大尺寸高壓直流LED晶片製造的關鍵技術研究

《大尺寸高壓直流LED晶片製造的關鍵技術研究》是依託上海交通大學，由周聖軍擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：大尺寸高壓直流LED晶片製造的關鍵技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：周聖軍
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

大尺寸高壓直流LED晶片（HV LED）利用小電流驅動的小尺寸LED單胞具有高光效的特點，可以有效緩解傳統大功率LED晶片受到大電流注入而引起的量子效率衰減效應，在半導體照明領域具有重要的套用價值。然而，目前大尺寸HV LED晶片的發光效率較低，對制約HV LED晶片發光效率進一步提升的因素也缺乏深入的研究。本項目將致力於解決超高效率、大尺寸HV LED晶片製造的若干關鍵科學問題，重點研究HV LED結構參數與器件性能之間的關係，通過合理的取光結構設計，提高LED單胞出光效率，通過對LED單胞陣列布局方式的最佳化設計，提高HV LED晶片有源區面積利用率；提出提高大尺寸HV LED晶片發光效率的新結構、新方法，解決光子在相鄰LED單胞之間耦合傳播引起的光損耗問題，實現發光效率為160lm/W的大尺寸HV LED晶片的設計與製造。

結題摘要

大尺寸高壓直流晶片由大量小尺寸 LED單胞集成串聯而成，可以利用小電流驅動條件下小尺寸 LED單胞具有高光效的特性，避免了大功率 LED 晶片受到大電流注入而面臨的電流擴展，在半導體照明領域具有重要的套用價值。本項目研究工作如下：（1）通過ICP刻蝕技術對GaN進行刻蝕，並結合版圖設計在LED單胞側面形成波浪狀微結構，使高壓直流 LED晶片的側面出光效率提高了11%。通過在光刻和濕法腐蝕在ITO透明導電層上形成三維（3D）台階狀微結構，使LED晶片的出光效率提升了13.9%。通過雷射切割和高溫磷酸腐蝕技術在藍寶石圖形襯底和GaN緩衝層之間形成空氣間隙微結構，並詳細分析了空穴間隙微結構的幾何尺寸對LED晶片出光效率的影響，實驗結果表明，通過在LED晶片側面嵌入空隙間隙微結構可使其出光效率提升8.9%。（2）通過實驗對比分析了相同尺寸高壓直流 LED晶片和高壓交流LED晶片的光電性能，實驗結果表明，高壓直流LED晶片的光輸出功率比高壓交流LED晶片的光輸出功率高9.8%。研究了 LED 單胞陣列布局方式對高壓直流LED 晶片光電性能的影響，通過對LED 單胞陣列布局方式的最佳化設計，使高壓直流LED （24 V）的發光效率達到173 lm/W（@15 mA）。 （3）採用高速率、低損傷ICP深刻蝕技術實現LED單胞間深隔離溝槽的製造，通過調整光刻膠熱回流和ICP刻蝕工藝參數對深隔離溝槽的形貌進行調控，使LED單胞側壁傾斜角度分布在120°至150°之間，有效提高了LED單胞間金屬互連的良率。針對HV LED晶片有源區出射光線在 LED 單胞陣列內耦合傳播的問題，建立了高壓直流LED晶片的光學模型，通過理論和實驗相結合分析了 LED 單胞間距、LED 單胞側壁傾斜角度對光子耦合傳播的影響，當LED單胞間距從3.81 μm增加至12.30 μm時，HV LED晶片的光輸出功率從170 mW增加至185 mW；然而當LED單胞間距從12.30 μm增加至40.49 μm時，HV LED晶片的光輸出功率從185 mW下降至150 mW。因此LED單胞間距分布在5 μm-15 μm之間可以有效緩解光線在LED單胞之間的耦合傳播。