提高GaN基垂直結(jié)構(gòu)LED發(fā)光效率的研究.pdf

1、寬禁帶Ⅲ-Ⅴ族氮化物半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，其合金材料的禁帶寬度在0.7～6.2eV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，對應(yīng)的波長覆蓋了紅外到遠(yuǎn)紫外光的范圍且任意組分的合金均為直接帶隙。因此已被廣泛應(yīng)用于制作高亮度發(fā)光器件、光電探測器以及高溫、高頻和大功率電子器件等，是近年來光電子材料領(lǐng)域研究的熱門課題。尤其是基于大功率藍(lán)紫光波段的發(fā)光二極管(LEDs)在推動全球固態(tài)照明的應(yīng)用進(jìn)程中擔(dān)當(dāng)著重要角色。半導(dǎo)體照明能夠廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵是提高氮化物L(fēng)ED

2、芯片的發(fā)光效率。設(shè)計和制作新型的器件結(jié)構(gòu)無疑是提高發(fā)光器件的量子效率和發(fā)光性能的一種切實有效的途徑。垂直結(jié)構(gòu)將是未來發(fā)光器件尤其是大功率LED采用的主流技術(shù)路線。然而，目前與垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光器件制造相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題尚未完全解決，使得對大功率LED芯片的優(yōu)化設(shè)計以及制造工藝的改進(jìn)等缺乏實驗數(shù)據(jù)支撐。針對上述存在的問題，本論文圍繞GaN基垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的研制，采用理論分析和實驗論證相結(jié)合的手段，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料生長、器件制作、封裝測試等方

3、面進(jìn)行了一系列細(xì)致深入的研究和摸索。主要工作內(nèi)容和研究成果如下:
　　1)采用傳輸矩陣法計算和分析了中心波長在450nm的GaN基VLED DBR的反射特性:定量描述入射角、入射波長、入射介質(zhì)、膜層周期數(shù)等因素帶來的影響。在此基礎(chǔ)上，提出并分析了幾種寬反射角DBR的構(gòu)造方案，結(jié)果顯示復(fù)合DBR提高全方向反射的代價很大，要保證高的反射率，膜層周期數(shù)需要成倍增加。
　　2)針對常規(guī)InGaN/GaN量子阱中存在的極化電場使電子和

4、空穴發(fā)生分離，從而降低二者復(fù)合幾率的問題，提出了In組分調(diào)制量子阱結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，該三角形結(jié)構(gòu)量子阱的界面質(zhì)量較好，有效提高了阱區(qū)電子和空穴波函數(shù)的空間交疊程度，從而使LED的內(nèi)量子效率增加1.6倍之多。通過進(jìn)一步的芯片制作和測試，結(jié)果顯示In組分調(diào)制量子阱結(jié)構(gòu)LED的發(fā)光波長穩(wěn)定，發(fā)光效率明顯提高，為以后進(jìn)一步研究大功率LED和LD器件奠定了基礎(chǔ)。
　　3)采用Si襯底進(jìn)行GaN基LED薄膜轉(zhuǎn)移時必須經(jīng)過熱壓共晶鍵合和激光剝

5、離等關(guān)鍵工藝處理。因此，我們研究了Si/Si、Si/GaN晶片鍵合時的溫度、壓力和時間等因素對樣品的界面擴(kuò)散程度、有效鍵合面積和機(jī)械強(qiáng)度的影響。由此可以加深對鍵合機(jī)理的認(rèn)識，便于以后更加有效地控制鍵合質(zhì)量。通過優(yōu)化激光剝離所用的激光能量密度、光斑形狀、襯底加熱溫度等工藝參數(shù)，獲得了表面平整度較高和光學(xué)性能良好的GaN基LED外延膜。接著還提出一種低壓快速剝離藍(lán)寶石襯底的新方法，不僅從理論上預(yù)測了這種方法的合理性和可行性，而且還在實驗中對

6、其剝離效果進(jìn)行了初步驗證。
　　4)利用上述薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)將In組分漸變量子阱結(jié)構(gòu)的LED外延片應(yīng)用于GaN基VLED的制備。測試后發(fā)現(xiàn)小功率（350×350um2）芯片的光輸出功率比正裝結(jié)構(gòu)提高了27.55％，而表面粗化后可以提高63.64％;大功率(1×1mm2)芯片的光輸出功率比正裝結(jié)構(gòu)提高近34.42％，而表面和側(cè)面粗化后可以分別提高73.70％和49.61％。在老化測試中VLED(未粗化、粗化1min)的光衰不明顯，可靠性