硅基板和铜基板垂直结构GaN基LED变温变电流发光性能的研究

本文将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜剥离转移到新的硅基板和紫铜基板上,并获得了垂直结构的LED芯片,对其变温变电流电致发光(EL)特性进行了研究. 结果表明:当环境温度不变时,在13 K低温状态下铜基板芯片的EL波长始终大于硅基板芯片约6 nm,在300 K 状态下随着驱动电流的加大铜基板芯片的EL波长会由大于硅基板芯片3 nm左右而逐渐变为与硅基板芯片重合;当驱动电流不变时,环境温度由13 K升高到320 K,两种基板芯片的EL波长随温度升高呈现S形变化并且波谱逐渐趋于重合;在100 K以下温度时铜基板芯片的Droop效应比硅基板芯片明显,在100 K 以上温度时硅基板芯片的Droop效应比铜基板芯片明显. 可能是由于两种芯片的基板具有不同的热膨胀系数和热导率导致了其变温变电流的EL特性不同. 关键词： GaN 热膨胀系数 内量子效率 热导率     

不同基板1W硅衬底蓝光LED老化性能研究

将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基LED薄膜,通过电镀的方法转移到铜支撑基板、铜铬支撑基板以及通过压焊的方法转移到新的硅支撑基板,获得了垂直结构蓝光LED器件,并对其老化特性进行了对比研究。研究结果表明,在三种基板中铜支撑基板的器件老化后光电特性最稳定。把这一现象归结于三种样品的应力状态以及基板热导率的不同,其中应力状态可能是影响器件可靠性的最主要因素。     

硅衬底氮化镓基LED薄膜转移至柔性黏结层基板后其应力及发光性能变化的研究

本文将硅(Si)衬底上外延生长的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)薄膜转移至含有柔性黏结层的基板上, 获得了不受衬底和支撑基板束缚的LED薄膜. 利用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)研究了薄膜转移前后的应力变化, 同时对其光致发光(PL)光谱的特性进行了研究. 结果表明: 硅衬底GaN基LED薄膜转移至柔性基板后, GaN受到的应力会由转移前巨大的张应力变为转移后微小的压应力, InGaN/GaN量子阱受到的压应力则增大; 尽管LED薄膜室温无损转移至柔性基板其InGaN阱层的In组分不会改变, 然而按照HRXRD倒易空间图谱通用计算方法会得出平均铟组发生了变化; GaN基LED薄膜从外延片转移至柔性基板时其PL谱会发生明显红移.     

SiN钝化膜对Si衬底GaN基蓝光LED性能影响

利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)系统在垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了SiN钝化膜,并对长有钝化膜及未作钝化处理的LED在不同条件下进行了老化实验,首次研究了SiN钝化膜对垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED可靠性的影响。实验发现:经过30mA、85℃、24h条件老化后,未作钝化处理的Si衬底GaN基蓝光LED的平均光衰为11.41%,而长有SiN钝化膜的LED平均光衰为6.06%,SiN钝化膜有效地改善了LED在各种老化条件下的光衰,另外,SiN钝化膜缓解了Si衬底GaN基蓝光LED老化过程中反向电压(Vr)的下降,但对老化后LED的抗静电击穿能力(ESD)没有明显的影响。     

Si衬底功率型GaN基绿光LED性能

对本实验室在Si(111)衬底上MOCVD法生长的芯片尺寸为400 μm×600μm功率型绿光LED的光电性能进行研究.带有银反射镜的LED在20 mA的电流下正向工作电压为3.59 V,主波长518 nm,输出光功率为7.3 mW,90 mA下达到28.2 mW,发光功率效率为7.5%,光输出饱和电流高达600 mA.在200 mA电流下加速老化216 h,有银反射镜的LED光衰小于尤银反射镜的LED,把这一现象归结于Ag反射镜在提高出光效率的同时,降低了芯片奉身的温度.本器件有良好的发光效率,光衰和光输出饱和电流等综合特性表明,Si衬底GaN基绿光LED具有诱人的发展前景.     

激光剥离技术实现垂直结构GaN基LED

为改善GaN基发光二极管(Light-emitting diode,LED)的电学特性和提高其输出光功率,采用激光剥离技术,在KrF准分子激光器脉冲激光能量密度为400mJ/cm2的条件下,将GaN基LED从蓝宝石衬底剥离,结合金属熔融键合技术,在300℃中将GaN基LED转移至高电导率和高热导率的硅衬底,制备出了具有垂直结构的GaN基LED,并对其电学和光学特性进行了测试。结果表明:在110mA注入电流下,垂直结构器件的开启电压由普通结构的3.68V降低到了3.27V;在560mA注入电流下,器件输出光功率没有出现饱和现象;采用高电导率和高热导率的硅衬底能有效地改善GaN基LED的电学和光学特性。     

高效率GaN基高压LED芯片的制备及COB封装

为提升GaN基高压LED芯片的出光性能,优化了芯片发光单元之间隔离沟槽的宽度.当隔离沟槽宽度为20μm时,芯片的电学性能和光学性能最优.当注入电流为20 mA时,正向电压为50.72 V,输出光功率为373.64 mW,电光转换效率为36.83％.采用镜面铝基板和陶瓷基板进行了4颗芯片串联形式的COB封装.镜面铝基板的热导率和反射率均高于陶瓷基板,可提升HV-LED器件在大注入电流和高温时的发光性能.当注入电流为20 mA且基板温度为20℃时,镜面铝基板封装的HV-LED器件的正向电压是198.9 V,发光效率达122.2 lm/W.     

Si衬底GaN基LED外延薄膜转移至金属基板的应力变化

采用电镀金属基板及湿法腐蚀衬底的方法将硅衬底上外延生长的GaNMQWLED薄膜转移至不同结构的金属基板,通过高分辨X射线衍射(HRXRD)和光致发光(PL)研究了转移的GaN薄膜应力变化。研究发现:(1)转移至铜基板、铬基板、铜/镍/铜叠层基板等三种基板的GaN薄膜张应力均减小,其中转移至铬基板的GaN薄膜张应力最小。(2)随着铬基板中铬主体层厚度的增加,转移后的GaN薄膜应力不发生明显变化。     

GaN基LED倒装芯片蓝宝石衬底半球型图形优化设计

为了提高GaN基LED芯片的光提取效率,以GaN基LED芯片为研究对象,建立了在蓝宝石衬底出光面和外延生长面上具有半球型图形的LED倒装芯片模型,并利用光学仿真软件对图形参数进行优化设计。实验结果表明:在蓝宝石衬底的出光面和外延生长面双面都制作凹半球型图形对芯片光提取效率的提高效果最好,并且当半球的半径为3 m,周期间距为7 m时,GaN基LED倒装芯片的最大光提取效率为50.8%,比无图形化倒装芯片的光提取效率提高了115.3%。     

Si衬底GaN基蓝光LED老化性能

报道了芯片尺寸为500μm×500μm硅衬底GaN基蓝光LED在常温下经1000h加速老化后的电学和发光性能,其光功率随老化时间的变化分先升后降两个阶段;老化后的反向漏电流和正向小电压下的电流均有明显的增加;老化后器件的外量子效率(EQE)比老化前低;老化前后EQE衰减幅度在不同的注入电流下存在明显差异,衰减幅度最小处出现在发光效率最高时对应的电流密度区间。     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。     

Si(110)和Si(111)衬底上制备InGaN/GaN蓝光发光二极管

分别在Si(110)和Si(111)衬底上制备了In Ga N/Ga N多量子阱结构蓝光发光二极管(LED)器件.利用高分辨X射线衍射、原子力显微镜、室温拉曼光谱和变温光致发光谱对生长的LED结构进行了结构表征.结果表明,相对于Si(111)上生长LED样品,Si(110)上生长的LED结构晶体质量较好,样品中存在较小的张应力,具有较高的内量子效率.对制备的LED芯片进行光电特性分析测试表明,两种衬底上制备的LED芯片等效串联电阻相差不大,在大电流注入下内量子效率下降较小;但是,相比于Si(111)上制备LED芯片,Si(110)上LED芯片具有较小的开启电压和更优异的发光特性.对LED器件电致发光(EL)发光峰随驱动电流的变化研究发现,由于Si(110)衬底上LED结构中阱层和垒层存在较小的应力/应变而在器件中产生较弱的量子限制斯塔克效应,致使Si(110)上LED芯片EL发光峰随驱动电流的蓝移量更小.     

硅衬底GaN基LED薄膜芯片的应力调制

将Si衬底GaN基LED外延薄膜经晶圆键合、去硅衬底等工艺制作成垂直结构GaN基LED薄膜芯片,并对其进行不同温度的连续退火,通过高分辨X射线衍射(HRXRD)研究了连续退火过程中GaN薄膜芯片的应力变化。研究发现:垂直结构LED薄膜芯片在160~180℃下退火应力释放明显,200℃时应力释放充分,GaN的晶格常数接近标准值。继续升温应力不再发生明显变化,GaN薄膜的晶格常数只在标准晶格常数值附近波动。扫描电子显微镜给出的bonding层中Ag-In合金情况很好地解释了薄膜芯片应力的变化。     

非等温模型下LED芯片性能与衬底的关系

发光二极管(LED)中载流子的输运及复合决定了其非均匀的内热源强度及分布,而芯片温度又影响载流子的输运及复合,两者具有强烈的耦合关系。本文利用非等温多物理场耦合模型对以蓝宝石、Si及SiC为衬底的 LED芯片的内量子效率、光谱特性及光电转换效率进行了系统研究。结果表明:以SiC为衬底的LED芯片具有最小的效率下垂效应(Efficiency droop)及最高的光谱强度和光电转换效率。这是因为与其他两种衬底的LED芯片相比,以SiC为衬底的LED芯片具有最好的散热性能,因此非均匀温度场对其载流子输运及复合的影响最小,使得活性区中的载流子浓度显著增强,漏电流明显下降。     

硅衬底GaN基LED N极性n型欧姆接触研究

在Si衬底GaN基垂直结构LED的N极性n型面上,利用电子束蒸发的方法制作了Ti/Al电极,通过了I-V曲线研究了有无AlN缓冲层对这种芯片欧姆接触的影响.结果显示,去除AlN缓冲层后的N极性n型面与Ti/Al电极在500到600 ℃范围内退火才能形成欧姆接触.而保留AlN缓冲层的N极性n型面与Ti/Al电极未退火时就表现为较好的欧姆接触,比接触电阻率为2×10^-5 Ω·cm²,即使退火温度升高至600 ℃,也始终保持着欧姆接触特性.因此,AlN缓冲层的存在是Si衬底GaN基垂直结构LED获得高热稳定性n型欧姆接触的关键. 关键词： 硅衬底 N极性 AlN缓冲层 欧姆接触     

基于不同衬底材料高出光效率LED芯片研究进展

提高LED芯片的出光效率是解决LED光源大功率化和可靠性的根本。根据LED芯片所用衬底材料的不同,总结了近年来提高GaN基LED出光效率的研究进展,介绍了新的设计思路、工艺结构与制备方法。并从材料结构和衬底选取方面,对LED芯片未来的发展趋势进行了展望。     

量子垒结构对Si衬底GaN基绿光LED光电性能的影响

在Si衬底上外延生长了3种不同量子垒结构的绿光外延片并制作成垂直结构芯片,3种量子垒结构分别为Ga N、In0.05Ga0.95N/Al0.1Ga0.9N/In0.05Ga0.95N、In0.05Ga0.95N/Ga N/In0.05Ga0.95N,对应的3种芯片样品为A、B、C,研究了3种样品的变温电致发光特性。垒结构的改变虽然对光功率影响很小,但是在光谱性能上会引起显著改变,结果如下:在低温(13 K)大电流下,随着电流密度的增大,样品的EL谱峰值波长蓝移更为显著,程度依次为BA≈C;在高温(300 K)小电流下,随着电流密度的增大,样品EL谱的峰值波长蓝移程度的大小依次为ABC。在同一电流下,随着温度的升高,样品在大部分电流下的EL谱峰值波长出现"S"型波长漂移,在极端电流下又表现出不同的漂移情况。这些现象与局域态、应力、压电场、禁带宽度等因素有关。     

SiON钝化膜对硅衬底氮化镓绿光LED可靠性的影响

研制了4种不同表面钝化类型Si衬底GaN基绿光LED,分别标记为样品A、B、C、D.样品A无钝化层,样品B为台面SiON钝化,样品C为侧面SiON钝化,样品D为台面和侧面均钝化.将4种样品进行了常温60 mA(电流密度312 A/cm2)下168 h的加速老化,并对比了老化前后的I-V和光衰等特性.结果表明:侧边的Si...     

Si(111)衬底切偏角对GaN基LED外延膜的影响

利用金属有机化学气相沉积(MOCVD)方法在具有偏角(0°~0.9°)的Si(111)衬底上生长了GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射(HRXRD)对Si衬底的偏角进行了精确的测量,利用HRXRD、原子力显微镜(AFM)以及光致发光(PL)对外延薄膜的晶体质量、量子阱中In组分、表面形貌及光学特性进行了研究。结果表明,Si(111)衬底偏角对量子阱中的In组分、 GaN外延膜的表面形貌、晶体质量以及光学性能具有重大影响。为了获得高质量的GaN外延薄膜,衬底偏角必须控制在小于0.5°的范围内。超出该范围,GaN薄膜的晶体质量、表面形貌及光学性能都明显下降。     

Performance improvement of Ga N-based light-emitting diodes transferred from Si(111) substrate onto electroplating Cu submount with embedded wide p-electrodes

Crack-free Ga N/In Ga N multiple quantum wells(MQWs) light-emitting diodes(LEDs) are transferred from Si substrate onto electroplating Cu submount with embedded wide p-electrodes. The vertical-conducting n-side-up configuration of the LED is achieved by using the through-hole structure. The widened embedded p-electrode covers almost the whole transparent conductive layer(TCL), which could not be applied in the conventional p-side-up LEDs due to the electrodeshading effect. Therefore, the widened p-electrode improves the current spreading property and the uniformity of luminescence. The working voltage and series resistance are thereby reduced. The light output of embedded wide p-electrode LEDs on Cu is enhanced by 147% at a driving current of 350 m A, in comparison to conventional LEDs on Si.