高性能GaN基白光LED器件研制及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、1994年，日本日亞公司的S.Nakamura提出了GaN藍(lán)光LED的發(fā)明技術(shù)，1996年，日亞公司利用GaN藍(lán)光LED激發(fā)YAG熒光粉獲得白光成分。這種白光LED技術(shù)擁有省電、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，并且潛在巨大的市場(chǎng)前景，吸引了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界極大關(guān)注，它被譽(yù)為第四代照明光源，引發(fā)了一場(chǎng)光源革命。短短十余年間，半導(dǎo)體照明技術(shù)日新月異，逐年提高的流明效率使得LED擁有更多的應(yīng)用領(lǐng)域，LED已經(jīng)從傳統(tǒng)的指示燈逐步走向了背光、照明、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域。

2、白光LED技術(shù)中最核心的是芯片技術(shù)，為了滿足高光通量的需求，人們采用各種手段來(lái)提高LED的內(nèi)量子效率和萃取效率，其中MQW結(jié)構(gòu)和工藝的優(yōu)化是提高LED內(nèi)量子效率的主要途徑，而采用圖形藍(lán)寶石襯底技術(shù)制備LED是獲得高萃取效率LED的一種有效手段。另外，高電流密度下的LED芯片遇到的熱問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，對(duì)白光LED從芯片到封裝層面的熱管理技術(shù)提出了更高的要求。
　　 本文采用Tomas Swan MOCVD系統(tǒng)，在圖形藍(lán)寶石襯底上制備

3、高質(zhì)量LED器件，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝，我們獲得了能夠達(dá)到產(chǎn)業(yè)化水平的LED器件。同時(shí)，我們對(duì)白光LED從芯片到封裝層面的熱管理技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，提出了一種熱隔離封裝結(jié)構(gòu)。全文獲得了如下創(chuàng)新和有意義的結(jié)果：
　　 1.通過(guò)控制生長(zhǎng)模式和優(yōu)化生長(zhǎng)工藝，在圓錐形藍(lán)寶石圖形襯底(CSPSS)上采用低溫緩沖層技術(shù)制備了2-6μm厚表面光滑的GaN基板，并解釋了圖形藍(lán)寶石襯底上的生長(zhǎng)機(jī)理。XRD測(cè)試結(jié)果顯示，GaN基板(002)與(10

4、2)搖擺曲線(Rocking Curve)衍射峰的半峰寬值(FWHM)分別達(dá)到了193”和195”；SEM測(cè)試結(jié)果表明，GaN材料與襯底界面結(jié)合緊密，無(wú)孔洞。
　　 2.在CSPSS襯底上生長(zhǎng)了完整的LED結(jié)構(gòu)并制作成器件，其發(fā)光效率比平面藍(lán)寶石襯底上制備的LED提升了109％，并且器件漏電流小于0.1μA。
　　 3.采用高低溫生長(zhǎng)方法制備MQW，通過(guò)改善阱壘的過(guò)渡和調(diào)節(jié)MQW的阱壘寬度，對(duì)MQW結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)工藝進(jìn)行優(yōu)化

5、，優(yōu)化后未切片的器件測(cè)試結(jié)果表明其發(fā)光波長(zhǎng)在450-470 nm之間，波長(zhǎng)半波寬FWHM為20 nm，中心發(fā)光強(qiáng)度大于800 mcd，各項(xiàng)光電參數(shù)達(dá)到實(shí)用水平。
　　 4.在MQW前引入低組分的n-InGaN應(yīng)力釋放層結(jié)構(gòu)，研究了n-InGaN插入層生長(zhǎng)條件和厚度對(duì)LED器件性能的影響，優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)后的n-InGaN結(jié)構(gòu)使得LED器件光效提升19％。
　　 5.利用有限元軟件建立了白光LED從芯片到系統(tǒng)的熱模型，并結(jié)合紅

6、外測(cè)溫技術(shù)，分析了封裝材料、封裝方式以及缺陷對(duì)白光LED熱阻以及溫差分布的影響。然后對(duì)LED芯片采用倒裝焊(flip-chip)封裝方式的焊點(diǎn)失效進(jìn)行系統(tǒng)分析，并提出焊點(diǎn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案。
　　 6.分析了白光LED中熒光粉與芯片的熱相互作用，提出了一種熱隔離封裝結(jié)構(gòu)。熱隔離封裝方式在注入電流從50 mA增加到800 mA時(shí)，色溫僅變化253 K，光色穩(wěn)定性大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且它能夠在更高的飽和電流下驅(qū)動(dòng)。光色性能的改善得益于熱