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硅基LED量子阱相关特性及芯片p面技术研究

王光绪  
【摘要】:硅衬底GaN基LED的研制成功,改写了以蓝宝石、碳化硅为衬底的GaN基LED的历史,是一条更具发展潜力的LED产业化技术路线,吸引了全球数十家研究单位和公司投入相关研究。在硅衬底上生长GaN材料与在蓝宝石、碳化硅衬底上生长相比,应力状态迥然不同,应力影响材料的极化,特别影响了作为有源层量子阱的生长特性和极化特性,进而影响LED的发光效率。同时,LED发展至今,在发光本质方面仍有不少重要的物理问题未搞清楚。另外,衬底不同决定了芯片端制造方面的差异化,硅材料与蓝宝石、碳化硅相比,物理、化学及加工特性方面有很大差别,通常用在蓝宝石基LED的芯片加工技术大部分不再适用于硅基LED,因此,发展一条先进的可产业化的硅基LED芯片制造技术同等重要。 本文从量子阱相关特性及芯片技术两个方面着入研究,一方面改变量子阱的生长工艺、结构设计,通过光致发光(PL)、电致发光(EL)、荧光(FL)等手段分析量子阱的发光特性。另一方面改进芯片p面接触,优化p面钝化,探索出一条电镀金属基板的硅基TF芯片技术。基于以上两个方面,本文取得了以下重要的研究结果: 1.通过研究具有单色单量子阱及单色多量子阱的硅基绿光LED的变温EL特性,发现与单色多量子阱相比,单色单量子阱LED具有更低的工作电压,小电流密度段(1~10A/cm2)具有更大的发光效率,在小电流应用方面具有更大的优势。 2.通过研究具有单色及多色量子阱的硅基绿光LED在低温下的光谱行为,发现在低温小电流密度(~10-1A/cm2)时,多量子阱LED的发光主要来自靠近n-GaN的量子阱,在低温中电流密度时(1~10A/cm2),靠近p-GaN的量子阱的发光占主要地位,在大电流密度段(~102A/cm2)时,最后一个阱的发光趋于饱和,中间量子阱的发光开始逐渐占有明显的地位。 3.建立了一个变温EL-IQE曲线与量子阱能带倾斜之间的定性关系,通过应力调制的量子阱能带倾斜模型,较好地解释了单色单量子阱和多量子阱LED在变温变电流时的众多EL特性。 4.通过研究IQE和FWHM随电流密度的变化特性,发现低温下载流子可能优先在量子阱局域态中发生复合,并在低温100K下观察到了与此相关的发光情况。 5.报道了硅基绿光LED的最高EL-IQE:工作状态下(52A/cm2),SQW-LED(@522nm)室温下的IQE为26.3%,同波长的MQW-LED为40.7%。 6.研究了量子阱个数对硅基绿光LED光学特性的影响。结果表明,4J样品的发光效率最高,2J样品的发光效率最低。荧光显微图片并非越均匀对应的发光效率越高,2J样品具有最均匀分布的荧光显微镜图片,却具有最低的发光效率。 7.采用垒掺杂的手段实现不同位置的阱发光,不同位置的垒掺硅对EL波长的影响较大。工作状态下,具有两个发光阱样品的发光效率最低,四个发光阱样品的发光效率最高。另外,垒掺杂能够使FL的均匀性明显变好,掺硅垒的位置离注入层越近,反压越低,ESD性能也越差。对比了注入层掺硅与注入层不掺硅的样品,实验现象一致反映,阱前掺硅量增加引起量子阱受到的压应力增加。 8.通过在硅衬底LED薄膜p-GaN表面蒸发不同厚度的Ni覆盖层,将其在N2:O2=4:1的气氛中、450℃-750℃的温度范围内进行退火,在去掉薄膜表面Ni覆盖层之后制备Pt/p-GaN欧姆接触层。实验结果表明:退火温度和Ni覆盖层厚度均对硅衬底GaN基LED薄膜p型欧姆接触有重要影响,Ni覆盖退火能够显著降低p型层中Mg受主的激活温度。经牺牲Ni退火后,p型比接触电阻率随退火温度的升高呈先变小后变大的规律,随Ni覆盖层厚度的增加呈先变小后变大随后又变小的趋势;经过优化后,当Ni覆盖层厚度为1.5nm,退火温度为450℃,Pt与p-GaN比接触电阻率在不需要二次退火的情况下达到6.1×10-5Ω·cm2。 9.利用硫酸双氧水选择性腐蚀经牺牲Ni退火后的LED薄膜表面。结果表明,经牺牲Ni550℃退火后,薄膜表面开始受到破坏,且随退火温度的升高,受破坏的程度增加。退火后的LED薄膜经沸腾硫酸双氧水腐蚀后,表面出现明显的腐蚀坑,我们认为这种腐蚀坑可能与材料内位错在表面的露头及由于重掺杂、量子阱内V型坑引起的p型材料的极性反转有关,且牺牲Ni退火促进了这种腐蚀坑的形成和长大。 10.讨论了金属或者绝缘材料作为p面钝化材料的可行性。通常用作n型接触的Cr,在银合金条件下完全可以达到p面钝化效果。最后讨论了是否能够选择不导电的绝缘物作为p面钝化材料,结合硅基TF芯片工艺对其进行了可行性论证:若LED芯片工艺过程不存在大应力作用,采用氮化硅、氧化硅或PI等作为p面钝化材料是可行的。 11.通过电镀的方法分别将Si衬底GaN LED薄膜转移至铜铬、铜镍基板上,并制备成不同电镀基板的LED芯片,芯片加工过程中,LED薄膜由张应力变为压应力,随后压应力不断得到释放,通过对比不同电镀金属基板LED芯片在力学、热学、光电等方面的性能可知,电镀铜镍基板LED芯片的散热性能更好、波长漂移特性更佳、力学特性以及伏安特性更加可靠。Si衬底GaN电镀金属基板LED芯片的研制成功,进一步降低了LED的制备成本。 以上研究结果已在本单位863计划相关课题研究和相关产业化过程中得到应用,取得了较好的效果。


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