當前硅基LED量子阱相關特性及芯片p面技術研究綜述

蔣振華

【摘要】LED技術是當前發(fā)展和應用廣泛的電子科技領域，在民用消費領域發(fā)展迅速，應用廣泛，本文采用文獻綜述法，對硅基LED量子阱相關特性及芯片p面技術研究技術了進行了研究，目前為止，用于半導體照明的LED芯片按外延襯底劃分有三條技術路線，即藍寶石襯底LED技術路線，碳化硅襯底LED技術路線和硅襯底LED技術路線。目前，市場主流為藍寶石基板，碳化硅基板雖然有其技術優(yōu)勢但由于價格昂貴成本上基本無競爭力，硅基板目前已成為全球LED供應商積極投入研發(fā)的基板材料之一。

【關鍵詞】硅基LED；芯片p面；文獻綜述；芯片技術

硅襯底GaN基LED的研制成功，改寫了以藍寶石、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法比擬的兩大優(yōu)勢：第一，硅材料比碳化硅和藍寶石要便宜很多，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成本；第二，硅襯底半導體照明外延材料，非常適合走剝離襯底薄膜轉移技術路線，為開發(fā)高效率高可靠性半導體照明芯片具有得天獨厚的優(yōu)勢。是一條更具發(fā)展?jié)摿Φ腖ED產業(yè)化技術路線，吸引了全球數(shù)十家研究單位和公司投入相關研究。

一、硅襯底GaN基LED發(fā)展趨勢

在硅襯底上生長GaN材料與在藍寶石、碳化硅襯底上生長相比，應力狀態(tài)迥然不同，應力影響材料的極化，特別影響了作為有源層量子阱的生長特性和極化特性，進而影響LED的發(fā)光效率。同時，LED發(fā)展至今，在發(fā)光本質方面仍有不少重要的物理問題未搞清楚。另外，襯底不同決定了芯片端制造方面的差異化，硅材料與藍寶石、碳化硅相比，物理、化學及加工特性方面有很大差別，通常用在藍寶石基LED的芯片加工技術大部分不再適用于硅基LED，因此，發(fā)展一條先進的可產業(yè)化的硅基LED芯片制造技術同等重要。本文從量子阱相關特性及芯片技術兩個方面著入研究，一方面改變量子阱的生長工藝、結構設計，通過光致發(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。

二、硅襯底GaN基LED發(fā)展研究概述

1.通過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，在小電流應用方面具有更大的優(yōu)勢。

2.通過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，多量子阱LED的發(fā)光主要來自靠近n-GaN的量子阱，在低溫中電流密度時（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，最后一個阱的發(fā)光趨于飽和，中間量子阱的發(fā)光開始逐漸占有明顯的地位。

3.建立了一個變溫EL-IQE曲線與量子阱能帶傾斜之間的定性關系，通過應力調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在變溫變電流時的眾多EL特性。

4.通過研究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)生復合，并在低溫100K下觀察到了與此相關的發(fā)光情況。

5.報道了硅基綠光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%，同波長的MQW-LED為40.7%。

6.研究了量子阱個數(shù)對硅基綠光LED光學特性的影響。結果表明，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對應的發(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現(xiàn)不同位置的阱發(fā)光，不同位置的壘摻硅對EL波長的影響較大。工作狀態(tài)下，具有兩個發(fā)光阱樣品的發(fā)光效率最低，四個發(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。對比了注入層摻硅與注入層不摻硅的樣品，實驗現(xiàn)象一致反映，阱前摻硅量增加引起量子阱受到的壓應力增加。

8.通過在硅襯底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℃的溫度范圍內進行退火，在去掉薄膜表面Ni覆蓋層之后制備Pt/p-GaN歐姆接觸層。實驗結果表明：退火溫度和Ni覆蓋層厚度均對硅襯底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；經過優(yōu)化后，當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到6.1×10-5Ω·cm2。

9.利用硫酸雙氧水選擇性腐蝕經犧牲Ni退火后的LED薄膜表面。結果表明，經犧牲Ni550℃退火后，薄膜表面開始受到破壞，且隨退火溫度的升高，受破壞的程度增加。退火后的LED薄膜經沸騰硫酸雙氧水腐蝕后，表面出現(xiàn)明顯的腐蝕坑，我們認為這種腐蝕坑可能與材料內位錯在表面的露頭及由于重摻雜、量子阱內V型坑引起的p型材料的極性反轉有關，且犧牲Ni退火促進了這種腐蝕坑的形成和長大。

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到p面鈍化效果。最后討論了是否能夠選擇不導電的絕緣物作為p面鈍化材料，結合硅基TF芯片工藝對其進行了可行性論證：若LED芯片工藝過程不存在大應力作用，采用氮化硅、氧化硅或PI等作為p面鈍化材料是可行的。

11.通過電鍍的方法分別將Si襯底GaNLED薄膜轉移至銅鉻、銅鎳基板上，并制備成不同電鍍基板的LED芯片，芯片加工過程中，LED薄膜由張應力變?yōu)閴簯?，隨后壓應力不斷得到釋放，通過對比不同電鍍金屬基板LED芯片在力學、熱學、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、波長漂移特性更佳、力學特性以及伏安特性更加可靠。

三.結束語

硅襯底GaN電鍍金屬基板LED芯片的研制成功，進一步降低了LED的制備成本。以上研究結果已在本單位863計劃相關課題研究和相關產業(yè)化過程中得到應用，取得了較好的效果。

參考文獻

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