大功率GaN基LED芯片設計與制造技術研究.pdf

1、基于大功率發(fā)光二極管（Light Emitting Diodes，LEDs）的半導體照明被認為是最有可能進入普通照明領域的一種新型節(jié)能照明光源。半導體照明廣泛應用的關鍵是提高氮化物LED芯片的發(fā)光效率。影響LED芯片發(fā)光效率的因素主要有兩個，一個是電子轉化為光子的效率，一般也稱內量子效率，一個是光子從LED芯片內部出射的效率，一般也稱為取光效率，兩者共同決定了LED芯片的發(fā)光效率。因此探索提高LED芯片內量子效率和取光效率的方法得到了廣

2、大學者的關注。然而目前的研究主要集中在小功率LED芯片。另一方面，大功率LED芯片的性能與其制造過程密切相關，芯片制造過程中的每一步工藝都會對LED發(fā)光效率、可靠性、耐久性等產生重要影響。然而，目前許多與大功率LED芯片制造相關的關鍵技術問題尚未完全解決，使得對大功率LED芯片的優(yōu)化設計以及制造工藝中材料選擇、工藝參數控制等缺乏實驗數據的支撐。因此針對上述存在的問題，本文采用理論研究、數值模擬及實驗研究的手段來研究提高LED芯片取光效率

3、的新途徑，并分析大功率LED芯片設計和制造過程中材料、結構和工藝參數對LED芯片性能的影響機制以及各制造工藝之間的相互關系，具體研究內容包括如下幾個方面:
　　1)采用基于幾何光學理論的蒙特卡羅光線追跡法全面地分析了LED芯片的結構參數以及材料屬性對芯片取光效率的影響。基于有限元算法建立了LED芯片三維電-熱耦合模型，該模型綜合考慮LED芯片中的電流擴展、熱的產生和傳遞過程，分析了大功率LED芯片的電極幾何形狀、ITO(Indiu

4、m Tin Oxide)透明導電層以及臺階深度對芯片有源區(qū)電流擴展性能及溫度分布的影響規(guī)律。提出通過在大功率LED芯片上同時集成藍寶石圖形襯底技術和圖形化ITO技術提高大功率LED芯片取光效率的方法，采用藍寶石襯底上形成的周期性分布的半球形圖形打破GaN材料與藍寶石襯底之間的全反射界面，采用ITO透明導電薄膜上形成的周期性分布和隨機分布的圓形和六邊形圖形打破p-GaN與ITO透明導電層以及ITO透明導電層與空氣之間的全反射界面，從而顯著

5、的提升LED芯片光功率。
　　2)為了實現(xiàn)GaN材料的高速率、低損傷干法刻蝕技術，對電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma, ICP)刻蝕技術進行了詳細的研究。采用Cl2/BCl3混合氣體對GaN外延層進行刻蝕，通過掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)、光致發(fā)光(Photolumi

6、nescence, PL)譜測試等表征手段研究了ICP刻蝕工藝參數主要包括氣體組分、ICP功率、RF功率和反應腔體壓強對GaN刻蝕速率、微結構形貌、表面粗糙度、缺陷以及光致發(fā)光譜強度的影響規(guī)律。提出采用兩步刻蝕方法對GaN外延層進行深刻蝕，第一步刻蝕用于滿足刻蝕的速率和深度，第二步刻蝕用于去除第一步刻蝕對GaN材料造成的損傷。分析并得出了ICP刻蝕工藝中對GaN進行深刻蝕和淺刻蝕兩種不同情況下的最優(yōu)工藝參數。
　　3)采用微加工技

7、術主要包括光刻工藝、刻蝕工藝、薄膜淀積工藝、剝離工藝和研磨拋光工藝等制作本文所設計的LED芯片結構。采用剝離工藝制作金屬電極圖形;采用ICP干法刻蝕技術在藍寶石襯底上形成直徑為3.5um、高度為1.2um的半球形圖形;采用濕法腐蝕技術在ITO透明導電薄膜上形成周期性分布和隨機分布的圓形圖形和六邊形圖形。為實現(xiàn)垂直結構LED芯片的低損傷襯底剝離，研究了一種采用機械研磨、化學機械拋光(CMP)和ICP干法刻蝕技術相結合剝離藍寶石襯底的方法。

8、
　　4)建立了新型的LED芯片特征參數（光學、電學、熱學和色度學參數）測試系統(tǒng)。提出采用曲線擬合法和查表法快速計算LED主波長的方法，使LED芯片主波長的計算精度達到0.1nm?；诮⒌腖ED芯片特征參數測試系統(tǒng)，對本文所設計并制作的LED芯片進行了測試，分析了藍寶石圖形襯底技術對大功率LED芯片光功率的影響，研究了ITO透明導電薄膜上圖形的形狀、直徑、間距以及分布方式（周期性分布與非周期性分布）對大功率LED芯片光電性能的影