一种新型氮化镓基发光二极管芯片的分析及制备研究

【摘要】：近年来,随着半导体材料及器件设计水平和制备技术的发展,发光二极管(LED)的性能指标迅速提高,在半导体照明领域引起了广泛关注和研究,其中GaN基大功率LED芯片作为白光LED照明的核心更是成为了研究的热点。LED芯片作为一种光电器件,获得高发光效率是最根本的目标。本文主要围绕大功率GaN基LED芯片,针对获取高发光效率的目标开展了对其光学模型、电学模型、结构优化和制备工艺的研究。 本文首先进行了GaN基LED芯片的光学建模研究,分别研究了以麦克斯韦全波电磁场理论为基础的有限元光学模型和以几何光学理论为基础的蒙特卡罗光线追踪模型。在全电磁场有限元光学传播模型的研究中讨论了发光单元、吸收边界、网格划分以及求解等问题。在蒙特卡罗光线追踪模型的研究中,通过理论公式拟合及实验测试两个手段对芯片中各材料的光学参数如折射率和吸收系数等进行了系统分析和总结,通过对ITO (Indium Tin Oxide)表面制作微结构的LED芯片取光效率的实验结果和计算结果进行对比,验证了该模型的准确性和可行性。 随后对LED芯片的电流扩展进行了建模研究,根据半导体物理基本理论以及热传导理论研究了耦合电学及热学的完整三维电流扩展模型,讨论了模型中的基本方程以及边界条件,并通过对两种不同电极结构LED芯片的模拟结果和测试结果进行比较,验证了该模型在LED芯片电极结构优化设计中的可行性。 根据光学模型对几种不同结构LED芯片的取光效率进行了全面的分析和讨论,利用电流扩展模型分析了不同电极结构对芯片电流扩展与温度分布的影响,得到了正装LED芯片电极结构设计的几条基本准则。根据对不同结构LED芯片取光效率和电流扩展的分析,本文提出了一种新型沟槽结构的LED芯片,并分析了这种结构在提高芯片取光效率和改善电流扩展性能上的优势以及用于超大尺寸LED芯片的可行性。 最后对新型沟槽结构LED芯片制备过程中几个重要工艺进行了详细的工艺实验。研究了不同合金选择及热处理工艺对p型GaN欧姆接触的比接触电阻的影响,发现500℃退火处理可有效降低比接触电阻率。对GaN外延层的干法刻蚀进行了较为全面的工艺实验,确定了适于新型沟槽结构LED芯片制备的刻蚀工艺参数。通过标准LED芯片制备流程制得新结构的LED芯片并对其进行光学电学特性测试,发现该种结构的LED芯片较之普通结构LED芯片在光功率随注入电流增加而饱和的特性上有明显优势,说明了该结构在超大尺寸芯片中有着很大的应用前景。