硅基LED量子阱相關特性及芯片p面技術研究.pdf

1、硅襯底GaN基LED的研制成功,改寫了以藍寶石、碳化硅為襯底的GaN基LED的歷史,是一條更具發(fā)展?jié)摿Φ腖ED產(chǎn)業(yè)化技術路線,吸引了全球數(shù)十家研究單位和公司投入相關研究。在硅襯底上生長GaN材料與在藍寶石、碳化硅襯底上生長相比,應力狀態(tài)迥然不同,應力影響材料的極化,特別影響了作為有源層量子阱的生長特性和極化特性,進而影響LED的發(fā)光效率。同時,LED發(fā)展至今,在發(fā)光本質(zhì)方面仍有不少重要的物理問題未搞清楚。另外,襯底不同決定了芯片端制造方

2、面的差異化,硅材料與藍寶石、碳化硅相比,物理、化學及加工特性方面有很大差別,通常用在藍寶石基LED的芯片加工技術大部分不再適用于硅基LED,因此,發(fā)展一條先進的可產(chǎn)業(yè)化的硅基LED芯片制造技術同等重要。
　　 本文從量子阱相關特性及芯片技術兩個方面著入研究,一方面改變量子阱的生長工藝、結(jié)構(gòu)設計,通過光致發(fā)光(PL)、電致發(fā)光(EL)、熒光(FL)等手段分析量子阱的發(fā)光特性。另一方面改進芯片p面接觸,優(yōu)化p面鈍化,探索出一條電鍍金

3、屬基板的硅基TF芯片技術?；谝陨蟽蓚€方面,本文取得了以下重要的研究結(jié)果:
　　 1.通過研究具有單色單量子阱及單色多量子阱的硅基綠光LED的變溫EL特性,發(fā)現(xiàn)與單色多量子阱相比,單色單量子阱LED具有更低的工作電壓,小電流密度段(1～10A/cm2)具有更大的發(fā)光效率,在小電流應用方面具有更大的優(yōu)勢。
　　 2.通過研究具有單色及多色量子阱的硅基綠光LED在低溫下的光譜行為,發(fā)現(xiàn)在低溫小電流密度(～10-1A/cm2)

4、時,多量子阱LED的發(fā)光主要來自靠近n-GaN的量子阱,在低溫中電流密度時(1～10A/cm2),靠近p-GaN的量子阱的發(fā)光占主要地位,在大電流密度段(～102A/cm2)時,最后一個阱的發(fā)光趨于飽和,中間量子阱的發(fā)光開始逐漸占有明顯的地位。
　　 3.建立了一個變溫EL-IQE曲線與量子阱能帶傾斜之間的定性關系,通過應力調(diào)制的量子阱能帶傾斜模型,較好地解釋了單色單量子阱和多量子阱LED在變溫變電流時的眾多EL特性。
　

5、　 4.通過研究IQE和FWHM隨電流密度的變化特性,發(fā)現(xiàn)低溫下載流子可能優(yōu)先在量子阱局域態(tài)中發(fā)生復合,并在低溫100K下觀察到了與此相關的發(fā)光情況。
　　 5.報道了硅基綠光LED的最高EL-IQE:工作狀態(tài)下(52.A/cm2),SQW-LED(@522nm),室溫下的IQE為26.3％,同波長的MQW-LED為40.7%。
　　 6.研究了量子阱個數(shù)對硅基綠光LED光學特性的影響。結(jié)果表明,4J樣品的發(fā)光效率最高

6、,2J樣品的發(fā)光效率最低。熒光顯微圖片并非越均勻?qū)陌l(fā)光效率越高,2J樣品具有最均勻分布的熒光顯微鏡圖片,卻具有最低的發(fā)光效率。
　　 7.采用壘摻雜的手段實現(xiàn)不同位置的阱發(fā)光,不同位置的壘摻硅對EL波長的影響較大。工作狀態(tài)下,具有兩個發(fā)光阱樣品的發(fā)光效率最低,四個發(fā)光阱樣品的發(fā)光效率最高。另外,壘摻雜能夠使FL的均勻性明顯變好,摻硅壘的位置離注入層越近,反壓越低,ESD性能也越差。對比了注入層摻硅與注入層不摻硅的樣品,實驗現(xiàn)

7、象一致反映,阱前摻硅量增加引起量子阱受到的壓應力增加。
　　 8.通過在硅襯底LED薄膜p-GaN表面蒸發(fā)不同厚度的Ni覆蓋層,將其在N2:02=4:1的氣氛中、450℃～750℃的溫度范圍內(nèi)進行退火,在去掉薄膜表面Ni覆蓋層之后制備Pt/p-GaN歐姆接觸層。實驗結(jié)果表明:退火溫度和Ni覆蓋層厚度均對硅襯底GaN基LED薄膜p型歐姆接觸有重要影響,Ni覆蓋退火能夠顯著降低p型層中Mg受主的激活溫度。經(jīng)犧牲Ni退火后,p型比接觸

8、電阻率隨退火溫度的升高呈先變小后變大的規(guī)律,隨Ni覆蓋層厚度的增加呈先變小后變大隨后又變小的趨勢;經(jīng)過優(yōu)化后,當Ni覆蓋層厚度為1.5nm,退火溫度為450℃,Pt與p-GaN比接觸電阻率在不需要二次退火的情況下達到6.1×10-5Ω·cm2。
　　 9.利用硫酸雙氧水選擇性腐蝕經(jīng)犧牲Ni退火后的LED薄膜表面。結(jié)果表明,經(jīng)犧牲Ni550℃退火后,薄膜表面開始受到破壞,且隨退火溫度的升高,受破壞的程度增加。退火后的LED薄膜經(jīng)沸

9、騰硫酸雙氧水腐蝕后,表面出現(xiàn)明顯的腐蝕坑,我們認為這種腐蝕坑可能與材料內(nèi)位錯在表面的露頭及由于重摻雜、量子阱內(nèi)V型坑引起的p型材料的極性反轉(zhuǎn)有關,且犧牲Ni退火促進了這種腐蝕坑的形成和長大。
　　 10.討論了金屬或者絕緣材料作為p面鈍化材料的可行性。通常用作n型接觸的Cr,在銀合金條件下完全可以達到p面鈍化效果。最后討論了是否能夠選擇不導電的絕緣物作為p面鈍化材料,結(jié)合硅基TF芯片工藝對其進行了可行性論證:若LED芯片工藝過程

10、不存在大應力作用,采用氮化硅、氧化硅或PI等作為p面鈍化材料是可行的。
　　 11.通過電鍍的方法分別將Si襯底GaNLED薄膜轉(zhuǎn)移至銅鉻、銅鎳基板上,并制備成不同電鍍基板的LED芯片,芯片加工過程中,LED薄膜由張應力變?yōu)閴簯?隨后壓應力不斷得到釋放,通過對比不同電鍍金屬基板LED芯片在力學、熱學、光電等方面的性能可知,電鍍銅鎳基板LED芯片的散熱性能更好、波長漂移特性更佳、力學特性以及伏安特性更加可靠。Si襯底GaN電鍍金