LED用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用。采用感应耦合等离子体(ICP)技术对涂覆有光刻胶阵列图案的蓝宝石衬底进行刻蚀。通过研究及优化不同ICP刻蚀工艺参数对刻蚀速率和选择比的影响,分别成功制备出蒙古包形和圆锥形图形化蓝宝石衬底片,并在其表面完成InGaN/GaN多量子阱外延及芯片工艺。借助光致发光和电致发光等手段测试其LED器件的光电学性能。实验结果发现圆锥形的图形化蓝宝石衬底拥有更强的光功率和更窄的半峰宽,说明这种形貌的衬底在GaN外延时有效减少了晶格失配造成的缺陷,提高了晶体质量,从而更有效地增加LED出光效率。     

图形化蓝宝石衬底结构对GaN基LED发光性能的影响

为了研究图形化蓝宝石衬底(PSS)的结构和形貌对GaN基发光二极管(LED)光学性能的影响,对PSS的制备工艺和参数进 行了调控,从而 形成具有不同填充因子的蒙古包形PSS(HPSS)和金字塔形PSS(TPSS)两种衬底,用于生长 和制备蓝光LED 芯片。通过对TPSS-LED的光学性能测试和分析得到,随着PSS填充因子的增大, LED的 光输出功 率也增大;进而比较具有相同填充因子的HPSS和TPSS的光学性能表明,HPSS明显优于TPSS。 因此, PSS填充因子的增大,能够提高LED的光输出功率;优化PSS的结构可以改善LED中光出射途径 ,从而更有效提高LED的光发射效率。     

图形化蓝宝石衬底形貌对GaN基LED出光性能的影响

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用.通过干法刻蚀和湿法腐蚀制备了不同规格和形状的蓝宝石衬底图形,并进行外延生长、芯片制备和封装验证,采用扫描电子显微镜(SEM)和3D轮廓仪进行形貌表征,研究了不同规格和形状的衬底图形对LED芯片出光性能影响,并与外购锥形衬底(PSSZ2)进行对比.结果表明,在20 mA工作电流下,PSSZ2的LED光通量为8.33 lm.采用类三角锥和盾形衬底的LED光通量分别为7.83 lm和7.67 lm,分别比PSSZ2衬底低6.00％和7.92％.对锥形形貌进行优化,采用高1.69 μm、直径2.62 μm、间距0.42 μm的锥形衬底(PSSZ3)的LED光通量为8.67 lm,比PSSZ2衬底高4.08％,优化的PSSZ3能有效地提高LED出光性能.     

图形化蓝宝石衬底技术综述

采用图形化蓝宝石衬底(PSS)技术可以降低GaN外延层材料位错密度,提高了发光二极管(LED)的内量子效率(IQE),同时使LED光析出率(LEE)提高。基于PSS技术可以制作高效GaN基高亮度LED。基于已公开发表文献对用于高效LED制作的PSS技术做了综述,介绍了PSS技术演化、PSS的制作方法与主要的图形结构、PSS上GaN外延层生长机制以及PSS对LED性能的影响。PSS结构对LED的IQE与LEE均有提高,但对二者哪个提高更为有效没有定论,最近的研究结果倾向于以为对LEE提高更为有效。PSS对LED的IQE与LEE提高的机制目前并不是非常清楚,对公开发表的PSS对LEE的提高机制提出了不同看法。不同PSS结构与尺寸对GaN质量以及LED性能的影响方面的研究目前还非常缺乏。     

LED蓝宝石图形化衬底的研究进展及发展趋势

图形化蓝宝石衬底作为GaN基LED照明外延衬底材料,由于其能降低GaN外延薄膜的线位错密度和提高LED的光萃取效率的显著性能在近几年来引起国内外许多科研机构和厂商的广泛兴趣。从衬底的制备工艺、图形尺寸角度出发,综述了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展,并对其未来在大功率照明市场的应用进行了展望。     

图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展

蓝宝石衬底作为发光二极管最常用的衬底,经过不断发展,在克服其与GaN间晶格失配和热膨胀失配问题上,研究人员不断提出解决方案。近期发展起来的图形化衬底技术,除了能减少生长在蓝宝石衬底上GaN之间的差排缺陷,提高磊晶质量以解决失配问题,更能提高LED的出光效率。从衬底图形的形状、尺寸、制备工艺出发,回顾了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展,详细介绍了近年来关于图形化衬底技术与其他技术在提高LED性能方面的结合,总结了图形化蓝宝石衬底应用于大尺寸芯片的优势,并对其未来在大功率照明市场的应用进行了展望。     

高亮度LED步进投影光刻机及其量产应用

图形化蓝宝石衬底(PSS)工艺在改善GaN晶体外延生长质量以及提升LED器件发光提取效率方面作用显著,并被LED行业大量采用。针对高亮度LED量产线大量采用二手投影光刻机制备PSS衬底所面临的焦深不足、垂向控制容易离焦,以及运动台拼接精度不足等问题导致的PSS良率仅有70%~80%的现象,有针对性地在新研制的高亮度LED光刻机中采用最佳线宽/焦深选择技术、无缝拼接技术、Mapping垂向控制技术,使PSS的制造良率达到95%以上,极大地降低了PSS制造返工成本。同时,针对芯片细电极曝光需求,采用精密机器视觉对准技术,实现了芯片电极层1μm线宽下200 nm套刻精度。     

溅射AlN技术对GaN基LED性能的影响

研究了在图形蓝宝石衬底(PSS)上利用磁控溅射制备AlN薄膜的相关技术,随后通过采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在相关AlN薄膜上生了长GaN基LED.通过一系列对比实验,分析了AlN薄膜的制备条件对GaN外延层晶体质量的影响,研究了AlN薄膜溅射前N2预处理功率和溅射后热处理温度对GaN基LED性能的作用机制.实验结果表明:AlN薄膜厚度的增加,导致GaN缓冲层成核密度逐渐升高和GaN外延膜螺位错密度降低刃位错密度升高;N2处理功率的提升会加剧衬底表面晶格损伤,在GaN外延膜引入更多的螺位错;AlN热处理温度的升高粗化了表面并提高了GaN成核密度,使得GaN外延膜螺位错密度降低刃位错密度升高;而这些GaN外延膜位错密度的变化又进一步影响到LED的光电特性.     

GaN基LED与Si键合技术的研究

采用金属键合技术结合激光剥离技术将GaN基LED从蓝宝石衬底成功转移到Si衬底上。利用X射线光电子谱(XPS)研究不同阻挡层对Au向GaN扩散所起的阻挡作用,确定键合所需的金属过渡层。利用多层金属过渡层,在真空、温度400℃和加压300 N下实现GaN基LED和Si的键合,通过激光剥离技术将蓝宝石衬底从键合结构上剥离下来,形成GaN基LED/金属层/Si结构。用金相显微镜及原子力显微镜(AFM)观察结构的表面形貌,测得表面粗糙度(RMS)为12.1 nm。X射线衍射(XRD)和Raman测试结果表明,衬底转移后,GaN基LED的结构及其晶体质量没有发生明显变化,而且GaN与蓝宝石衬底间的压应力得到了释放,使得Si衬底上GaN基LED的电致发光(EL)波长发生红移现象。     

GaN基倒装焊LED芯片的热学特性模拟与分析

采用有限元方法建立了GaN基倒装LED芯片的三维热学模型,并对其温度分布进行模拟,比较了在不同凸点(焊点)分布、不同粘结层材料与厚度、不同蓝宝石衬底厚度及蓝宝石图形化下的倒装芯片温度分布,研究了粘结层空洞对倒装芯片热学特性的影响,并根据芯片传热模型对模拟结果进行了分析。     

Fabrication of flexible AlGaInP LED

Flexible light-emitting diodes(LEDs)are highly desired for wearable devices,flexible displays,robotics,biomedicine,etc.Traditionally,the transfer process of an ultrathin wafer of about 10–30μm to a flexible substrate is utilized.However,the yield is low,and it is not applicable to thick GaN LED chips with a 100μm sapphire substrate.In this paper,transferable LED chips utilized the mature LED manufacture technique are developed,which possesses the advantage of high yield.The flexible LED array demonstrates good electrical and optical performance.     

图形化蓝宝石衬底工艺研究进展

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术是一种提高LED亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究,以及图形化蓝宝石衬底提高LED亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用,与基于平坦蓝宝石衬底的LED相比,PSS-LED的发光功率提高了30%左右。图形化蓝宝石衬底技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形,从湿法刻蚀到干法刻蚀,从微米级到纳米级图形的演变。由于能够显著提高LED亮度,纳米级图形化蓝宝石必将得到广泛的运用。     

快速热退火对ITO薄膜及LED芯片性能的影响

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术在蓝宝石衬底上制备了GaN基LED外延层,采用磁控溅射法制备了氧化铟锡(ITO)薄膜,ITO薄膜用于制作与p-GaN的欧姆接触.研究了快速热退火温度为550℃,退火时间为200 s时,不同氧气体积流量对ITO薄膜性能及LED芯片光电性能的影响.结果表明:不通氧气时,ITO薄膜的方块电阻和透过率分别为33 Ω/口和93.1％,LED芯片出现电流拥挤效应,其电光转换效率只有33.3％;氧气体积流量为1 cm3/min时,ITO薄膜的方块电阻和透过率分别为70 Ω/口和95.9％,LED芯片的电流扩展不佳,其正向电压较高,电光转换效率为43.8％;氧气体积流量为0.4 cm3/min时,ITO薄膜的方块电阻和透过率分别为58 Ω/口和95.4％,LED芯片的电流扩展最佳,其亮度最高、正向电压最低,电光转换效率较高,为52.9％.     

Nitride-Based High-Power Flip-Chip LED With Double-Side Patterned Sapphire Substrate

A nitride-based high-power flip-chip (FC) light-emitting diode (LED) with a double-side patterned sapphire substrate (PSS) was proposed and realized. Under 350-mA current injection, it was found that forward voltages were 3.24, 3.26, and 3.25 V for the conventional FC LED, FC LED prepared on PSS, and FC LED with double-side PSS, respectively. It was found that the 350-mA LED output powers were 79.3, 98.1, and 121.5 mW for the conventional FC LED, FC LED prepared on PSS, and FC LED with double-side PSS, respectively. In other words, we can enhance the electroluminescence intensity by 53% without increasing operation voltage of the fabricated LED     

Optical and Structural Properties of InGaN–AlGaN Ultraviolet Light-Emitting Diodes

We fabricated and investigated the performances of InGaN–AlGaN ultraviolet (UV) light-emitting diodes (LEDs) emitting at 380 nm. The output power of a conventional LED, a patterned sapphire substrate LED (PSS LED), and a PSS flip-chip LED (PSS FCLED) were about 0.94, 1.86, and 5.18 mW, respectively, at a forward injection current of 20 mA. These results indicate that the light output–powers of the PSS LED and PSS FCLED were enhanced as much as 97% and 451% compared to the conventional LED. Subsequent optical simulations confirm the remarkable enhancements in optical power of the PSS FCLED at UV wavelengths.      

Enhancement of photo- and electro-luminescence of GaN-based LED structure grown on a nanometer-scaled patterned sapphire substrate

In this study, a 2 in. sized a highly periodic nanometer-scaled patterned sapphire substrate (NPSS) was fabricated using nanoimprint lithography (NIL) and inductively coupled plasma etching to improve the light-extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes (LEDs). A blue LED structure was grown on the nanometer-scale patterned sapphire substrates, and the photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL) were measured to confirm the effectiveness of the nanometer-scaled patterns on sapphire. An improvement in luminescence efficiency was observed when NPSS was applied; 2 times stronger PL intensity and 2.8 times stronger EL intensity than the LED structure grown on the unpatterned sapphire wafers were measured. These results show highly periodic nanometer-scaled patterns create multi-photon scattering and effectively enhance the light-extraction efficiency of LEDs.     

蓝宝石图形衬底上GaN低温缓冲层的研究

低温下,在蓝宝石图形衬底上使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长低温GaN(LT-GaN)缓冲层,并对其表面形貌进行了细致的观察,发现了不同于已报道的GaN选择性成核生长现象。基于不同厚度的低温GaN缓冲层生长了n型GaN(n-GaN),发现过厚或者过薄的缓冲层都会对n-GaN晶体质量产生负面影响,并结合初始成核阶段进行了原因分析。制备了基于不同厚度的n-GaN的发光二极管(LED)样品,分析了GaN晶体质量对LED输出功率的影响。同时发现,晶体质量较差的时候,光提取效率可能主导着对LED器件性能的影响。     

4W/mm蓝宝石衬底AlGaN/GaN HEMT

报道了利用南京电子器件研究所生长的蓝宝石衬底AlGaN/GaN异质结材料制作的HEMT,器件功率输出密度达4W/mm。通过材料结构及生长条件的优化,利用MOCVD技术获得了二维电子气(2DEG)面密度为0.97×1013cm-2、迁移率为1000cm2/Vs的AlGaN/GaN异质结构材料,用此材料完成了栅长1μm、栅宽200μm AlGaN/GaN HEMT器件的研制。小信号测试表明器件的fT为17GHz、最高振荡频率fmax为40GHz;负载牵引测试得到2GHz下器件的饱和输出功率密度为4.04W/mm。