硅衬底GaN基大功率LED的研制

发布时间：2020-07-23 11:16

【摘要】：大功率薄膜型GaN基LED已经广泛应用于路灯、手机闪光灯、汽车大灯和手电筒等领域。通孔薄膜型LED由于具有电流扩散好、表面无电极线遮挡的优势,从根本上缓解了传统薄膜LED电流扩展和取光效率之间的矛盾关系,已逐渐成为大功率薄膜型LED的首选结构。硅衬底具有低成本、大尺寸以及易剥离的特点,是大功率薄膜型GaN基LED制造的理想衬底。本文瞄准硅衬底Ga N基大功率LED产业化方面的需求,通过研究高光效通孔薄膜型大功率LED的制备工艺,解决硅衬底和GaN这一大失配(晶格失配和热失配)体系下所面临的应力调节、欧姆接触热稳定性、光提取效率等方面的科学技术问题,进而获得性能优化的通孔薄膜型大功率LED的制备技术。主要研究结果如下:1.利用低成本的高(Ni)、低(Sn)熔点两种金属结合瞬态液相扩散键合工艺实现了硅衬底GaN的低温(260°C)晶圆键合。通过高熔点金属Ni的厚度调控晶圆在键合过程中的热应力以及键合金属的热稳定性,结果表明金属Ni和金属Sn厚度比在0.25~0.3范围时,可获得平坦、无弯曲且热稳定性良好的LED晶圆。2.研究了AlGaN缓冲层的剩余厚度对N极性面GaN粗化行为的影响。利用AlGaN粗化速率慢于GaN的特点,让AlGaN作为GaN粗化时的掩模。掩模的存在使得粗化后GaN六角锥变得更大、更尖锐,这有利于提升LED的光提取效率。但是,AlGaN的剩余厚度存在一个最佳的范围,太厚会导致粗化不均匀,太薄又起不到掩模的效果。针对本文的外延结构,200nm左右的AlGaN剩余厚度可获得最优粗化表面。3.利用Pt作为覆盖金属,覆盖在p-GaN上做Mg激活。结果表明,长时间的Mg激活虽然可以使得器件的正向电压VF2降低,但同时也会导致器件的反向特性变差,尤其是抗ESD能力变差。反向特性变差和抗ESD能力变差存在着对应关系,说明这两个退化可能来自同一个原因。4.研究了Mg激活的气氛、温度和时间对LED光电特性的影响。实验发现,对Mg激活效果影响程度由高到低依次为O_2气氛、温度和时间。然而,Mg激活效果越好的样品,其反向特性也越差,表现为样品反向电压VR的降低。对样品进行ESD测试,发现样品抗ESD能力和样品的反向特性及欧姆接触都相关,低VR、高VF2都会降低样品抗ESD能力。5.研究了p面反射镜金属Ni/Ag组合中Ni的厚度对LED光电特性的影响。结果表明,随着Ni厚度的增加,器件的正向电压VF2逐步升高、光输出功率逐渐降低,然而,样品的反向特性和抗ESD能力却越好。减少Ni的厚度、提高GaN的晶体质量,是获得高光效、高可靠性LED的有效途径。6.深入研究了内置n电极蒸镀前对n-Ga N表面的O_2和Ar等离子体处理工艺对硅衬底GaN基发光二极管n型欧姆接触特性的影响。实验结果表明,Ar等离子体处理n-GaN表面对LED芯片正向电压的降低幅度优于O_2等离子体。利用x射线光电子能谱对Ar等离子体处理前后的n-GaN表面进行分析发现,Ar等离子体处理增加了n-GaN表面的N空位(施主)浓度,更多的N空位可以提高n型欧姆接触的热稳定性,缓解晶圆键合的高温过程对n型欧姆接触特性的破坏。同时还发现,经过Ar等离子体处理并用HCl清洗后,n-GaN表面的O原子含量略有增加,但其存在形式由以介电材料GaO_x为主转变为导电材料GaO_xN_(1-x)和介电材料GaO_x含量相当的状态,这会使得接触电阻进一步降低。上述两方面的变化均有利于降低LED芯片的正向电压。7.通过优化硅衬底GaN基通孔薄膜LED的通孔设计,使芯片大小为1.1mm×1.1mm的通孔薄膜LED芯片在350mA下的外量子效率相比传统手指状n电极的垂直结构薄膜LED芯片提高了11.3%。利用封装增益和假颜色发光形貌等手段对LED的特性进行了详细的分析,结果表明LED性能的提高是由于芯片更高的取光效率和更均匀地电流扩展共同作用的结果。相比简单地用通孔电极代替手指电极,降低Ag反射镜边界的光损失是提高芯片取光效率的一个更关键因素。8.用陶瓷封装的形式对1.35mm×1.35mm尺寸的硅衬底通孔薄膜LED芯片进行封装,在55°C的恒温环境及1.5A的电流下对12颗灯珠进行了1000h老化。结果表明高温、大电流老化没有对LED性能造成明显的衰减,证明硅衬底通孔薄膜LED的可靠性良好。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN312.8
【图文】：

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