目前,世界范围内在GaN基高亮度LED及半导体全固态照明光源的研发方面居于领先水平的公司主要有:美国的Lumileds、HP/Agilent和Cree,日本的Nichia、ToyodaGosei、Sony、
Toshiba和其他综合性大公司(如NEC、Matsushita、Mitsubishi及Sumitomo等),德国的Osram等等。这些跨国公司多数有原创性的专利,引领技术发展的潮流,占有绝大多数的市场份额。台湾的一些光电企业(如国联光电、光宝电子、光磊科技、亿光电子、鼎元光电等)以及韩国的若干研发单位,在下游工艺和封装以及上游材料外延方面也具备各自的若干自主知识产权,占有一定的市场份额。
调查显示,Nichia、Cree、Lumileds、OSRAM、ToyodaGosei、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)。
外延技术
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(US6285696)等等。
在发展历程上,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 Lateral Over-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。
在GaN基光电子器件中,大量的专利内容集中于发光区的结构设计,主要包括:普通双异质结(EP0599224);一般的方形量子阱(包括单量子阱和多量子阱、EP1189289和JP11054847);梯形量子阱(US6309459);三角量子阱以及非对称量子阱(GB2361354);采用非掺杂的载流子限制层(US2002093020);活性层与p型层之间加入缓冲层(US2001011731);采用多量子垒(MQB)做载流子限制层(US2001030317)等等。这些专利设计的目的均是为了提高活性区的发光效率。