硅衬底蓝光LED P层厚度优化及其应力研究

论文摘要

近年来,GaN基半导体器件尤其是InGaN/GaN LED在薄膜生长以及光电器件制备等方面取得多项重大技术突破,已广泛用于各种显示和背光等领域,半导体照明市场已经启动。然而要想进入巨大的普通室内照明市场,还必须提高LED发光效率和可靠性,并降低成本。Si衬底GaN外延技术与垂直结构LED芯片制备技术的结合能同时满足以上三点要求,前景诱人。首先,薄膜型垂直结构芯片可以采用反射镜和表面粗化等工艺获得较高的出光效率,且垂直结构,电流注入比较均匀,导热性好,器件可靠性高；其次,制造薄膜芯片,需要去掉原生长衬底,常用的蓝宝石衬底通常采用激光剥离,但目前激光剥离技术仍面临成本高、良率低等问题,而Si衬底则可以采用湿法腐蚀去除,成本低且技术成熟；除此之外,硅衬底还具有价格便宜、易得大尺寸等优势。与蓝宝石衬底相比,Si衬底GaN基LED还是一种新产品,关于其外延及芯片制造过程的优化设计等还有很大的发展空间。本文对Si衬底垂直结构GaN基LED的p-GaN厚度优化进行了系统研究,并研究了垂直结构芯片制造过程中LED薄膜应力的变化,主要获得了以下研究成果：1、对于未表面粗化的芯片,垂直结构GaN基LED可以被看成一个由GaN-封装材料界面与金属反射镜构成的平面F-P长腔,对于蓝光LED其腔长指数约为40。本文在此基础推导了垂直结构LED芯片光提取效率的计算方法。此模型对于深入理解硅衬底倒装LED的出光过程、提高光提取效率具有重要指导意义。2、P-GaN厚度对未表面粗化的垂直结构LED的辐射模式和光提取效率有很大影响,通过优化p-GaN厚度可以有效提高光提取效率。另外,LED芯片所用金属反射镜的材料也会影响最佳的p-GaN厚度。本论文经实验和理论分析得到,对于以Ag、Al或Pt为金属反射镜的垂直结构LED,其最佳p-GaN厚度分别为0.69λn、0.75λn、0.73λn。因此,在优化p-GaN厚度时,一定要注意所用金属反射镜的材料。3、优化p-GaN厚度时,不能只考虑点测得到的垂直方向的光强,更重要的是考虑芯片总的出射光功率。我们发现光功率随p-GaN厚度的变化曲线与点测的法向光强随p-GaN厚度的变化曲线趋势相同,但输出光功率对应的p-GaN最佳厚度比法向光强对应的最佳值约大150A。4、在Si衬底垂直结构GaN基LED芯片制造过程中,LED薄膜应力状态随制备过程发生变化。原生长在硅衬底上的外延膜处在张应力状态,通过图形化衬底表面使之分割成独立的芯片区域,可以减小应力。当芯片尺寸较小时,外延膜的应力较小,芯片尺寸增大,张应力增大。通过把外延衬底去除,并把薄膜转移到新的支撑衬底,可以释放或部分释放外延膜内残余张应力,芯片尺寸较小的外延片,转移后LED薄膜甚至已处在压应力状态；N面粗化可以有效的释放薄膜应力,无论是张应力还是压应力；去边可以释放一定的张应力,芯片尺寸越大,去边步骤释放的张应力愈大。此研究结果对芯片制造过程的优化设计具有重要指导意义。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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 GaN材料的基本性质
• 1.2.1 GaN的晶体结构
• 1.2.2 GaN的能带结构和光学性质
• 1.3 GaN材料的生长衬底
• 1.4 GaN基LED的芯片结构
• 1.5 Si衬底GaN垂直结构LED的优势
• 1.6 Si衬底GaN及LED的最新进展
• 1.7 本论文的研究内容及行文安排
• 参考文献
• 第2章 Si衬底垂直结构GaN基LED的出光模型与光提取效率
• 2.1 引言
• 2.2 LED发光效率的相关概念
• 2.3 Si衬底垂直结构GaN基LED的出光模型
• 2.3.1 出光锥（escape cone）
• 2.3.2 出光模型
• 2.4 Si衬底垂直结构GaN基LED光提取效率的理论计算
• 2.5 本章小结
• 参考文献
• 第3章 优化p-GaN厚度以提高LED光提取效率
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 光提取效率随p-GaN厚度的变化关系与最佳p-GaN厚度
• 3.3.2 垂直结构LED芯片的辐射模式
• 3.3.3 反射镜材料（Ag、Al和Pt）对最佳p-GaN厚度的影响
• 3.3.4 光强与光功率的区别
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 Si衬底垂直结构LED芯片制造过程中应力变化研究
• 4.1 引言
• 4.2 Si衬底垂直结构GaN基LED的制造方法
• 4.3 测量薄膜应力的X射线衍射法
• 4.3.1 X射线衍射的基本原理
• 4.3.2 晶格常数的精确测量
• 4.3.3 应变和应力分析
• 4.3.4 测试条件的选择
• 4.4 Si衬底垂直结构GaN基LED芯片制造过程中应力的变化
• 4.4.1 实验
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.4.3 小结
• 4.5 芯片尺寸对Si衬底垂直结构GaN基LED薄膜应力的影响
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 结论
• 致谢
• 攻读硕士期间的研究成果