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中山大学硕士学位论文 论文题目：g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制备 专业：光学 硕士生：黄智聪 指导教师：王钢 摘要 发光二极管( l e d ) 是一种固态冷光源，其具有节能、环保、寿命长等特点。发光二级 光被称为继白炽灯和荧光灯后的第三代照明光源。现在提高l e d 的发光效率是l e d 的主 要研究方向。 本文主要研究g a n 基大功率蓝光l e d 的设计和制作，以实现提高l e d 发光效率的 目的。主要工作有两部分：一是电流扩展模型的建立及芯片电极设计，电极的优化能够 使l e d 的电流分布更加均匀，提高l e d 的功率效率；另外一个是基于阳极氧化铝的图形 掩模的制作，该掩模能应用于图形衬底或者表面粗化，提高光提取效率。 本文在现有文献报道的模型基础上建立电流扩展模型，利用模型分析蓝宝石衬底大 功率l e d 有源区的电流扩展情况。将芯片的发光情况与模型模拟所得的有源区电流分布 情况进行对比，验证模型的正确性。分析l e d 各层参数，电极形状对于l e d 芯片有源区 电流分布的影响。从而提出对l e d 芯片的设计思路。 本文还提出一种基于阳极氧化铝的制作图形衬底掩模的方法，并在实验上做出规则 的掩模，对图形衬底的生产提出一种可行的方法。 关键词：发光二极管( l 印) 电流扩展模型图形掩模 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制备 t i t l e ：d e s i g na n df a b r i c a t i o no fh i g h - p o w e rg a n b a s e dl e d m a jo r ：o p t i c s n a m e ：z h ! c o n gh u a n g s u p e r v i s o r ：g a n gw a n g a b s t r a c t l i g h t e m i t t i n gd i o d e ( l e d ) i sac o o ll a m pw i t hc h a r a c t e r i s t i co fl o w - c o s t ，l o n g - l i f e ， e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o mi tw a sf o r e c a s t e dt h a tl e dw i l lb ed et h i r dg e n e r a t i o nl i g h t i n ga f t e r i n c a n d e s c e n ta n df l u o r e s c e n tb u l k s n o wt h em a i nr e s e a r c ht a r g e to fl e di sh o wt oi m p r o v e t h el i g h t o u t p u tp e r f o r m a n c eo fl e d t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g na n df a b r i c a t i o no fh i g h - p o w e rl e di no r d e rt oi m p r o v et h e l i g h t - o u t p u tp e r f o r m a n c eo fl e d t h ep a p e ri n c l u d e st w op a r t s f i r s ti st od e v e l o pac i r c u i t m o d e lo fc u r r e n ts p r e a d i n g o p t i m i z a t i o no fe l e c t r o d ew i l lm a d et h ec u r r e n ts p r e a d i n gm o r e u n i f o r ma n di m p r o v e dt h ep o w e re f f e c t i v eo fl e d t h eo t h e ri st h ef a b r i c a t i o no fg r a p h i c m a s kb a s e do na n o d i z e da l u m i n u m t h em a s kc a l lh eu s ei n p a t t e r n i n g s u b s t r a t ea n d r o u g h e n i n gs u r f a c et oi m p r o v el i g h te x t r a c t i o ne f f i c i e n c y i nt h i sp a p e rt h ec u r r e n ts p r e a d i n gm o d e li sd e v e l o p e do nt h ee x i s t i n gl i t e r a t u r e w i t ht h e m o d e l , w ea n a l y z et h es i t u a t i o no fc u r r e n ts p r e a d i n gi na c t i v er e g i o n w ec o m p a r et h el i g h t i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o na n dt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o no f t h ea c t i v er e g i o n , t ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s s o f m o d e l w ea n a l y z et h ee f f e c to f p a r a m e t e r so f e a c hl a y e r , t h ee l e c t r o d es h a p eo f t h el e d i nt h i sp a p e rw ep r o p o s eam e t h o dt of a b r i c a t et h em a s k ，w h i c hi su s e di nr o u g h e n i n g s u r f a c e ，b a s e do na n o d i z e da l u m i n u m k e y w o r d ：l i g h t - e m i t t i n gd i o d el l e d ) ，c u r r e n ts p r e a d i n gm o d e l ，m a s ko fp a t t e r n e ds u b s t r a t e 中山大学硕士学位论文 中山大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“中山大学硕士、博士( 硕士) 学位论文版权使用规定”， 同意中山大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权中山大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名。茎坌至垦 导师签名： 兰生吐月王日 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：茜镯郅、 日期：州。年乡月 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论 文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非 赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文 的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：茜习也， 导师签名：学位论文作者签名：馒嗡夕1 乜，导师签名： 日期：舢z p 年石月7 日 日期：弦厂。年6 月f 日 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成果，该成 果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后 以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面许 可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名公布学位论文成果。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：羲镭氍， 日期：凇z 。年占月了e t 中山大学硕士学位论文 第一章l e d 简介 1 1 、l e d 的发展历史 l e d 的发展初期是伴随着生长材料的发展而发展的( 图1 1 ) ；直到进入大功率l e d 的 时代以后，为了进一步提高l e d 的内量子效率、外量子效率和出光效率，人们开始研究 芯片的生长条件、芯片结构和芯片封装结构。 最早h j r o u n d 1 于1 9 0 7 年在无机半导体中发现发光现象。第一只商用l e d 诞生于 1 9 6 8 年，当时所采用的材料是g a a s p ，发出的是仅有o 1 1 m 形的红光( 九= 6 5 0 n m ) 。进 入了7 0 年代中后期，铟l n 和氮n 被引入到外延生长中，出现了绿光( 允= 5 5 5 n m ) ，黄 光( 允= 5 9 0 n m ) 和橙光( a = 6 1 0 n m ) 的l e d ，其光效也达到了1 m 矿。由于出光颜色 的多样化，l e d 在各种特种环境下得到大量的应用。同时l e d 大规模生产也使得l e d 的 价格直线下跌。8 0 年代，a i g a a s 【2 】材料的液相外延生长技术的成熟使a i g a a s g a a s 量子 阱在l e d 结构中得到应用，将l e d 的发光效率提高到l o l m w 。9 0 年代，四元材料a i i n g a p 成为主流，它以晶体质量优良，效率高等特点成为了高亮度l e d 材料的主流。 早期的蓝光l e d 材料主要是i i 族材料。但由于其重掺杂困难形成不了很好的p n 结，i i 族l e d 存在可靠性比较低，寿命不长等缺点。v 族g a n 材料生长技术的突 破之后，蓝光l e d 才得到推广。但有两个巨大的难题制约了g a n 基l e d 的发展【3 5 】：一 是g a n 单晶难以制备，因为缺少晶格常数和热膨胀系数都与之相匹配的衬底材料；二是 p 型g a n 的掺杂困难，难以获得高的空穴掺杂浓度。直到低温缓冲层技术【6 】的发展，g a n 的晶体质量才得到改善，g a n 基蓝光l e d 的光效得到大幅度的提升，寿命问题也得到了 解决。1 9 9 2 年后i n g a n 外延生长技术的发展，使i n g a n g a n 双异质结( d h ) l e d 7 】得到 了实现。1 9 9 5 年，- n a k a m u r a 等人开发出i n g a n 单量子阱( s q w ) l e d 8 】，紧接着多量子阱 ( m q w s ) 结构的问世，使得l e d 的量子效率大大的提高。随着生长、芯片、封装等各个 方面技术的发展【9 1 2 】，g a n 基l e d 的发光强度达到照明、显示等的需求。特别在照明 行业，荧光粉材料的发展，使白光固体照明成为可能，并有取代原有传统照明的趋势。 大功率白光l e d 被称为继白炽灯和荧光灯后的第三代照明光源。 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制各 一 ： 啪筑。 ，篆i 毳馨气”；= 一一一、哆彰毋 一 ；一一一7 一一一一1 、：5 ，t 09 12 、l e d 的概念 121 、o a n 基材料的基本特性【1 3 g a n 基材料指的是g a n 、a i n 、i n n 及其台金化合物等。在一般条件下，它们是以六 方对称性的纤锌矿存在的，但在一定条件f 。也能以立方对称性的闪锌矿存在。而g a n 足i 族氮化物中的基本材料。g a n 材料带隙为3 4 e v 1 4 】，因此g a n 为蓝光l e d 的理想 材料。g a n 材料坚硬，其化学性质稳定，在室温下不溶于水、酸和碱，其熔点约为1 7 0 0 。但含有c i 离子的腐蚀剂对其有较好的刻蚀效果。g a n 材料热稳定性好，热导率高。 高电子迁移率也是g a n 材料的突出特征，目前g a n 常温下的电子迁移率最高可以达到 9 0 0 c m 2 ( v s ) 1 s l 。未掺杂的g a n 在各种情况下都呈现n 型，在蓝宝石衬底上生长的g a n 样品的n 型本地载流于浓度都较高。 当前商用的g a n 器件普遍采用蓝宝石衬底( a 1 2 0 小s i c 衬底、s i 衬底等。衬底的选择 要考虑晶格失陪，热膨胀系数等因素。s i 衬底价格低，尺寸大，加工集成比较方便，但 s i 衬底与g a n 的热失陪很太。s i c 衬底的质量最好但价格昂贵，不适合大量生长。蓝 宝石衬底价格相对便宜，生长工艺最成熟，现在大部分l e d 都是采用蓝宝石衬底。但现 在蓝宝石衬底l e d 存在以下的缺点：( 1 ) 存在较大晶格失配和热失配，导致g a n 外延质 量不好，缺陷和位错较多。( 2 ) 蓝宝石的导热性较差，不利于g a n 器件的散热。( 3 ) 蓝宝 石是绝缘物质，只能制作正装或倒装结构的l e d ，n 、p 电极都在芯片的同侧，这样减少 了有源区的面积。 12 2 、l e d 的发光原理 1 6 1 8 半导体内部的电子吸收一定能量的光会被激发，处于激发态的电子也会自发跃迁到 一#_；e3己#!=u 中山大学硕士学位论文 低能级处，同时发出一个光子以释放能量。电子从高能级跃迁到低能级并发出光子的过 程就是半导体发光现象。 l e d 就是这样一种电致发光器件，其基本结构是p n 结。当p n 结正向偏压的时候， 少数载流子进入p n 结，在载流子传输是不断复合发光。这种发光就是载流子受电流激 发后复合而形成的，这是一个由电能转化成光能的过程。 ( 1 ) p n 结注入发光 1 6 - 1 8 1 平衡状态下的p n 存在一定的势垒区，其能带图见1 2 a 。当向p n 结施加p 区为正， n 区为负的正向偏压v ( 0 ) 的时候，势垒高度会下降v ，势垒区的内建电场会变小。从n 型区扩散到p 型区的电子会增加；同时，从p 型区扩散到n 型区的空穴也会增加。这些 由n 区到p 区的电子和p 区到n 区的空穴就是非平衡少数载流子。这些少数载流子在扩 散长度内不断与多数载流子进行复合而发光( 图1 - 2 b ) ，而这里的扩散长度一般会比势垒 宽度大得多。这就是p n 结注入发光的基本原理。g a a s 发光二极管就是这种p n 结注入 发光的典型例子。 占； m ) 4 1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 空穴流 图1 2 注入发光能带图( a ) 平衡态下的p n 结( b ) 正向偏压下的p n 结 e ； ( 2 ) 异质结注入发光 1 6 1 8 】 异质结指的是两种不同的半导体相接触形成韵界面区域。采用异质结结构能够有效 的提高少数载流子注入的效率。异质结的能带图见图1 3 a 。由于p 区和n 区的禁带宽度 是不同的，p 区和n 区之间的势垒是不对称的。当加载正向偏压的时候( 图1 - 3 b ) ，势垒 高度降低。当势垒降低到p 区、n 区的价带高度相同的时候，禁带较宽的区域( 图为p 区) 的空穴就能无阻碍的向禁带较窄区( 图为n 区) 扩散，这时空穴就是少数载流子。势垒的 存在使得电子不能够由n 区向p 区扩散。因此p 区的空穴就会在n 区中发生复合，发出 光子。这样p 区就成为注入源，n 区就成为发光区。当在发光区所发出的光子能量要枷 小于注入区的禁带宽度时，光子在注入区不会发生吸收，可以认为禁带较宽的注入区对 出射光是透明的。禁带较宽的p 区不仅仅作为注入区存在，还是光的透射窗口。 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制备 ( a )( b ) 口矿厂一 口矿l ooo p 型 图1 3 异质结注入发光能带图 ( 3 ) 量子阱发光原理图【1 6 1 8 】 量子阱是指两种不同的半导体材料间隔形排列而成的、具有明显量子效应的或空穴 的陷阱。随着异质外延材料技术的发展，量子阱等材料结构应用在半导体发光之中。例 如在禁带较宽的g a n 上生长一层薄薄一层禁带较窄的i n 。g a l 嗡n ，再在上生长一层g a n 材料，这就形成了量子阱，其能能带图见图1 - 4 。当注入电流时，在电子迁移的过程中， 就会掉进势阱中，只要i n 。g a l 嘎n 足够薄，电子和空穴就可认为处于量子阱中间。势阱宽 度很窄，电子被限制在几个到几十个原子的量子阱中间，能量就会发生量子化，出现分 立能级。电子在分立能级之间跃迁而发光。 图1 4 量子阱发光原理图 1 2 3 、l e d 的基本结构 现在大部分l e d 都是用m o c v d 的方法在衬底上外延生长半导体材料，现在采用的 衬底一般是蓝宝石( a 1 2 0 3 ) 和碳化硅( s i c ) ，而硅( s i ) 和氧化锌( z n o ) 等衬底材料由于技术尚不 成熟，还没实现商用化。先通过外延生产方法在衬底上生长一层非掺杂的g a n ( u g a n ) ， 中山大学硕士学位论文 再在u - g a n 上生长一层n g a n ，这层材料是通过掺杂s i 来实现。n - g a n 上面即是有源区， 有源区可以采用p n 结、双异质结、多量子阱等结构，现在大多数采用多量子阱结构 ( m q w ) 。最后生长一层掺杂m g 的p - g a n 。这就是外延片的基本结构( 图1 5 ) 。 p n n d o p e d g a n ：2 轴珊 蹴臻e 1 2m l x l 加w e l l ：2 n 憋鼬砌铡 g a n 皿| v b a r r i e r 1 2 n - d o p e dc 蠢n 。3 加：2 脚 u 州g a 肫1 s p m c - p l m m 1 2 0 f4 l 蕊 图1 - 5l e d 外延片基本结构示意图 l e d 的芯片结构主要有三种：正装结构、倒装结构和垂直结构。 正装结构l e d 制作简单，但由于电极的存在而牺牲了一部分发光面积。由于p - g a n 的载流子浓度低，则要在p - g a n 上镀上一层透明导电层，这样就会存在光的损失。而且 这中结构的热量需要从芯片下部蓝宝石衬底处导出，这就导致了l e d 的出光效果和散热 效果都不好。 倒装结构的出现就刚好解决了正装结构散热不好，效率低的问题。光在芯片中的路 径是经过蓝宝石衬底( 或者先在芯片底部反射后经蓝宝石衬底) 再出射的环境中。所以倒 装结构还有一个好处就是，蓝宝石衬底的折射率( n = 1 7 5 ) 和环氧树脂( n = 1 5 6 ) 的折射率比 较接近，而g a n 的折射率是n = 2 3 ，所以光从蓝宝石衬底出射到环氧树脂的全反射角较 大，光的提取效率就较高。另外，l e d 的主要发热是在有源区，而在这种结构下有源区 距离热沉比较接近，可以达到优良的散热效果。 正装结构和倒装结构都存在的问题是，它们都需要利用i c p 进行刻蚀得到n 电极， 这样既牺牲了一部分发光区，也对有源层有所损伤，降低内量子效率。同时两者都存在 着横向电流扩展的问题，要实现电流分布均匀也存在着难度。垂直结构l e d 是利用衬底 剥离技术将蓝宝石衬底去掉，直接在n g a n 上制作电极，从而产生垂直结构l e d 。这种 结构同时具备发光面积大，散热效果好等优点。 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制各 ( a l 正装l e d 盟重 ( b j 倒装l e d忙) 垂直l e d 图卜6 三种l e d 芯片结构 目前也有很多新颖的l e d 被设计出来，如基于表面等离子的l e d 1 9 ，将电荷耦舍为 表面等离子再通过光栅将其耦合为光子释放出来。如图 7 所示。 图卜7 表面等离子体l e d 124 、白光l e d 的混光原理【2 0 - 2 2 】 自光实际上是多种光谱的光混合而成的，如太阳技出的白光就是全光谱的光混合而 成的。l e d 由于其发光原理限制不可能发出全波长的光而实现发出白光。所以现在白光 l e d 一般是由两种或多种的光混合而成的，如二波长光( 蓝色光+ 黄色光) 或三波长光( 蓝色 光+ 绿色光+ 红色光l 。现在市场上的白光l e d 主要采用的技术如下： ( 1 ) 3 芯片型：利用光学三基色原理将红、绿、蓝三种高亮度l e d 混合成白光。这是 最好的合成白光的方法，显色性高但成本较高。而且因为三种l e d 的老化的时问， 所以需要反馈电路来控制三种l e d 发光的比例，以保持白光。这种方法一般只是 应用在l e d 显示上。 ( 2 j2 芯片型：利用互补的关系将青l e d 和黄绿l e d 封装在一起混色出白光。随着荧 光粉材料的发展，这种方法被替代。 ( 3 ) 单芯片型： a j 用蓝色l e d 芯片激发y a g 黄色荧光粉，用蓝光和黄光混合成白光。现在商用 中山太学硕士学位论文 l e d 大多采用这一种方法。 b ) 用i n g a n 芯片产生蓝光，用蓝光激励蓝绿红三种荧光粉混成白光。 c ) 用z n s e 蓝色芯片，从薄膜层发出蓝色光使基板被激励出黄色光的结构。不 过发光效率较差。 d ) 用紫外l e d 激发r g b 荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。荧光粉 的转换效率限制了这种方法的使用。 现在市场中的主要的白光l e d 的对比见表11 。 r e d + g r i n + b i em 川l e db l u e l e d + l x l e d + i e d s ，e n o p h o s p h o r”n r e dp h o s p h o n r g bp b o s p h o n 矽妒卜 黔眨 襄蓦裟 狐k 纸篓 圈1 8 制造白光l e d 的主要方法 五：歹一 心 鞣兰 且、b d = i hl i d p h o s p k o r e m i s s i o n 、i k p h o s p h o r e m j s s i o u 国匡 b g 臣止丑“ 曲刚 m b e e n 山，n l 疏i e n l m “h p o l e ”怒舞篇密”p o j b z ” m n 口m 帅j m b1，u、eled+dhoqoho一r(si g o o d f w r m m e k e ”r s a n d n 怕6 腑y u v l e d + r g b d h o 一h o f 岫h i o r r e , n d e h n g m n d u e i o u v p a c 岍m 口c 由n 图1 - 9 制造三种白光l e d 优缺点比鞍 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制备 表1 1 主要白光l e d 性能比较 紫外l e d + r g b蓝光l e d + 黄光 二元互补色r g b 多芯片组 荧光粉 荧光粉l e d 组合合 显色系数最好 一般 一般好 色稳定性 最好好一般一般 流明保持率未有数据 一般 好好 荧光材料 已有。较成熟 效率最好好一般好 应用白光照明背光源照明特殊照明显示 现在市场上用的最广泛的是第三种方法制造的白光l e d 。这种l e d 有的关键是荧光 粉的激发光谱必须与所用的l e d 发射光谱相匹配，这样才能得到最高的光转换效率，而 且蓝光和黄光必须匹配能混合称为白光。这种l e d 的作法通常是i n g a n 蓝光l e d ( 4 6 0 r i m ) 芯片上涂上一层y a g 荧光粉，利用蓝光激发荧光粉会产生与蓝光互补的5 5 5 n m 波长的黄 绿光，再利用投射原理互补的将黄绿光、蓝光予以混合，便可得出内眼所需的白光。这 种方法制作的白光l e d 的成本较低，其显色指数也能够达到8 0 以上。因其具有高的显 色指数，白光l e d 能够替代传统灯具用于照明，还能够替代冷阴极荧光灯管c c f l 灯管 作为液晶显示器的背光源。在用于照明时，还可以加入红光l e d 与这种白光进行混光， 来提高色温，不过伴随色温的提高的是显色指数也会相应的下降。 1 3 、l e d 的特点 l e d 被称为第三代照明光源，它具有环保，低功耗，长寿命，安全等优点。自它诞 生以来，其应用越来越广，从最初的电子产品、仪表的指示灯到现在的照明灯、大屏幕 背光源。 ( 1 ) 节能：l e d 是固体冷光源，其有很高的光效，现在市场上商用的白光l e d 光效，而 一般都能达到1 2 0 1 m 形以上，而最高可以达到1 5 0 i r a 形，已经超越了节能灯。而 且1 2 0 1 m 形的l e d 的价格已经下降到1 美元左右。在能源日趋紧张的今天，l e d 固 体照明具有重大的意义。 ( 2 ) 环保：l e d 作为半导体发光，在其制作的过程中不含汞，即不存在重金属汞的污染， 还能够废物回收。而且对于蓝光激发y a g 荧光粉的白光l e d ，其光谱中不存在紫外 及红外的部分，则无辐射，发热量少。这是最理想的绿色环保光源。 ( 3 ) 可靠性强：因为l e d 芯片被封装在环氧树脂里面，封装后的l e d 具有抗震，耐冲击、 不容易损坏等特点。而且光源的稳定性好，l e d 的寿命可以达到1 0 万小时。可以在 中山大学硕士学位论文 环境恶劣的地方正常运行而不担心会损坏。 ( 4 ) 直流低电压：单个1 w 大功率l e d 芯片的电压一般为3 v 。而做成的灯具供电电压一 般在2 4 v 以内，而且是直流供电，相比起其他高压光源更加安全。由于l e d 是直流 供电，l e d 不存在频闪的问题。 ( 5 ) 体积小：l e d 体积小，重量轻。l e d 芯片的尺寸3 0 0 1 m 1 2 0 0 p r o ，可以根据需求封 装成不同大小的器件，适用于多种不同的环境。 ( 6 ) 颜色多样化：禁带宽度不同的半导体材料可以生长出发出不同颜色光的l e d 。l e d 的 光谱覆盖范围是从紫外到红外，而且单色性较好。红外波段的l e d 还可以运用与通 信领域。短波段的还可以运用在医药等特种领域。而且白光l e d 具有很高的显色性， 并且色温可控制。可用于室内照明和室内外大屏幕显示。 中山大学硕士学位论文 第二章大功率l e d 的发光效率 21 、发光效率的组成 1 6 - 1 8 】 对于白光l e d ，发光效率是一个很重要的衡量标准，l e d 的发光效率由多方面的因 素决定。如图2 - 1 ，l e d 设备由5 种以上的相关参数决定。 o 8 5 i9 0 o l7 0 9 0 f v o r a g ei n p u t 垂7 。 8 5 圈巫 荤f 圈2 - 1 电流和目标效率 i q e = i n t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y 内量子效率q 。，是单位时间有源区发射光于数与 注入l e d 的电子数的比值。理想情况下，每一个电子空穴对会产生一个光子，即i q e = 1 0 0 。 q 。= ! 三 1 2 1 ) u 式中孵是辐射复合的光于数，g 为l e d 受激发时产生的电子空穴对数。 x ：e x t r a c t i o ne f f i c i e n c y 取光效率1 。，是从芯片进入空气的光子数与激发层中产生 的光子数之比。 螓 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制备 = 詈 ( 2 2 ) v r 式中从为出射的光子数。 g a n 材料的折射率很高，当光从g a n 出射到空间的时候存在着全反射现象，而且全 反射角比较小。当出射角大于全反射角的时候，光会在芯片内部反射，最终可能会被材 料或衬底吸收，这样不仅仅影响了出光效率，而且还会造成芯片发热而降低量子效率。 e q e - e x t e r n a lq u a n t u me f f i c i e n c y 外量子效率仇，提取出来的光子数与注入电子空 穴对数之比。外量子效率可表示为内量子效率和光提取效率的乘积。 旷m a 墨g 等= 鬻 ( 2 3 ) e l e c t r i c a le f f i c i e n c y - 功率效率玑，指的是电子能量对光子能量的转换效率。功率效 率英文名称还有：p o w e re f f i c i e n c y ，w a l l p l u ge f f i c i e n c y 。 仉：祟 ( 2 4 ) e y 月 式中v 为光子的频率，加即为光子能量，e 为电子电量，圪为施加的电压。这个 施加电压是由二极管的特性决定的，在给定功率下施加电压应该尽可能小以达到输入 电流的最大快。当二极管的电阻十分小的时候，施加的电压约等于二极管的开启电压。 开启电压大约为材料的禁带宽度除以电子电量。 对于l e d 器件，其出光效率还要取决于其它几个因素：荧光粉效率( 如：蓝光激发y a g 荧光粉产生黄光的效率) ，散射损失，颜色混合损失等。 而且在l e d 效率之中，外量子效率是最低的，所以提高外量子效率是提高l e d 灯具 总效率的最重要的部分。 2 2 、提高l e d 发光效率的方法 2 2 1 提高内量子效率 现在蓝光l e d 采用i n g a n g a n 多量子阱结构替代早期使用较厚i n g a n 作为有缘层发 光。改变量子阱中l n 的组分就可以是出射光谱范围增大，从蓝光一直到黄光。而且采用 量子阱结构可以使出射光的频谱更加狭窄。 提高l e d 的内量子效率的最根本方法是改善l e d 的外延生长质量。因为晶体里面的 晶格缺陷和杂质能级会导致载流子的非辐射复合，使内量子效率降低。而且非辐射复合 会产生声子，产生热量，热量的聚集会影响的芯片的可靠性和寿命。现在l e d 外延生长 采用的衬底一般是蓝宝石衬底，蓝宝石衬底与g a n 之间存在着严重的晶格适配。异质外 中山大学硕士学位论文 延生长会产生位错，这些位错就是非辐射复合的中心，严重影响芯片的性能和寿命。降 低位错的方法一般有低温缓冲层技术和横向外延过生长技术。低温缓冲层技术是指在蓝 宝石上生长g a n 材料之前先生长一层低温g a n 或a i n 作为缓冲层【6 】，再进行高温g a n 的生长。横向外延过生长技术就是先在蓝宝石衬底上生长一层g a n ，再沉积一层s i 0 2 ， 并在其上刻蚀出图形，然后再其上继续生长g a n 。 2 2 2 提高功率效率 对于理想的l e d ，外加的电压会全部落在p n 结上。但实际上l e d 半导体内部各个成 份本来就存在着电阻，电极与l e d 之间还存在着接触电阻，这些电阻就会降低l e d 的功 率效率。所以要提高l e d 的功率效率可以从以下两个个方面下手：提高p 型g a n 的电 导率，减少接触电阻。 p 型g a n 的掺杂浓度的提高一直是制约l e d 发光效率的重要因素。现在常用的是通 过m g s i 共掺杂调整极化场等方法提高p 型的掺杂浓度，空穴的浓度一般可以到达 1 0 1 8 c m 量级。 减少接触电阻的方法就是做好芯片的欧姆接触。好的欧姆接触能够降低l e d 的开启 电压，增大电流密度。大的电流密度能够保证更多的载流子能够复合发光。接触电阻减 少能够减少串联电阻，从而减少由欧姆接触产生的功率损失，降低热量的产生，延长芯 片的寿命。p 型g a n 的载流子浓度较低，电阻率较大，这样会影响电流在芯片中的扩展， 影响出光效率。一般解决方法是在p 型g a n 上镀一层透明导电层( 如i t o ，n i a u 等) ，再 在上面做电极，并对电极的形状进行设计 2 3 】，这样能够增大电流密度，使电流扩展更 加均匀。而欧姆接触金属的选择也是关键。一般n 型电极采用t i a l ，p 型采用n i a u 等 【2 4 】。 2 - 2 3 提高光提取效率 降低光提取效率的原因主要有两点：一是半导体材料的光吸收，二是芯片与芯片外 物质( 如封装用的环氧树脂) 之间的全反射。材料的光吸收是不可避免的，所以提高光提 取效率的方法主要是降低全反射的损耗。 由于全反射的存在，有源层发出的光只有一部分从芯片正面透射出来。有部分的光 经过多次反射后从芯片的侧面输出，要利用这部分的光则对芯片的封装技术提出了较高 的要求。有部分的光就是在被多次全反射后被晶格吸收，成为热量，严重影响l e d 光 提取效率和寿命。特别是对以大功率的l e d ，芯片尺寸的增大相应的增大了全反射的路 径，损失的光就变得更多。提高大功率l e d 的光提取效率的方法有以下几种： g a n 基丈功率l e d 芯片优化设计与制备 ( 1 ) 正面芯片的电极设计 正面出光的大功率l e d 结构，有源区的发出的光经过芯片表面的透明导电层l - 般是 i t o 或者n i a u j 后会有损失，而且表面的p 型电极也会遮挡出光。如果减少透明导电层 的厚度，就会影响大电流下p 型g a n 上的电流扩展，电流分布会变得不均匀。这里就需 要对电极形状进行设计1 2 剐，对透明电极进行厚度进行优化，尽可能提高电流的扩展效 果，使电流更加均匀。 f 2 ) 芯片倒装工艺 l u m i l e d s 公司最早开发出倒装技术。首先制各出具有适合倒装封装的l e d 芯片f 2 s 2 6 ( f l i p c h i pl e d ) 。同时制作相应的硅基板，并在上面制作相应的导电层。然后将倒装的 l e d 芯片和硅基板焊接在一起。倒装结构的l e d 以蓝宝石衬底处作为出光面这样就能 有效的解决出光和散热的问题。而且只要对蓝宝石进行适当的减薄，在p 型g a n 上镀一 层反射层，就能大大提高出光效率。但这种结构同样存在这电流横向扩展不均匀的问题， 需要对电极进行设计。现在陶瓷基板以其优秀的导热性能、便宜的价格成为昂理想的基 板材料。同时能够更方便的对电路进行集成，提高一体化的程度。 n t u mw lp o s i t i o nm s e t - d 】v lm l m n 2 2 2 1 t w 图2 - 2 倒装的l e d 芯片1 2 剐 ( 3 1 3 合理的芯片外形设计。 由于全反射现象的存在，使得光不能有效的射出芯片，而使得光在不断反射过程中 被有源层及自由载流子吸收，造成光损失。而在在芯片中反射的次数越多，路径越长 这种损失更多。为了改变这种情况，可以设计菲平衡界面的苍片形状，使光在芯片内经 过尽量少次的反射以后出射到芯片外。这种技术在1 9 9 9 年被提出【2 7 】，图2 3 则为倒金 字塔形的芯片这种芯片为垂直结构l e d ，p 型和n 型电极分别位于芯片底部和顶部。 这种技术是先将芯片倒置再将芯片4 个下角切去。斜面与垂直方向成3 s 度角。这种 结构能有效减少全反射带来的影响，提高光提取效率。这种方法的缺点就是每个芯片都 lmlu9j 中山大学硕士学位论文 要进行加工，而且工艺比较复杂，难以大量生产 ，m 图2 - 3 倒金字塔型l e d 实物图( a ) 和出光示意图( b ) 【2 7 】 ( 4 l 村底剥离及村底转移技术。 先按照传统的l e d 生长技术在蓝宝石衬底上生长出l e d ，在用激光剥离【2 8 ，2 9 】或者 湿法腐蚀 用硫酸和磷酸的混台溶液邝o 】的方法将衬底去掉，然后将芯片连接到导体材料 上恤】铜c u ，制作成l e d ( i 虱2 - 4 ) ，提高了出光散热效果。或者先用金属键合等方法将p 型g a n 和金属连接，作为热沉，然后再去除蓝宝石衬底再在n - g a n 上制作电极，制 作成垂直结构l e d 。 激光剥离技术是利用2 4 8 n m 的紫外光不会被蓝宝石吸收但会被外延层界面的g a n 吸收的原理t 当g a n 局部温度加热到9 0 0 c 以上时，g a n 会分解成氮气高压氮气会将 外延层与衬底分离。但这种激光剥离技术在加热和压力释放的时候会对外延层有所损 伤，降低l e d 的内量子效率。 图2 - 4 衬底剥离及村底转移技术 ( 5 ) 表面粗化技术 3 1 3 4 】 通过对芯片内部或者表面的几何图形的粗化，实现出光角度的随机化，减少出射光 的全反射- 提高光提取效率。这种方法是有日亚( n i c h i a ) 晟早提出的。粗化的形式有两种： g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制各 一种是在芯片表面进行租化，粗化的位置包括透明导电层【琨3 4 ) l 图2 - s ) 和芯片侧壁【3 刘 等；另外一种粗化是在芯片内部，内部的粗化也分在p 型g a n 相化或者在衬底上粗化。 在p 型g a n 上的粗化容易造成p 型g a n 表面缺陷增多，影响电流的扩展，甚至可能破 坏有源层，降低了内量子效率。芯片内部粗化是指在衬底上租化，也可咀说是图形衬底 的技术。图形衬底的形状还可以经过设计，已达到你需要的出光效果。图形衬底不仅仅 能够太高光提取效率还能够提高外延的生长质量。 毒曙， 1 妒。j x 岛d 囤2 - 5 用氧化铝粉末的表面粗化l e d 图2 带双面租化的倒装l e d 1 6 ) 反射层设计口t3 6 】 反射层结构中最常用的是分布式布拉格反射层d b r ( d i s t d b u t e db r a g gr e f l e c t o r ) 。d b r 最先是采用在垂直腔面发射激光器v c s e l ( v e r t i c a lc a v i t - s u r f a c ee m i t t i n g l a s e r ) 上，后来则 发现用在l e d 也可以达到提高外量子效率的作用。2 0 0 0 年，nn a k a d a 3 5 提出将d b r 用 于g a n 基l e d 上。nn a k a d a 在衬底和有源区之间交替生长两种折射率不同的材料 ( a i ，g a i + n g a n ) ，形成布拉格反射层旧2 7 j 。能够将射向衬底的光反射回芯片表面或者 侧面，减少村底对光的吸收，提高出光效率。这种方法的缺点就是层数的增加会影响晶 体的生长质量，影响内量子效率。 中山大学磺士学位论文 图2 - 7 带d b r 结构的i n g a nl e d 3 5 1 ( 7 ) 光子晶体技术 3 7 _ 4 0 】 光予晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ，p c ) 是上世纪8 0 年代提出的新概念。如果将光子晶体p c 结构引入到l e d 中，并调节p c 的结构参数来改变其禁带频率与有源区的自发辐射频率 的关系，则可使得有源区发射出的光沿着所设计的方向射出芯片。p c 可以使光以泄露 模式存在限制其传导模式，使l e d 的光输出效率提高。因此，光子晶体l e d 是一种具有 发展前途的l e d 器件。 l u m i l e d s 公司在g a nl e d 上刻蚀出三角晶格结构，制作出光子晶体l e d ，其光提取 效率据称可以达到7 3 。a ae r c h a k 等发现l e d 使用2 维光子晶体后，其有大约6 倍的 出光。 图2 - 8 光子晶体l e d 结构 g a n 基大功率l e d 芯片优化设计与制备 以上提高出光效率的方法并不是仅能使用一种，而是可以在同一芯片上运用多种技 术来提高出光效率。另外，芯片外部的封装也会影响l e d 的发光效率。所以提高l e d 的 发光效率是一个包括外延，芯片设计及工艺，封装等的综合性问题，要考虑多方面的因 素。 2 3 、本文的研究内容 本文主要研究大功率l e d 的设计和制作，以实现提高l e d 发光效率的目的。主要 工作有两部分：一是电流扩展模型的建立及芯片电极设计，另外一个是用于表面粗化的 图形掩模的制作。 首先，电流扩展模型的建立及芯片电极设计的内容分为3 点 1 、以现有文献报道的模型为基础，建立电流扩展的模型。 2 、利用模型分析大功率蓝宝石衬底l e d 有源区的电流扩展情况，并实验上制作的 l e d 芯片。将芯片的发光情况与模型模拟所得的有源区电流分布情况进行对比，验证模 型的正确性。 3 、n 分析l e d 各层参数，电极形状对于l e d 芯片有源区电流分布的影响。从而提出 对l e d 芯片的设计思路。 接着是图形掩模的制作： 该论文提出一种基于阳极氧化铝的制作图形掩模的方法，这中图形掩模能过适用于 表面粗疏和图形衬底等各种情况。并在实验上做出规则的掩模，对图形掩模的生产提出 一种可行的方法。 中山大学硕士学位论文 第三章大功率l e d 的电极设计 3 1 、引言 现在，g a n 基白光l e d 在固体照明有着广泛的应用。为了让l e d 有更好的出光效率 则需要电流在芯片中有良好的扩展。现在商业化的l e d 一般采用蓝宝石作为衬底。由于 蓝宝石衬底是绝缘物质，在不转移或者剥离衬底的前提下，n 型电极只能通过刻蚀的方 法来实现，即n ，p 型电极只能存在于芯片的同一侧。这种结构必然会出现电流横向导 电的问题，不均匀的电流扩展导致电流在