氮化镓基高亮度LED核心专利分析[1]

　　调查显示，Nichia、Cree、Lumileds、OSRAM、Toyoda Gosei、Toshiba和Rohm等占据了绝大多数市场份额的大公司拥有着该领域80%~90%的原创性发明专利（集中于材料生长、器件制作、后步封装等方面），而其余大多数公司所拥有的多是实用新型专利（主要针对器件可靠性以及产品应用开发方面进行研究）。

　　材料基础：技术路线趋同

　　GaN基宽带隙半导体材料的研究始于20世纪六七十年代，但较之其他传统的III/V族化合物半导体（如GaAs基和InP基材料），其商品化应用到20世纪90年代初/中期才得以实现，因此有关其基础物理/化学性质的研究尚存在着许多难题。在这些方面，美国、日韩和欧洲的一些着名学府和科研机构享有研究声誉，这些学术单位在与合作企业进行各项产业化技术研究（基于MOCVD金属有机化学气相外延生长方法）的同时，也通过RS-MBE（射频源分子束外延）等技术路线对GaN基材料的基础物理/化学性质进行研究。

　　我们对1993年到2002年这10年间发表于Journal of Crystal Growth、Applied Physics Letters这两份具有代表性的SCI索引期刊上的学术论文做了统计。在所抽样调查的877份有关GaN发光器件的研究论文中，约60%以上的实验样品（531份相关论文）是由MOCVD技术外延生长获得的，其余40%的实验样品则由RS-MBE、HVPE等其他技术手段获得的。

　　可见，就整个全球产业界而言，基于MOCVD外延生长的技术路线是发展GaN基光电子材料与器件的主要技术潮流，RS-MBE等技术路线更适于进行基础性学术研究工作。所以，本专利调查报告主要针对MOCVD外延生长的GaN材料来展开。

　　对比由SiC、ZnS及其他II/VI族化合物半导体宽带隙材料所制成的蓝绿光发光器件，GaN基器件的寿命长，发光效率高，价格相对便宜，被公认为是全固态照明光源用管芯器件的首选材料。

　　外延技术：竞争焦点

　　总体来说，GaN基材料的外延生长是发展GaN基高亮度LED和全固态半导体白光照明光源的核心技术，是所有关键难题中的重中之重，因此在这个问题上有大量专利被申请，如高质量GaN外延生长设备（US5433169、EP0887436）、衬底预处理技术（JP7142763）、缓冲层技术（采用AlN的JP2000124499、采用GaN的JP7312350、采用SiNx的EP1111663）、多缓冲层技术（US6495867）、采用超晶格阻断位错（US2001035531）、横向外延过生长技术（EP0942459）以及悬挂外延技术（US6285696）等等。

　　我们将大致按照有关技术的发展历程来做一概述。首先，日亚化学公司开创性地申请了双束流MOCVD系统专利（US5433169），由于这种新型MOCVD系统的出现，MOCVD生长的GaN材料晶体质量得以大大提高。

　　其次，缓冲层技术的出现解决了异质衬底上生长GaN材料时大晶格失配和热失配的问题。由于缓冲层技术条件下生长出的GaN材料仍具有较高的缺陷密度，会影响到发光器件的发光强度、工作寿命和反向特性等重要技术指标，因此人们又在该基础上发展了多缓冲层技术，从而获得更高质量的GaN单晶材料。

　　至此，GaN材料已经足可以满足一般高亮度LED器件制作的需求，但要在此基础上制作出GaN基蓝/绿光激光二极管还必须进一步降低GaN基材料的缺陷密度。随后出现的横向外延过生长技术（ELOG,Epitaxy of LateralOver-growth）和悬挂外延技术正是为了解决这一问题而提出的。当然，以这种ELOG为代表的外延优化技术成本较高，用于制作大功率照明管芯器件的GaN外延材料没必要非采取该条技术路线，但其设计思想是值得我们借鉴的，即最大限度地设法降低外延材料中的缺陷密度，提高器件综合性能。