（微电子学与固体电子学专业论文）图形化衬底led芯片的技术研究.pdf

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b a s e dl e de p i t a x i a lw a s g r o w n u s i n g m o c v d e q u i p m e n t s t h r o u g h l a t e r a l e p i t a x i a l g r o w t h m e t h o d ( i n c l u d i n g ：n - g a nq u a n t u mw e l l sa n dp - g a 如t h r o u g h t h i sa p p r o a c h , q u a n t u mw e l l l a y e ro fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sc o u l db eo n e - t i m eg r o w ns u c c e s s f u l l y t h e ne n s u i n gp r o c e s s i n g o fl e dp r o c e s s i n go ne p i t a x i a ls l i c e 1 kp h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) s p e c t r u mo ft h ee p i t a x i a l w a f e ro ff i g u r a t i v es u b s t r a t e 、析t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sw a sm e a s u r e d d i f f e r e n ts t r u c t u r e so f q u a n t u mw e l l sw h i c hc a u s e db yt h es i z ea n ds t r u c t u r eo ft h ed i f f e r e n tp a t t e r n e ds u b s t r a t eh a s g o tak i n do fi n f l u e n c e0 1 1l e dc h a r a c t e r i s t i c so fl u m i n e s c e n c e d i f f e r e n ts t r u c t u r e so nt h e s a m ef l o o ro ft h e q u a n t u m w e l l sw i l l p r o d u c t t w ok i n d so f w a v e l e n g t h so f l i g h t f u r t h e r m o r e ，t h ee l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( e l ) s p e c t r u mo fl e dc h i po fp a t t t e m e d s u b s t r a t ew i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa l s ow a sm e a s u r e d a n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t p a t t e r n e ds u b s t r a t eo nw a v e l e n g t hi sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e nw ea l s oh a v eg o ta p p r o a c h o np r o d u c t i o np r o c e s so fl e dc h i p so l lt h eb a s i so fl a r g ea m o u n to fe x p e r i m e n t 1 1 1 ek e y p r o b l e m so ft h et e c h n o l o g yw a ss o l v e da n dt h el e dc h i p 、 ，i t l le x c e l l e n tp e r f o r m a n c ew a s f a b r i c a t e d k e yw o r d s ：p a t t e r n e ds u b s t r a t e , g a ne p i t a x i a ll a y e r , q u a n t u mw e l l ，l e dc h i p s ， p h o t o l u m i n e s c e n c e ( p l ) ，e l e c t r o l u m i n e s c e n c e ( e l ) i i 摘 a b s t r a c t 目 要 目录 i i i i i i 录 第一章绪论 1 1l e d 的发展概况 1 2l e d 的基本原理 1 3l e d 的基本结构 1 4g a n 基l e d 简介 1 5 白光l e d 的研究概况 1 6 本文主要研究内容 第二章g a n 基图形化衬底外延片生长和测试分析 2 1g a n 图形化衬底的设计 2 2g a n 图形化衬底制作 2 3m o c v d 生长g a n 外延片 2 4 外延片性能测试的原理与方法 2 5 外延片性能测试结果与分析 第三章l e d 芯片的制作及性能分析 3 1 芯片的设计 3 2 芯片制作中的p 型欧姆接触退火实验 3 3 芯片制作中的1 1 台阶刻蚀实验 3 4 l e d 芯片制作的工艺流程 3 5l e d 芯片的性能检测与分析 结论 参考 致 文献 谢 i i i 1 l 3 4 7 l 2 3 3 4 6 8 9 5 5 8 0 2 9 3 4 7 1 4 7 n 挖 坞 坞 m 拍 均 均 历 撕 猫 匏 ； 钙 必 钐 第一章绪论 1 1 l e d 的发展概况 自从1 8 7 9 年爱迪生发明了白炽灯，开始了电光源的时代以来，照明技术的发展已 经经历了1 3 0 年的历史。在白炽灯这种热辐射光源之后，气体放电光源，如荧光灯、 高压钠灯和金属卤化物灯等应运而生n 1 。长期以来，在人们生活和生产实践中尤其是白 炽灯和荧光灯，一直处于重要地位。但是，这些光源有着许多不足，例如发光效率较 低、寿命也太短，对环境有污染，不可回收等乜1 ，一直困扰着人们。 1 9 2 3 年罗塞夫在实验中发现半导体s i c 形成的p n 结能够发光，从而开辟了固体发 光显示、照明的途径。半导体发光二极管又称光发射二极管( l e d - l i g h te m i t t i n g d i o d e ) ，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，直接将电能转化为可见光和辐射能。 其发展历程是从发光材料的研究为基础的，利用一v 族化合物半导体材料为芯片，p n 结是核心嘲。 l e d 具有工作电压低、耗电量小、发光效率高、发光响应时间极短、光色纯、光效 高、聚光好、结构牢固、抗冲击、耐振动、性能稳定可靠、重量轻、体积小、成本低 寿命长等一系列特性，是一种环保、节能、高效的新型发光材料，被认为是2 1 世际最 有价值的新型光源，将取代以往的照明器材，成为照明市场的主导。 1 9 6 2 年，发红光的磷砷化镓( g a a s p ) 半导体化合物在g e 、m o n s a n t o 、i b m 的联合 实验室被开发出来，自此而以后，可见光发光二极管就进入了商业化发展的阶段。1 9 6 5 年，用鳍材料制作的红外光l e d 诞生，这是全球第一款商用化的发光二极管。其后不 久，m o n s a n t o 和惠普公司推出了g a a s p 材料的红光商用l e d ，其效率约为每瓦0 1 流 明。1 9 6 8 年，g a a s p 器件的效率达到了每瓦l 流明，它是通过氮参杂工艺实现的，并 且l e d 的可发出黄、橙、红三种颜色光，这是l e d 研发过程中的突破性进展。1 9 7 1 年， 制出了每瓦l 流明发光效率的呈现绿色光的l e d 芯片。直到上个世纪七十年代，l e d 器件大量应用在文字和数字显示领域中，其售价急速下降。八十年代初，a i g a a s l e d 重大技术的突破，使l e d 发出的红光能发出1 0 流明每瓦的发光效率。这项技术使得 l e d 能够应用于汽车刹车灯、室外信息发布等设备。1 9 8 5 年，制备出亮度达到1 坎德 拉 c d 的g a a i a s 材料的l e d ，它是由n i s h i z a w a 利用液相外延方法制备出的，后来人 们把这种发光二极管称之为高亮度发光二极管h 】。八十年代p n 结和提高内量子效率是 人们主要的着力点。九十年代初期，四元系一v 族半导体合金a i i n g a p 材料的研究获 得成功睁7 1 。开发出性能比当时标准的g a a s p 器件要高出1 0 倍的能够提供最好的红色 器件的a i i n g a p 技术，1 9 9 4 年，日本科学家中村修二研制出了第一只g a n 基片蓝l e d ， 由此这种发光二极管研究和开发成为世人关注的热点。九十年代人们不仅注重内量子 效率，同时将注意力向外量子效率转移，人们将布拉格发射结构和光学微腔引入在半 导体材料的衬底上，致使大幅度提高地提高了l e d 的外量子效率 8 - 1 2 o 相继研究人员 又改进了反射镜，致使宽角和全角分布布拉格反射镜l e d 应运而生n 刳。九十年代初 日本日亚公司的n a k a m u r a 取得了另一个巨大突破，他制造的发光强度超过l e d 的6 a n 基高亮度绿色和兰色l e d 展示给世人n7 1 8 1 ，相继又采用了单量子阱结构实施方案，又制 作出了亮度大于l o c d 的黄、绿、蓝i n g a n 基发光二极管 1 9 - 2 1 ，致使扩宽了期间的发光 光谱范围，短波向外延伸，已由6 5 0 5 6 0 n m 扩展为6 5 0 一- - 4 7 0 n m 。九十年代取得了l e d 外量子效率的提高、发光光谱范围的扩大、l e d 三基色的实现，显示了九十年代器件发 展的的辉煌。二十世纪九十年代后期，研制出白光的l e d ，是由蓝光激发y a g 荧光粉实 现的，但其有明显的不足，如颜，使用寿命不长，价格昂贵。在1 9 9 1 - 2 0 0 1 年间， 进行了技术变革，把材料、芯片尺寸和外形等方面作为研究重点，致使商用化l e d 的 光通量提高了将近3 0 倍。新的世纪开始白光发光二极管问世乜2 确1 ，随着技术的不断进 步，近年来白光l e d 的发展相当迅速，使得人们看到发光二极管进入照明领域的希望， 实用的白光l e d 的发光效率已达每瓦3 0 流明，实验室研制结果发光效率可达每瓦6 0 流明，远高于白炽灯，向荧光灯逼近，它将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明 光源。随着技术的快速发展，l e d 应用不断拓宽。近年来，l e d 技术发展迅速。蓝光、 白光l e d 技术指标不断提升。2 0 0 5 年，国外的蓝光芯片发光功率的技术水平已经达到 了1 5 毫瓦，功率型白光l e d 发光效率达到了6 0 1 m w 。蓝光芯片量产指标则达到了8 1 2 毫瓦。2 0 0 6 年是国外l e d 电光转换效率又有较大提高的一年。据报道，n i c h i a 的白光 l e d 芯片的实验室水平达到了1 3 8l m w 。 光电子技术是2 1 世纪的尖端科技，l e d 是光电子产业中最重要的光电子材料和组 件。l e d 芯片在显示屏、背光源、汽车车灯、室内装饰灯、交通灯、景观照明、特种照 明灯等照明领域具有广泛的应用市场，但是通用照明市场是l e d 芯片的最大市场，也 是l e d 光源的终极目标市场( 如图1 1 所示) 。 目薯智： 簟色，t i 曛 新兴皮用： 移动平台 特种照明 来呆i 瞪努： 蕾遵照明 圈 l e d 应用领域 图1 1l e d 的应用领域 为了达到这个目标，l e d 发光效率的增加就成为了一个必然趋势。 2 一剑翻画垦垒葛凰 1 2l e d 的基本原理 l e d 的发光是由于电子和空穴的复合而产生的。一般的l e d 多以一v 族、i i 一族 化合物半导体为材料。由于一族材料极不稳定，目前使用的发光材料大部分是一 v 族。 l e d 的核心是半导体晶片，它们是由p 型半导体和n 型组成的，两种材料接触时形 成一个过渡层，此即为p n 结。对于某些半导体材料，在p n 结中进行离子注入，当载 流子复合时，多余的能量就会释放出来，就形成了光发射，发射的光子能量近似等于 禁带宽度的能量差( hy = e g ) 泓3 ，其中h 为普朗克常数，y 为频率，半导体材料的禁 带宽度( 带隙能量) e g ( 单位：电子伏e v ) ，进而可求得九= 1 2 4 e g 。其中入为发光 波长( 单位：1 tm ) 。材料的宽禁带度不同，其发光谱就不同，可以覆盖红外到紫外波 段。当未加偏压时，l e d 器件p n 结结构和的能带示意如图1 2 ( a ) 所示。 1 j e v o i e 1r l j 图1 2 ( a )平衡时l e dp n 结结构和能带示意图 通过比较，由图可见，p 型区是轻参杂区，n + 型区为重参杂区；两区接触后，p 型区 的空穴向n + 型区扩散，同时n + 型区的电子也会向p 型区扩散，这样器件处于未加电压 条件下的平衡状态，费米能级逐渐的趋于一致，p n 结的p 型一侧主要是空间电荷区。 两个区的导带底e c 间能量差e c ，v o 为自建电压，e c = e v o 。n + 型区较高浓度自由电 子，会自然地向p 型区的扩散，但其又会受到自建电场影响而阻止扩散。当对器件施 加正向偏压时，电阻主要来自于空间电荷区，自然会造成如下结果，自建势垒由原来 的v 0 变为v o - v 。这样平衡态被破坏，来自于n + 型区的电子开始向p 型区扩散，即称 之为注入，当施加偏压时，l e d 器件p n 结结构和的能带示意如图1 2 ( b ) 所示。 图1 2 ( b )正向偏压时l e dp n 结结构和能带示意图 这就导致了p 型区向n + 型区注入的空穴数远小于从n + 型区向p 型区注入的电子数， 所以注入电子的复合主要发生在空间电荷区的p 型区的一侧，主要在这里发生光子的 自发辐射。即在空间电荷区的p 型区一侧产生复合发光，这个区域叫做活性区，其深 度约为自由电子的扩散长度。这里引入注入式电致发光概念，即多数载流子注入而引 起的电子空穴对复合发光谓之。基于注入式电致发光原理的二极管称之为发光二极管 ( l e d ) 。在两端加上正向电压时的正向工作状态下，电流从l e d 的阳极流向阴极时， 发光波长从紫外到红外，发光强度与电流大小密切相关。 1 3l e d 的基本结构 下面以平面l e d 为例介绍一下l e d 的基本结构。典型的l e d 的制备是在选定的外延 生长掺杂的半导体材料衬底上完成的，典型的平面型p n 结结构如图1 3 所示。 图1 3 外延方法制各的平面l e d p n 结结构图 外延工艺过程是先在衬底上外延上一层n + 型层，相继在n + 外延层上再外延一层型 层。衬底可以是同种晶体也可以是不同的晶体，其是p n 结结构支撑者。光通过器件表 面的型层从器件中发射出来，所以要求型层做的要尽可能薄，实现光发射过程中尽量 减少自吸收损失的要求。1 1 型层必须采用重掺杂，才能确保电子空穴对的复合能在型层 内完成。 在发光过程中，衬底界面的反射率的提高是非常重要的。这是因为其中一部分光子 发射时可能背离型窗口层方向，朝向n 型层，这部分光子或者被衬底界面反射，或者 被衬底吸收。型层制备的另一种可行的方法通过扩散的的途径，该方法主要是在外延 生长的n + 型层上通过扩散掺杂制备型层，这就形成了如图1 4 所示的扩散结平面型l e d 的基本结构。图1 4 给出了扩散外延方法制备的平面l e d p n 结结构图。 图1 4 扩散外延方法制各的平面l e d p n 结结构图 为了减少这种无辐射复合的发生，必须考虑外延层和衬底的晶格参数匹配在外延 过程中这个十分重要的因素。如果二者材料的晶格参数不同，则二者界面因晶格结构 间的晶格失配而出现晶格应变而导致晶格缺陷产生，由于这些晶格缺陷而使电子空穴 对的非辐射复合明显增加，这种缺陷存在起到了无辐射复合中心角色的作用。 如图1 3 和1 4 给出的平面1 1 结发光二极管的结构。在这种结构中，由于内部的界 面反射和材料本身吸收的损耗，造成的大部分的光无法穿过半导体与空气的界面的，只 是有小部分光能穿过半导体与空气界面而发射出来。当光线在半导体与空气界面的入 射角大于全反射临界角o c 时，则发生全反射现象，这是光无法穿过界面而发射出来的 根本原因，如图1 5 示。 图1 5 光线在半导体内界面反射示意图 据此，如果把半导体出光面做成半球型，这样当光线达到临界面时，入射角就会小 于全反射临界角o c ，从而避免全反射带来的光损失，如图1 6 所示。 图1 6 半球形型区结构示意图 但是这种设想给加工制备过程带来很大困难，同时成本大幅提高，使人们望而却步。 因此一个经济的解决方法应运而生。由于环氧树脂的折射率比空气的高，则可利用模 具将环氧树脂浇铸成半球型封帽，把p n 结用环氧树脂包封起来，如图1 7 所示。目前 单体发光二极管都采用工业化生产，多数是采用类似的方法制各的汹1 。 图1 7 环氧树脂封帽后结构示意图 6 1 4g a n 基l e d 简介 1 4 1g a n 基l e d 的发展 g a n 基l e d 的研究与发展主要经历了以下几个阶段乜旧钉： 1 m i s 结构g a n 基l e d 第一只g a n 基l e d 在1 9 7 1 年就已经问世，当时由于不能进行g a n 基p 型掺杂，只能 采用金属一绝缘体一半导体( m i s ) 结构。这只m i s 结构l e d 发光峰值波长约为4 8 5 n m ， 光谱半峰宽为7 0 h m ，当输入电流为2 0 m a 时工作电压为7 5 v ，在l o m a 下具有2 m c d 的光 输出。这种l e d 使用寿命较长，但发光效率较低，仅有0 1 0 3 , - - , 0 11 。 2 p n 结g a n 基l e d y o s h i d a 等人1 9 8 3 年先在蓝宝石衬底上淀积一层a i n 作为缓冲层再生长g a n 结构， 用此方法生长的g a n 表面结构和晶体质量有了明显提高。次外，名古屋大学h i r o s h i a m a n o 等人利用低能电子束辐射法对掺m g 的g a n 进行处理，使g a n 电阻率从1 0 8q c m 降至3 5 q c m ，空穴浓度为2 1 0 1 6c m - 3 ，空穴迁移率为8 c m 2 ( v s ) ，实现了p - g a n 的 制备。这两次重大突破，为g a n 基p n 结l e d 的产生奠定了基础。2 0 世纪8 0 年代末，第 一只g a n 基p n 结l e d 诞生。实验数据显示，p n 结l e d 的i - v 特性和d c - e l 特性都明显 优于m i s - l e d 。 3 同质结g a n 基l e d n i c h i a 公司的n a k a m u r a 等人在1 9 9 1 年成功地研制出掺m g 的同质结g a n 蓝光l e d ， 并首次实现在g a n 缓冲层上利用双流m o c v d 生长g a n 薄膜，从而大大提高了薄膜质量， 使得霍尔迁移率达到6 0 0 a m 2 ( v s ) ，m g ：g a n 的空穴浓度达到3 1 0 1 8c m - 3 ，发光峰值 波长为4 3 0 n m ，f w h m 为5 5 n m ，光输出功率达到4 2uw ( i = 2 0 m a ) ，且此时的工作电压只有 4 v 。光谱质量较好，只有一个峰值。 4 双异质结g a n 基l e d 随着i n 分子比例的改变i n g a n 的禁带宽度可在1 1 9 5 - - - 3 1 4 0 e v 之间变动，因此成 为极佳的l e d 有源层材料。高亮度蓝光l e d 随着高质量i n g a n 膜的生长成功，取得了重 大进展，从而使得限制载流子、实现向有源层的单侧注入的双异质结技术得以实现。 n a k a m u r a 等人在1 9 9 2 年末研制出第一只p - g a n n - i n g a n n - g a n 双异质结蓝色l e d ，其 输出光峰值波长为4 4 0 n m 。 5 量子阱g a n 基l e d 量子阱l e d 分为单量子阱与多量子阱l e d 。单量子阱蓝光i n g a nl e d ，其有源层i n g a n 非常薄，这使得光谱半峰宽非常窄，更适合做全色显示器件。多量子阱蓝光l e d 可以大 大提高了器件的光子产生效率。 以上几种典型结构代表了g a n 基l e d 的发展历程。从m i s 结构到p n 结构到同、异 质结结构再到量子阱结构，结构的改变使他们的性能( 包括输出功率、量子效率、光谱 7 质量等) 都有了很大提高。 1 4 2g a n 的物理特性 在半导体发展史中，通常把s i 、g e 等元素半导体称为第一代半导体材料，g a a s ， g a p 、i n p 等化合物称为第二代半导体材料，而把s i c ，g a n ，a 1 n ，i n s e 等禁带宽度( e g ) 大于2 3 e v 的化合物半导体称为第三代半导体材料。表1 1 为三代半导体材料代表 物的基本物理性质比较： 表1 1 三代半导体材料的基本物理性质 进入2 0 世纪9 0 年代，第三代半导体材料中以g a n 为代表的族氮化物半导体材料 作为蓝光、绿光发光二极管、紫外探测器和半导体激光器的优质材料而备受重视b 5 1 。 g a n 材料由于其直接宽带隙和优良的光电特性，以及g a n 基半导体材料在晶体生长，薄 膜制备等光电器件制备方面取得的多项重大技术突破，从而在半导体器件领域内对其 研究与应用得到了越来越多的重视。表1 2 为g a n 材料的基本物理特性。 表1 2g a n 材料的基本物理性质 1 4 3g a n 的化学特性 g a n 在室温下不溶于水、酸和碱啪3 。而在热的碱溶液中以非常缓慢的速度溶解。 n a o h 、h 2 s o 。和h 。p 0 4 能够较快地腐蚀质量较差的g a n ，可用于质量不高的g a n 晶体的缺 陷检测。g a n 在h c l 或h 。气氛下在高温中会呈现出不稳定特性，而在n 。气氛下最为稳 定。 1 4 4g a n 的电学特性 8 g a n 的电学性质是决定器件性能的主要因素之_ 。非故意掺杂的g a n 样品一般均为 n 型，存在较高的n 型本底电子浓度。好的g a n 样品的n 型本底载流子浓度可以降低到 1 0 1 6 c m 一3 左右，室温下的电子迁移率可达9 0 0 c m 2 v s 。由于非掺杂样品的1 1 型本底载 流子浓度较高，制造p 型g a n 样品的技术难题曾一度限制了f i a n 器件的发展。a k a s a k i 等人1 9 8 8 年首先通过低能电子束辐照( l e e b i ) 实现了掺m g 的g a n 样品表面的p 一型化， 随后n a k a m u r a 小组采用热退火处理技术，实现了掺m g 的g a n 样品的p 一型化。目前已经 可以制备载流子浓度1 0 n - - 1 0 1 9c m - 3 的p 一型g a n 半导体材料。 1 4 5g a n 基l e d 的基本结构 。 g a n 基l e d 的基本结构有三种，分别为：正装结构，倒装结构和垂直结构。 正装结构g a n 基l e d 芯片结构如图1 8 所示， 图1 8 正装g a n 基l e d 结构图 这种结构的g a n 基l e d 从p g a n 面出光，工艺制作过程相对简单，比另两种结构的 工艺步骤要少，但是这种结构的器件因为两个电极都在同一面，所以发光面积被缩小， 降低了外延片的利用率。而且其导热面为蓝宝石面，蓝宝石的导热率很低，影响了器 件的散热，进而制约了器件的尺寸。总的来说，这种结构的器件散热效率低，出光效 率也低，但是工艺相对简单、易操作、成本较低。 倒装结构g a n 基l e d 芯片的结构示意图如图1 9 所示， 9 图1 9 倒装结构g a n 基l e d 结构图 这种结构的g a n 基l e d 从蓝宝石面出光，工艺制作是分为两部分进行( 芯片部分和 热沉部分) 。这种结构的器件工艺制作相比另外两种结构多了很多工艺步骤，但是它 是从p - g a n 面散热，遥远好于蓝宝石面散热的效果，还增加了热沉来进一步散热，所 以散热的效果很好。这种结构在热沉面增加了反光镜结构，提高了器件的光提取效率。 所以如今大功率的l e d 器件基本选用这种结构。但是，这种器件制造成本较高，工艺 也比较复杂。 垂直结构g a n 基l e d 芯片的结构示意图如图1 1 0 所示， 图1 1 0 垂直结构g a n 基l e d 结构示意图 这种结构的g a n 基l e d 从n g a n 面出光，工艺制作分为两部分进行( 芯片制作和沉底 转移) 。这种结构的器件工艺制作相比另外两种结构要难做很多，主要难点有两点： 一，沉底的转移；二，n - g a n 的减薄。这种结构的器件，不论是散热、光提取效率和衬 底利用率都要高于两外两种结构，但是，这种结构的工艺制作过程制约了这种器件的 发展，主要表现在自制成衬底的制备很困难，目前主要采用激光剥离的技术来进行， 但是效率低价格极高，也有人用研磨的方法进行剥离，但是效果不很理想，且耗时很 长。 l o 1 5 白光l e d 的研究概况 g a n 基白光l e d 近年来备受人们的关注，随着g a n 基l e d 的不断发展和改进，白光 l e d 的解决方案有三种：第一，光转化型的白光l e d ，这种方案主要是利用蓝光或紫外 光l e d 发光去激发荧光粉，从而利用三基色( 红光、蓝光、黄光) 原理偶合出白光； 第二，三基色偶合出白光，用红光、蓝光、黄光三种l e d 芯片，利用调节三种l e d 芯 片的亮度偶合出白光；第三，多量子阱白光l e d ，这方案是利用在同一l e d 芯片上，由 于长有不同种量子阱，所以发光也不同，通过不同颜色的光最终偶合出白光。第三种 方案和前两种相比，不仅可以提高发光效率，且还能够降低l e d 的成本，因此，近年 来受到人们的关注。第三种方案还可以分为两种方法来实现：第一种，通过生长多种 多重量子阱( 量子阱结构为：i n g a n g a n ) ，通过调节i n 组份和量子阱层的厚度，可 以调节量子阱的发光波长，从而可以达到不同的波长混合出白光的目的，利用这种方 案，北京大学，南京大学，北京工业大学等院校都在进行这方面的实验；第二种，通 过特殊的g a n 图形化衬底，使量子阱在不同的晶阿上同时生长，从而使生成不同的量 子阱结构，可发出不同种的光，进而偶合出白光。本文所开展的工作是基于第二种方 法进行的。 g a n 材料按其结晶形态可分为三种晶体结构：纤锌矿( 六方相) 、闪锌矿( 立方相) 和岩盐( n a c l ) 结构，而其中最常见的是前两种结构。如图1 1 1 ( a ) 和( b ) 。 ( a )( 坊一 图1 1 1g a n 的晶体结构( a ) 纤锌矿( b ) 闪锌矿 g a n 单晶薄膜的晶体结构主要受衬底材料和衬底表面对称性所决定，当g a n 生长在 ( 0 0 0 1 ) 6 h s i c 、( 1 11 ) s i 、( 1 1 1 ) g a a s 、( 0 0 0 1 ) z n o 、( 0 0 0 1 ) a 1 2 0 3 等衬底上时， 通常是纤锌矿结构。纤锌矿结构具有a 、c 两个轴，它们的关系为：c a = 8 3 = 1 6 3 3 。 这种结构是两套六方紧密堆积的子晶格沿c 轴方向平移3 8 套构而成，每个子晶格都 是由一种原子构成，每个原子都被另外一种原子包围形成四面体，属于p 6 3 m c 空间群。 1 ， 1 ， 0 每个子晶格原胞含每种原子各两个，其中一种原子的位置为( ，詈，0 ) 和( ，詈，昙) 一个 3 333b 六方晶胞中含每种原子各六个。实际晶体中，原子的位置都要偏离六方紧密堆积的球 e。l 体的理想位置，所以每个晶格都会偏离理想位置。而只有生长在与之具有拓扑学亲和 性的衬底上，闪锌矿型结构才可以被稳定下来，例如生长在( 0 0 1 ) g a a s 、( 0 0 1 ) 3 c s i c 、 ( 0 0 1 ) m g 和( 0 0 1 ) s i 等衬底上，可获得闪锌矿结构g a n 单晶薄膜。闪锌矿结构( 立 方g a n ) ：属于f 4 3 m 空间群，每个晶胞有八个原子，其中一种原子坐标分别为( 0 , 0 ，0 ) ， ( o ，三，丢) ，( 三，o ，三) ，j 1 ，j 1 ，o ) ，另一种原子坐标为( 丢，石1 ，i 1 ) ，( 丢，詈，三) ，( ；， ，三4 ) ， ( ， ) 。每个原子周围都被四个另一种原子包围形成四面体。 1 6 本文主要研究内容 本文的主要研究工作涉及图形化衬底对g a n 基l e d 发光二极管光电性能的影响。 实验中在蓝宝石衬底上生长一层g a n 厚膜，在这层厚膜上应用半导体加工工艺，在其 表面形成尺寸和形状不同的周期性图形阵列。以这种表面带有图形的g a n 膜作为衬底， 利用m o c v d 材料生长设备侧向外延生长g a n 基l e d 外延片( 其主要结构包括： n - g a n 、量子阱和p g a n ) 。通过这种方式可以实现一次性生长具有图形化衬底的g a n 外延层，由于在图形化衬底的侧壁和水平方向生长的晶向不同，使g a n 晶格间距不同， 从而形成不同结构的量子阱层。之后对外延片进行l e d 工艺加工的后续工艺。对不同 结构的图形化衬底外延片进行光致发光的光谱测试。研究不同尺寸和结构的图形衬底 引起的量子阱结构不同从而影响的l e d 的发光特性。同一层上不同结构的量子阱会产 生两种波长的光，另外，对不同结构的图形化衬底的l e d 芯片也进行电致发光的光谱 测试。文中对不同的图形衬底对发光波长的影响也进行了讨论。此外本论文在大量的 l e d 工艺试验的基础上还着重研究l e d 芯片的制作工艺流程，为制作出性能良好的 l e d 芯片解决工艺过程中的一些关键问题。 本文主要研究内容： 1 g a n 基图形化衬底的设计与制备的研究。其中包括：在蓝宝石衬底g a n 厚膜层上 进行衬底图形的几何形位选择与设计，再采用半导体加工工艺，在g a n 厚膜表面形成 尺寸和形状不同的周期性图形阵列等的技术研究。 2 不同结构的g a n 图形衬底对l e d 外延片的发光特性影响的研究。其中包括：g a n 图形衬底上l e d 量子阱结构的外延生长、光致发光的光谱测试和扫描电子显微镜的检 测以及性能分析的研究。 3 l e d 芯片的设计制作与性能分析的研究。其中包括：l e d 芯片的制作工艺流程的设 计、工艺过程中的一些关键工艺实验、l e d 芯片的电致发光的检测以及性能的分析等 的研究了。 1 2 第二章g a n 基图形化衬底外延片生长和测试分析 g a n 外延是在单晶衬底材料上生长层晶向结构和衬底完全相同的薄膜m 3 。其常用 的外延生长方法有3 种：金属有机物化学气相沉积、气相外延、分子束外延。我所选 用的是金属有机物化学气相沉积( m o c v d ：m e t a lo r g a n i cc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ) 的外延方法生长g a n 外延片的。金属有机物化学气相沉积是用三甲基镓( t m g a ) 或 三乙基镓( t e g a ) 等m o 源与n h 3 在高温下反应生成g a n 。这种方法设备造价相对 较低、生产率高、适合批量生产，特别是可以生长a 1 g a n 和i n g a n 等三元膜，用c p 2 m g 可以实现p 型掺杂。所以，一般g a n 基材料的外延生长、i n g a n 活性层制备的工艺都 选用m o c v d 来进行。本文利用光致发光下所激发的荧光光谱和扫描电镜( s e m ) 观 察外延片剖面图等方法来评价外延片的特性。 2 1g a n 图形化衬底的设计 九十年代以来，对这种宽带隙半导体g a n 材料的科学研究以及实际应用等方面引起 了各界的高度重视，因此g a n 基半导体己成为了当前国际性的半导体科学技术领域研 究前沿，近几年来，蓝色发光二极管、蓝色激光器及紫外探测器等光电器件得到了迅猛 地发展，更加显示出了g a n 基材料的巨大应用潜力口瑚3 。为了提高g a i n 外延薄膜质量， 适用的衬底材料选择就显得十分重要。但是现在普遍使用的蓝宝石以及s i c 衬底材料 与g a n 间晶格失配和热失配是比较严重的，致使在外延生长时薄膜就出现大量的晶体 缺陷1 。g a n 薄膜的晶体缺陷对其光学性能产生很大的影响，其黄带发光与晶体缺陷密 切相关h u 。所以要想获得优异的光学性能，必须降低g a n 薄膜的晶体缺陷池3 。为 了有效地降低外延层的位错密度，采用传统横向外延方法3 ，其但工艺复杂，而且所生 长的掩膜区薄膜会出现向下的晶向倾斜，同时掩膜区边界处会出现一些小角度晶界 4 5 1 。为了克服传统横向外延生长存在的瓶颈问题，图形化蓝宝石衬底，即对蓝宝石 进行表面处理的方法应运而生。应用m o c v d 薄膜生长工艺，低位错密度、优异光学 性能的g a n 薄膜，可以在图形化蓝宝石衬底上外延生长得到。 图形化蓝宝石衬底可以增加l e d 的光输出功率及发光效率h ”。由于g a n 材料折射 率高于蓝宝石衬底以及外部封装树脂，有源区产生的光子有7 0 在g a n 层上下两个界 面处发生多次全反射，降低了器件的光提取效率，同时光多次反射被表面电极和材料有 源区吸收产生大量热量，也会影响器件工作的稳定性。图形化蓝宝石衬底可以增大g a n 蓝宝石界面面积，同时在界面处可以形成漫反射，是原来形成全反射的光子有几率射 到器件外，从而提高了光提取效率。 本文所设计的光刻板分为4 4 的1 6 个区域，每个区域的图形都为圆形阵列，但是圆 形直径和间距不同，直径尺寸有三种：1pm 、2um 、3i im 。间距尺寸有五种：11 tm 、2 1 tm 、3pi l l 、4um 、5um 。这些不同的图形区域分布如表2 1 所示， 表2 1 光刻板图形数据表 直径1 5pm ，间直径1 5um ，间直径1 5i lm ，间直径1 5pm ，间 距lu m距2um距3um距4um 直径1 5um ，间直径2 u m ，间距1直径2 1 1 m ，间距2直径2 u m ，间距3 距5u mpmumum 直径2 u m ，间距4直径2 u m ，间距5直径3 u m ，间距1直径3 u m ，间距2 umumumum 直径3 u m ，间距3直径3 u m ，间距4直径3 u m ，间距5无图形 umumum 按照上述尺寸制作光刻版，做好后通过金相显微镜观察并测量图形尺寸和间距，基 本满足设计要求。 2 2g a n 图形化衬底制作 选用蓝宝石衬底上已经长有g a n 薄膜的样品作为加工对象。通过光刻、刻蚀的方法 把光刻板上的图形转移到样品上。具体的操作步骤如下： 1 样品清洗： 采用配比为i - i n o ，：t t c l = l ：3 的王水溶液水浴加热至沸腾，煮沸1 0 分钟，再用去离子 水反复冲洗1 0 次以上，用n 。吹干。其次用丙酮加热至6 0 超声1 0 分钟，再用无水乙醇加 热至6 0 超声1 0 分钟，后用异丙醇加热至6 0 超声1 0 分钟，最后用去离子水反复冲洗 多遍，用n ：吹干。如图2 1 ( a ) 所示， 2 光刻： 选用a z 5 2 1 4 光刻胶作为反转胶，在4 0 0 0 转分钟的转速下匀胶3 0 秒，在9 5 热板上 前烘1 分钟，用国产紫外光刻机曝光1 5 秒，后在1 1 0 热板上烘烤9 0 秒来反转，再用国 产紫外光刻机泛曝光5 0 秒，用2 3 7 a m t h 显影液显影5 0 秒，用去离子水冲净，n 。吹干。 如图2 1 ( b ) 所示， 蓝宝石衬底蓝宝石衬底 图2 1 ( a ) 样品清洗示意图图2 1 ( b ) 光刻示意图 3 溅射镀n i ： 1 4 用磁控溅射在样品表面溅射l o n i n n i ，溅射功率为4 0 0 w ，预溅时间为6 0 秒，溅射时间 为2 8 秒，气体类型为a r ，流量为2 5 3 s c c m ，工作真空为3 4 e 一3 p a ，工作气体压力为 5 m t o r r 。取出样品，用丙酮超声剥离，直至完全剥离好为止，后用无水乙醇漂洗，去 离子水冲净，n ：吹干。如图2 1 ( c ) ( d ) 所示， 蓝宝石衬底 蓝宝石衬底 图2 1 ( c ) 磁控溅射n i 示意图 图2 1 ( d ) 金属剥离示意图 4 干法刻蚀： g a n 图形衬底的刻蚀条件如下表2 2 所示： 表2 2i c p 刻蚀g a n 图形衬底条件 竺 堡 1 05 0 0 3 0 01 01 5 1 0 6 ，3 03 0 0 一 ： 通过上述条件刻蚀后，用h c l 去除残留n i 掩膜，再行严格清洁处理。如图2 1 ( e ) 所 示， 蓝宝石衬底 图2 1 ( e ) i c p 刻蚀剖面后剖面示意图 刻蚀后采用金相显微镜观察表面，测量图形尺寸，图形偏差不大，满足了精度要求。 刻蚀后表面如图2 2 所示 o e：o ： 彩：謦 ：； ! j ! ： ：叠 ： ： ：_ ：遥 ： ： ：! i 矗：0 9 ：o ：9 孕：瑶 露：固 ：露o ：i囝：国 o j j ；：l一 ； i 国_ 魍 2 3m o c v d 生长f a n 外延片 图2 2 刻蚀后图形示意图 2 3 1m o c v d 设备的基本原理 早在1 9 6 8 年由美国洛克威尔公司的研究人员m a n a s e v i t 等人提出了化合物半导体 薄膜和光电材料的一项全新制备技术，并命名为金属有机物化学气相沉积m o c v d ( m e t a l o r g a n i cc h e m i c a lv a o rd e o s i t i o n ) ，。其采用的气相外延生长源材料是v 族、族元 素的氢化物和、i i 族元素的有机化