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族氮化物半導體材料具有優(yōu)異的物理和化學特性，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)，對應的波長覆蓋了紅外到遠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紫光波段的發(fā)光二極管(LEDs)在推動全球固態(tài)照明的應用進程中擔當著重要角色。半導體照明能夠廣泛應用的關(guān)鍵是提高氮化物LED

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、面進行了一系列細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散程度、有效鍵合面積和機械強度的影響。由此可以加深對鍵合機理的認識，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寶石襯底的新方法，不僅從理論上預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