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白光发光二极管(缩写LED)与传统的光源相比,在节能减排方面具有明显的优势,是实现固态照明的最有效途径,是提倡低碳生活的首选照明光源,更是未来照明光源的发展方向,因此受到了全世界的瞩目。目前,国外公司控制了制备白光LED的大部分核心技术,而自主创新对我国发展半导体照明技术有着重要的意义。本论文针对LED核心专利被国外垄断的事实,提出了新型垂直结构单芯片白光LED物理结构,研究了制备垂直结构单芯片白光LED的关键技术,发现了影响LED出光效率的另一重要物理机理,提出了有效载流子的定义,最终制备出垂直结构单芯片白光LED。
本文的主要研究内容包括以下几个方面:
1.倒装AlGalnP LED关键技术研究
1.1湿法腐蚀去除GaAs衬底工艺研究。研究了硝酸腐蚀溶液(HNO3:H2O2:H2O)腐蚀GaAs衬底的规律,发现GaAs衬底的腐蚀速率随HNO3比例的增加先增大后减小,随腐蚀时间的增长逐渐下降;当HNO3:H2O2:H2O=1:6:1时腐蚀速率达到最大值,大于8μm/min。同时,发现溶液HNO3:H2O2:H2O=1:4:1对GaAs/InGaP具有很高的选择比;提出了两步湿法腐蚀去除GaAs衬底的方法。由于均采用硝酸溶液,工艺中没有引入其他杂质元素沾污。
1.2金属键合工艺研究。研究了热膨胀系数对键合效果的影响,指出热膨胀系数差异大是导致键合后GaAs样品产生裂纹的原因。提出了采用厚金属键合层和过渡金属,以及低温键合的方法。
2.AlGalnP基红光LED芯片尺寸与性能关系研究通过对比200×200μm2和300×300gm2两种芯片面积的红光AlGalnPLED的Ⅰ-V,Ⅰ-P,量子效率,波长和结温等参数,发现器件物理参数与器件性能密切相关。通过理论计算分析,指出由于有限迁移率,大部分载流子在电极以下,尺寸大的器件电极下载流子数目比例少,而只有电极以外载流子对发光才有贡献,在本论文中定义这部分载流子为有效载流子。
3.倒装AlGalnP LED器件的制备及性能研究
3.1研究了影响倒装AlGalnP LED器件电压升高的因素。实验发现ITO能有效降低器件电压,可能的原因是ITO层有效的阻挡了在高温、长时间键合过程中金属元素的扩散。
3.2在载流子分布对器件性能影响的理论和倒装AlGaInP LED关键工艺研究的基础上,设计并制备出带有图形欧姆接触电极的新型倒装AlGaInP LED。与普通倒装AlGalnP LED相比,相同电流注入下,新型器件工作电压下降了0:11V,光功率提高了17.3％。从软件模拟结果及器件等效电路图比较得到,新型器件电极以下部分的载流子被图形欧姆接触电极引导,并主动输运到电极以外部分分布,增加了有效载流子数目,最终提高了器件的出光效率。
4.新型垂直结构单芯片白光LED的制备采用介质辅助键合的方法制备出新型垂直结构单芯片白光LED,由倒装AlGalnP LED和倒装InGaN LED两部分集成而成,其界面电压小于1V,相比GaAs/GaN直接键合单芯片白光LED3.5V的界面电压大大降低,很大程度上提高了器件效率。