高量子效率GaN基LED器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝研究.pdf

1、GaN基發(fā)光二極管(LED)因其壽命長、效率高、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢備受關(guān)注。隨著外延技術(shù)、芯片技術(shù)、封裝技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,LED的應(yīng)用從指示、背光等領(lǐng)域逐漸拓展到全彩顯示、照明等高端領(lǐng)域。然而,限于目前的技術(shù)水平,GaN基LED量子效率還不高,迫切需要提高內(nèi)量子效率和外量子效率,從而增強(qiáng)發(fā)光效率。GaN基LED內(nèi)量子效率低與材料晶體質(zhì)量差、應(yīng)力大和電子捕獲能力差有關(guān),外量子效率低與光在界面的反射而導(dǎo)致取光效率低有關(guān)。針對內(nèi)量子

2、效率低,本論文設(shè)計(jì)并研制出了利用AlInGaN/InGaN多量子阱(MQW)作為電子發(fā)射層的LED器件,有效地提高了內(nèi)量子效率。與此同時(shí),為了進(jìn)一步提高GaN基LED器件的外量子效率,我們研究了圖形化藍(lán)寶石襯底、分布布拉格反射薄膜、隱形切割技術(shù)對器件取光效率和可靠性的影響,實(shí)驗(yàn)表明這些技術(shù)可以改善器件的外量子效率和可靠性。具體研究工作如下:
　　(1)基于光電子器件理論,利用Matlab和APSYS軟件研究了影響GaN基LED器件

3、內(nèi)量子效率的主要因素。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)量子效率與俄歇復(fù)合和載流子漏溢關(guān)系密切,隨著俄歇復(fù)合和載流子漏溢加劇,LED內(nèi)量子效率也急劇降低。本論文采用AlInGaN/InGaN多量子阱作為電子發(fā)射層,通過模擬優(yōu)化并制備出了性能較好的AlInGaN/InGaN多量子阱作為電子發(fā)射層的LED。測試結(jié)果表明新結(jié)構(gòu)量子效率得到明顯的改善。這主要?dú)w因于采用這樣的AlInGaN/InGaN電子發(fā)射層之后,一方面AlInGaN相比較于GaN勢壘具有更高的禁帶寬

4、度,能非常有效地降低垂直方向上的電子遷移率并迫使電子做橫向移動(dòng),可以提高電子捕獲效率和改善電流的擴(kuò)展能力;另一方面晶體質(zhì)量得到了提高,缺陷密度降低到1.87×108/cm2。實(shí)驗(yàn)表明,采用新結(jié)構(gòu)的LED在30V反向偏壓的情況下漏電流為3.24μA,其發(fā)光效率提高約26％,在人體模式反向5000V靜電釋放(ESD)下仍然保持70%的良率,其性能指標(biāo)較原有結(jié)構(gòu)有較大提高。
　　(2)基于蒙特卡羅方法進(jìn)行非序列性光線追蹤的原理,利用Tr

5、acepro軟件,研究了圖形化襯底結(jié)構(gòu)參數(shù),如相鄰圖形單元的邊緣間距,單位圖形底面半徑、高度以及側(cè)面傾斜角度對GaN基LED取光效率的影響。通過比較取光效率的變化,得到了最優(yōu)化的參數(shù)范圍。通過優(yōu)化光刻和電感耦合等離子(ICP)刻蝕工藝,獲得了合適的襯底圖形,圖形高度1.5μm、側(cè)面傾斜角度50度、相鄰圖形間距0.5μm。通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)工藝外延后,圖形化襯底能夠有效地提高外延層的晶體質(zhì)量。X射線衍射(XRD)測試圖

6、形化襯底的外延層(102)半峰寬從285arcsec降低到264arcsec。同平面襯底的GaN基LED器件性能相比,采用圖形襯底的LED的光通量提高了27%。這主要是由于圖形化襯底可以有效改變界面平均折射率,進(jìn)而改變光線路徑,使得原本在界面處發(fā)生全反射的光被提取出去,從而有效地提高了LED器件的取光效率。
　　(3)利用TFCalc軟件對全介質(zhì)分布布拉格反射(DBR)膜和金屬增強(qiáng)型分布布拉格反射膜對GaN基LED取光效率的改善進(jìn)

7、行了研究。通過優(yōu)化膜層結(jié)構(gòu),全介質(zhì)分布布拉格反射膜反射帶內(nèi)平均反射率可以大于97%,能夠有效地提高光的反射。此外,全介質(zhì)型分布布拉格反射膜較金屬增強(qiáng)型分布布拉格反射膜的管芯,其光功率約有5.64%提高。為進(jìn)一步驗(yàn)證器件可靠性,我們還將蒸鍍有全介質(zhì)分布布拉格反射膜和傳統(tǒng)未蒸鍍分布布拉格反射膜的樣品用環(huán)氧樹脂封裝成型后在50℃高溫下加速老化168小時(shí),其光通量保持率提高27%,DBR膜有效阻擋了LED光源對底膠的劣化。
　　(4)激光

8、表面切割技術(shù)的灼燒痕跡由于破壞了藍(lán)寶石的晶體結(jié)構(gòu)而吸光,影響了GaN基LED的取光效率。隱形切割是利用皮秒激光器光子密度達(dá)到藍(lán)寶石多光子吸收閾值,藍(lán)寶石吸收激光能量而破壞其價(jià)鍵的一種先進(jìn)切割技術(shù)。對比兩種切割技術(shù),發(fā)現(xiàn)隱形切割技術(shù)的裸晶光功率增加11%,封裝后光功率增加6%。利用X射線能譜分析法(EDS)研究了隱形切割斷面中的O/Al原子比,發(fā)現(xiàn)僅在空腔周圍有非常小的原子比失配區(qū)域,其他區(qū)域仍然保持藍(lán)寶石晶體結(jié)構(gòu),對光線的投射、反射性能