基于透明襯底的GaN-InN藍(lán)光LED芯片制備及相關(guān)技術(shù)研究.pdf

1、GaN材料為直接帶隙、寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)良的的光、電與熱傳導(dǎo)特性，因此適合作為短波長(zhǎng)光電元件的材料。自1993年第一只商業(yè)化GaN/InGaN藍(lán)光LED問(wèn)世以來(lái)，GaN基發(fā)光器件的研究與應(yīng)用一直是全球研究的前沿和熱點(diǎn)。近年來(lái)通過(guò)涂覆熒光粉，GaN藍(lán)光LED實(shí)現(xiàn)了白光發(fā)射，被應(yīng)用于固態(tài)照明領(lǐng)域。照明用電占整個(gè)社會(huì)電力消耗的20％，為了實(shí)現(xiàn)綠色照明，要求GaN藍(lán)光LED具有更高的電光轉(zhuǎn)換效率。
　　 影響L，ED的電光轉(zhuǎn)換效率

2、的因素包括LED的內(nèi)量子效率以及芯片光提取效率。隨著外延技術(shù)的發(fā)展，目前GaN/InGaNLED的內(nèi)量子效率已經(jīng)超過(guò)80％。但是，由于GaN具有高的折射率(2.3)，理論上當(dāng)周圍環(huán)境為空氣時(shí)，由于GaN和空氣之間的全反射效應(yīng)，GaN中僅有4％的光能夠出來(lái)，這嚴(yán)重降低了LED芯片的光提取效率。
　　 GaN發(fā)光材料的制備主要方法包括在GaN襯底的同質(zhì)外延，以及在藍(lán)寶石、SiC和Si基板上的異質(zhì)外延。由于體塊GaN難以生長(zhǎng)，GaN襯

3、底價(jià)格非常昂貴，僅在科研領(lǐng)域有使用。藍(lán)寶石憑借低廉的襯底價(jià)格、成熟的外延技術(shù)吸引了絕大部分的科研工作者以及LED生產(chǎn)廠商。SiC襯底由于具有小的晶格失配度和高的熱導(dǎo)率，也在LED領(lǐng)域占有一席之地，但SiC襯底的價(jià)格相對(duì)較高，Cree公司憑借自己在SiC單晶生長(zhǎng)方面的優(yōu)勢(shì)，是現(xiàn)在市場(chǎng)上唯一能夠大量提供SiC襯底GaN LED芯片的廠家，SiC襯底GaN LED的技術(shù)也大部分被Cree公司壟斷。
　　 藍(lán)寶石襯底、GaN襯底、SiC

4、襯底均為透明材料，有利于LED出光，在透明襯底的基礎(chǔ)上，可以利用倒金字塔結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)、激光剝離技術(shù)等來(lái)提高LED的光提取效率。本論文著重研究了通過(guò)芯片技術(shù)來(lái)提高GaN/InGaN藍(lán)光LED的光電性能，主要內(nèi)容包括：
　　 第二章研究了倒金字塔結(jié)構(gòu)芯片技術(shù)。
　　 首先采用光學(xué)模擬方法研究了芯片形狀、襯底折射率、吸收系數(shù)、芯片尺寸對(duì)透明襯底GaN LED的光提取效率的影響。模擬計(jì)算結(jié)果表明，倒金字塔(TIP)結(jié)構(gòu)可有效提升

5、透明襯底LED芯片的光提取效率，尤其是對(duì)于高折射率透明襯底LED。最適合TIP結(jié)構(gòu)GaN LED的襯底為折射率為2.3的材料，現(xiàn)實(shí)中最接近該折射率的材料為GaN(n=2.4)，其次是SiC(n=2.6)。模擬計(jì)算的結(jié)果是，對(duì)于尺寸為400μm×400μm的SiC襯底LED芯片，當(dāng)不考慮襯底吸收時(shí)，TIP結(jié)構(gòu)可提升芯片光提取效率一倍以上。
　　 研究了TIP結(jié)構(gòu)芯片的側(cè)面傾角大小對(duì)LED光提取效率的影響，對(duì)于藍(lán)寶石襯底，最優(yōu)側(cè)面傾

6、角為25°，對(duì)于SiC襯底，在0-60°范圍內(nèi)，在35°時(shí)光提取效率存在一個(gè)極大值，在60°時(shí)光提取效率達(dá)到最大值。研究了襯底的吸收系數(shù)對(duì)透明襯底LED芯片光提取效率的影響，隨著襯底的吸收系數(shù)增加，芯片光提取效率呈指數(shù)衰減，并且TIP結(jié)構(gòu)芯片的衰減速度高于常規(guī)長(zhǎng)方體形狀芯片。
　　 模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著芯片尺寸增加，TIP結(jié)構(gòu)對(duì)LED光提取效率的提升效果快速降低。對(duì)于毫米尺寸的芯片，單一的TIP結(jié)構(gòu)的提升效果變得非常有限；對(duì)于大尺寸

7、透明襯底的LED，解決方法是將芯片襯底“分割”成多個(gè)相連的TIP結(jié)構(gòu)。
　　 參考模擬結(jié)果，實(shí)際制備了不同尺寸不同結(jié)構(gòu)的SiC襯底GaN LED芯片，實(shí)驗(yàn)制備的10 mil×23 mil尺寸的TIP結(jié)構(gòu)SiC襯底GaN LED芯片的封裝功率達(dá)到22 mW，電光轉(zhuǎn)換效率為36％。實(shí)測(cè)了不同尺寸TIP結(jié)構(gòu)sic襯底GaN LED芯片的光提取效率，測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果基本吻合，從側(cè)面證明了光學(xué)仿真方法應(yīng)用于模擬LED光提取效率的合理性以

8、及實(shí)用性。
　　 第三章研究了激光剝離藍(lán)寶石襯底制備垂直結(jié)構(gòu)GaN LED的關(guān)鍵芯片技術(shù)。包括激光剝離技術(shù)、p-GaN高反射率歐姆電極技術(shù)、鍵合技術(shù)、N極性面n-GaN歐姆接觸技術(shù)、粗化技術(shù)等。優(yōu)化的激光閾值功率實(shí)現(xiàn)了藍(lán)寶石襯底材料的高質(zhì)量剝離。
　　 研究了蓋層結(jié)構(gòu)對(duì)Ni/Ag反射鏡電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響，在氧氣氛圍的合金條件下，納米量級(jí)厚度的Pt、Ni蓋層可以有效的降低Ag層的表面能，抑制銀團(tuán)聚現(xiàn)象，同時(shí)保證充分的氧滲

9、入，使Ni/Ag與p-GaN形成良好的歐姆接觸，同時(shí)發(fā)現(xiàn)薄Ni蓋層優(yōu)于薄Pt蓋層。對(duì)于厚的復(fù)合蓋層結(jié)構(gòu)，退火時(shí)氧滲入困難，不利于GaN中Ga空位的生成，雖然保持了Ni/Ag反射鏡良好的反射率，但是其電學(xué)性質(zhì)差。
　　 研究了N極性面n-GaN與金屬的電學(xué)接觸特性。發(fā)現(xiàn)金屬與平面的N-facen-GaN可以實(shí)現(xiàn)良好的歐姆接觸。然而在使用KOH溶液濕法粗化后的n-facen-GaN上面，金屬電極難以形成歐姆接觸，通過(guò)XPS測(cè)試結(jié)果與

10、分析，發(fā)現(xiàn)其機(jī)理是KOH處理后N-face n-GaN表面產(chǎn)生了大量的受主型的Ga空位缺陷，降低了GaN中的n型載流子濃度，同時(shí)提高了金屬/n-GaN的肖特基接觸勢(shì)壘。
　　 利用ICP干法刻蝕技術(shù)實(shí)現(xiàn)了垂直結(jié)構(gòu)GaN LED的表面干法粗化。研究了不同Cl2和BCl3氣體流量比例對(duì)刻蝕后的N-face n-GaN表面形貌的影響，發(fā)現(xiàn)隨著Cl2比例的增加，ICP刻蝕后的GaN表面出現(xiàn)大量晶柱，晶柱的尺寸逐漸增大，密度逐漸降低。晶柱

11、的密度在1×109 cm-2左右，與GaN中的位錯(cuò)密度相近。對(duì)干法粗化的機(jī)理進(jìn)行了闡述。該干法粗化技術(shù)可作為濕法粗化的一個(gè)替代方案，應(yīng)用于不兼容濕法粗化技術(shù)的芯片制備。
　　 優(yōu)化了垂直結(jié)構(gòu)GaN LED的工藝路線，采用激光劃片技術(shù)實(shí)現(xiàn)GaN外延層隔離的方法，將外延層分割成出臺(tái)面區(qū)和保留區(qū)，通過(guò)選擇性的激光剝離，實(shí)現(xiàn)了GaN垂直結(jié)構(gòu)芯片的制備，制備的垂直結(jié)構(gòu)芯片的良率高于80％。該工藝路線簡(jiǎn)單、高效，可應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)性生產(chǎn)。<

12、br>　　 研究了垂直結(jié)構(gòu)GaN LED老化失效機(jī)制，發(fā)現(xiàn)p-GaN上的銀鏡材料的銀遷移是引起器件短期失效的主要機(jī)制。通過(guò)改變芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用Pt阻擋材料對(duì)銀鏡進(jìn)行包邊處理，抑制了銀遷移，經(jīng)歷4000小時(shí)加速老化后，芯片光衰小于5％，表現(xiàn)出良好的可靠性。
　　 另外，LED相關(guān)材料包括SiC襯底和GaN外延層中的缺陷對(duì)LED的發(fā)光效率具有重要的影響。在第四章本論文對(duì)碳化硅襯底中的主要缺陷小角晶界以及GaN材料中的黃光帶進(jìn)行了

13、研究。利用理論模擬以及偏光顯微鏡觀測(cè)，揭示了碳化硅中小角晶界的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)小角晶界為對(duì)稱排列的、伯格斯矢量為α/3<1120>的純?nèi)行臀诲e(cuò)的線性排列。研究了采用激光剝離技術(shù)得到的氮極性面的GaN的光致發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)氫氧化鉀處理以后，PL譜中黃光帶強(qiáng)度得到數(shù)倍的持續(xù)增強(qiáng)，首先排除了GaN位錯(cuò)密度、表面粗化機(jī)理的影響，其次測(cè)試發(fā)現(xiàn)黃光強(qiáng)度與樣品測(cè)試深度位置無(wú)關(guān)。通過(guò)XPS測(cè)試，發(fā)現(xiàn)氫氧化鉀處理以后氮極性面的GaN表面Ga2p以及N