蔣振華

【摘要】LED技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展和應(yīng)用廣泛的電子科技領(lǐng)域，在民用消費(fèi)領(lǐng)域發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，本文采用文獻(xiàn)綜述法，對(duì)硅基LED量子阱相關(guān)特性及芯片p面技術(shù)研究技術(shù)了進(jìn)行了研究，目前為止，用于半導(dǎo)體照明的LED芯片按外延襯底劃分有三條技術(shù)路線(xiàn)，即藍(lán)寶石襯底LED技術(shù)路線(xiàn)，碳化硅襯底LED技術(shù)路線(xiàn)和硅襯底LED技術(shù)路線(xiàn)。目前，市場(chǎng)主流為藍(lán)寶石基板，碳化硅基板雖然有其技術(shù)優(yōu)勢(shì)但由于價(jià)格昂貴成本上基本無(wú)競(jìng)爭(zhēng)力，硅基板目前已成為全球LED供應(yīng)商積極投入研發(fā)的基板材料之一。

【關(guān)鍵詞】硅基LED；芯片p面；文獻(xiàn)綜述；芯片技術(shù)

硅襯底GaN基LED的研制成功，改寫(xiě)了以藍(lán)寶石、碳化硅為襯底的GaN基LED的歷史，相比前兩種基板，硅基板具有其他襯底無(wú)法比擬的兩大優(yōu)勢(shì)：第一，硅材料比碳化硅和藍(lán)寶石要便宜很多，而且容易得到大尺寸的襯底，這將顯著降低外延材料的生長(zhǎng)成本；第二，硅襯底半導(dǎo)體照明外延材料，非常適合走剝離襯底薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)路線(xiàn)，為開(kāi)發(fā)高效率高可靠性半導(dǎo)體照明芯片具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。是一條更具發(fā)展?jié)摿Φ腖ED產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線(xiàn)，吸引了全球數(shù)十家研究單位和公司投入相關(guān)研究。

一、硅襯底GaN基LED發(fā)展趨勢(shì)

在硅襯底上生長(zhǎng)GaN材料與在藍(lán)寶石、碳化硅襯底上生長(zhǎng)相比，應(yīng)力狀態(tài)迥然不同，應(yīng)力影響材料的極化，特別影響了作為有源層量子阱的生長(zhǎng)特性和極化特性，進(jìn)而影響LED的發(fā)光效率。同時(shí)，LED發(fā)展至今，在發(fā)光本質(zhì)方面仍有不少重要的物理問(wèn)題未搞清楚。另外，襯底不同決定了芯片端制造方面的差異化，硅材料與藍(lán)寶石、碳化硅相比，物理、化學(xué)及加工特性方面有很大差別，通常用在藍(lán)寶石基LED的芯片加工技術(shù)大部分不再適用于硅基LED，因此，發(fā)展一條先進(jìn)的可產(chǎn)業(yè)化的硅基LED芯片制造技術(shù)同等重要。本文從量子阱相關(guān)特性及芯片技術(shù)兩個(gè)方面著入研究，一方面改變量子阱的生長(zhǎng)工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)光致發(fā)光（PL）、電致發(fā)光（EL）、熒光（FL）等手段分析量子阱的發(fā)光特性。另一方面改進(jìn)芯片p面接觸，優(yōu)化p面鈍化，探索出一條電鍍金屬基板的硅基TF芯片技術(shù)。

二、硅襯底GaN基LED發(fā)展研究概述

1.通過(guò)研究具有單色單量子阱及單色多量子阱的硅基綠光LED的變溫EL特性，發(fā)現(xiàn)與單色多量子阱相比，單色單量子阱LED具有更低的工作電壓，小電流密度段（1～10A/cm2）具有更大的發(fā)光效率，在小電流應(yīng)用方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

2.通過(guò)研究具有單色及多色量子阱的硅基綠光LED在低溫下的光譜行為，發(fā)現(xiàn)在低溫小電流密度（～10-1A/cm2）時(shí)，多量子阱LED的發(fā)光主要來(lái)自靠近n-GaN的量子阱，在低溫中電流密度時(shí)（1～10A/cm2），靠近p-GaN的量子阱的發(fā)光占主要地位，在大電流密度段（～102A/cm2）時(shí)，最后一個(gè)阱的發(fā)光趨于飽和，中間量子阱的發(fā)光開(kāi)始逐漸占有明顯的地位。

3.建立了一個(gè)變溫EL-IQE曲線(xiàn)與量子阱能帶傾斜之間的定性關(guān)系，通過(guò)應(yīng)力調(diào)制的量子阱能帶傾斜模型，較好地解釋了單色單量子阱和多量子阱LED在變溫變電流時(shí)的眾多EL特性。

4.通過(guò)研究IQE和FWHM隨電流密度的變化特性，發(fā)現(xiàn)低溫下載流子可能優(yōu)先在量子阱局域態(tài)中發(fā)生復(fù)合，并在低溫100K下觀(guān)察到了與此相關(guān)的發(fā)光情況。

5.報(bào)道了硅基綠光LED的最高EL-IQE：工作狀態(tài)下（52A/cm2），SQW-LED（@522nm）室溫下的IQE為26.3%，同波長(zhǎng)的MQW-LED為40.7%。

6.研究了量子阱個(gè)數(shù)對(duì)硅基綠光LED光學(xué)特性的影響。結(jié)果表明，4J樣品的發(fā)光效率最高，2J樣品的發(fā)光效率最低。熒光顯微圖片并非越均勻?qū)?yīng)的發(fā)光效率越高，2J樣品具有最均勻分布的熒光顯微鏡圖片，卻具有最低的發(fā)光效率。

7.采用壘摻雜的手段實(shí)現(xiàn)不同位置的阱發(fā)光，不同位置的壘摻硅對(duì)EL波長(zhǎng)的影響較大。工作狀態(tài)下，具有兩個(gè)發(fā)光阱樣品的發(fā)光效率最低，四個(gè)發(fā)光阱樣品的發(fā)光效率最高。另外，壘摻雜能夠使FL的均勻性明顯變好，摻硅壘的位置離注入層越近，反壓越低，ESD性能也越差。對(duì)比了注入層摻硅與注入層不摻硅的樣品，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致反映，阱前摻硅量增加引起量子阱受到的壓應(yīng)力增加。

8.通過(guò)在硅襯底LED薄膜p-GaN表面蒸發(fā)不同厚度的Ni覆蓋層，將其在N2：O2=4：1的氣氛中、450℃-750℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行退火，在去掉薄膜表面Ni覆蓋層之后制備Pt/p-GaN歐姆接觸層。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：退火溫度和Ni覆蓋層厚度均對(duì)硅襯底GaN基LED薄膜p型歐姆接觸有重要影響，Ni覆蓋退火能夠顯著降低p型層中Mg受主的激活溫度。經(jīng)犧牲Ni退火后，p型比接觸電阻率隨退火溫度的升高呈先變小后變大的規(guī)律，隨Ni覆蓋層厚度的增加呈先變小后變大隨后又變小的趨勢(shì)；經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，當(dāng)Ni覆蓋層厚度為1.5nm，退火溫度為450℃，Pt與p-GaN比接觸電阻率在不需要二次退火的情況下達(dá)到6.1×10-5Ω·cm2。

9.利用硫酸雙氧水選擇性腐蝕經(jīng)犧牲Ni退火后的LED薄膜表面。結(jié)果表明，經(jīng)犧牲Ni550℃退火后，薄膜表面開(kāi)始受到破壞，且隨退火溫度的升高，受破壞的程度增加。退火后的LED薄膜經(jīng)沸騰硫酸雙氧水腐蝕后，表面出現(xiàn)明顯的腐蝕坑，我們認(rèn)為這種腐蝕坑可能與材料內(nèi)位錯(cuò)在表面的露頭及由于重?fù)诫s、量子阱內(nèi)V型坑引起的p型材料的極性反轉(zhuǎn)有關(guān)，且犧牲Ni退火促進(jìn)了這種腐蝕坑的形成和長(zhǎng)大。

10.討論了金屬或者絕緣材料作為p面鈍化材料的可行性。通常用作n型接觸的Cr，在銀合金條件下完全可以達(dá)到p面鈍化效果。最后討論了是否能夠選擇不導(dǎo)電的絕緣物作為p面鈍化材料，結(jié)合硅基TF芯片工藝對(duì)其進(jìn)行了可行性論證：若LED芯片工藝過(guò)程不存在大應(yīng)力作用，采用氮化硅、氧化硅或PI等作為p面鈍化材料是可行的。

11.通過(guò)電鍍的方法分別將Si襯底GaNLED薄膜轉(zhuǎn)移至銅鉻、銅鎳基板上，并制備成不同電鍍基板的LED芯片，芯片加工過(guò)程中，LED薄膜由張應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，隨后壓應(yīng)力不斷得到釋放，通過(guò)對(duì)比不同電鍍金屬基板LED芯片在力學(xué)、熱學(xué)、光電等方面的性能可知，電鍍銅鎳基板LED芯片的散熱性能更好、波長(zhǎng)漂移特性更佳、力學(xué)特性以及伏安特性更加可靠。

三.結(jié)束語(yǔ)

硅襯底GaN電鍍金屬基板LED芯片的研制成功，進(jìn)一步降低了LED的制備成本。以上研究結(jié)果已在本單位863計(jì)劃相關(guān)課題研究和相關(guān)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中得到應(yīng)用，取得了較好的效果。

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