提高GaN基垂直结构LED发光效率的研究

摘要

宽禁带Ⅲ-Ⅴ族氮化物半导体材料具有优异的物理和化学特性，其合金材料的禁带宽度在0.7～6.2eV范围内连续可调，对应的波长覆盖了红外到远紫外光的范围且任意组分的合金均为直接带隙。因此已被广泛应用于制作高亮度发光器件、光电探测器以及高温、高频和大功率电子器件等，是近年来光电子材料领域研究的热门课题。尤其是基于大功率蓝紫光波段的发光二极管(LEDs)在推动全球固态照明的应用进程中担当着重要角色。半导体照明能够广泛应用的关键是提高氮化物LED芯片的发光效率。设计和制作新型的器件结构无疑是提高发光器件的量子效率和发光性能的一种切实有效的途径。垂直结构将是未来发光器件尤其是大功率LED采用的主流技术路线。然而，目前与垂直结构发光器件制造相关的关键技术问题尚未完全解决，使得对大功率LED芯片的优化设计以及制造工艺的改进等缺乏实验数据支撑。针对上述存在的问题，本论文围绕GaN基垂直结构发光二极管的研制，采用理论分析和实验论证相结合的手段，在结构设计、材料生长、器件制作、封装测试等方面进行了一系列细致深入的研究和摸索。主要工作内容和研究成果如下:
　　1)采用传输矩阵法计算和分析了中心波长在450nm的GaN基VLED DBR的反射特性:定量描述入射角、入射波长、入射介质、膜层周期数等因素带来的影响。在此基础上，提出并分析了几种宽反射角DBR的构造方案，结果显示复合DBR提高全方向反射的代价很大，要保证高的反射率，膜层周期数需要成倍增加。
　　2)针对常规InGaN/GaN量子阱中存在的极化电场使电子和空穴发生分离，从而降低二者复合几率的问题，提出了In组分调制量子阱结构。实验结果表明，该三角形结构量子阱的界面质量较好，有效提高了阱区电子和空穴波函数的空间交叠程度，从而使LED的内量子效率增加1.6倍之多。通过进一步的芯片制作和测试，结果显示In组分调制量子阱结构LED的发光波长稳定，发光效率明显提高，为以后进一步研究大功率LED和LD器件奠定了基础。
　　3)采用Si衬底进行GaN基LED薄膜转移时必须经过热压共晶键合和激光剥离等关键工艺处理。因此，我们研究了Si/Si、Si/GaN晶片键合时的温度、压力和时间等因素对样品的界面扩散程度、有效键合面积和机械强度的影响。由此可以加深对键合机理的认识，便于以后更加有效地控制键合质量。通过优化激光剥离所用的激光能量密度、光斑形状、衬底加热温度等工艺参数，获得了表面平整度较高和光学性能良好的GaN基LED外延膜。接着还提出一种低压快速剥离蓝宝石衬底的新方法，不仅从理论上预测了这种方法的合理性和可行性，而且还在实验中对其剥离效果进行了初步验证。
　　4)利用上述薄膜转移技术将In组分渐变量子阱结构的LED外延片应用于GaN基VLED的制备。测试后发现小功率（350×350um2）芯片的光输出功率比正装结构提高了27.55％，而表面粗化后可以提高63.64％;大功率(1×1mm2)芯片的光输出功率比正装结构提高近34.42％，而表面和侧面粗化后可以分别提高73.70％和49.61％。在老化测试中VLED(未粗化、粗化1min)的光衰不明显，可靠性较好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 半导体发光二极管的发展现状

1．3 氮化物半导体材料及其发光二极管的发展现状

1．3．1 Ⅲ-Ⅴ族氮化物材料的基本特性

1．3．2 氮化物材料的生长

1．3．3 氮化物发光二极管的发展现状

1．4 GaN基垂直结构发光二极管

1．4．1 GaN基VLED的特性和应用前景

1．4．2 GaN基VLED的研究进展

1．5 GaN基垂直结构发光二极管的技术难点

1．5．1 金属共晶键合

1．5．2 激光剥离

1．5．3 氮面n-GaN电极

1．6 本论文的主要工作及组织结构

参考文献

第二章 GaN基垂直结构LED的理论分析

2．1 引言

2．2 GaN基DBR的构造与分析方法

2．2．1 分布布拉格反射镜(DBR)的工作原理

2．2．2 传输矩阵法(TMM)

2．3 GaN基VLED的DBR分析

2．3．1 氮化物D除中各介质层的折射率

2．3．2 模拟结果与分析

2．3．3 提高大角度反射率的设计方案

2．4 小结

参考文献

第三章 GaN基材料生长和特性表征方法

3．1 引言

3．2 MCVvD生长技术

3．2．1 MOCVD技术原理

3．2．2 MOCVD系统简介

3．3 材料形貌、结构及光学特性表征方法

3．3．1 形貌表征—原子力显微镜和扫描电子显微镜

3．3．2 结构和组分表征—X射线衍射和拉曼散射

3．3．3 光学特性表征—光致发光谱和分光光度计

3．5 小结

参考文献

第四章 In组分调制量子阱结构对极化场的调控

4．1 引言

4．2 极化场对发光二极管内量子效率的影响

4．3 In组分调制量子阱结构对极化场的调控

4．3．1 In组分调制I nGaN／GaN多量子阱的外延生长

4．3．2 n组分调制I nGaN／GaN多量子阱的特性分析

4．4 小结

参考文献

第五章 GaN基薄膜转移技术的研究

5．1 引言

5．2 金属键合技术

5．2．1 键合原理及设备简介

5．2．2 硅-硅共晶键合

5．2．3 氮化镓-硅共晶键合

5．3 激光剥离技术

5．3．1 激光剥离原理及系统简介

5．3．2 整面剥离

5．4 小结

参考文献

第六章 GaN基垂直结构LED的研究

6．1 引言

6．2 VLED的制备

6．2．1 VLED器件结构

6．2．2 VLED关键工艺

6．3 VLED的特性分析

6．3．1 小功率VLED工作特性

6．3．2 大功率VLED工作特性

6．4 小结

参考文献

第七章 总结与展望

7．1 工作总结

7．2 不足和展望

在学期间发表论文及申请专利

致谢