【摘要】：大功率薄膜型GaN基LED已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路燈、手機(jī)閃光燈、汽車大燈和手電筒等領(lǐng)域。通孔薄膜型LED由于具有電流擴(kuò)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(kuò)展和取光效率之間的矛盾關(guān)系,已逐漸成為大功率薄膜型LED的首選結(jié)構(gòu)。硅襯底具有低成本、大尺寸以及易剝離的特點(diǎn),是大功率薄膜型GaN基LED制造的理想襯底。本文瞄準(zhǔn)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(yīng)力調(diào)節(jié)、歐姆接觸熱穩(wěn)定性、光提取效率等方面的科學(xué)技術(shù)問題,進(jìn)而獲得性能優(yōu)化的通孔薄膜型大功率LED的制備技術(shù)。主要研究結(jié)果如下:1.利用低成本的高(Ni)、低(Sn)熔點(diǎn)兩種金屬結(jié)合瞬態(tài)液相擴(kuò)散鍵合工藝實(shí)現(xiàn)了硅襯底GaN的低溫(260°C)晶圓鍵合。通過高熔點(diǎn)金屬Ni的厚度調(diào)控晶圓在鍵合過程中的熱應(yīng)力以及鍵合金屬的熱穩(wěn)定性,結(jié)果表明金屬Ni和金屬Sn厚度比在0.25~0.3范圍時(shí),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(diǎn),讓AlGaN作為GaN粗化時(shí)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(gè)最佳的范圍,太厚會導(dǎo)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(jié)構(gòu),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(jié)果表明,長時(shí)間的Mg激活雖然可以使得器件的正向電壓VF2降低,但同時(shí)也會導(dǎo)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(yīng)關(guān)系,說明這兩個(gè)退化可能來自同一個(gè)原因。4.研究了Mg激活的氣氛、溫度和時(shí)間對LED光電特性的影響。實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(guān),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(jié)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(zhì)量,是獲得高光效、高可靠性LED的有效途徑。6.深入研究了內(nèi)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(shí)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(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電材料GaO_xN_(1-x)和介電材料GaO_x含量相當(dāng)?shù)臓顟B(tài),這會使得接觸電阻進(jìn)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(shè)計(jì),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(jié)構(gòu)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(jìn)行了詳細(xì)的分析,結(jié)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(kuò)展共同作用的結(jié)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(gè)更關(guān)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(jìn)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(jìn)行了1000h老化。結(jié)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(xué)位授予單位】：南昌大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(nèi)外顯示屏等領(lǐng)域大部分已經(jīng)被 L些發(fā)達(dá)國家立法禁止傳統(tǒng)白熾燈的生產(chǎn)和銷售，這勢必又

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3 張紅娣,劉彩池;重?fù)焦枰r底材料中氧沉淀研究進(jìn)展[J];半導(dǎo)體技術(shù);2004年06期

4 袁鐵軍;張紅蕾;張廣冬;;碳化硅襯底超精密加工技術(shù)[J];現(xiàn)代制造工程;2012年07期

5 劉勇;;電阻率對硅襯底微波傳輸特性影響分析[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2014年12期

6 趙佶;;半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的新血液:碳化硅襯底[J];半導(dǎo)體信息;2013年04期

7 張澤;;化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜/硅襯底界面的高分辨電子顯微學(xué)研究[J];電子顯微學(xué)報(bào);1996年Z1期

8 莫春蘭,方文卿,王立,劉和初,周毛興,江風(fēng)益;硅襯底GaN基LED的研究進(jìn)展[J];液晶與顯示;2005年05期

9 錢小工;;硅襯底上生長GaN[J];半導(dǎo)體情報(bào);1996年05期

10 馮玢;潘章杰;王磊;郝建民;;碳化硅襯底精密加工技術(shù)[J];電子工業(yè)專用設(shè)備;2013年05期

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1 楊輝;張寶順;;硅襯底GaN基發(fā)光材料與器件[A];第九屆全國發(fā)光學(xué)術(shù)會議摘要集[C];2001年

2 胡健楠;鈕浪;胡懿彬;鄂炎雄;郝智彪;汪萊;羅毅;;硅襯底上無微裂稀反極性疇AlN薄膜的分子束外延研究[A];中國真空學(xué)會2012學(xué)術(shù)年會論文摘要集[C];2012年

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7 本報(bào)記者 梁紅兵;工藝水平提升快難掩硬件短板[N];中國電子報(bào);2010年

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3 狄衛(wèi)國;甚大規(guī)模集成電路制備中硅襯底精密拋光的研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2002年

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5 葉龍飛;用脈沖激光沉積法在硅襯底上生長LiNbO_3薄膜的研究[D];浙江大學(xué);2001年

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9 陳丹陽;圖形硅襯底GaN基LED薄膜應(yīng)力分布及其影響[D];南昌大學(xué);2013年

10 陶喜霞;硅襯底藍(lán)光LED P層厚度優(yōu)化及其應(yīng)力研究[D];南昌大學(xué);2011年

本文編號：2767253