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2023-06-26
外延生长技术降低氮化物LED位错密度，推动照明LED性能提升与成本降低
【摘要】：LED用外延生长的方法沉积于某些微米厚的GaN层上，这些GaN层是在Al2O3或SiC衬底上异质外延生长形成的。对于ELO，这种位错减小了100倍，位错密度从5×108/cm2降至ELO 2S GaN的5×106/cm2。目前的研究可能使大块GaN和AlN在不久的将来出现，与用水热法获得SiO2和ZnO的方法相同。目前，3家公司能够生产并商业化他们的产品。一块2in、400μm厚的GaN衬底成本约为1500欧元。大规模工业生产将降低成本，并实现照明用氮化物LED性能的大幅提高。
第一个氮化物电致发光二极管出现于1990年，考虑到材料中的大量缺陷，它们的性能已经是惊人的出色。随后铟在（In，Ga）N有源层中的离析解释了上述现象。但是在大功率应用中，这些缺点将成为一个问题。LED用外延生长的方法沉积于某些微米厚的GaN层上，这些GaN层是在Al2O3或SiC衬底上异质外延生长形成的。LED的性能与GaN起始层的品质有直接的联系。
异质外延的主要缺点是起源于初始生长阶段的螺旋位错，这种位错将沿着生长方向蔓延至表面，所以必须减少这种缺陷。对于ELO，这种位错减小了100倍，位错密度从5×108/cm2降至ELO 2S GaN的5×106/cm2。以上的处理技术较为复杂，包含一个光刻法步骤和两个生长步骤，但为了获得寿命10000h的（In，Ga）N层，这些步骤是必需的。理论上，光电子器件的外延生长应该能在大块氮化物衬底上实现，以消除所有因参数失配、热应力、外延等原因造成的缺陷。氮化物不能使用卓克拉尔斯基（Czochralski）法（化学当量液池锭）生长，因为平衡时的氮气压力过高。有些技术使用高的氮气压力，获得非常高的GaN晶体品质，然而对于工业应用而言，晶体的尺寸过小（几个毫米）。用氨热合成可获得更大的GaN单晶（约1in），其中使用的材料为液态NH3。然而，最终的晶体仍含有相当多的缺陷。该技术仍然不成熟但已经引起了广泛关注。目前的研究可能使大块GaN和AlN在不久的将来出现，与用水热法获得SiO2和ZnO的方法相同。
汽相HVPE生长技术利用外延使厚层在Al2O3或GaAs上生长，仍然是获取大块衬底（50mm）的唯一方法。随后使用化学溶解法（用GaAs）[SUMITOMO的方法]或激光溶解法（用蓝宝石）[SAMSUNG的方法]将层从衬底上分离。还有一种方法在蓝宝石和GaN间使用牺牲层，生长期间牺牲层在HVPE容器中升华并产生自支撑的GaN层[LUMILOG的方法]。目前，3家公司能够生产并商业化他们的产品。一块2in、400μm厚的GaN衬底成本约为1500欧元。大规模工业生产将降低成本，并实现照明用氮化物LED性能的大幅提高。
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2023-06-26
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