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显示屏LED芯片技术
显示屏LED芯片种类主要包括红绿蓝光三色芯片，其中红光主要是四元的AlGaInP系列红光LED芯片，波长范围在620～625nm之间，蓝光和绿光主要来源于GaN系列的LED芯片，波长范围分别在465～472.5nm和520～530nm之间。从LED整个制造工艺上可将整个产业链划分为包括衬底基板制造和外延生长的上游，包括芯片电极和晶粒制作的中游，和下游的LED芯片封装。如图1所示。
图1 LED显示屏芯片制造流程示意图
上游的LED外延片衬底是LED产业技术发展的基石。不同的衬底材料，需要不同的LED外延片生长技术、芯片加工技术和器件封装技术，衬底材料决定了LED技术的发展路线。
LED外延片衬底材料选择要求衬底材料与外延层材料的晶体结构要相近，热膨胀系数，热传导和光导性能较好，导电性能好（易制得垂直结构的芯片），机械性能易于晶粒的加工，制备较容易，成本较低，尺寸一般不能小于2英寸。然而LED衬底的选择要同时满足以上条件非常困难，所以目前通过外延生长技术和器件加工工艺的调整来适应不同衬底上的半导体发光器件。
显示屏芯片中的红光LED芯片，因外延层材料和GaAs材料的晶格匹配较好，一般使用MOCVD在GaAs衬底上生长AlGaInP外延结构。用于GaN蓝绿光外延研究的衬底材料比较多，但是能用于生产的衬底目前只有二种，即蓝宝石Al2O3和碳化硅SiC衬底。下面就对AlGaInP红光芯片和GaN基蓝绿光芯片分别介绍。
红光外延生长所用衬底为导电的GaAs衬底所以在芯片结构上为垂直的芯片结构。芯片p型和n型电极的制作主要涉及光刻和镀膜工艺。芯片结构如图2所示，主要包括为顶部p电极、电流扩展层（窗口层）有源层、衬底层（有的含反射层DBR）底部n电极。
图2 P面出光的红光LED芯片结构示意图
AlGaInP的禁带宽度随Al组分的增大而增大，限制层的禁带宽度越大，对少数载流子的限制作用就越强，使有源区的电子和空穴被有效的束缚在有源区，增加复合的电子-空穴对的数目。但高Al组分的AlGaInP不宜得到，因此要合理的控制外延层的掺杂浓度和厚度。由于AlGaInP系材料与GaAs衬底具有良好的晶格匹配，失配率小于1.5×10 -3 ，容易获得高质量的外延材料，因此高亮红光AlGaInP LED的内量子效率可到达99%，接近理论极限。然而GaAs材料的禁带宽度比AlInGaP窄，有源区向衬底方向的出射光会被GaAs衬底吸收，技术上为提高红光亮度及芯片的可靠性，现高亮红光LED采转移衬底或倒装技术，去掉红光外延层的吸光GaAs衬底（如图3所示）。
图3 去除GaAs衬底的反电极（N电极朝上）红光LED芯片结构示意图
氮化镓基LED发展追溯于1969年，Maruska和Tietjen成功制备出GaN单晶薄膜。1971年，第一只GaN LED已经问世，由于当时不能进行GaN p型掺杂，只能采用MIS结构。1986年，H.Amano等人采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）和AlN缓冲层，使生长的GaN薄膜的质量显著提高。现在，采用AlN或GaN作为缓冲层己成为Ⅲ－Ⅴ材料生长的基本方法。同90年代以来，由于缓冲层技术的采用和P型掺杂技术的突破，对GaN基LED的研究热潮在全世界蓬勃发展起来。1991年，Nichia 公司的Nakamura等人成功地研制出掺Mg的同质结GaN蓝光LED；同年，Akasaki等将补偿的掺Mg的GaN转变为P型材料，并第一次制造出了p-n结蓝色LED。P型GaN的研制成功，为研究III族氮化物半导体器件，尤其是光电子器件铺平了道路，使制备蓝光、蓝绿光或蓝紫光发光二极管（LED）成为可能。由于InGaN的禁带宽度随In分子比例的改变，可在0.7～3.4eV之间变动，因此是LED有源层的极佳材料。于是在1992年末，由NaKamura等人研制出第一只p-GaN/n-InGaN/n-GaN双异质结蓝色LED。1995年，Nichia公司推出光输出功率2mW，亮度6cd的商品化双异质结GaN绿光LED。
GaN基LED 外延片的基本结构如图4所示，是在蓝宝石衬底上依次生长：①GaN成核层；②n型GaN（实际生产中一般先长一层非故意掺杂的n型GaN）；③InGaN/GaN多量子阱发光层；④P型GaN。为了获得高性能的器件，整个外延生长过程的各项参数都要得到优化并且精确控制，其中对发光效率影响最大的结构是InGaN/GaN多量子阱发光层。
图4 GaN基LED外延片结构剖面示意图
外延片决定了LED芯片的质量，要得到品质好的LED芯片，就必须提高外延片的质量。蓝宝石衬底上用MOCVD生长完外延层后，器件需要通过电极引线和外部电源连接才能工作，所以对于氮化镓基LED后续电极制作工艺如图5所示。工艺主要步骤有：蒸镀ITO，台阶光刻，台阶刻蚀，电极金属蒸镀，最后是钝化层的生长。
现已规模化的芯片电极结构主要是同侧结构，制备工艺上根据表面光刻图形，利用等离子刻蚀技术使规定区域的n区GaN裸露，在裸露的n区上制作n型接触电极。ITO在芯片表面形成透明导电膜，一方面可以减小芯片表面电流的聚集效应，增加芯片电流的分布均匀性，减小芯片的热效应；另一方面，可增加芯片的光提取效率，从而可以起到提升芯片的外部量子效率。芯片加工的整个过程必须严格要求对质量的管理，特别是对芯片表面的清洗，任何表面的污染都会降低LED未来在使用中的可靠性及寿命。
图5 芯片加工之电极制作流程
由于显示屏LED芯片对可靠性和一致性（封装后）要求很高，所以在芯片的测试（全测）和分选的过程中，要求每一颗芯片都要进行反向漏电测试和抗静电（ESD）测试。通常情况下反向漏电测试采用脉冲电压负10伏（在LED两个电极上加反向电压）的情况下反向漏电流要求小于0.5微安，ESD测试则是采用500伏以上（模拟人体静电放电模式情况下）反向漏电要求小于0.5微安，通过上述两项测试可认为该芯片通过测试可靠性测试。而一致性的要求则是要求在分选的时候对于芯片的档位进行细分，对于红光LED芯片，要求波长2纳米一档，亮度30mcd一档；绿光LED芯片，要求波长2.5纳米一档，亮度20mcd一档；蓝光LED芯片，要求波长2.5纳米一档，亮度10mcd一档。
对于高效LED的发展，提高发光效率是关键。作为光源的LED，光电转换效率已成为衡量它的重要指标。因为载流子复合产生的光子不一定能射出器件之外，有一部分在半导体内被吸收，或者在表面处被发射回器件等等。所以作为发光器件，我们关心的是射出器件外的光子数有多少，这就是外量子效率 η EXE 。对于一个LED，外量子效率 η EXE 可表示为：
式（1）中 η LEE 为光提取效率，从式中看，要加强发光二极管的外部量子效率，可以从两个方面努力：①利用外延技术，以加强内部量子效率（ η IQ E ）；因为较差的外延质量使晶体中引入各种缺陷，形成猝灭中心；所以利用新的外延技术提高材料纯度和完整性，以降低猝灭中心的浓度，提高 η EXE ；②利用LED制造工艺增加光提取效率（LEE）。现在高质量的LED（AlInGaP系列红光LED）内量子效率已经能达到99%以上，但外量子效率还很有限，这主要是较低的光提取效率。造成这种状况的原因是多面的，有材料晶格缺陷对光吸收、衬底对光子吸收以及光在出射过程中，界面全反射造成的光子损失等。
虽然采用GaN缓冲层可以改善外延层质量，但蓝宝石和GaN之间的晶格匹配仍相差14%左右。图形衬底技术一方面降低外延生长中的垒晶缺陷提高内部量子效率，另一方面图形化的衬底能有效改善界面的全反射机制。如图6所示。
图6 周期性条形图案的蓝宝石图形衬底制成的LED结构及外延SEM
图形衬底技术从提升内部量子效率和外部量子效率两方面提高LED的发光效率；内部量子效率方面，利用氮化镓的横向生长，使薄膜晶体与衬底间没有紧密接触，从而也不存在晶格匹配与热膨胀系数不匹配等问题，以此降低了晶体生长中的位错密度，如图7所示为图形化衬底的垒晶过程。外部量子效率方面的提高，以提高对量子阱发出光的反射率的方式，如图8所示，衬底图形的深度对发光二极管的出光修正有良好的效果。
图7 图形化衬底的垒晶过程
图8 为图形化衬底光反射过程
当内量子效率的提高达到瓶颈时，这时人们开始从外部量子效率上下功夫。
科技人员在优化外延结构和工艺的基础上，利用表面粗化、侧壁粗化、倒装结构、晶片绑定加激光剥离、表面光子晶体等技术，将氮化镓基蓝绿光LED的亮度得到了成倍提升。
综上所述，制造高亮度低发热的LED芯片一直是LED芯片技术发展的推动力，未来随着芯片技术的发展，芯片制造成本的降低，LED应用产品将渗透到各个行业领域。继2008年北京奥运会和2009年国庆之后，2010年上海世博会上LED在室外景观照明、显示屏，指示领域等的广为应用，不仅给我们呈现了一届绚丽多彩的世博盛会，更为我们打开了LED技术应用的新篇章。