使用溅射AlN成核层实现大规模生产深紫外LED

高质量AlN薄膜对制造高性能深紫外器件非常重要,但是目前还很难使用大型工业MOCVD生长出高质量的AlN薄膜.采用磁控溅射制备了不同厚度的用作成核层的AlN薄膜,使用大型工业MOCVD直接在成核层上高温生长AlN外延层,研究了不同成核层对AlN外延层质量的影响.通过扫描电子显微镜和原子力显微镜对成核层AlN薄膜的表面形貌进行表征;使用高分辨X射线衍射仪对AlN外延层晶体质量进行表征,结果表明:在溅射成核层上生长的AlN外延层的晶体质量有显著提高.使用大型工业MOCVD在蓝宝石衬底上成功制备出中心波长为282 nm的可商用深紫外LED,在注入电流为20 mA时,单颗深紫外LED芯片的光输出功率达到了1.65 mW,对应的外量子效率为1.87%,饱和光输出功率达到4.31 mW.     

AlN成核层厚度对Si上外延GaN的影响

采用低温AlN成核层,在Si(111)衬底上,用金属有机化学气相沉积(MOCVD)法生长了GaN薄膜。采用高分辨X射线衍射(XRD)、椭圆偏振光谱仪和原子力显微镜(AFM)研究了AlN成核层的厚度对GaN外延层的影响。对AlN的测试表明,AlN的表面粗糙度(RMS)随着厚度增加而变大。对GaN的测试表明,所有GaN样品在垂直方向处于压应变状态,并且随AlN厚度增加而略有减弱。GaN的(0002)_ω扫描的峰值半宽(FWHM)随着AlN成核层厚度增加而略有升高,GaN(10-12)_ω扫描的FWHM随着厚度增加而有所下降。(10-12)_ω扫描的FWHM与GaN的刃型穿透位错密度相关,A1N成核层的厚度较大时会降低刃型穿透位错密度,并减弱c轴方向的压应变状态。     

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.     

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。     

铝插入层对硅基AlN外延特性的影响

采用等离子体辅助分子束外延(PA-MBE)研究了Al金属插入层对Si(111)衬底上AlN薄膜材料生长的影响。结果证明,Al插入层可改善AlN外延层的晶体质量,而且引入Al预扩散机制可消除外延表面的孔隙。同时,采用AlN插入层预扩散有利于获得Al极性的AlN,否则倾向于获得N极性的AlN。     

图形蓝宝石衬底GaN基发光二极管的研制

采用抗刻蚀性光刻胶作为掩膜,并利用光刻技术制作周期性结构,进行ICP干法刻蚀C面(0001)蓝宝石制作图形蓝宝石衬底(PSS);然后,在PSS上进行MOCVD制作GaN基发光二极管(LED)外延片;最终,进行芯片制造和测试。PSS的基本结构为圆孔,直径为3μm,间隔为2μm,深度为864 nm,呈六角形分布。与同批生长的普通蓝宝石衬底(CSS)GaN基LED芯片相比,PSS芯片的光强和光通量比CSS分别提高57.32%和28.33%(20 mA),并可减小芯片的反向漏电流,且未影响芯片的波长分布和电压特性。     

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.     

Ti掩膜图形层对外延生长GaN薄膜晶体质量的影响

采用氢化物气相外延(HVPE)方法在2英寸(1英寸=2.54 cm)c面蓝宝石衬底上外延生长了高质量GaN单晶薄膜.在GaN生长过程中引入点状和条状两种金属Ti掩膜图形层,研究了不同Ti掩膜图形层对外延生长GaN薄膜晶体质量的影响.使用微分干涉相差显微镜(DICM)、扫描电子显微镜(SEM)、阴极荧光光谱(CL)、喇曼光谱和X射线衍射(XRD)对制备的GaN样品结构和形貌进行了表征分析.实验结果表明,Ti掩膜图形层的引入可以在一定程度上改善GaN薄膜的表面形貌,缓解材料中的应力,降低GaN材料中的位错密度,提高材料的结晶质量.同时发现,相比于点状图形,条状Ti图形掩膜层可以更加有效地改善GaN材料的晶体质量,将位错密度降低到3.2×106 cm-2以下.     

高温形核层对蓝宝石衬底AlN薄膜质量的影响

采用两步生长模式的金属有机化学气相沉积方法在蓝宝石衬底上外延生长AlN薄膜,通过高分辨X射线衍射和原子力显微镜分析方法,研究发现蓝宝石衬底上外延生长的AlN薄膜晶体质量与高温AlN形核层的形核密度及晶粒大小密切相关,而形核密度决定于高温AlN形核层的初始铝体积流量,晶粒的大小取决于其厚度。优化了高温AlN形核层的初始铝体积流量和厚度等工艺参数。当高温AlN形核层的初始铝体积流量为30 cm3/min、生长时间为9 min时,高温AlN形核层的形核密度和晶粒大小最优,外延生长的AlN薄膜位错密度最低,表面最平整,晶体质量最好。     

采用低温AlN插入层在氢化物气相外延中生长GaN膜

采用低温AlN插入层在氢化物气相外延(HVPE)设备中生长出高质量GaN膜。X射线衍射(XRD)测量发现,低温AlN插入层有助于提高GaN膜的结晶质量。低温(10K)光致发光(PL)谱测量表明,低温AlN插入层有助于释放GaN膜外延生长的应力。原子力显微镜(AFM)测量显示,GaN膜具有非常光滑的表面形貌,并估算出其位错密度约为3.3×108cm-2。     

近紫外芯片激发三基色荧光粉制作的白光LED

使用近紫外半导体芯片激发红绿蓝三基色荧光粉,制作了白光发光二极管（LED）,并研究了其光电特性。结果表明,采用发射峰值波长分别在613、495和451nm的红绿蓝荧光粉,在波长400nm左右半导体芯片激发下的白光LED,其显色指数Ra最大为82;使用YAG荧光粉代替绿色荧光粉后,Ra提高到93。测试结果还表明,当工作电...     

SiC衬底AlN缓冲层的应变对GaN外延层质量的影响

在3英寸(1英寸=2.54 cm)SiC衬底上采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法生长GaN外延材料。研究了AlN缓冲层的应变状态对GaN外延层应变状态和质量的影响。使用原子力显微镜和高分辨率X射线双晶衍射仪观察样品表面形貌,表征外延材料质量的变化,使用高分辨喇曼光谱仪观察外延材料应力的变化,提出了基于外延生长的应变变化模型。实验表明,GaN外延层的张应变随着AlN缓冲层应变状态的由压变张逐渐减小,随着GaN张应力的逐渐减小,GaN位错密度也大大减少,表面形貌也逐渐变好。     

图形化蓝宝石衬底表面原位处理对GaN外延薄膜的影响

采用预铺Ga或NH_3氮化等方式原位处理图形化蓝宝石衬底(PSS)表面,然后外延生长了GaN薄膜,研究了PSS表面预处理对GaN薄膜表面形貌、晶体质量以及残余应力的影响。结果显示,PSS经过预铺Ga后生长的GaN薄膜具有平滑的表面和清晰平直的原子台阶,且位错密度最低;氮化后生长的GaN薄膜原子台阶较宽,螺型位错密度较低;衬底未经表面处理生长的GaN薄膜,原子台阶模糊,位错密度最高;同时,与氮化或未经预处理的方法相比,经过预铺Ga的方式预处理PSS表面后生长的GaN薄膜残余应力最小。分析认为,预铺Ga、氮化等方式处理衬底表面,改变了PSS微结构,有利于生长表面平滑、晶体质量高、残余应力小的GaN薄膜。     

ZnO缓冲层的厚度对HVPE-GaN外延层的影响

为了得到高质量的GaN材料,首先在c面蓝宝石(Al2O3)衬底上射频磁控溅射不同厚度的ZnO缓冲层,然后采用氢化物气相外延(HVPE)法在ZnO缓冲层上生长约5.2μm厚的GaN外延层,研究ZnO缓冲层的厚度对GaN外延层质量的影响。用微分干涉显微镜(DIC)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)技术研究分析了GaN外延层的表面形貌、结晶质量和光学特性。结果表明,ZnO缓冲层的厚度对GaN外延层的特性有着重要的影响,200 nm厚的ZnO缓冲层最有利于高质量GaN外延层的生长。     

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。     

衬底温度对AlN薄膜结构及电阻率的影响

采用直流反应磁控溅射法在Si(111)基片上制备了AlN薄膜,利用XRD、原子力显微镜(AFM)、电流-电压(I-V)测试仪等对不同衬底下制备薄膜的结构、形貌及电阻率等进行了分析表征。结果表明:随着衬底温度的升高,晶粒逐渐长大,AlN(002)择优取向明显改善,600℃达到最佳。一定范围内提高温度使晶粒均匀、致密,有利于改善表面粗糙情况和提高电阻率,550℃时表面粗糙度达到最低(2.8 nm)且有最大的电阻率(3.35×1012Ω.cm);同时薄膜应力随温度升高有增大趋势。     

微波功率和反应腔室压强对MPCVD生长AlN薄膜质量的影响

研究了微波功率和反应腔室压强对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法生长AlN薄膜质量的影响。采用高温MPCVD法,以N₂为氮源,三甲基铝(TMAl)为铝源,在6H-SiC衬底上进行AlN薄膜的外延生长。在不同微波功率和不同反应腔室压强下,外延生长了AlN薄膜样品。生长样品的测试结果表明,在微波功率为4 500 W时,样品(002)面X射线摇摆曲线(XRC)半高全宽(FWHM)为217 arcsec。在反应腔室压强为130 Torr(1 Torr=133.3 Pa)时,样品(002)面XRC的FWHM为216 arcsec。该研究将为以后AlN材料的MPCVD生长提供一些参考。     

对胶体球光刻中单层胶体晶体曝光特性的研究

对胶体球光刻中单层胶体晶体(MCC)的曝光特性进行了研究。利用磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上生长SiO2薄膜并旋涂光刻胶,通过固液界面自组装的方法在光刻胶上制备了单层胶体晶体。胶体球光刻利用单层胶体晶体作为微透镜阵列,通过紫外曝光的方法在光刻胶上制备微孔阵列。光刻胶上图形的周期性与胶体球的直径有关,并且大直径的胶体球的聚光性能要强于小直径胶体球,在曝光过程中随着曝光时间的增加,由于曝光量的增加以及光刻胶的漂白现象,光刻胶上微孔的尺寸也在增加。最后以曝光后的光刻胶为掩膜,将感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)以及湿法腐蚀相结合,制备出了图形化蓝宝石(PSS)衬底。     

ITO/Al复合透明导电薄膜对紫外LED光电性能的提升

通过在氧化铟锡(ITO)薄膜上蒸镀金属Al,获得ITO/Al复合透明导电薄膜,研究了不同退火条件下不同Al金属层厚度的复合透明导电薄膜的方块电阻和在紫外波段的透过率。结果表明,在ITO薄膜上蒸镀2 nm厚的Al层,经550℃退火后,金属Al在ITO薄膜上形成粒径约为10 nm的颗粒,增加了薄膜表面的粗糙度,得到的复合透明导电薄膜的方块电阻和在紫外波段透过率的综合性能最佳,在360～410 nm波长的平均透过率大于95%,且方块电阻为22.8Ω/□。采用ITO/Al(100 nm/2 nm)复合透明导电薄膜制备了390 nm紫外发光二极管(LED)芯片(尺寸为325μm×275μm),与用ITO薄膜制备的LED芯片相比,其光电转换效率提升了约3%,饱和电流提升了15.00%,饱和光功率提升了15.04%。研究结果表明,采用ITO/Al复合透明导电薄膜可有效提升紫外LED的光电性能。