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硅衬底GaN基垂直结构LED应力及I-V特性研究

黄甫升  
【摘要】:GaN基LED是半导体照明的核心器件,近年来得到了广泛的研究。由于GaN体单晶制备困难、价格昂贵,GaN基LED一般制备在异质衬底上。目前基于蓝宝石、SiC和Si等不同的衬底,已经形成了三条半导体照明技术路线。其中Si衬底LED技术路线起步比较晚,但是由于其在成本和性能等多方面优势,成为近几年LED学术界和产业界研究的热点问题。由于Si衬底对可见光不透明,因此Si衬底LED一般采用衬底转移工艺制备成垂直结构的薄膜型器件。该结构具有取光效率高、散热性能好、电流分布均匀等优点。然而由于该结构研究时间较短,有些问题还未得到足够深入的认识,例如:(1)该器件结构需要采用Ag等金属作为反射镜,这些金属在工作条件下是否会向有源区迁移并影响其性能?(2)该器件结构需要采用薄膜转移工艺来制备,工艺过程中应力变化非常复杂,不同的转移工艺中应力状态及对器件性能影响有何不同?(3)由于电流分布方式不同于传统的蓝宝石同侧结构,其I-V特性有何不同?对器件可靠性存在哪些影响?等等。 本文立足这些问题进行了相关研究,并取得了以下部分有意义和创新性的研究结果: 1)利用高分辨率X射线衍射仪(HRXRD)和二次离子质谱仪(SIMS)测试了退火过程中Ag和Pt在不同缺陷密度的硅衬底GaN基LED外延薄膜中的扩散情况。发现Ag在外延薄膜中有一定扩散,且外延薄膜缺陷密度越大Ag扩散得越多;而Pt在外延薄膜中几乎没有扩散,且基本不随外延薄膜缺陷密度的变化而变化。这对了解垂直结构LED的老化失效机制具有参考意义。 2)采用外延片压焊法和湿法腐蚀将图形化Si(111)衬底上生长的GaN基LED外延薄膜使用银锡和黄蜡作为粘接材料转移到新的硅基板上,测试了转移前后以及芯片工艺中外延薄膜的微区拉曼(Micro-Raman)光谱和变温光致发光(PL)谱。研究结果表明两种粘接材料对外延薄膜转移过程中应力的影响不同。使用柔性更好的黄蜡作为粘接材料时,外延薄膜张应力得到很好的释放且应力分布均匀,光致发光(PL)谱的半峰宽变窄,波长单色性更好。 3)利用变温电致发光(VTEL)系统测试了几种不同类型的GaN基LED在不同温度下的I-V特性曲线和外量子效率(EQE)曲线,结果表明由于GaN基LED外延薄膜缺陷密度以及芯片结构的不同使得其I-V特性和外量子效率(EQE)变化趋势有所差别,且两者的变化趋势也存在一定关联。另外发现理想因子与注入强度和温度存在密切的关系:理想因子随注入强度的增大呈现先减小后增大的趋势,存在一个理想因子最低值;而随温度的升高理想因子呈现减小的趋势。不同温度下,理想因子的最低值一定程度上能够反映外延薄膜的缺陷密度。


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