硅襯底藍(lán)光LED P層厚度優(yōu)化及其應(yīng)力研究.pdf

1、近年來,GaN基半導(dǎo)體器件尤其是InGaN／GaN LED在薄膜生長(zhǎng)以及光電器件制備等方面取得多項(xiàng)重大技術(shù)突破,已廣泛用于各種顯示和背光等領(lǐng)域,半導(dǎo)體照明市場(chǎng)已經(jīng)啟動(dòng)。然而要想進(jìn)入巨大的普通室內(nèi)照明市場(chǎng),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(shù)與垂直結(jié)構(gòu)LED芯片制備技術(shù)的結(jié)合能同時(shí)滿足以上三點(diǎn)要求,前景誘人。首先,薄膜型垂直結(jié)構(gòu)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(gòu),電流注入比較均

2、勻,導(dǎo)熱性好,器件可靠性高；其次,制造薄膜芯片,需要去掉原生長(zhǎng)襯底,常用的藍(lán)寶石襯底通常采用激光剝離,但目前激光剝離技術(shù)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(shù)成熟；除此之外,硅襯底還具有價(jià)格便宜、易得大尺寸等優(yōu)勢(shì)。與藍(lán)寶石襯底相比,Si襯底GaN基LED還是一種新產(chǎn)品,關(guān)于其外延及芯片制造過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)等還有很大的發(fā)展空間。
　　 本文對(duì)Si襯底垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED的p-GaN厚度優(yōu)化進(jìn)行了

3、系統(tǒng)研究,并研究了垂直結(jié)構(gòu)芯片制造過程中LED薄膜應(yīng)力的變化,主要獲得了以下研究成果:
　　 1、對(duì)于未表面粗化的芯片,垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED可以被看成一個(gè)由GaN-封裝材料界面與金屬反射鏡構(gòu)成的平面F-P長(zhǎng)腔,對(duì)于藍(lán)光LED其腔長(zhǎng)指數(shù)約為40。本文在此基礎(chǔ)推導(dǎo)了垂直結(jié)構(gòu)LED芯片光提取效率的計(jì)算方法。此模型對(duì)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(dǎo)意義。
　　 2、P-GaN厚度對(duì)未表面粗化的垂

4、直結(jié)構(gòu)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(huì)影響最佳的p-GaN厚度。本論文經(jīng)實(shí)驗(yàn)和理論分析得到,對(duì)于以Ag、Al或Pt為金屬反射鏡的垂直結(jié)構(gòu)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(shí),一定要注意所用金屬反射鏡的材料。
　　 3、優(yōu)化p-GaN厚度時(shí),不能只考慮點(diǎn)測(cè)得到的垂直方向的

5、光強(qiáng),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(diǎn)測(cè)的法向光強(qiáng)隨p-GaN厚度的變化曲線趨勢(shì)相同,但輸出光功率對(duì)應(yīng)的p-GaN最佳厚度比法向光強(qiáng)對(duì)應(yīng)的最佳值約大150(A)。
　　 4、在Si襯底垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED芯片制造過程中,LED薄膜應(yīng)力狀態(tài)隨制備過程發(fā)生變化。原生長(zhǎng)在硅襯底上的外延膜處在張應(yīng)力狀態(tài),通過圖形化襯底表面使之分割成獨(dú)立的芯片區(qū)域,可以減小應(yīng)力。當(dāng)芯片尺寸較小時(shí),外延膜的應(yīng)

6、力較小,芯片尺寸增大,張應(yīng)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(yīng)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(yīng)力狀態(tài)；N面粗化可以有效的釋放薄膜應(yīng)力,無論是張應(yīng)力還是壓應(yīng)力；去邊可以釋放一定的張應(yīng)力,芯片尺寸越大,去邊步驟釋放的張應(yīng)力愈大。此研究結(jié)果對(duì)芯片制造過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。
　　 以上研究結(jié)果已在本單位863計(jì)劃相關(guān)課題研究和相關(guān)產(chǎn)業(yè)化過程中得到應(yīng)用