【摘要】：大功率薄膜型GaN基LED已經(jīng)廣泛應用于路燈、手機閃光燈、汽車大燈和手電筒等領域。通孔薄膜型LED由于具有電流擴散好、表面無電極線遮擋的優(yōu)勢,從根本上緩解了傳統(tǒng)薄膜LED電流擴展和取光效率之間的矛盾關系,已逐漸成為大功率薄膜型LED的首選結構。硅襯底具有低成本、大尺寸以及易剝離的特點,是大功率薄膜型GaN基LED制造的理想襯底。本文瞄準硅襯底Ga N基大功率LED產(chǎn)業(yè)化方面的需求,通過研究高光效通孔薄膜型大功率LED的制備工藝,解決硅襯底和GaN這一大失配(晶格失配和熱失配)體系下所面臨的應力調節(jié)、歐姆接觸熱穩(wěn)定性、光提取效率等方面的科學技術問題,進而獲得性能優(yōu)化的通孔薄膜型大功率LED的制備技術。主要研究結果如下:1.利用低成本的高(Ni)、低(Sn)熔點兩種金屬結合瞬態(tài)液相擴散鍵合工藝實現(xiàn)了硅襯底GaN的低溫(260°C)晶圓鍵合。通過高熔點金屬Ni的厚度調控晶圓在鍵合過程中的熱應力以及鍵合金屬的熱穩(wěn)定性,結果表明金屬Ni和金屬Sn厚度比在0.25~0.3范圍時,可獲得平坦、無彎曲且熱穩(wěn)定性良好的LED晶圓。2.研究了AlGaN緩沖層的剩余厚度對N極性面GaN粗化行為的影響。利用AlGaN粗化速率慢于GaN的特點,讓AlGaN作為GaN粗化時的掩模。掩模的存在使得粗化后GaN六角錐變得更大、更尖銳,這有利于提升LED的光提取效率。但是,AlGaN的剩余厚度存在一個最佳的范圍,太厚會導致粗化不均勻,太薄又起不到掩模的效果。針對本文的外延結構,200nm左右的AlGaN剩余厚度可獲得最優(yōu)粗化表面。3.利用Pt作為覆蓋金屬,覆蓋在p-GaN上做Mg激活。結果表明,長時間的Mg激活雖然可以使得器件的正向電壓VF2降低,但同時也會導致器件的反向特性變差,尤其是抗ESD能力變差。反向特性變差和抗ESD能力變差存在著對應關系,說明這兩個退化可能來自同一個原因。4.研究了Mg激活的氣氛、溫度和時間對LED光電特性的影響。實驗發(fā)現(xiàn),對Mg激活效果影響程度由高到低依次為O_2氣氛、溫度和時間。然而,Mg激活效果越好的樣品,其反向特性也越差,表現(xiàn)為樣品反向電壓VR的降低。對樣品進行ESD測試,發(fā)現(xiàn)樣品抗ESD能力和樣品的反向特性及歐姆接觸都相關,低VR、高VF2都會降低樣品抗ESD能力。5.研究了p面反射鏡金屬Ni/Ag組合中Ni的厚度對LED光電特性的影響。結果表明,隨著Ni厚度的增加,器件的正向電壓VF2逐步升高、光輸出功率逐漸降低,然而,樣品的反向特性和抗ESD能力卻越好。減少Ni的厚度、提高GaN的晶體質量,是獲得高光效、高可靠性LED的有效途徑。6.深入研究了內置n電極蒸鍍前對n-Ga N表面的O_2和Ar等離子體處理工藝對硅襯底GaN基發(fā)光二極管n型歐姆接觸特性的影響。實驗結果表明,Ar等離子體處理n-GaN表面對LED芯片正向電壓的降低幅度優(yōu)于O_2等離子體。利用x射線光電子能譜對Ar等離子體處理前后的n-GaN表面進行分析發(fā)現(xiàn),Ar等離子體處理增加了n-GaN表面的N空位(施主)濃度,更多的N空位可以提高n型歐姆接觸的熱穩(wěn)定性,緩解晶圓鍵合的高溫過程對n型歐姆接觸特性的破壞。同時還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過Ar等離子體處理并用HCl清洗后,n-GaN表面的O原子含量略有增加,但其存在形式由以介電材料GaO_x為主轉變?yōu)閷щ姴牧螱aO_xN_(1-x)和介電材料GaO_x含量相當?shù)臓顟B(tài),這會使得接觸電阻進一步降低。上述兩方面的變化均有利于降低LED芯片的正向電壓。7.通過優(yōu)化硅襯底GaN基通孔薄膜LED的通孔設計,使芯片大小為1.1mm×1.1mm的通孔薄膜LED芯片在350mA下的外量子效率相比傳統(tǒng)手指狀n電極的垂直結構薄膜LED芯片提高了11.3%。利用封裝增益和假顏色發(fā)光形貌等手段對LED的特性進行了詳細的分析,結果表明LED性能的提高是由于芯片更高的取光效率和更均勻地電流擴展共同作用的結果。相比簡單地用通孔電極代替手指電極,降低Ag反射鏡邊界的光損失是提高芯片取光效率的一個更關鍵因素。8.用陶瓷封裝的形式對1.35mm×1.35mm尺寸的硅襯底通孔薄膜LED芯片進行封裝,在55°C的恒溫環(huán)境及1.5A的電流下對12顆燈珠進行了1000h老化。結果表明高溫、大電流老化沒有對LED性能造成明顯的衰減,證明硅襯底通孔薄膜LED的可靠性良好。
【學位授予單位】：南昌大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN312.8
【圖文】：

圖 1.1 LED 發(fā)光原理示意圖。經(jīng)在我們的生產(chǎn)生活中扮演著不可或缺的角色。目前戶外照照明、液晶背光源、戶內外顯示屏等領域大部分已經(jīng)被 L些發(fā)達國家立法禁止傳統(tǒng)白熾燈的生產(chǎn)和銷售，這勢必又

圖 1.2 LED 的典型應用領域。 LED 的發(fā)展歷史LED 具有悠久的歷史，Schubert 在《Light-Emitting Diode》這本著作的

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本文編號：2767253