硅襯底藍光LED P層厚度優(yōu)化及其應力研究.pdf

1、近年來,GaN基半導體器件尤其是InGaN／GaN LED在薄膜生長以及光電器件制備等方面取得多項重大技術突破,已廣泛用于各種顯示和背光等領域,半導體照明市場已經(jīng)啟動。然而要想進入巨大的普通室內(nèi)照明市場,還必須提高LED發(fā)光效率和可靠性,并降低成本。Si襯底GaN外延技術與垂直結(jié)構LED芯片制備技術的結(jié)合能同時滿足以上三點要求,前景誘人。首先,薄膜型垂直結(jié)構芯片可以采用反射鏡和表面粗化等工藝獲得較高的出光效率,且垂直結(jié)構,電流注入比較均

2、勻,導熱性好,器件可靠性高；其次,制造薄膜芯片,需要去掉原生長襯底,常用的藍寶石襯底通常采用激光剝離,但目前激光剝離技術仍面臨成本高、良率低等問題,而Si襯底則可以采用濕法腐蝕去除,成本低且技術成熟；除此之外,硅襯底還具有價格便宜、易得大尺寸等優(yōu)勢。與藍寶石襯底相比,Si襯底GaN基LED還是一種新產(chǎn)品,關于其外延及芯片制造過程的優(yōu)化設計等還有很大的發(fā)展空間。
　　 本文對Si襯底垂直結(jié)構GaN基LED的p-GaN厚度優(yōu)化進行了

3、系統(tǒng)研究,并研究了垂直結(jié)構芯片制造過程中LED薄膜應力的變化,主要獲得了以下研究成果:
　　 1、對于未表面粗化的芯片,垂直結(jié)構GaN基LED可以被看成一個由GaN-封裝材料界面與金屬反射鏡構成的平面F-P長腔,對于藍光LED其腔長指數(shù)約為40。本文在此基礎推導了垂直結(jié)構LED芯片光提取效率的計算方法。此模型對于深入理解硅襯底倒裝LED的出光過程、提高光提取效率具有重要指導意義。
　　 2、P-GaN厚度對未表面粗化的垂

4、直結(jié)構LED的輻射模式和光提取效率有很大影響,通過優(yōu)化p-GaN厚度可以有效提高光提取效率。另外,LED芯片所用金屬反射鏡的材料也會影響最佳的p-GaN厚度。本論文經(jīng)實驗和理論分析得到,對于以Ag、Al或Pt為金屬反射鏡的垂直結(jié)構LED,其最佳p-GaN厚度分別為0.69λn、0.75λn、0.73λn。因此,在優(yōu)化p-GaN厚度時,一定要注意所用金屬反射鏡的材料。
　　 3、優(yōu)化p-GaN厚度時,不能只考慮點測得到的垂直方向的

5、光強,更重要的是考慮芯片總的出射光功率。我們發(fā)現(xiàn)光功率隨p-GaN厚度的變化曲線與點測的法向光強隨p-GaN厚度的變化曲線趨勢相同,但輸出光功率對應的p-GaN最佳厚度比法向光強對應的最佳值約大150(A)。
　　 4、在Si襯底垂直結(jié)構GaN基LED芯片制造過程中,LED薄膜應力狀態(tài)隨制備過程發(fā)生變化。原生長在硅襯底上的外延膜處在張應力狀態(tài),通過圖形化襯底表面使之分割成獨立的芯片區(qū)域,可以減小應力。當芯片尺寸較小時,外延膜的應

6、力較小,芯片尺寸增大,張應力增大。通過把外延襯底去除,并把薄膜轉(zhuǎn)移到新的支撐襯底,可以釋放或部分釋放外延膜內(nèi)殘余張應力,芯片尺寸較小的外延片,轉(zhuǎn)移后LED薄膜甚至已處在壓應力狀態(tài)；N面粗化可以有效的釋放薄膜應力,無論是張應力還是壓應力；去邊可以釋放一定的張應力,芯片尺寸越大,去邊步驟釋放的張應力愈大。此研究結(jié)果對芯片制造過程的優(yōu)化設計具有重要指導意義。
　　 以上研究結(jié)果已在本單位863計劃相關課題研究和相關產(chǎn)業(yè)化過程中得到應用