硅衬底GaN基垂直结构LED应力及I-V特性研究

摘要

GaN基LED是半导体照明的核心器件,近年来得到了广泛的研究。由于GaN体单晶制备困难、价格昂贵,GaN基LED一般制备在异质衬底上。目前基于蓝宝石、SiC和Si等不同的衬底,已经形成了三条半导体照明技术路线。其中Si衬底LED技术路线起步比较晚,但是由于其在成本和性能等多方面优势,成为近几年LED学术界和产业界研究的热点问题。由于Si衬底对可见光不透明,因此Si衬底LED一般采用衬底转移工艺制备成垂直结构的薄膜型器件。该结构具有取光效率高、散热性能好、电流分布均匀等优点。然而由于该结构研究时间较短,有些问题还未得到足够深入的认识,例如:
　　(1)该器件结构需要采用Ag等金属作为反射镜,这些金属在工作条件下是否会向有源区迁移并影响其性能?
　　(2)该器件结构需要采用薄膜转移工艺来制备,工艺过程中应力变化非常复杂,不同的转移工艺中应力状态及对器件性能影响有何不同?
　　(3)由于电流分布方式不同于传统的蓝宝石同侧结构,其I-V特性有何不同?对器件可靠性存在哪些影响?等等。
　　本文立足这些问题进行了相关研究,并取得了以下部分有意义和创新性的研究结果:
　　1)利用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)和二次离子质谱仪(SIMS)测试了退火过程中Ag和Pt在不同缺陷密度的硅衬底GaN基LED外延薄膜中的扩散情况。发现Ag在外延薄膜中有一定扩散,且外延薄膜缺陷密度越大Ag扩散得越多;而Pt在外延薄膜中几乎没有扩散,且基本不随外延薄膜缺陷密度的变化而变化。这对了解垂直结构LED的老化失效机制具有参考意义。
　　2)采用外延片压焊法和湿法腐蚀将图形化Si(111)衬底上生长的GaN基LED外延薄膜使用银锡和黄蜡作为粘接材料转移到新的硅基板上,测试了转移前后以及芯片工艺中外延薄膜的微区拉曼(Micro-Raman)光谱和变温光致发光(PL)谱。研究结果表明两种粘接材料对外延薄膜转移过程中应力的影响不同。使用柔性更好的黄蜡作为粘接材料时,外延薄膜张应力得到很好的释放且应力分布均匀,光致发光(PL)谱的半峰宽变窄,波长单色性更好。
　　3)利用变温电致发光(VTEL)系统测试了几种不同类型的GaN基LED在不同温度下的I-V特性曲线和外量子效率(EQE)曲线,结果表明由于GaN基LED外延薄膜缺陷密度以及芯片结构的不同使得其I-V特性和外量子效率(EQE)变化趋势有所差别,且两者的变化趋势也存在一定关联。另外发现理想因子与注入强度和温度存在密切的关系:理想因子随注入强度的增大呈现先减小后增大的趋势,存在一个理想因子最低值;而随温度的升高理想因子呈现减小的趋势。不同温度下,理想因子的最低值一定程度上能够反映外延薄膜的缺陷密度。

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 GaN基LED的发展史

1.3 GaN材料的基本性质

1.4 GaN薄膜的生长设备及生长技术

1.5 GaN基LED的芯片结构

1.6 Si衬底GaN基垂直结构LED的制备

1.7 本论文的行文安排

第2章 金属在不同缺陷密度的硅衬底GaN基LED薄膜中的扩散

2.1 引言

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 粘结材料对硅衬底GaN基LED薄膜转移过程中应力的影响

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 GaN基LED I-V特性及理想因子的研究

4.1 引言

4.2 实验

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的研究成果