垂直结构LED芯片p电极的设计及制备

发布时间：2020-06-05 21:48

【摘要】：未来的LED应用市场已经向大功率、超驱动化发展,传统的蓝宝石水平结构LED芯片因其固有的电流拥堵效应、散热差、电极挡光、价格昂贵等原因已经逐渐被垂直结构LED芯片所取代。反射镜工艺是垂直结构LED的关键核心工艺之一,在p-GaN表面制备高导电性、高反射金属,可以使垂直结构LED拥有单面出光、高光效等显著优势。反射镜金属普遍选用Ag因为Ag是蓝光波段反射率最高的金属。但是Ag存在黏附性差,功函数低(4.75e V),高温退火易团簇,易氧化等固有的特性,不能已单层的形式沉积在p-GaN上,因而人们采用各种各样的插入层,帽子层,或者采用金属合金化Ag的方式,解决Ag出现这些问题。通过这些方式,能够解决大部分问题,但是接触层的Ni存在吸光问题,Ag在含氧氛围中高温退火,产生的热应力会导致Ag的团簇和退化等问题悬而未决。因此本文的目标在于解决这些问题,并获得真正高反射率低接触阻并存的Ag反射镜,并取得阶段性成果。本文提出Ni/Ag/Ni三明治结构反射镜作为基线进行实验,并从如下三方面提升光电性能:首先,优化接触层:通过实验确定Ni纳米点接触层的最佳厚度为2?,最优粒径在100~120nm之间,此时Ni纳米点吸光最少,相应垂直结构LED芯片光输出功率达到梯度条件最高值;并在此基础上采用纯氧退火的方法制备NiO纳米点作为接触层,相应垂直芯片LOP进一步提升3.09%,接近极限条件Ni(0?)水平;同时,发现Ni颗粒氧化后粒径变小,高度变低,还原背底形貌,直观解释了其降低吸光的内在机理;其次,优化反射镜层:提出通过生长厚度调节Ag薄膜残余应力,抑制Ag薄膜团簇的机制;并在75nm的最佳厚度下获得-0.12GPa的最小残余应力和93%的最高反射率。使用该方法制备的垂直结构芯片在350mA工作电流下达到2.92V的超低工作电压和122lm/W的超高光效(白光封测)。同时,还在此基础上调节Ni/Ag/Ni反射镜的退火条件,通过热应力和形貌的表征得到最优退火温度为415度,退火氛围为氮氧混合气,氮气氧气比为10:5;最后,优化反射镜制备方法:创新性提出两步法制备Ag反射镜,通过结合湿法腐蚀和二次退火方法,使反射镜兼顾高反射率和低接触电阻的特性,解决了二者无法并存的经典难题。使用该方法制备的垂直结构芯片LOP较常规垂直结构提升4.1%,电压稳定在3.2V以内,IR良率稳定在86%以上。
【图文】：

电流分布,水平结构

1-1(a)水平结构结[13](b) 垂直结构LED芯片结构图[14](c) 水平结构(d)垂直结构LED芯片电流分布而垂直结构 LED 可以完美的解决这两个问题，垂直结构如图 1-1(b)所示，其 p 电极 n 电极分别位于两侧，n 电极为图形化电极，p 电极为整面电极,p 电极沉积在导电衬上。基于此，当驱动电流加在 p/n 电极上时，电流几乎全部垂直流过 GaN 外延层，没 x 轴向的分量，因此电流分布更加均匀，不存在电流拥堵的情况，出光也更加均匀，且由于电阻减少，使得电流产生的热量也减少，，从而使得电光转换效率大大提高；同，电极在两侧减少了电极挡光面积，提高了有效发光面积，完美解决了水平结构存在问题。台湾国立成功大学 Yang 等人[20]提出结合蓝宝石激光剥离和电镀 Ni 技术，制备的ED 在 350mA 输入电流下，光通量比水平结构高出 226%。台湾国立中兴大学 Wuu 等[21]在最早在 GaN 表面生长一层金属反射镜，再激光剥离蓝宝石后将 GaN 键合在 S，在 20mA 下器件光输出达到水平结构两倍。台湾国立中兴大学 Huang 等人[22]采用

金属,功函数,功函,电子伏特

必须引入叠层金属或合金方式来保护 Ag 层性能不受破坏。表 1-1 常见金属功函数表（单位：电子伏特，eV）功函数金属功函数金属功函数金属功函数金属功函4.26 Al 4.28 As 3.75 Au 5.1 B 4.44.98 Bi 4.22 C 5 Ca 2.87 Cd 4.25 Cr 4.5 Cs 2.14 Cu 4.65 Eu 2.4.2 Gd 3.1 Hf 3.9 Hg 4.49 In 4.12.3 La 3.5 Li 2.9 Lu 3.3 Mg 3.64.6 Na 2.75 Nb 4.3 Nd 3.2 Ni 5.14.25 Pt 5.65 Rb 2.16 Re 4.96 Rh 4.94.55 Sc 3.5 Se 5.9 Si 4.85 Sm 2.2.59 Ta 4.25 Tb 3 Te 4.95 Th 3.3.84 U 3.63 V 4.3 W 4.55 Y 3.
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8

【参考文献】