SiC衬底GaN基蓝光LED的可制造性设计

摘要

GaN材料及器件近年来成为研究的热点,尤其是GaN基发光二极管(LED),从节能和环保的角度上来说,LED是最理想的光源,它可以应用在各种恶劣环境下。因此GaN发光二极管在LCD背光源、大屏幕彩色显示、多媒体显像、光纤通讯等领域有着广泛的应用。目前,国内绝大部分GaN基LED采用的衬底材料是价格价格相对低廉但是晶格失配度较高的蓝宝石,尚没有商业化的SiC衬底GaN基LED,因此对它的研究尤其显得重要。
　　 本文首先介绍了碳化硅及氮化镓材料的发展历史及现状,然后讨论了碳化硅和氮化镓基材料的基本特性,并对SiC衬底GaN基蓝光LED的基本结构和工作原理进行了较为细致的分析,着重讨论了它的电学特性和光学特性。最后根据理论分析,选定了较为合适的物理模型,重点从碳化硅衬底的结构尺寸、量子阱的阱区宽度、有源区InGaN合金中In的摩尔组分以及AlGaN合金中Al的摩尔组分等工艺条件入手,针对器件的量子效率、伏安特性、光功率等光电特性,利用美国Synopsys公司新一代TCAD仿真设计平台SWB以及PCMStudio等,对器件进行工艺级的仿真以及物理特性级的模拟,并且基于实验设计(DOE)方法和理论,选定合适的响应曲面模型(RSM),对发光二极管工艺参数的变化与物理特性的改变之间的关系,进行了深入的研究,并且通过参数优化,得到最优的工艺条件。最终对SiC衬底GaN基蓝光LED的可制造性设计结果,结合量子效应、极化效应、压电场效应等进行简要分析,确定了最终的结构尺寸及工艺参数,完成整个LED的可制造性设计过程。
　　 本研究工作对SiC衬底GaN基蓝光LED的工艺参数以及器件的物理特性进行了深入的探讨,经可制造性设计完成的这款器件,量子阱层数为4个周期,经刻蚀过的SiC衬底的宽度为225μm,峰值波长达到472nm,光逸出效率达到了62.5％,阈值电压为3V,正向工作电压为3.35V,都达到了理想的设计要求,为国内SiC衬底LED的进一步研究奠定了一定基础,具有一定的参考价值。