大功率GaN基LED芯片設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究.pdf

1、基于大功率發(fā)光二極管（Light Emitting Diodes，LEDs）的半導(dǎo)體照明被認(rèn)為是最有可能進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種新型節(jié)能照明光源。半導(dǎo)體照明廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵是提高氮化物L(fēng)ED芯片的發(fā)光效率。影響LED芯片發(fā)光效率的因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是電子轉(zhuǎn)化為光子的效率，一般也稱內(nèi)量子效率，一個(gè)是光子從LED芯片內(nèi)部出射的效率，一般也稱為取光效率，兩者共同決定了LED芯片的發(fā)光效率。因此探索提高LED芯片內(nèi)量子效率和取光效率的方法得到了廣

2、大學(xué)者的關(guān)注。然而目前的研究主要集中在小功率LED芯片。另一方面，大功率LED芯片的性能與其制造過(guò)程密切相關(guān)，芯片制造過(guò)程中的每一步工藝都會(huì)對(duì)LED發(fā)光效率、可靠性、耐久性等產(chǎn)生重要影響。然而，目前許多與大功率LED芯片制造相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題尚未完全解決，使得對(duì)大功率LED芯片的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及制造工藝中材料選擇、工藝參數(shù)控制等缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐。因此針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本文采用理論研究、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究的手段來(lái)研究提高LED芯片取光效率

3、的新途徑，并分析大功率LED芯片設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中材料、結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)對(duì)LED芯片性能的影響機(jī)制以及各制造工藝之間的相互關(guān)系，具體研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)方面:
　　1)采用基于幾何光學(xué)理論的蒙特卡羅光線追跡法全面地分析了LED芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料屬性對(duì)芯片取光效率的影響?；谟邢拊惴ń⒘薒ED芯片三維電-熱耦合模型，該模型綜合考慮LED芯片中的電流擴(kuò)展、熱的產(chǎn)生和傳遞過(guò)程，分析了大功率LED芯片的電極幾何形狀、ITO(Indiu

4、m Tin Oxide)透明導(dǎo)電層以及臺(tái)階深度對(duì)芯片有源區(qū)電流擴(kuò)展性能及溫度分布的影響規(guī)律。提出通過(guò)在大功率LED芯片上同時(shí)集成藍(lán)寶石圖形襯底技術(shù)和圖形化ITO技術(shù)提高大功率LED芯片取光效率的方法，采用藍(lán)寶石襯底上形成的周期性分布的半球形圖形打破GaN材料與藍(lán)寶石襯底之間的全反射界面，采用ITO透明導(dǎo)電薄膜上形成的周期性分布和隨機(jī)分布的圓形和六邊形圖形打破p-GaN與ITO透明導(dǎo)電層以及ITO透明導(dǎo)電層與空氣之間的全反射界面，從而顯著

5、的提升LED芯片光功率。
　　2)為了實(shí)現(xiàn)GaN材料的高速率、低損傷干法刻蝕技術(shù)，對(duì)電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma, ICP)刻蝕技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。采用Cl2/BCl3混合氣體對(duì)GaN外延層進(jìn)行刻蝕，通過(guò)掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy, AFM)、光致發(fā)光(Photolumi

6、nescence, PL)譜測(cè)試等表征手段研究了ICP刻蝕工藝參數(shù)主要包括氣體組分、ICP功率、RF功率和反應(yīng)腔體壓強(qiáng)對(duì)GaN刻蝕速率、微結(jié)構(gòu)形貌、表面粗糙度、缺陷以及光致發(fā)光譜強(qiáng)度的影響規(guī)律。提出采用兩步刻蝕方法對(duì)GaN外延層進(jìn)行深刻蝕，第一步刻蝕用于滿足刻蝕的速率和深度，第二步刻蝕用于去除第一步刻蝕對(duì)GaN材料造成的損傷。分析并得出了ICP刻蝕工藝中對(duì)GaN進(jìn)行深刻蝕和淺刻蝕兩種不同情況下的最優(yōu)工藝參數(shù)。
　　3)采用微加工技

7、術(shù)主要包括光刻工藝、刻蝕工藝、薄膜淀積工藝、剝離工藝和研磨拋光工藝等制作本文所設(shè)計(jì)的LED芯片結(jié)構(gòu)。采用剝離工藝制作金屬電極圖形;采用ICP干法刻蝕技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上形成直徑為3.5um、高度為1.2um的半球形圖形;采用濕法腐蝕技術(shù)在ITO透明導(dǎo)電薄膜上形成周期性分布和隨機(jī)分布的圓形圖形和六邊形圖形。為實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)LED芯片的低損傷襯底剝離，研究了一種采用機(jī)械研磨、化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)和ICP干法刻蝕技術(shù)相結(jié)合剝離藍(lán)寶石襯底的方法。

8、
　　4)建立了新型的LED芯片特征參數(shù)（光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和色度學(xué)參數(shù)）測(cè)試系統(tǒng)。提出采用曲線擬合法和查表法快速計(jì)算LED主波長(zhǎng)的方法，使LED芯片主波長(zhǎng)的計(jì)算精度達(dá)到0.1nm?；诮⒌腖ED芯片特征參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)本文所設(shè)計(jì)并制作的LED芯片進(jìn)行了測(cè)試，分析了藍(lán)寶石圖形襯底技術(shù)對(duì)大功率LED芯片光功率的影響，研究了ITO透明導(dǎo)電薄膜上圖形的形狀、直徑、間距以及分布方式（周期性分布與非周期性分布）對(duì)大功率LED芯片光電性能的影