高性能發(fā)光二極管新型結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、半導(dǎo)體材料作為環(huán)保、節(jié)能綠色能源的代表，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車照明、裝飾照明、顯示、光纖通信等多個(gè)領(lǐng)域，就目前發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，高效率、高亮度、高可靠性、低成本的高性能發(fā)光二極管（LED）已成為研究的熱點(diǎn)。為研究出適用于照明和超高亮度領(lǐng)域的高性能發(fā)光二極管，必須解決一些結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)上的問(wèn)題，特別是提取效率低問(wèn)題，因?yàn)樘崛⌒实蜁?huì)導(dǎo)致發(fā)光亮度下降、器件發(fā)熱而壽命縮短、可靠性下降等問(wèn)題。因此，本課題工作是在國(guó)家高新技術(shù)研究發(fā)展，國(guó)家重

2、點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目的支持下進(jìn)行，圍繞高性能LED新型結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，旨在提高LED的光提取效率和溫度穩(wěn)定性。
　　 本論文通過(guò)介紹發(fā)光二極管的一些基本理論，包括發(fā)光二極管工作原理、發(fā)光效率、AlGaInP系和GaN基發(fā)光材料特征，LED發(fā)光機(jī)理，從器件結(jié)構(gòu)和制作關(guān)鍵工藝方面著手來(lái)研究提高LED性能的方法；通過(guò)對(duì)LED重要的電學(xué)及光學(xué)特征參數(shù)分析介紹，為分析和評(píng)判LED性能提供理論依據(jù)。主要

3、工作包括AlGaInP紅光共振腔結(jié)構(gòu)LED（RCLED）和GaN基藍(lán)光垂直結(jié)構(gòu)LED兩方面的研究?jī)?nèi)容，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 首先，主要介紹了AlGaInP紅光RCLED和GaN基藍(lán)光LED兩方面的一些基本理論，主要設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)要點(diǎn)和優(yōu)化方向。一方面，研究了AlGaInP紅光RCLED共振腔、分布式布拉格反射鏡（DBR）等基本理論，給出了RCLED設(shè)計(jì)原則和RCLED設(shè)計(jì)要點(diǎn)。為提高AlGaInP紅光RCLED的性能，重點(diǎn)分

4、析了RCLED中DBR材料的選取和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向；另一方面，對(duì)GaN基藍(lán)光LED電流擁擠效應(yīng)、襯底材料選擇進(jìn)行了分析介紹，為解決藍(lán)寶石襯底對(duì)GaN基藍(lán)光LED光電性能帶來(lái)的不良影響，提出了可行性較高的解決方案。
　　 其次，在AlGaInP紅光RCLED結(jié)構(gòu)中，選取適當(dāng)?shù)腄BR材料和優(yōu)化的多層膜結(jié)構(gòu)，可以在保證諧振的前提下，提高發(fā)光效率，增加響應(yīng)速率、提高溫度穩(wěn)定性、腔穩(wěn)定性和進(jìn)行更好的波長(zhǎng)選擇性，達(dá)到提高RCLED的性能目的。

5、為此，本文提出了SiO2/Si3N4多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)AlGaInP紅光RCLED。為獲得高反射率、低應(yīng)力的SiO2/Si3N4多層介質(zhì)膜，采用了PECVD高低頻交替生長(zhǎng)法進(jìn)行生長(zhǎng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了干、濕法并用的腐蝕方法。采用傳輸矩陣法理論分析了其反射譜，獲得了使PL譜輻射增強(qiáng)的最優(yōu)SiO2/Si3N4多層介質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，利用最優(yōu)結(jié)構(gòu)制各了器件，在20mA注入電流下，與普通結(jié)構(gòu)相比，使裸芯的光功率和光效分別提高了27.7％和26.8％，且光功率

6、衰減緩慢，沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì)，體現(xiàn)了良好的溫度穩(wěn)定性。
　　 再次，對(duì)于正面出光的AlGaInP紅光RCLED，為實(shí)現(xiàn)上、下DBR鏡反射率的最佳匹配，使更多的光從出射窗口射出，獲得最佳效率。在n-型DBR對(duì)數(shù)為固定值時(shí)，對(duì)傳統(tǒng)P-型DBR對(duì)數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并分析了不同P-型DBR對(duì)數(shù)對(duì)器件性能的影響。通過(guò)理論分析對(duì)比n-型AlGaAs/AlAs DBRs對(duì)數(shù)都為34，p-型AlGaInP/AlInP DBRs對(duì)數(shù)分別為15，10，

7、5的三種結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)選擇最優(yōu)化的DBR對(duì)數(shù)，即適當(dāng)?shù)姆瓷渎屎鸵种茙?，可以在?shí)現(xiàn)高的電流注入、低的吸收損耗、最小化的DBR深度深度的同時(shí)，獲得好的效率。通過(guò)理論分析對(duì)比，我們選擇兩組不同P.型對(duì)數(shù)的樣品制備成225μm×225μm裸芯，進(jìn)行了測(cè)試分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，選擇最優(yōu)化DBR對(duì)數(shù)的器件，在光輸出功率、光亮度、光效、光功率飽和特性、溫度穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)得到了充分體現(xiàn)，并獲得1.66V低開(kāi)啟電壓和5.7Ω電阻，在20mA的驅(qū)動(dòng)電流下

8、，光輸出功率和輻射效率分別提高了13％和45％。
　　 最后，為解決因藍(lán)寶石襯底給器件帶來(lái)的上下臺(tái)面結(jié)構(gòu)造成的工藝復(fù)雜，電流擴(kuò)展不好，器件散熱困難等問(wèn)題，更好的提高GaN基藍(lán)光LED的電學(xué)特性和功率轉(zhuǎn)換效率，對(duì)GaN基藍(lán)光垂直結(jié)構(gòu)LED進(jìn)行了相關(guān)研究。利用激光剝離技術(shù)和芯片鍵合技術(shù)設(shè)計(jì)了GaN基藍(lán)光垂直結(jié)構(gòu)LED，對(duì)為制備大面積、低電阻、高反射率的p型低歐姆接觸金屬層，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)如反光鏡技術(shù)、芯片鍵合技術(shù)等進(jìn)行了研究。并對(duì)金屬

9、反光鏡、ITO反光鏡、全方位反光鏡（ODR）進(jìn)行了制作及反射率分析，制備出了具有高反射率全方位反射鏡的GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED，通過(guò)分析比較光功率、光強(qiáng)、光通量、電壓、光效等參數(shù)，結(jié)果說(shuō)明ODR-LED比普通金屬反光鏡LED在光強(qiáng)和光輸出功率等方面性能有很大提高，20mA注入電流下，光強(qiáng)和光功率分別提高了28.25％和41.1％。在變電流下，隨著電流的增加，兩樣品的光功率一直增加，并成上升趨勢(shì)，直到100mA都沒(méi)出現(xiàn)光功率飽和現(xiàn)象，這說(shuō)明