應力對矽襯底GaN基LED器件光電性能影響的研究

《應力對矽襯底GaN基LED器件光電性能影響的研究》是依託南昌大學，由熊傳兵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：應力對矽襯底GaN基LED器件光電性能影響的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：熊傳兵
• 依託單位：南昌大學

項目摘要

儘管矽襯底GaN LED在中國率先實現了產業化，並成為半導體照明的重要技術路線之一,然而它還有大量的科學技術問題沒有解決,值得多學科交叉融合進行深入研究。無論是哪種襯底上外延的GaN,將其剝離轉移到新基板上製備垂直結構的大功率器件，是實現半導體照明的必由之路。GaN LED外延生長、晶片製造、器件封裝、和使用過程中各種應力對器件光電性能影響的研究是當前研究熱點,文獻中對此現象的研究主要集中在GaN沒有從外延襯底剝離的同側結構器件，對垂直結構GaN LED器件尤其是矽襯底GaN LED器件中各種應力的研究還處於初始階段。本項目設計和製備多種具有不同應力狀態的垂直結構GaN LED，研究應力與LED光電性能之間的關係。期望建立晶片應力狀態和基板熱膨脹係數的最佳組合，大幅度提升器件光電性能的穩定性和可靠性，為薄膜轉移晶片製造工藝技術路線提供科學依據，為半導體照明技術得到更廣泛的套用奠定重要基礎。

結題摘要

GaN LED外延生長、晶片製造、器件封裝、和使用過程中各種應力對器件光電性能影響的研究是研究熱點,文獻中對此現象的研究主要集中在GaN沒有從外延襯底剝離的同側結構器件，對垂直結構GaN LED 器件尤其是矽襯底GaN LED 器件中各種應力的研究非常少。本課題對從外延生長到晶片製備諸多環節所涉及的應力問題進行了一定的研究，獲得了一些有益的研究結果，對於進一步改善矽襯底GaN LED性能起了一定的指導作用。研究了Si(111)圖形襯底上生長的GaN LED外延薄膜應力分布的均勻性，及把外延薄膜從外延襯底轉移到新基板並製備成垂直結構晶片的發光均勻性問題。研究了AlN插入層厚度對矽襯底上生長GaN外延膜晶體質量的影響,結果表明隨著AlN插入層厚度的增加，外延膜在放置過程中所產生的裂紋密度逐漸減少，當AlN層厚度為30nm時，外延片放置過程中不產生裂紋,其原因可歸結為：隨著AlN插入層厚度的增加，GaN成核層的生長模式由層狀生長轉變為島狀生長，使GaN外延膜在生長過程中積累更多的壓應力，從而補償了外延膜生長後降溫帶來的張應力。課題組採用在不同壘層重摻雜矽的辦法產生不同內建電場來補償應力導致的極化電場，使得有源層的能帶結構發生不同程度的變化，從而導致電子空穴的輸運及複合關係發生改變。本課題通過電鍍的方法將矽襯底GaN LED薄膜分別轉移至銅鉻基板、銅鎳基板上並製備成垂直結構的LED晶片，研究結果表明，銅鎳基板LED晶片較銅鉻基板Droop效應得到改善。課題組將外延結構相同的LED薄膜從矽襯底上分別剝離轉移到熱膨脹係數比GaN小的矽基板上和比GaN大的純銅基板上，製備了垂直結構LED晶片。研究結果表明相同綁定轉移條件製備的晶片，矽基板晶片與銅基板晶片其發光起始波長有明顯區別；當器件的驅動電流加大和環境溫度升高時，銅基板晶片的發光波長與矽基板晶片的發光波長差值均會變小；兩種基板晶片不同溫度下的內量子效率（IQE）隨溫度變化呈現現出一種競爭關係；我們認為這是由銅的熱膨脹係數遠大於矽，以及器件的自加熱效應所導致的。通過最佳化，本項目製備的450nm矽襯底氮化鎵功率型藍光LED在350mA下(電流密度35A/cm2)光輸出功率達到623mW，內量子效率高達80%，封裝成白光色溫6200K時光效超過140lm/W。