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。     

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。     

基于图形化蓝宝石衬底的HB-LED研究进展

为了制作高亮度LED,需要在图形化蓝宝石衬底上生长GaN材料。通过光刻在平坦蓝宝石衬底上制作掩膜图形,通过刻蚀将图形转移到蓝宝石衬底,得到图形化蓝宝石衬底。在图形化蓝宝石衬底上进行GaN的侧向外延生长,并做后续处理,就制成了基于图形化蓝宝石衬底的高亮度LED。图形化蓝宝石衬底上GaN的侧向外延生长使得外延材料的位错密度从1010 cm-2降低到107 cm-2,这减少了发生非辐射复合的载流子,多量子阱发射更多的光子,LED的内量子效率提高。此外,图形化蓝宝石衬底能够有效散射从多量子阱射出的光线,使得出射光射到逃离区的几率更大,从而提高光萃取率。内量子效率和光萃取率的提高大大改善了LED的光电特性。     

基于3D定位的光纤棒内部缺陷检测方法

为检测和定位光纤预制棒的内部缺陷并提高精度,提出一种光线追踪实现3D精确定位的线激光旋转扫描检测方法。利用光散射原理和暗场成像技术,成像设备采集光纤棒每个旋转角纵截面上缺陷的散射光;原始图像经过图像预处理和图像分割获取缺陷的二维信息;基于折射定律和光线追踪建立缺陷的精确定位模型,消除光纤棒表面折射带来的成像位置偏差;最后经过坐标转换、三维建模和三维连通域提取实现缺陷在光纤棒内部的3D定位。实验结果表明:120 W像素的工业相机在旋转角步长为0.9°的条件下,对大尺寸的光纤棒内部缺陷检测轴向定位精度为0.28 mm,径向定位精度为1.05 mm,可实现准确、自动化地检测和定位光纤棒的内部缺陷,为光纤棒的质检和指导光纤拉丝提供重要依据。     

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。     

基于定量检测的蓝宝石衬底表面缺陷分类识别

针对现有的蓝宝石衬底表面缺陷大多只能进行定性分析的问题,采用机器视觉技术对蓝宝石衬底表面缺陷进行检测,通过图像预处理、感兴趣提取、二维特征参数提取,最终获取缺陷的二维几何特征参数,并根据缺陷的长度、面积、周长、圆形度、矩形度,对缺陷进行定量分析,同时根据矩形度、圆形度,对缺陷进行识别。     

蓝宝石图形衬底上利用AlN缓冲层生长高质量GaN

在图形化衬底上以AlN作为缓冲层生长高质量的GaN薄膜,国内相关的报道较少。通过引入两步缓冲层生长方法,在蓝宝石图形衬底上生长基于AlN缓冲层的高质量GaN薄膜,利用低温AlN层生长时内部的缺陷,选择性进行腐蚀,形成衬底与外延层界面间的侧向倒斜角,提高光萃取效率;同时在其上继续生长高温AlN,为后续GaN薄膜提供高质量模板。从外延角度出发,以表面形貌及其上生长的GaN薄膜的晶体质量为衡量依据,优化了低温AlN缓冲层以及高温AlN缓冲层的生长参数,优化后LED样品在20 mA测试电流下的光输出功率较参考样品提升了4%。     

GaN基LED的图形衬底优化研究

设计了方形和阶梯状两大类的图形化蓝宝石衬底(PSS), 使用Crosslight公司的工艺软件CSuprem建立了三维的方形和阶梯状两类图形衬底GaN LED器件, 然后使用APSYS软件模拟计算出它们的光电特性。并且对方形图形衬底的刻蚀深度进行了优化, 通过对模拟结果的比较得到刻蚀深度与边长的比值为0.4时, 这种方形图形衬底GaN LED的光提取效率最高, 且比平面衬底提高了20.13%。对阶梯状图形衬底的阶梯层数进行了比较, 发现随着阶梯层数的增加, 光提取效率也随着增加, 阶梯状层数为5时, 光提取效率比平面衬底提高了30.03%。并对方形PSS LED进行了实验验证。     

生长在图形化蓝宝石衬底上的GaN薄膜光学性质研究

图形化蓝宝石衬底（PSS）技术作为提高LED发光效率的方法之一,一直备受关注。研究了PSS上生长的GaN薄膜的表面形貌、吸收光谱、红外光谱、拉曼散射（Raman）和太赫兹光谱等,并与常规蓝宝石衬底上的GaN外延薄膜进行对比。结果表明,PSS上生长的GaN外延薄膜的表面形貌、光提取效率（LEE）得到明显改善。此研究成果对进一步提高GaN基短波（蓝/紫光）发光二极管（LED）的发光效率具有一定的借鉴意义,为进一步拓展PSS器件的太赫兹响应提供了依据。     

以碳化硅做衬底的蓝色二极管脉冲激光器

Cree研究公司演示了一台在常温下运行的蓝色半导体二极管脉冲激光器，将其应用于商业设备上将会极大提高光存储容量．该公司生产的403urn激光器是以碳化硅做衬底和氮化像做激光介质．1995年日本Nichia化学工业公司曾演示过以蓝宝石做衬底的氯化筹二极管激光器，但Cree公司的激光器是第一个基于碳化硅衬底的氮化修激光器．与Nichin公司的蓝宝石衬底的蓝色氯化噱激光器比较，碳化硅衬底的氯化综激光器具有如下重要优点：·这种衬底具有自然的能通过激光能的解理面，而蓝宝石晶体没有这种解理面，因此研究人员必须用反应性离子蚀刻的方法制成…     

2×25.4 mm GaN LED外延膜的激光剥离及其衬底的重复利用

利用激光剥离技术实现直径为50.8 mm CaN LED外延膜的大面积完整剥离.激光剥离后的原子力显微镜(AFM)扫描和X射线双晶衍射谱(XRD)表明剥离前后外延膜的质量并未明显改变.并报道了在剥离掉后的蓝宝石(α-Al2O3)衬底上MOCVD外延生长InGaN/CaN多量子阱(MQW's)LED器件结构,通过光致发光谱(PL)和XRD谱对比分析了在相同条件下剥离掉后衬底与常规衬底上生长的CaN LED外延膜晶体质量.     

GaN外延用蓝宝石衬底的图形化研究进展

因蓝宝石具有良好的稳定性能,且其生产技术成熟,是目前异质外延GaN应用最广泛的衬底材料之一.采用图形化蓝宝石衬底技术可以降低GaN外延层材料的位错密度,提高LED的内量子效率,同时提高LED出光效率提高,近年来引起了国内外的广泛关注.概述了图形化蓝宝石衬底的研究进展,包括图形化蓝宝石衬底的制备工艺、图形尺寸、图形形状及图形化蓝宝石衬底的作用机理;详细介绍了凹槽状、圆孔状、圆锥形、梯形和半球状5种图形形状,并分析了GaN材料在不同图形形状的图形化蓝宝石衬底上的生长机理及不同图形形状对GaN基LED器件性能的影响.对图形化蓝宝石衬底技术的研究方向进行了展望,提出了亟待研究和解决的问题.     

激光散射显微镜的自动检测系统

激光陀螺反射镜膜片背向散射直接影响激光陀螺的锁区、精度等多项重要指标.膜片的散射量可借助激光散射显微镜进行检测,重点研究如何使用LabVIEW编写激光散射显微镜测试系统软件.使用LabVIEW开发的激光散射显微镜测试系统,能利用步进电机进行激光光源对膜片的扫描,同时控制图像采集卡采集图像并保存,最后由计算机分析和处理检测数据并显示、保存.这种方法实用、方便,测量精度高.     

激光散射理论及其在计量测试中的应用

本文系统地介绍了一门新近发展起来的学科---光散射及其应用技术。文中概述了散射理论的发展历史,详细介绍了瑞利散射定律及米氏理论,分析了散射与粒度、表面轮廓形貌统计特性及晶体内部微缺陷之间的数学关系,给出了激光散射在粒度、表面粗糙度测试及微缺陷检测中的应用实例.     

激光焊接缺陷多向磁场激励下磁光成像检测

为了研究交叉焊缝缺陷的磁光图像特征,对中碳钢板进行十字对接激光焊,获得同时具有横向和纵向焊后裂纹的试验样本,同时采用恒定磁场和交变磁场对试验样本进行多角度励磁, 用磁光成像传感器采集不同角度磁场激励下焊接缺陷处的磁光图像,并对磁光图像的缺陷特征进行分析。结果表明,多向磁场激励下的磁光成像技术能明显检测出多角度的焊接缺陷,且能有效避免曲线裂纹在焊接缺陷检测中的漏检现象; 同时,交变磁场激励下, 同一裂纹成像的分辨率提高了40pixel~50pixel,能更精确地定位缺陷位置。此研究为提高焊接缺陷的检出率提供了依据。     

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。     

垂直电极结构GaN基发光二极管的研制

利用激光剥离技术(LLO)和晶片键合技术将GaN基发光二极管(LED)薄膜与蓝宝石衬底分离并转移到Si衬底上,高分辨X射线衍射(HRXRD)和阴极荧光谱(CL)结果表明激光剥离过程没有影响GaN量子阱的结构和光学性质,GaN和InGaN/GaN多量子阱的发光峰都呈现红移,这都来源于去除蓝宝石后薄膜中应力的释放.采用金属In和Pd的合金化键合过程解决了GaN材料与Si衬底的结合问题,结合逐个芯片剥离和键合的方式实现了GaN大面积均匀转移.成功研制了激光剥离垂直电极结构的GaN基LED,L-I测试特性表明器件的热饱和电流和出光功率都有很大的提高.     

垂直电极结构GaN基发光二极管的研制

利用激光剥离技术(LLO)和晶片键合技术将GaN基发光二极管(LED)薄膜与蓝宝石衬底分离并转移到Si衬底上,高分辨X射线衍射(HRXRD)和阴极荧光谱(CL)结果表明激光剥离过程没有影响GaN量子阱的结构和光学性质,GaN和InGaN/GaN多量子阱的发光峰都呈现红移,这都来源于去除蓝宝石后薄膜中应力的释放.采用金属In和Pd的合金化键合过程解决了GaN材料与Si衬底的结合问题,结合逐个芯片剥离和键合的方式实现了GaN大面积均匀转移.成功研制了激光剥离垂直电极结构的GaN基LED,L-I测试特性表明器件的热饱和电流和出光功率都有很大的提高.     

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.