基于透明衬底的GaN/InN蓝光LED芯片制备及相关技术研究

摘要

GaN材料为直接带隙、宽禁带半导体材料，具有优良的的光、电与热传导特性，因此适合作为短波长光电元件的材料。自1993年第一只商业化GaN/InGaN蓝光LED问世以来，GaN基发光器件的研究与应用一直是全球研究的前沿和热点。近年来通过涂覆荧光粉，GaN蓝光LED实现了白光发射，被应用于固态照明领域。照明用电占整个社会电力消耗的20％，为了实现绿色照明，要求GaN蓝光LED具有更高的电光转换效率。
　　 影响L，ED的电光转换效率的因素包括LED的内量子效率以及芯片光提取效率。随着外延技术的发展，目前GaN/InGaNLED的内量子效率已经超过80％。但是，由于GaN具有高的折射率(2.3)，理论上当周围环境为空气时，由于GaN和空气之间的全反射效应，GaN中仅有4％的光能够出来，这严重降低了LED芯片的光提取效率。
　　 GaN发光材料的制备主要方法包括在GaN衬底的同质外延，以及在蓝宝石、SiC和Si基板上的异质外延。由于体块GaN难以生长，GaN衬底价格非常昂贵，仅在科研领域有使用。蓝宝石凭借低廉的衬底价格、成熟的外延技术吸引了绝大部分的科研工作者以及LED生产厂商。SiC衬底由于具有小的晶格失配度和高的热导率，也在LED领域占有一席之地，但SiC衬底的价格相对较高，Cree公司凭借自己在SiC单晶生长方面的优势，是现在市场上唯一能够大量提供SiC衬底GaN LED芯片的厂家，SiC衬底GaN LED的技术也大部分被Cree公司垄断。
　　 蓝宝石衬底、GaN衬底、SiC衬底均为透明材料，有利于LED出光，在透明衬底的基础上，可以利用倒金字塔结构芯片技术、激光剥离技术等来提高LED的光提取效率。本论文着重研究了通过芯片技术来提高GaN/InGaN蓝光LED的光电性能，主要内容包括：
　　 第二章研究了倒金字塔结构芯片技术。
　　 首先采用光学模拟方法研究了芯片形状、衬底折射率、吸收系数、芯片尺寸对透明衬底GaN LED的光提取效率的影响。模拟计算结果表明，倒金字塔(TIP)结构可有效提升透明衬底LED芯片的光提取效率，尤其是对于高折射率透明衬底LED。最适合TIP结构GaN LED的衬底为折射率为2.3的材料，现实中最接近该折射率的材料为GaN(n=2.4)，其次是SiC(n=2.6)。模拟计算的结果是，对于尺寸为400μm×400μm的SiC衬底LED芯片，当不考虑衬底吸收时，TIP结构可提升芯片光提取效率一倍以上。
　　 研究了TIP结构芯片的侧面倾角大小对LED光提取效率的影响，对于蓝宝石衬底，最优侧面倾角为25°，对于SiC衬底，在0-60°范围内，在35°时光提取效率存在一个极大值，在60°时光提取效率达到最大值。研究了衬底的吸收系数对透明衬底LED芯片光提取效率的影响，随着衬底的吸收系数增加，芯片光提取效率呈指数衰减，并且TIP结构芯片的衰减速度高于常规长方体形状芯片。
　　 模拟结果发现随着芯片尺寸增加，TIP结构对LED光提取效率的提升效果快速降低。对于毫米尺寸的芯片，单一的TIP结构的提升效果变得非常有限；对于大尺寸透明衬底的LED，解决方法是将芯片衬底“分割”成多个相连的TIP结构。
　　 参考模拟结果，实际制备了不同尺寸不同结构的SiC衬底GaN LED芯片，实验制备的10 mil×23 mil尺寸的TIP结构SiC衬底GaN LED芯片的封装功率达到22 mW，电光转换效率为36％。实测了不同尺寸TIP结构sic衬底GaN LED芯片的光提取效率，测试结果与模拟结果基本吻合，从侧面证明了光学仿真方法应用于模拟LED光提取效率的合理性以及实用性。
　　 第三章研究了激光剥离蓝宝石衬底制备垂直结构GaN LED的关键芯片技术。包括激光剥离技术、p-GaN高反射率欧姆电极技术、键合技术、N极性面n-GaN欧姆接触技术、粗化技术等。优化的激光阈值功率实现了蓝宝石衬底材料的高质量剥离。
　　 研究了盖层结构对Ni/Ag反射镜电学和光学性质的影响，在氧气氛围的合金条件下，纳米量级厚度的Pt、Ni盖层可以有效的降低Ag层的表面能，抑制银团聚现象，同时保证充分的氧渗入，使Ni/Ag与p-GaN形成良好的欧姆接触，同时发现薄Ni盖层优于薄Pt盖层。对于厚的复合盖层结构，退火时氧渗入困难，不利于GaN中Ga空位的生成，虽然保持了Ni/Ag反射镜良好的反射率，但是其电学性质差。
　　 研究了N极性面n-GaN与金属的电学接触特性。发现金属与平面的N-facen-GaN可以实现良好的欧姆接触。然而在使用KOH溶液湿法粗化后的n-facen-GaN上面，金属电极难以形成欧姆接触，通过XPS测试结果与分析，发现其机理是KOH处理后N-face n-GaN表面产生了大量的受主型的Ga空位缺陷，降低了GaN中的n型载流子浓度，同时提高了金属/n-GaN的肖特基接触势垒。
　　 利用ICP干法刻蚀技术实现了垂直结构GaN LED的表面干法粗化。研究了不同Cl2和BCl3气体流量比例对刻蚀后的N-face n-GaN表面形貌的影响，发现随着Cl2比例的增加，ICP刻蚀后的GaN表面出现大量晶柱，晶柱的尺寸逐渐增大，密度逐渐降低。晶柱的密度在1×109 cm-2左右，与GaN中的位错密度相近。对干法粗化的机理进行了阐述。该干法粗化技术可作为湿法粗化的一个替代方案，应用于不兼容湿法粗化技术的芯片制备。
　　 优化了垂直结构GaN LED的工艺路线，采用激光划片技术实现GaN外延层隔离的方法，将外延层分割成出台面区和保留区，通过选择性的激光剥离，实现了GaN垂直结构芯片的制备，制备的垂直结构芯片的良率高于80％。该工艺路线简单、高效，可应用于大规模工业性生产。
　　 研究了垂直结构GaN LED老化失效机制，发现p-GaN上的银镜材料的银迁移是引起器件短期失效的主要机制。通过改变芯片结构设计，选用Pt阻挡材料对银镜进行包边处理，抑制了银迁移，经历4000小时加速老化后，芯片光衰小于5％，表现出良好的可靠性。
　　 另外，LED相关材料包括SiC衬底和GaN外延层中的缺陷对LED的发光效率具有重要的影响。在第四章本论文对碳化硅衬底中的主要缺陷小角晶界以及GaN材料中的黄光带进行了研究。利用理论模拟以及偏光显微镜观测，揭示了碳化硅中小角晶界的内部微观结构，发现小角晶界为对称排列的、伯格斯矢量为α/3<1120>的纯刃型位错的线性排列。研究了采用激光剥离技术得到的氮极性面的GaN的光致发光现象，发现经过氢氧化钾处理以后，PL谱中黄光带强度得到数倍的持续增强，首先排除了GaN位错密度、表面粗化机理的影响，其次测试发现黄光强度与样品测试深度位置无关。通过XPS测试，发现氢氧化钾处理以后氮极性面的GaN表面Ga2p以及N1s芯能级发生方向一致的移动，并且拟合得到的Ga/N原子比降低，共同说明了N-face n-GaN表面Ga空位缺陷的生成。这证明了GaN中的黄光来源于Ga空位缺陷。