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。     

硅衬底GaN蓝色发光材料转移前后应力变化研究

利用外延片压焊和湿法腐蚀技术将硅衬底上生长的InGaN多量子阱发光二极管(LED)薄膜材料转移到了新衬底上. 研究结果表明, 转移后的LED薄膜中GaN层受到的张应力变小,InGaN层受的压应力变大. 去除转移后LED薄膜中过渡层后,GaN层受到的张应力变大,而铟镓氮层受到的压应力基本不变. 将转移后的薄膜做成垂直结构的LED芯片后,其光电性能明显改善. 关键词： GaN 发光二极管 硅衬底 应力     

晶圆键合和激光剥离工艺对GaN基垂直结构发光二极管芯片残余应力的影响

GaN基发光二极管(LED)中的残余应力状态对器件的性能和稳定性有很大影响. 通过使用三种不同的键合衬底(Al₂O₃衬底, CuW衬底和Si衬底)以及改变键合温度(290 ℃, 320 ℃, 350 ℃和380 ℃), 并且使用不同的激光能量密度(875, 945和1015 mJ·cm^-2) 进行激光剥离, 制备了不同应力状态的GaN基LED器件. 对不同条件下GaN LED进行弯曲度、Raman 散射谱测试. 实验结果表明, 垂直结构LED中的残余应力的状态是键合衬底和键合金属共同作用的结果, 而键合温度影响着垂直结构LED中的残余应力的大小. 激光剥离过程中, 一定能量密度下激光剥离工艺一般不会对芯片中的残余应力造成影响, 但是如果该工艺对GaN 层造成了微裂缝, 则会在一定程度上起到释放残余应力的作用. 使用Si衬底键合后, 外延蓝宝石衬底翘曲变大, 对应制备的GaN基垂直结构 LED中的残余应力为张应力, 并且随着键合温度的上升而变大; 而Al₂O₃和CuW衬底制备的LED中的残余应力为压应力, 但使用Al₂O₃衬底键合制备的LED中压应力随键合温度上升而一定程度变大, CuW 衬底制备的LED中压应力随键合温度上升而下降.     

制膜技术与装置

O484.12007010582δ掺杂对Si衬底GaN蓝光LED外延膜性能的影响研究=Effect ofδ-doping on performance of GaN blue LED epi-taxial fil ms on Si substrates[刊,中]/程海英(南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心.江西,南昌(330047)),方文卿…//光学学报.—2006,26(8).—1269-1273用X射线衍射方法通过不同晶面的ω扫描测试,分析了Si衬底GaN蓝光LED外延膜中n-型层δ掺杂Si处理对外延膜结晶性能的影响。报道了Si衬底GaN外延膜系列晶面的半峰全宽(FWHM)值。通过使用晶格-旋转(Lattice-rotation)模型拟合,计算出样品的螺位错密…     

中高温GaN插入层厚度对蓝光LED光电性能的影响

利用金属有机气相化学沉积(MOCVD)技术在蓝宝石图形衬底上生长GaN基蓝光LED,并系统研究了不同中高温GaN插入层厚度对其光电性能的影响。利用芯片测试仪和原子力显微镜(AFM)表征了GaN基蓝光LED外延片的光电性能以及表面形貌。当中高温GaN插入层厚度从60 nm增加至100 nm时,V形坑尺寸从70~110 nm增加至110~150 nm。当注入电流为20 mA时,LED芯片的光功率从21.9 mW增加至24.1mW;当注入电流为120 mA时,LED芯片的光功率从72.4 mW增加至82.4 mW。对V形坑尺寸调控LED光电性能的相关物理机制进行了分析,结果表明:增大V形坑尺寸有利于增加空穴注入面积和注入效率,进而提高LED器件的光功率。     

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.     

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%。     

SiO2图形化蓝宝石衬底对GaN生长及LED发光性能的影响

为了提高氮化镓(GaN)基发光二极管(LEDs)的发光性能,采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在蓝宝石衬底上沉积SiO_2薄膜,经过光刻和干法刻蚀技术制备了SiO_2图形化蓝宝石衬底(SiO_2 patterned sapphire substrate, SPSS),利用LED器件的外延生长和微纳加工技术获得了基于SPSS的GaN基LED器件。通过分析GaN外延层晶体质量、光提取效率和LED器件性能,重点研究了SPSS对GaN生长及LED发光性能的影响。实验及模拟仿真结果表明,与常规图形化蓝宝石衬底(Conventional patterned sapphire substrate, CPSS)相比,SPSS上生长的GaN外延层位错密度较低,晶体质量较高,SPSS-LED的光提取效率提高26%、光输出功率和亮度均提高约5%。     

δ掺杂对Si衬底GaN蓝光LED外延膜性能的影响研究

用X射线衍射方法通过不同晶面的ω扫描测试,分析了Si衬底GaN蓝光LED外延膜中n-型层δ掺杂Si处理对外延膜结晶性能的影响。报道了Si衬底GaN外延膜系列晶面的半峰全宽(FWHM)值。通过使用晶格旋转(Lattice-rotation)模型拟合,计算出样品的螺位错密度和刃位错密度。结果表明,δ掺杂Si处理后生长出的样品螺位错密度增大、刃位错密度减小,总位错密度有所减小。通过对未经δ掺杂处理和δ掺杂处理的GaN外延膜相应ω-2θ扫描半峰全宽值的比较,发现δ掺杂Si处理后生长出的样品非均匀应变较大;相应样品的LED电致发光光谱I、-V特性曲线显示δ掺杂后样品性能变好。     

转移基板材质对Si衬底GaN基LED芯片性能的影响

在Si衬底上生长了GaN基LED外延材料,分别转移到新的硅基板和铜基板上,制备了垂直结构蓝光LED芯片。研究了这两种基板GaN基LED芯片的光电性能。在切割成单个芯片之前,对大量尺寸为(300μm×300μm)的这两种芯片分别通高达1 A的大电流在测试台上加速老化1 h。结果显示,铜基板Si衬底GaN基LED芯片有更大的饱和电流,光输出效率更高,工作电压随驱动电流的变化不大,光输出在老化过程中衰减更小。铜基板芯片比硅基板芯片可靠性更高,在大功率半导体照明器件中前景诱人。     

Effects of strain on the characteristics of InGaN–GaN multiple quantum-dot blue light emitting diodes

In this study, Raman spectra were measured in the backscattering geometry at temperatures from 100 K to 298 K. Samples with the InGaN self-assembled quantum dot (SAQD) structures of high strain show a strong compressive stress in InGaN epilayer by Raman measurement. Furthermore, we have applied the dots-in-a-well (DWELL) structure to nitride-based light-emitting diodes (LEDs). It was found that EL peak variation of the LED with DWELL structure is more sensitive to the amount of injection current, as compared with the MQW LEDs.     

非故意掺杂GaN层厚度对蓝光LED波长均匀性的影响

通过调整非故意掺杂氮化镓层的厚度,分析氮化镓基LED外延生长过程中应力的演变行为,以控制外延片表面的翘曲程度,从而获得高均匀性与一致性的外延片。由于衬底与外延层之间的热膨胀系数差别较大,在生长温度不断变化的过程中,外延片的翘曲状态也随之改变。在n型氮化镓生长结束时,外延片处于凹面变形状态。在随后的过程中,外延薄膜"凹面"变形程度不断减小,甚至转变为"凸面"变形,所以n型氮化镓生长结束时外延片的变形程度会直接影响多量子阱沉积时外延片的翘曲状态。当非掺杂氮化镓沉积厚度为3.63μm时,外延片在n型氮化镓层生长结束时变形程度最大,在沉积多量子阱时表面最为平整,这与PLmapping测试所得波长分布以及标准差值最小相一致。通过合理控制非故意掺杂氮化镓层的厚度以调节外延层中的应力状态,可获得均匀性与一致性良好的LED外延片。     

GaN基LED低温空穴注入层的MOCVD生长研究

针对GaN基LED空穴注入效率低的问题,在量子阱与电子阻挡层之间插入低温空穴注入层（LT-HIL）,实验研究了MOCVD生长LT-HIL时二茂镁（Cp₂Mg）流量和生长温度的影响。结果表明：随着Cp₂Mg流量的增加,外延薄膜晶体质量下降,外延片表面平整度和均匀性降低;而受Mg掺杂时补偿效应的影响,主波长先红移后蓝移,芯片的输出光功率先升高后降低,正向电压先降低后升高。相比于无LT-HIL的样品,在20 mA工作电流下,Cp₂Mg流量为1.94 μmol/min时制备的芯片的输出光功率提升20.3%,而正向电压降低0.1 V。在Cp₂Mg流量较大时,LT-HIL的渐变式生长温度对外延质量有所改善,但不是主要影响因素。     

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.     

GaN基LED电流扩展的有限元模型及电极结构优化

针对目前蓝宝石衬底上外延生长制备的GaN基半导体发光二极管(LED)器件存在电流分布不均匀的问题,建立了LED的电流扩展模型,提出了定量评价其特性的参数和标准。通过用有限元方法计算LED中电流的三维空间分布,对不同的电极结构进行了定量的比较,给出了优化的电极结构。计算结果显示,在相同工艺参数下,采用插指型电极结构的LED与采用传统型电极结构和扩展正极型电极结构的LED相比,电流扩展更均匀,串联电阻更小。在此基础上,对插指型电极结构作了进一步的参数优化,得出了使LED的串联电阻取最小值时的插指型电极的结构参数。根据优化得到的参数制作了相应的LED样品,并与采用扩展正极型电极结构的LED做了对比实验。实验结果表明,计算得出的结果与实验结果符合得很好。采用了优化后的插指型电极结构的LED与采用扩展正极型电极结构的LED相比,前者的串联电阻仅为后者的44.4%。     

大功率全方位反射镜发光二极管性能研究

在现有工艺条件下通过简单工艺实现大功率GaN基多量子阱全方位反射镜(ODR)发光二极管(LED)的研制,并对试制LED样品进行了光学、电学和色参数三个方面性能测试.测试结果发现,ODR芯片比普通芯片的光强提高了244 mcd,极大提高了发光强度;ODR LED光通量、光效、色纯度比普通LED分别提高了6.04%,5.74%,78.64%.ODR LED具有绝对优势是其色温要比普通LED的色温低1804 K,明显改善大功率LED的色温缺陷. 关键词： 发光二极管 ODR 色温     

Enhanced performance of InGaN light-emitting diodes with InGaN and composition-graded InGaN interlayers

The effects of InGaN light-emitting diodes (LEDs) with InGaN and composition-graded InGaN interlayers in the space of multiple quantum wells and electron blocking layer are studied numerically. The electrostatic field, energy band diagrams, carrier concentrations, light–current–voltage performances, and internal quantum efficiency (IQE) are investigated. Simulation results show that the light output power and IQE are both largely improved over the conventional LED structure due to the improvement in hole injection efficiency and electron blocking capability, especially for the LED with composition-graded InGaN interlayer.