当前硅基LED量子阱相关特性及芯片p面技术研究综述

蒋振华

【摘要】LED技术是当前发展和应用广泛的电子科技领域，在民用消费领域发展迅速，应用广泛，本文采用文献综述法，对硅基LED量子阱相关特性及芯片p面技术研究技术了进行了研究，目前为止，用于半导体照明的LED芯片按外延衬底划分有三条技术路线，即蓝宝石衬底LED技术路线，碳化硅衬底LED技术路线和硅衬底LED技术路线。目前，市场主流为蓝宝石基板，碳化硅基板虽然有其技术优势但由于价格昂贵成本上基本无竞争力，硅基板目前已成为全球LED供应商积极投入研发的基板材料之一。

【关键词】硅基LED；芯片p面；文献综述；芯片技術

硅衬底GaN基LED的研制成功，改写了以蓝宝石、碳化硅为衬底的GaN基LED的历史，相比前两种基板，硅基板具有其他衬底无法比拟的两大优势：第一，硅材料比碳化硅和蓝宝石要便宜很多，而且容易得到大尺寸的衬底，这将显著降低外延材料的生长成本；第二，硅衬底半导体照明外延材料，非常适合走剥离衬底薄膜转移技术路线，为开发高效率高可靠性半导体照明芯片具有得天独厚的优势。是一条更具发展潜力的LED产业化技术路线，吸引了全球数十家研究单位和公司投入相关研究。

一、硅衬底GaN基LED发展趋势

在硅衬底上生长GaN材料与在蓝宝石、碳化硅衬底上生长相比，应力状态迥然不同，应力影响材料的极化，特别影响了作为有源层量子阱的生长特性和极化特性，进而影响LED的发光效率。同时，LED发展至今，在发光本质方面仍有不少重要的物理问题未搞清楚。另外，衬底不同决定了芯片端制造方面的差异化，硅材料与蓝宝石、碳化硅相比，物理、化学及加工特性方面有很大差别，通常用在蓝宝石基LED的芯片加工技术大部分不再适用于硅基LED，因此，发展一条先进的可产业化的硅基LED芯片制造技术同等重要。本文从量子阱相关特性及芯片技术两个方面着入研究，一方面改变量子阱的生长工艺、结构设计，通过光致发光（PL）、电致发光（EL）、荧光（FL）等手段分析量子阱的发光特性。另一方面改进芯片p面接触，优化p面钝化，探索出一条电镀金属基板的硅基TF芯片技术。

二、硅衬底GaN基LED发展研究概述

1.通过研究具有单色单量子阱及单色多量子阱的硅基绿光LED的变温EL特性，发现与单色多量子阱相比，单色单量子阱LED具有更低的工作电压，小电流密度段（1～10A/cm2）具有更大的发光效率，在小电流应用方面具有更大的优势。

2.通过研究具有单色及多色量子阱的硅基绿光LED在低温下的光谱行为，发现在低温小电流密度（～10-1A/cm2）时，多量子阱LED的发光主要来自靠近n-GaN的量子阱，在低温中电流密度时（1～10A/cm2），靠近p-GaN的量子阱的发光占主要地位，在大电流密度段（～102A/cm2）时，最后一个阱的发光趋于饱和，中间量子阱的发光开始逐渐占有明显的地位。

3.建立了一个变温EL-IQE曲线与量子阱能带倾斜之间的定性关系，通过应力调制的量子阱能带倾斜模型，较好地解释了单色单量子阱和多量子阱LED在变温变电流时的众多EL特性。

4.通过研究IQE和FWHM随电流密度的变化特性，发现低温下载流子可能优先在量子阱局域态中发生复合，并在低温100K下观察到了与此相关的发光情况。

5.报道了硅基绿光LED的最高EL-IQE：工作状态下（52A/cm2），SQW-LED（@522nm）室温下的IQE为26.3%，同波长的MQW-LED为40.7%。

6.研究了量子阱个数对硅基绿光LED光学特性的影响。结果表明，4J样品的发光效率最高，2J样品的发光效率最低。荧光显微图片并非越均匀对应的发光效率越高，2J样品具有最均匀分布的荧光显微镜图片，却具有最低的发光效率。

7.采用垒掺杂的手段实现不同位置的阱发光，不同位置的垒掺硅对EL波长的影响较大。工作状态下，具有两个发光阱样品的发光效率最低，四个发光阱样品的发光效率最高。另外，垒掺杂能够使FL的均匀性明显变好，掺硅垒的位置离注入层越近，反压越低，ESD性能也越差。对比了注入层掺硅与注入层不掺硅的样品，实验现象一致反映，阱前掺硅量增加引起量子阱受到的压应力增加。

8.通过在硅衬底LED薄膜p-GaN表面蒸发不同厚度的Ni覆盖层，将其在N2：O2=4：1的气氛中、450℃-750℃的温度范围内进行退火，在去掉薄膜表面Ni覆盖层之后制备Pt/p-GaN欧姆接触层。实验结果表明：退火温度和Ni覆盖层厚度均对硅衬底GaN基LED薄膜p型欧姆接触有重要影响，Ni覆盖退火能够显著降低p型层中Mg受主的激活温度。经牺牲Ni退火后，p型比接触电阻率随退火温度的升高呈先变小后变大的规律，随Ni覆盖层厚度的增加呈先变小后变大随后又变小的趋势；经过优化后，当Ni覆盖层厚度为1.5nm，退火温度为450℃，Pt与p-GaN比接触电阻率在不需要二次退火的情况下达到6.1×10-5Ω·cm2。

9.利用硫酸双氧水选择性腐蚀经牺牲Ni退火后的LED薄膜表面。结果表明，经牺牲Ni550℃退火后，薄膜表面开始受到破坏，且随退火温度的升高，受破坏的程度增加。退火后的LED薄膜经沸腾硫酸双氧水腐蚀后，表面出现明显的腐蚀坑，我们认为这种腐蚀坑可能与材料内位错在表面的露头及由于重掺杂、量子阱内V型坑引起的p型材料的极性反转有关，且牺牲Ni退火促进了这种腐蚀坑的形成和长大。

10.讨论了金属或者绝缘材料作为p面钝化材料的可行性。通常用作n型接触的Cr，在银合金条件下完全可以达到p面钝化效果。最后讨论了是否能够选择不导电的绝缘物作为p面钝化材料，结合硅基TF芯片工艺对其进行了可行性论证：若LED芯片工艺过程不存在大应力作用，采用氮化硅、氧化硅或PI等作为p面钝化材料是可行的。

11.通过电镀的方法分别将Si衬底GaNLED薄膜转移至铜铬、铜镍基板上，并制备成不同电镀基板的LED芯片，芯片加工过程中，LED薄膜由张应力变为压应力，随后压应力不断得到释放，通过对比不同电镀金属基板LED芯片在力学、热学、光电等方面的性能可知，电镀铜镍基板LED芯片的散热性能更好、波长漂移特性更佳、力学特性以及伏安特性更加可靠。

三.结束语

硅衬底GaN电镀金属基板LED芯片的研制成功，进一步降低了LED的制备成本。以上研究结果已在本单位863计划相关课题研究和相关产业化过程中得到应用，取得了较好的效果。

参考文献

[1] 刘红，LED产业技术及研究进展[J]，上海第二工业大学学报， 2011-06

[2] 中国LED产业概况[J]，电子工业专用设备 ，2007-11-10

[3] 陈小华，CPK在LED芯片制造过程中的应用[A]，第十二届全国 LED产业研讨与学术会议论文集[C]2010-09