光和黄光稀磁氮化物LED具有更高的功率和低的温度敏感度。拿传统的红光AlGaInP LED和新型InGaNP LED作比较，发现后者发光亮度更强，适合做大屏幕彩显的背光单元。

在参与到普通照明市场的竞争之后，蓝光和白光LED的性能有了巨大的提升，这与应用在大型彩色屏幕、交通灯和建筑照明等领域的红色、琥珀色和黄色发光管形成了鲜明的对比，后者性能提升缓慢。

然而，一家刚从加州大学圣地亚哥分校（UCSD）分离出来的新公司Quanlight，已经开发了一种完全不同的芯片制造工艺，它能够克服这些阻碍并极大地提升LED的性能。通过把传统的AlGaInP材料替换成新型的稀磁氮化物材料InGaPN，就有可能制备出高亮度LED，并且它对温度变化不甚敏感。这将对那些需要稳定红光输出的高质量图像来说有帮助，适合大屏幕彩色显示等应用。

传统的红光LED已经用在汽车的刹车灯上，当转向基于InGaPN的器件以后，车灯的亮度得到提高，所需器件数目得到降低。来源：BMW公司

这项关键技术的核心来自加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究成果。由charles Tu领导的UCSD团队，在Quanlight公司成立之前已经在InGaPN方面取得了一些进展。这种材料含有大约1%的氮，看起来是红色发光管另一种理想的材料。InGaPN和GaP一经结合，就能产生比AlInGaP基LED更大的能带差的异质结。计算表明由于更大的电流处理能力它能产生更高亮度的LED。此外，尽管这种材料体系还不成熟，对它知之甚少并难以生长，InGaPN就已经有了一些令人振奋的初步结果。

UCSD的研究人员设法设计了一个有效的原型LED，在器件性能方面如预料中那样实现了几项提升，包括缩短了发射波长随着温度的漂移大小。尽管这些设备对于最初的研究来说是足够的，可是用MBE设备会污染材料，这点限制了LED的亮度。因此，进一步的研发工作还需转向商业化生产厂，并且里面采用的工艺和设备是基于MOCVD平台的。

学术研究的商业化

为此我们创立了Quanlight公司，并组成了一支研发队伍。从私人投资者处募集到了两笔基金共计400万美元后，在2006年8月初我们通过Bandwidth Semiconductor代工服务来开发外延片，目前取得了很好的进展，并于去年年底按照计划制造并出售红色LED外延片给芯片制造商。现在我们计划将外延片的范围扩展至涵盖585nm到660nm的橙色和黄色波段。此外，我们也开始授权专有的工艺技术，或与其它公司建立伙伴关系。

InGaPN LED相对于AlGaInP LED的优势主要有三：更低的制造成本，更好的色温稳定性和大电流下更高的亮度。

更低的制造成本来源于更简化的制造工艺，它使用的生产设备与传统红光LED的一致。传统的AlInGaP基发光管是在GaAs衬底上生长的，为了提升输出功率，外延片通常是放到一个透明的GaP衬底或者镜面的支撑体上。我们的工艺稀磁氮化物能够直接地生长在GaP衬底上，这就减少了传统制作所需的“外延层去除和压焊”两大工艺步骤；从而降低了材料成本。

在我们的器件中，GaP衬底和InGaPN材料之间存在小小的晶格失配，这意味着外延片是赝势应变的，但是它允许在LED中整合足够的量子阱以实现大功率的输出。这样产生的结构其质量和在GaAs衬底上生长的AlInGaP材料的类似，但缺点是市面上不提供采用垂直梯度冷凝法（VGF）制备的GaP衬底。VGF是一种能够生长非常低位错密度梨晶的制造工艺。

提高GaP质量

图1. Quanlight的635nm LED相比传统的设计来说，它受到温度的影响更小，稳定性更好。

我们现在用的3"衬底是用液封直拉（LEC）工艺生长的，它适用于LED的量产，所得器件在亮度和可靠性方面具备商业竞争力。同时我们也在和PVA TePla合作开发新的技术，使用VGF方法制备GaP梨晶。我们希望这个冒险能够取得成功，因为VGF方法被业内熟知，并早已用来生长其它材质的衬底了。尽管不能预测转用VGF材料之后能有多大利润，但我们预计它能够提高InGaPN基LED的寿命和功率输出。我们已经开始对初期测量在这个平台上制取的LED，并希望在很短的时间内能取得初步的结果。

InGaNP的本征属性确保了器件的峰值波长随温度的漂移将小于AlInGaP器件的。对于那些需要稳定光源的应用如彩色显示器，发光器件更具吸引力。在UCSB实验室，我们发现了用MBE法制成的红色发光管其色彩稳定性得到了提高，但这对MOCVD法制成的LED也同样有效。通过外部加热法将LED从25℃升温至125℃，并记录不同温度下的峰值发光波长。测试结果如图1所示，LED的峰值发射波长在整个温度范围仅仅变化了3nm，相对于一家领先的红光LED制造商所生产的AlInGaP芯片，3nm偏移量仅是后者的五分之一。

InGaPN LED的第三个优势是在高温下发光更亮，它源于一种优异的能带结构，能提高有源区的载流子限制效应。带有GaP势垒的InGaPN LED产生的能带偏移量较大，通常是AlGaInP量子阱与AlGaInP势垒能带偏移量的2-3倍。

在25℃到125℃范围内，通过比较Quanlight LED和传统红光LED的输出功率，结果验证了前者在更高温度下性能更强（图2）。

Quanlight器件在125℃时的发射功率是它在25℃时的48%，但是参考的LED仅仅是其初始值的25%。当我们完成器件工艺的研发工作之时，希望我们的材料能制备出和室温下AlInGaP芯片一样明亮的器件，并比150℃时AlInGaP芯片的亮度高2倍左右。在高温下InGaNP LED的性能得到提升，这个特性对红色和黄色交通灯更具吸引力。它们在美国的最小熔化标准是25℃和74℃。

有源区中增强的载流子限制效应同样有益于电流处理，在研发阶段的测试器件已经产生了高达9A/mm2的电流密度（图3）。这些测试是在外延片上进行的，而不是对每个划开的芯片进行的。因此可以合理地预测新生成的产品的有效参数会低一些。尽管如此，我们还能预测InGaPN LED的饱和电流密度是基于AlInGaP同类产品的2-3倍。

图2. 更高温度下635nm发光管的输出功率在衰减，其幅度随着载流子限制效应的增加而平缓。AlInGaP LED的数据来源于一家领先的LED制造商。

从传统的红光芯片转向InGaPN器件好处有三：更高的电流处理能力，对LED封装和应用工程师有帮助；在更大的驱动电流下使用更小的器件，并能发出同样亮度的光；或者在大功率阵列中可采用更少的大尺寸LED。这些方式都能够减少LED尺寸并降低总体的成本，无论是采用更少量LED还是同样个数的LED，总的成本会因为LED尺寸小而更加便宜。

现在我们正测试这款红色发光管的可靠性，将对研发中的器件进行5000小时的测试；我们也计划比较LEC和VGF法生长的衬底所制成LED的性能。

准备启动

我们已经将器件的生长转移到了MOCVD平台上，并采用了最优化的外延层设计。从我们的器件中观测到了光输出的提高。与稀磁氮化物的本征属性有关，我们无需损害发光器的色彩和热稳定性就能获得上述优势。

尽管我们领域的许多人可能以为稀磁氮化物是一种难懂的材料，没有在电信部门发挥它应有的作用。我们有理由认为这款器件将会是一个商业上的成功。稀磁氮化物通信激光器的外延层需要高浓度的铟含量，增加了材料的应力并降低了器件的寿命和可靠性。但是红色、橙色和黄色InGaPN LED的含铟量很少，它就不会出现这个问题。

图3. Quanlight的LED能够经受很高的电流密度，不像传统的LED只能在2.0A/mm2以下才发出峰值亮度；在外延片上测试，这些InGaNP LED将在这两处发出最亮的光：若是300×300祄的芯片，其电流密度是9.0A/mm2；若是400×400祄的芯片，其电流密度为5.5A/mm2。

我们在制备稀磁氮化物中获得了丰富的经验，相对于其他可能正准备开发基于此材料的产品的公司，这为我们赢得了很强的竞争力。尽管外延片是在Bandwidth Semiconductor生长的，但我们还是将工艺知识和知识产权掌握在自己的手中，技术团队在现场参与所有的开发生长过程。这个团队带动了这种材料的研发。

当我们启动更多组合产品如覆盖585nm到660nm的大功率红色、褐色和黄色外延片LED时，我们已经进入了一个目标5亿美元的快速增长的高亮度市场。我们产品的性能优势将适合需要大功率和稳定色彩输出的应用。发光芯片的温度诱发的波长漂移减少，让LCD TV背光单元、投影机的光引擎、户外显示和其它红绿蓝混色应用从中受益，也即显示设备的控制机制得到简化。同时，此款高强度输出的新型红光LED也适合用在运输、危险地、剧院和建筑物等方面的照明。

诸如交通灯和汽车刹车灯的应用都使用AlInGaP LED来降低能源和成本，对于这种类型的大功率应用，InGaPN LED使工程师设计更多更低成本的灯具，原因在前面提到了：在更高的电流下使用更小尺寸的芯片，或者在阵列中使用更少的大尺寸LED。由于Quanlight LED在高温下能有效地工作，需要使用一个更紧凑结构或能加强散热的外壳。

在缺少严格输出规范的低功率应用领域，比如圣诞树照明，这对InGaPN LED而言是唯一不高人一等的地方，目前Quanlight没有积极进取这个低功率应用市场，因为低价的低功率AlInGaP芯片已经普遍供应了。