Si襯底GaN基LED器件結(jié)構(gòu)設(shè)計及有源區(qū)內(nèi)電流分布的研究.pdf

1、GaN基材料及器件近年來逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)，尤其是GaN基LED。由于大尺寸GaN基體材料難以制備，因此GaN材料只能通過異質(zhì)外延來獲得。目前，商業(yè)化的GaN基LED所采用外延層襯底主要是藍(lán)寶石襯底和SiC襯底。但是藍(lán)寶石襯底的絕緣性以及其弱的導(dǎo)熱性，SiC襯底的高昂價格，都限制了GaN基LED的進(jìn)一步發(fā)展。與這兩種襯底材料相比，Si襯底具有低價格、生長工藝成熟、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能等優(yōu)點(diǎn)，而且成熟的Si電子器件集成工藝也促使其成為在

2、同一芯片上實現(xiàn)光電集成的焦點(diǎn)。因此Si襯底GaN基LED的研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和產(chǎn)業(yè)價值。
　　 大功率LED芯片的性能一直面臨著電流堆積效應(yīng)產(chǎn)生的影響，電流局部堆積導(dǎo)致芯片開啟電壓過高、出光不均勻、芯片內(nèi)部發(fā)熱不均勻、有源層內(nèi)非輻射復(fù)合增加、內(nèi)量子效應(yīng)下降。
　　 本論文就是在這種背景下開始展開，圍繞Si襯底GaN基LED器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和電流在有源區(qū)內(nèi)的擴(kuò)展，主要完成了以下幾方面的工作：
　　 1、針對長久以來

3、Si襯底GaN基LED居高不下的工作電壓和串聯(lián)電阻，我們提出了一種通孔型Si襯底GaN基LED器件結(jié)構(gòu)。通孔的制作工藝過程為：利用ICP刻蝕出n-GaN層，然后再將裸露出的n-GaN部分刻蝕至Si襯底，在通孔內(nèi)沉積金屬連接n-GaN層和Si襯底，短路緩沖層A1N和Si襯底之間存在的帶階。通過這一技術(shù)，有效降低了Si襯底GaN基LED垂直結(jié)構(gòu)的工作電壓和串聯(lián)電阻。實驗結(jié)果表明，與傳統(tǒng)Si襯底垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED相比，尺寸為300μm×3

4、00μm的LED芯片的工作電壓(@20 mA)和串聯(lián)電阻分別由4.4 V、26Ω降至4.0 V、22.5Ω。尺寸為1 mm×1 mm的LED芯片的工作電壓(@350 mA)的串聯(lián)電阻也分別由6.74 V、10.1Ω降至5.83 V、8.0Ω。相應(yīng)的，輸出光的相對強(qiáng)度也得到了提高。
　　 2、通過優(yōu)化電極幾何形狀來改善LED器件的Ⅰ-Ⅴ性能，實驗結(jié)果表明，對于不同的LED器件結(jié)構(gòu)，達(dá)到最佳性能所采用的電極形狀不同。無論通孔型還是傳

5、統(tǒng)型LED芯片，對于采用同側(cè)電極的LED來講，電極形狀為插指結(jié)構(gòu)的LED芯片的Ⅰ-Ⅴ性能較好，且插指數(shù)目越多，其工作電壓和串聯(lián)電阻越低。而對于采用垂直電極的LED來講，電極形狀為“米”字形的傳統(tǒng)LED芯片的Ⅰ-Ⅴ性能最好，電極形狀為插指狀的通孔型LED芯片的Ⅰ-Ⅴ性能最好。
　　 3、結(jié)合文獻(xiàn)已報道的分析電流在絕緣襯底或金屬襯底GaN基LED有源區(qū)內(nèi)分布情況的2D電路模型，建立3D電路模型，分析不同電極形狀對藍(lán)寶石襯底GaN基L