硅基GaN外延膜生长与LED性能提升研究

摘要

以GaN基LED芯片为基础的固态照明器件具有发光效率高,寿命长,响应速度快,发光强度随电流和脉冲宽度近线性变化,能在剧烈振动和恶劣环境下工作,不含环境有害物质等优点,成为新一代通用照明灯具的首选。随着研究的深入和产业的发展,GaN基发光二极管的材料生长和器件制造技术已经取得了长足进步,器件效率和可靠性也有显著提升;特别是硅衬底GaN LED外延技术和芯片制造技术的成功实施,芯片成本进一步下降,加速了LED灯全面取代白炽灯和荧光灯进入通用照明领域的进程。
　　在此背景下,本文开展了对硅衬底GaN基材料和器件生长的研究。论文首先对Al合金掩膜微图形化Si(111)衬底上GaN材料的侧向外延生长进行了研究;然后,研究了同温cap层和cap层厚度对绿光InGaN/GaN MQWs LEDs量子阱材料质量和芯片发光性能的影响,以及湿法表面粗化对蓝光LED芯片取光效率的提升作用;最后,对硅衬底GaN垂直结构大功率发光二极管的可靠性进行了研究分析。通过上述研究,本论文取得了以下主要结果:
　　1.提出了用于硅衬底GaN材料选区外延生长的Al-Si合金掩膜技术。通过在Si(111)衬底表面蒸镀150金属Al,经光刻工艺制作Al金属图形,然后高温1200℃下进行合金扩散,获得了Al-Si合金掩膜的图形化硅衬底。实验表明,在Al-Si合金掩膜区不会生长GaN,因此,Al-Si合金技术是Si衬底上选区外延生长GaN材料的一种有效掩膜方法。
　　2.通过优化Al-Si合金条形掩膜参数和 GaN外延生长条件,成功地在Al-Si合金掩膜微图形化Si(111)衬底上的周期为1mm′1mm方块区域内生长出无裂纹GaN连续外延膜,并通过在方块之间Al-Si掩膜区的硅衬底内产生裂纹,实现了应力释放,从而有效地解决了硅衬底GaN外延膜发生龟裂的难题。
　　3.通过引入阱后同温GaNcap层,成功地实现了对InGaN/GaN多量子阱绿光LED低温生长的阱层InGaN材料的保护作用。研究表明,cap层厚度在一定范围内增加,InGaN阱层的In组分升高且分布更均匀,InGaN材料质量和量子阱界面特性变好。具有25cap层的绿光器件的外量子效率(EQE)及EQE最高值对应的电流密度分别是15cap层器件的1.39倍和10倍,文中对此给出了相应解释。
　　4.经过工艺优化,研制的厚度为25cap层结构的硅衬底垂直结构绿光LED芯片,经封装在350mA直流驱动下(电流密度35A/cm2),主波长为519nm,内量子效率40.3％,工作电压2.99V,光功率达235mW,这是目前报道的硅衬底绿光发光二极管最好水平。
　　5.通过引入500Torr高压条件下生长的p-GaN层,在具有大V型坑结构的InGaN/GaN蓝光LED外延结构中,成功地实现了对量子阱区V型坑的填平作用,芯片反向漏电下降,器件发光效率增大;通过工艺优化,研制的具有此结构外延片制造的垂直结构大功率蓝光LED芯片在350mA直流驱动下(电流密度35A/cm2),主波长为450nm,内量子效率达79.5%,硅胶封装器件的工作电压为3.05V,光功率达595mW,与蓝宝石衬底蓝光LED市场产品的先进水平持平,从而有力地表明硅衬底LED是一条行之有效的半导体照明新技术路线。

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第1章 引言

1.1 LED发展历史简述

1.2 III族氮化物半导体发光材料发展简述

1.3论文的结构安排和研究内容

第2章 III族氮化物材料特性与LED效率提升

2.1 III族氮化物的材料特性

2.2 GaN材料MOCVD生长用衬底

2.3 GaN基发光二极管亮度提升面临的两大难点

2.4长波长InGaN LED效率提升途径

2.5 InGaN/GaN MQW LEDs效率下降机制研究

2.6本章小结

第3章 不同硅衬底上GaN薄膜的生长与性能研究

3.1引言

3.2硅衬底微图形化衬底上GaN材料生长

3.3掺杂Si(111)衬底对GaN LED外延膜性能的影响

3.4本章小结

第4章 硅衬底GaN LED的生长与效率提升研究

4.1引言

4.2同温Cap层对绿光InGaN/GaN MQWs LED效率的提升

4.3湿法表面粗化对GaN LED出光效率的提升

4.4本章小结

第5章 硅衬底GaN LED器件的可靠性提升

5.1引言

5.2高压p-GaN层对GaN LED反向漏电的抑制

5.3白光LED器件的老化光衰特性

5.4本章小结

第6章 总结

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果