（微电子学与固体电子学专业论文）大功率algainp薄膜led的结构设计和制作.pdf

1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲盈缉一嗍逊纽址 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：二啦导师签名：乒笠兰丝兰日期：帆 摘要 摘要 作为在国际上受到普遍重视的光电子器件发光二极管( l e d ) ，它以体 积小、功耗低、寿命长等特点，在通讯、交通、大屏幕显示等领域得到了广泛的 应用。在市场需求与技术进步的推动之下，发光二极管的研制和应用得到了较快 的发展。随着其亮度的不断提高，很多有关它的应用还在不断地被挖掘出来。特 别是随着全色超高亮度l e d 的实用化和商品化，照明技术面临一场新的革命。尽 管这种新型照明固体光源的初期成本依然偏高，但从长远看，如果超高亮度l e d 的生产规模进一步扩大，成本进一步降低，其在节能和长寿命的优势足以弥补其 价格偏高的劣势。目前，高质量的a l g a i n pl e d 其内量子效率可达到9 0 以上， 但外量子效率却十分低。本论文研究了制作舢g a i n p 薄膜l e d 的关键工艺，并成 功制备了大功率a l g a i n p 薄膜l e d 。 a l g “n p 薄膜l e d 关键工艺的研究。其中包括a u s n 键合层的制作，键合工艺 的研究，反光镜的制作，g a a s 衬底的剥离等。通过对不同键合界面材料的弹性 模量，热膨胀系数，熔点，热导率的分析，选择a u 8 0 s n 2 0 作为键合层材料，使 用共溅射方法成功制备了a u 8 0 s i l 2 0 键合层。使用低温共熔键合的方法，在2 8 0 下成功完成了g a a s 外延片和s i 片的键合。制作了金属反光镜，网格反光镜，全方 位反光镜，分析了不同反光镜对l e d 性能的影响。研究了g a a s 衬底的剥离方法， 通过实验确定了剥离g a a s 衬底的溶液和剥离时间，提高了a l g a i n p 薄膜l e d 的成 品率。 表面粗化的研究。l e d 内部产生的光出射时，会在半导体与空气的光滑界面 发生大量的全反射，但从粗糙的界面出射全反射就能得到较大的抑制。本文采用 了湿法化学腐蚀的方法来获取粗糙的表面形貌。对比了不同腐蚀液粗化出的表面 形貌，讨论了粗化时间和粗化颗粒对l e d 器件亮度的影响，并对背面粗化的关键 工艺进行了讨论。通过光学显微镜和扫描电镜观察和测试来选取最利于光出射的 表面形貌。实验证实：n m g a i n p 电流扩展层形成深度为0 5 1 岬的类金子塔型尖 峰，且侧壁坡度在4 5 0 至6 0 0 之间时，对出光效率的提高最多。对制作出的器件进 行电学和光学性能测试，通过与光滑表面的薄膜l e d 光电性能对比，表明粗化后 的薄膜l e d 的光强明显高于常规薄膜l e d 的特性。在2 0 i i 认下，背面粗化的薄膜 l e d 的光强可以达到1 9 9 m c d ，而背面光滑的高亮度红光l e d 的光强为1 3 0 m c d ， 提高了5 2 。 制作大功率舢g a i i l p 薄膜l e d 。讨论了影响发光二极管提取效率的因素，总 结提高发光二极管光提取效率的方法。介绍了制作大功率舢g a i n p 薄膜l e d 的制 作工艺。通过与常规的a l g a i n pl e d 对比以及d b r l e d 的特性进行对比，在 北京工业大学工学硕士学位论文 3 5 0 i n a 时，未粗化表面的薄膜l e d 比常规l e d 的光强提高了1 0 6 ，光功率提高 了1 0 9 。指出a l g a i n p 发光二极管结构外延生长是关键，反光镜的质量是影响 o d r _ l e d 光提取效率的重要因素。说明薄膜l e d 相对于常规l e d 有效提高了发 光强度和出光效率。使用相同的外延片制作了具有不同反光镜薄膜l e d 。其中， o d rl e d 光强及发光效率最高，可以得出o d r 反光镜比金属反光镜对于红光具 有更好的反射效率，使用o d r 反射镜的l e d 芯片可以获得比较优良的性能。 关键词：l e d ；大功率；表面粗化；键合；反光镜 u a b s t r a c t a b s t r a c t l i 出e m i n i n gd i o d e ( l e d ) r e c e i v e d 淅d e s p r e a da t t e n t i o n 舶m 位w h o l ew o r l d s i n c ei t se m e 唱e n c e i ti l a sb e e nw i d e l yu s e di 1 1 缸a m cs i g 删s ，l a 唱es c r e e nd i s p l a 弘e t c d u et 0i t sd e s i r a b l ef e a n l r e so fs m a l ls i z e ，l o wp o w e rc o i l s 啪p t i o n ，9 0 0 dd 咖b i l i 够 r e s e a r c h e s 趾l d 印p l i c a t i o n so fl i g h t - e m i t t i i l gd i o d e sl 擒v ear 印i dd e v e l o p m e n tw i m m e p r o m o t i o no fm a r k e tr e q u e s t a n d t e c l u l o l o 百c a lp r o g r c s s 舢o n g 、i t t lt l l er a i s i n go f i t s b r i 曲t i l e s s ，m a n y o m e r 印p l i c a t i o 衄 晰l l a p p e a le s p e c i a l l y 、i mt l l e c o 衄e r c i a l i z a t i o no fp a l l c h r o m a t i c1 1 i 曲b r i 曲t 1 1 e s sl e d s ，s o l i d - s t a t e dl i g h t i n g t e c h n o l o g yi sf k e d 晰t l lan e wr e v o l u t i o n 础t 1 1 0 u 曲t l l ec o s to f 锄sn e w s o l i d s t a t e i l l 哪i n a t i o ns o u r c ei ss t i l ll l i 曲，b u tt oc o l l s i d e ri t 丘- o mal o n g t e n i l ，i fm ep r o d u c t i o n s c a l eo ft h el l i 曲- b r i 曲t i l e s sl e di s 缸t h e re x p a i l d e d ，a i l dt i l ec o s t 淅hb er e d u c e d ，i t i se n o u 曲t 0r e m e d yi t si 止r i o rp o s i t i o no fab i tm 曲p r i c ei na d v a l l t a g eo f e n e r g y - c o i l s e i n g 锄dl o n g e r l i f e w i t hm ed e v e l o p m e n to fe p i t a x i a lq u a l i 够i n a i g a i n pm a t e r i a l si nr e c e my e a r s ，m ei m e m a lq u a i m m le 伍c i e n c yo fa l g a i i l i b a s e d l e d sh a sr e a c h e dn e a r9 0 h o w “e r ，d u et o 吐l el a 玛er e 疔a c t i v ei n d e xd i 彘r e n c e b e t w e e nt l l es e m i c o n d u c t o r锄dt l l es u 仃o u l l d i n gm e d i 啪，m el i g h te x 打a c t i o n e m c i e n c yi s 倒吐1 e rl o wc o m p a r e d t om e m a le 伍c i e n c y i n “sp a p e r ，此f a b r i c a t i o np r o c e s so fa l g a i l l pt l l i nf i l ml e d 、v a ss t u d i e d n c o n s i s t so ff o u rp a n s ：d 印o s i t i o no fa u s nb o n d i n gl a y e r ，o p t i m i z a t i o no fb o n d i n g p r o c e s sp a r a m e t e r s ，f a b r i c a t i o no fr e f l e c t o r s ，a b l a t i o no fg n sl a y e r o nt h eb a s eo f a 1 1 a l y s i so fm o d u l 璐，t l l e 珊a 1c o n d u c t i v 时锄dc o e 伍c i e n to f 恤釉试e x p a n s i o no f d i 丘e r e n tm a t e r i a l s ，t l l ea u 8 0 s n 2 0w 嬲c h o s e na u sb o n d i n gl a y e ra n dw 嬲s p u t t e r e do n t o po f 、忱f e r t h e n ，t h ee p i t a x i a lw 疵ra i l ds is u b s 仃a t ew a sb o n d e da t l ct e m p e r a t u r e o f2 8 0 t h ei r l f l u e n c eo fd i 旋r e n tr e f l e c t o r ss u c h弱 m e t a lr e n e c t o r ， o m i l i d i r e c t i o r l a lr e n e c t o ro nl e dw 嬲a i l a l y z e d i no r d e rt oi i n p r o v et l l ey i e l do f l e dc 1 1 i p ，as e r i e so fe x p e r i m e n t sw 邪m 缸i et 0o p t i i l l i z em em a l s sr a t i oo fh c l s o l u t i o na n d 山l a t i o nd u r a t i o n a sm e n t i o n e da _ b o v e ，也el i g h te x _ t r 孔t i o ne 伍c i e n c yw 锯r a ：m e rl o wd u et 0n l e t o t a li i l t e n l a lr e n e c t i o n i nt ：h j sp a p e r 也e 、e te t c h i n gt e c l u l o l o g yw 嬲u s e dt ot e x t u r e m es u r f a c eo fl e dt o 妇p r o v et l l ee s c a p ep r o b a b i l i 哆o fp h o t 0 i l si n s i d el e dc 1 1 i p t h ei i l n u e n c eo fm i x i i l gr a t i o锄de t c l l i n gt i m eo ns u r f ：犯em o 叩h 0 1 0 9 yw 嬲 i n v e s t i g a t e db yu s i n gs c a 越n ge l e c 仃0 ni i l i c r o 铲印h ( s e m ) t h r o u 曲s e m 妇a g e s ， t h j sh c ls o l u t i o ne t c h e dm en s i d es u r i 沁eo f 舢g a i n pm a t e r i a l sw i mt r i a n g l e l i l ( e i i i - 北京工业大学工学硕士学位论文 f e a t u r e s ，w t l i c ht i l tt o w a r d sas p e c i f l cd i r e c t i o na s s o c i a t e dw i t l lt l l el a t t i c eo r i e n t a t i o n a i l dd i s t r i b u t em l i f o 加= l l y - t h ef o 咖a t i o no ft r i a n g l e l i k ef e a n l r e sc o u l db er e l a t e dt 0 t h es u r f a c ep o l 撕t yo fa l g a i n ps 沁et l l i s n a n o r o u 曲e t l i n gf e a t u r ec 勰o i l l yb e o b s e r v e dt h r o u 曲w e te t c t l i n go l l l yo nt h en s i d e u ps u r f a c eo fa l g a i i 巾m a t e r i a lm e r t ：h c 切a ss u b s t r a t ei sr e m o v e d u n d e r2 0 瑚ad r i v ec u l 7 r e n t ，m eo p t i c a li n t e n s i 谚o f l e dc l l i pw i t l ls u r f i 狐et e x t u r er e a c hl9 9 m c d ，w h i l et 1 1 el e dc b i pw i mn a ts u 血c e w a so r d y1 3 0 m c d a st om g hp o w e rl e d ，a d e q u a t eh e a ts i i 蚯n gi s r e q u i r e d t 0m a i n t a i ni t s p e 而吼a i l c e d u et o 雠也e m a lc o n d u c t i v n yo fs im a t e r i a l ，w a f e rb o n d i n gp r o c e s si s s u i 讪l et 0f a b r i c a t el l i g t lp o w e r 灿g a i n pl e d t m sp a p e ra j s od e a l s 、i t hm c f a b r i c a t i o np r o c e s so fl l i g hp o w e ra l g a i n pt h i i lf i l ml e d a sc o m p a r e dt 0 c o n v 黜【t i o n a ll e d ，t h eo p t i c a li n t e n s i t ya 1 1 do p t i c a lp o w e r 、e r ei n c r e a s e db y10 6 ， 10 9 s e p a r a t e l y f r o mt i l ee x p e r i i n e n t s ，n l el e dc k pw i t l lo d rh a st h eb e s t p e r f o m l a n c e i tc a nb es e e nn l a t l er e n e c t i v i t ) ro ft 1 1 em i n o rh a sg r e a ti m p a c to nm e l i g h te x t i 那t i o ne m c i e n c yo fl e d k e y w o r d s ：l e d ；p o w e r ；s u r f a c er o u 曲e n e d ；b o n d i n g ；r e n e c tm i n d r i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论。1 1 1 本课题研究意义及其背景1 1 2 发光二极管的发展历史回顾。2 1 3 发光二极管的研究现状。3 1 4 发光二极管的应用5 1 5 本论文研究的主要内容6 第2 章a l g a i i l p 系高亮度发光二极管及参数。9 2 1 发光二极管的工作原理。9 2 2a l g a i n p 红光l e d 的典型结构。1 0 2 3a l g a i n p 系发光二极管存在的主要问题1 2 2 4 发光二极管的主要参数l5 2 4 1 发光二极管电学特征参数15 2 4 2 发光二极管的光度量参数1 5 2 5 本章小结1 8 第3 章g a i l l p 薄膜l e d 关键技术研究1 9 3 1a u s n 键合层制作1 9 3 1 1 磁控溅射设备介绍一l9 3 1 2 磁控溅射镀膜原理19 3 1 3a u s n 共溅射2 1 3 2 键合技术2 3 3 2 1 键合仪器介绍2 3 3 2 2 键合方法2 4 3 2 3a u s n 键合2 6 3 3 反光镜制作2 7 3 4g a a s 衬底剥离：2 8 3 5 本章小结2 9 第4 章表面粗化的a i g a i n p 薄膜l 印结构设计与特性分析3 l 4 1 表面粗化原理31 4 2 粗化形貌测试仪器扫描电镜( s 酬) 3 2 4 3 表面粗化aig ain p 薄膜l 印结构设计和制备。3 3 4 3 1alg ain p 薄膜l 印外延片结构设计3 3 4 3 2 分析工艺制备步骤3 4 4 4 湿法腐蚀工艺3 5 4 4 1 粗化颗粒大小的研究3 5 4 4 2 粗化中应注意的问题3 8 北京工业大学工学硕士学位论文 4 5 表面粗化的a l g a i n p 薄膜l e d 光电特性3 9 4 5 1 表面粗化的a l g a i n p 薄膜l e d 的i v 特性3 9 4 5 2 表面粗化的a l g a i n p 薄膜l e d 的光谱特性4 0 4 5 3 表面粗化的a l g a j n p 薄膜l e d 的p i 特性4 0 4 5 4 表面粗化的础g a i i l p 薄膜l e d 的l i 特性4 l 4 6 本章小结4 2 第五章大功率a l g a i n p 薄膜l e d 的制备和测试。4 3 5 1 提高发光二极管的提取效率的方法4 3 5 1 1 影响发光二极管提取效率的因素4 3 5 1 2 提高l e d 提取效率的各种方法4 4 5 2aig aln p 薄膜l 印的制备工艺4 8 5 3 大功率a i g a l n p 薄膜l 印的光电特性k 5 1 5 3 1a l g a i n p 常规l e d 与薄膜l e d 的i v 特性对比5 l 5 3 2a i g a i n p 常规l e d 与薄膜l e d 的光学特性对比5 2 5 3 3 不同反光镜的a l g a i n p 薄膜l e d 的光学特性5 3 5 4 本章小结5 5 结论5 7 参考文献。5 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 3 致谢6 5 i i 第1 章绪论 第1 章绪论 半导体光电子学已经成为半导体科学领域中的一个十分活跃的分支。目前半 导体光电子器件已经渗入许多重要的应用领域，成为绝大多数光电子系统不可缺 少的部分。半导体器件具有体积小，重量轻，功耗低，寿命长，响应速度快，安 全性好等优点。在半导体发光器件这一高技术领域，近年来世界上先进的国家发 展很快。新器件研制成功后迅速商品化，并很快形成产业，特别是己经广泛应用 的发光管。传统发光二极管( l e d ) 由于亮度较低，一般只能作为设备的指示灯或 在室内显示使用。而对室外的大屏幕显示，广告牌，交通指示灯等则难以发挥作 用。为了解决这样的问题，人们开始着手从事提高亮度发光二极管的研究。 1 1 本课题研究意义及其背景 随着半导体照明光源在城市景观、商业大屏幕、交通信号灯、手机及p d a 背光源等特殊照明领域的应用，以其饱满色光、无限混色、迅速切换、耐震、耐 潮、冷温、超长寿、少维修优势，半导体光源已成为全球最热门、最瞩目的光源， 特别是l e d 的发光效率正在大幅度提高，半导体照明被认为是2 1 世纪最有可能进 入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。 l e d 作为2 1 世纪的照明新光源，同样亮度下，半导体灯耗电仅为普通白炽灯 的l 1 0 ，而寿命却可以延长1 0 0 倍。l e d 器件是冷光源，光效高，工作电压低， 耗电量小，体积小，可平面封装，易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长， 光源本身不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生 对外界的污染。因此，半导体灯具有节能、环保、寿命长等特点，如同晶体管替 代电子管一样，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯，也将是大势所趋。无论从 节约电能、降低温室气体排放的角度，还是从减少环境污染的角度，l e d 作为新 型照明光源都具有替代传统照明光源的极大潜力。 与其他光源相比，半导体照明光源具有以下优点： ( 1 ) 单色性好。发光效率高。白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 2 4 l m 刖，荧光灯 的光效为5 0 7 0 ，钠灯的光效为9 0 1 4 0 圳，大部分的耗电变成热量损耗。 l e d 的光效经改进结构后可达到5 0 2 0 0 l m 1 w ，而且光的单色性好、光谱窄，无 需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高l e d 光效的研究，在 不远的将来，其发光效率将有更大的提高。 ( 2 ) 发光效率高。在同样的照明效果下，l e d 的耗电量是白炽灯泡的八分之 一，荧光灯管的二分之一。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的l e d 北京工业大学工学硕士学位论文 替代日本一半的白炽灯和荧光灯，相当于每年可节约6 0 亿升原油。 ( 3 ) 使用寿命长。l e d 灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，可承受高强度 机械冲击和震动，不易破碎。l e d 的平均寿命达l o 万小时，是普通灯管的数十倍。 l e d 灯具的使用寿命可达5 1 0 年，大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之 j 兰 白o ( 4 ) 安全环保。l e d 为全固态发光体，耐震、耐冲击、不易破碎，发热量低， 无热辐射，是冷光源，不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收， 没有污染。 ( 5 ) 开关时间短。响应时间最低可达到l 微秒，一般为几个毫秒( 现用的光 源响应时间2 0 0 毫秒) 。可在高频条件下使用，如用于光电耦合电路。譬如，用于 汽车的刹车灯或状态灯，可以延长车后车辆的刹车时间，预防追尾，提高安全性。 面对这场产业革命和巨大的市场空间，美国、日本、欧盟、韩国、中国台湾 等国家和地区相继推出了发展半导体照明产业的国家和地区计划，以加大研究开 发力度。比如日本投资5 0 亿日元推行“2 l 世纪光计划”( t h el i g h tf o r2 1 s tc e 帅) ， 提出2 0 0 6 年用半导体灯大规模替代传统白炽灯，预期2 0 1 0 年达到1 2 0 圳，发光 波长在3 9 9 m 处发光的l e d 外量子效率达3 1 ；美国能源部设立了有1 3 个国家重 点实验室、公司和大学参加的“半导体照明国家研究项目”m a t i o n a jr e s e a r c h p m g 姗1o ns o l i ds t a t el i g h t i n g ) ，计划用1 0 年时间，耗资5 亿美元开发半导体照明： 欧盟则委托6 个大公司、2 所大学，于2 0 0 0 年7 月启动了“彩虹计划”( r a i n b o w p r o j e c t a l i i l g a nf o rm u l t i c o l o rs o u r c e s ) ：我国台湾地区也在组织实施相关计划，设立了 有1 6 个生产科研和大学参加的“2 l 世纪照明光源开发计划”【2 1 。 中国的电力生产中约8 0 为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量的 粉尘和c 0 2 、s 0 2 等气体，环境污染严重，l e d 产品的应用可以减少电力使用， 也间接减少了环境污染p j 。由此可见，发展半导体照明光源对节约能源、减少污 染、保护环境，带动新型制造业的发展，促进国民经济的可持续性发展具有巨大 的推动作用。因此积极研究半导体照明新技术，加快发展半导体照明产业具有重 大的经济意义和社会意义。 1 2 发光二极管的发展历史回顾 发光二极管的发展主要是发光二极管材料及材料生长技术的发展，自1 9 6 2 年第一支g a a s p 红色发光二极管问世，发光二极管的发展可分为三个阶段【4 】： 第一阶段：以氯化物外延v p e 手段为主的g “s p 材料系发光二极管，但是氯 化物气相外延反应产物中h c l 的存在，h c l 有腐蚀性和毒性；氯铝键较强，含铝 材料生长困难；g a a s p 材料系与g a p 衬底之间有较大的失配，材料质量受到很大 2 第1 章绪论 的限制； 第二阶段：以液相外延( l p e ) 手段为主g a p 和a 1 g a a s 材料系发光二极管的发 展；液相外延的材料质量较好，但是外延层的形貌、厚度和组份的均匀性难以控 制，因此在生长陡峭界面、大面积多层薄层结构时收到了限制。 第三阶段：以有机金属气相外延( m o c v d ) 手段为主的a l g a l n p 和a i g a i n n 材 料系及z n t e s e 和z n c d s ei i v i 族材料发光二极管的发展；另一个分支是s i c 为主的一族材料。 1 1 m c y 嗤l 图1 1 不同材料系发光二极管发光效率随时间的发展状况 f i g1 - lt h ed e v e l o p m e n to fl i 曲te 匝c i e n c yo f l e d sw i t hd i 艉r e n tm a t e r i a l s 图1 1 是不同材料系发光二极管的发光效率随时间的发展状况。 随着半导体材料生长技术和工艺技术发展及市场需求的增加，半导体发光二 极管的应用范围日益广阔。从信号显示到信息显示和信息传递。应用空间从室内 拓展到强光背景的室外。对发光二极管的要求也在不断提高，概括来讲对发光二 极管的要求主要有四方面：高效率、高亮度、全色化、低成本和长寿命。 1 3 发光二极管的研究现状 1 9 7 0 年代最早的g a p 、g a a s p 同质结红、黄、绿色低发光效率的l e d 已开始 应用于指示灯、数字和文字显示【5 1 。从此l e d 开始进入多种应用领域，包括宇航、 飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等，遍及国民经济各部门和千家万户。 到1 9 9 6 年l e d 在全世界的销售额已达到几十亿美元。尽管多年以来l e d 一直受 到颜色和发光效率的限制，但由于g a p 和g a a s pl 印具有长寿命、高可靠、工作 北京工业大学工学硕十学位论文 电流小、可与t t l 、c m o s 数字电路兼容等许多优点因而却一直受到使用者的青眯。 最近十年，高效率、高亮度、全色化一直是l e d 材料和器件工艺技术研究 的前沿课题。超高亮度( u h b ) 是指发光强度达到或超过1 0 0 m c d 的l e d ，又称坎德 拉( c d ) 级l e d 。高亮度a l g a i n p 和i n g a nl 凹的研制进展十分迅速，现已达到常 规材料g a a l a s 、g a a s p 、g a p 不可能达到的性能水平。在器件结构上，经历了从 同质结、单异质结、双异质结、多量子阱结构。l e d 将朝着高效率、高亮度、 全色化、低成本、长寿命四个方向发展。图卜2 为l 凹照明市场分析。从图中可 以看到，截止到2 0 0 9 年，l e d 的市场呈现稳步增长趋势，预计到2 0 1 1 年全球的 l e d 照明市场将达到1 0 亿美元。 一0 f ；g 1 诅 0 m d o o r a m 口r e t d d 备p 坶 一鼬玲面玎目n 囝s 瞧锣6 茁i n 盘y c o r 鼠l z 馐f 知h 办k 口r e ，i a e 矗i d 口m 茁k 豫v b b n a m 茁h a l 口c h a 嘲dk t t 扰a l 把u r 扣晒2 0 0 7卸8 哆 ：2 0 i d ：扣l l 图1 2l e d 照明市场分析 f i g1 2l e di i l u m i n a t i o nm a r k e ta n a l y s i s 我国发展l e d 起步于七十年代，产业出现于八十年代【6 】。2 0 世纪9 0 年代， 国际上对四元系a l g a i n p 和g a n 基的研究获得了超高亮度l 即，与此同时，我国 部分大学及研究机构也投入该领域进行研究和开发。在高校、研究所和企业之间， 合作形式有产学研结合，也有转让科技成果。经过多年的努力，取得很多可喜的 成果。 a l g a i i l p 四元材料具有以下优点：( 1 ) 是直接跃迁型发光材料，发光复合几 率大，发光效率高：( 2 ) 可以制得优良得p n 结，不仅可制得p 型、n 型半导体 晶体，而且电导率很高；( 3 ) 采用合适的衬底材料g 啦s 和金属有机物化学气相 淀积( m o c v d ) 技术可以得到优质低成本高质量的晶体；( 4 ) 容易调节带隙宽 度变化，随a l 组份的变化可对带隙进行调节，发光波长可调。对四元系a l g a i n p 红、橙、黄色l e d 芯片，早期投入研究开发的有1 3 所、山东大学、中科院半导 体所等单位，主要在材料外延方面取得突破，并同时研发红、橙、黄色超高亮度 l e d 芯片，现已通过相关部门的鉴定，并与企业合作开展产业化工作。接着，山 东华光光电子公司、1 3 所、厦门三安公司在材料外延和芯片制造的产业化方面 都取得进展，能批量提供红、橙、黄色超高亮度l e d 外延片和芯片。在芯片制造 4 仰 咖 鲫 枷 瑚 。 百万美圆 第1 章绪论 方面，还有上海大晨公司、南昌欣磊公司和深圳普光公司等多家企业均能够批量 提供超高亮度a 1 g a i n p 红、橙、黄色l e d 芯片。 在g a n 基蓝、绿色l e d 方面，早期投入研究、开发的有北京大学、清华大学、 南昌大学、中科院半导体所、物理所等单位。由于这些高校、研究机构的条件较 好，高级人才相对集中，经过他们的努力，都分别研制出g a n 基蓝光l e d 芯片， 有的单位还研制出g a n 基绿色、紫外l e d 芯片，而且通过了相关部门的鉴定。接 着这些研究机构与企业结合或转让科研成果，逐步进行产业化。北大与上海有关 方面合作成立了上海北大蓝光公司，清华大学与山东有关方面合作成立山东英克 莱公司，物理所与有关单位合作成立上海蓝宝公司，半导体所、南昌大学分别把 科研成果有偿转让给深圳方大公司，厦门三安公司与美国某公司谈判合作事宜， 大连路明科技公司与美国a x t 公司合作成立新公司。 在蓝色发光的基础上，封装时在其芯片上添加几毫克的萤光物质转换成白色 光，白光二极管是微型白炽灯的最佳替代品，价格虽比白炽灯贵，但不易破碎， 更加省电，工作时几乎不发热，可以连续照明1 0 多年，这些产品在日本、德国、 美国及台湾等著名的光电子公司生产并推向市场。国内一些单位在此基础上也开 发了白光l e d ，都取得很好的研究成果。这些企业目前均能小批量提供g a n 基蓝、 绿色l e d 芯片，他们正在逐步解决蓝、绿l e d 产业化过程中所出现的各种技术、 工艺和管理问题。另外，他们均在寻找合作对象，希望增加资金投入，扩大产业 化规模。相信他们将很快批量提供蓝、绿色和紫外光l e d 芯片，为我国白光照明 事业做出贡献。 1 4 发光二极管的应用 l e d 的应用领域非常广，包括通讯、消费性电子、汽车、照明、信号灯等， 如图卜3 所示。随着其亮度的不断提高，很多有关它的应用还在不断地被挖掘出 来，主要集中在以下几个领域【7 】。 1 汽车信号灯指示：汽车指示灯在车的外部主要是方向灯、尾灯和刹车灯；在 车的内部主要是各种仪表的照明和显示。据报道，2 0 0 1 年全世界超高亮度l e d 在汽车上的用量占2 6 的份额，一部汽车可用l e d 芯片( 或管子) 2 0 0 只到3 0 0 只，我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度l e d 的极好时机。 2 交通信号指示：用超高亮度l e d 取代白炽灯，用于交通信号灯、警示灯、标 志灯现已遍及世界各地，市场广阔，需求量增长很快。 3 大屏幕显示：l e d 显示屏作为一种新兴的显示媒体，随着大规模集成电路和 计算机技术的高速发展，得到了飞速发展，它与传统的显示媒体，如多彩霓 虹灯、象素管电视墙、四色磁翻板相比较，以其亮度高、动态影像显示效果 格比高等优势，已广泛应用于各行各业。 4 液晶显示( l c d ) 的背照明：主要应用于是手机、电脑、电视背光光源。现阶段 手机背光源用量非常大，一年要用3 5 亿只l e d 芯片。据报道，全世界2 0 0 1 年超高亮度l e d 在背光源上的用量占3 0 的份额。目前我国手机生产量很大， 而且大部分l e d 背光源还是进口的，对于我国l e d 产品来说，这也是个极好 汽车尾灯 手电筒 析，考虑背面粗化的工艺制备方法，提出符合背面粗化工艺的外延层结构，并针 对结构，完善常规的0 d r 反光镜高亮度红光l e d 工艺制备技术，研究实际的背面 粗化的工艺制备方法，制备出实际的粗化背面的红光l e d 器件。讨论了不同粗 化颗粒大小对于l 印器件亮度影响，以及背面粗化的关键工艺进行了讨论。对 制作出的器件进行电学和光学测试，通过与常规的o d r l e d 测试结果表明粗化 背面的o d r l e d 的光输出明显高于常规o d r l e d 的特性。 2 、研制出大功率薄膜a 1 g a i n pl e d 器件。制备出具有高反射率全方位反射 镜的薄膜a l g a i n pl e d ，并测试其光、电性能参数。优化工艺制备过程，重点研 究o d r 反光镜，键合，g a a s 衬底的剥离等关键工艺。通过与常规的a l g a i n p 基 红光l e d 以及d b r l e d 的特性进行对比，测试结果表明，新型薄膜全方位反射 a l g a i n p 基高亮度红光l e d 的光输出明显高于常规的a l g a i n p 基红光l 即以 及d b r l e d 的特性。 7 8 第2 章a l g a i n p 系高亮度发光二极管及参数 2 1 发光二极管的工作原理 发光二极管是结型电致发光器件，它的主要结构是p - n 结。图2 一l 表示热平衡 状态下p - n 结的能带图。图中e v n e v p 表示价带，e c n e c p 表示导带，e f 表示费 米能级，e d 表示施主杂质能级，e a 表示受主杂质能级，e g 表示禁带宽度，在n 区 导带上，实心点表示电子，在p 区价带上，空心点表示空穴。在热平衡状态时，n 区和p 区费米能级是一致的。 n 区结区 p 区 e 印 e f e v p 图2 1 在热平衡下p _ n 结的能带图 f i g 2 le n e r 科b a n do f p n j u n c t i o n 图2 2 表示在图2 1 上加正向电压( 电源的负电电极连接在n 区，正电电极连接 在p 区) 时，p - n 结势垒降低，结果出现了n 区电子注入到p 区，p 区空穴注入到n 区 的非平衡状态。被注入的电子和空穴称为非平衡载流子( 又称为 n 区结区 p 区 图2 - 2 在外加正向电压后少数载流子的注入 f i g 2 2e n e r g yb a n do fp nj u n c t i o na lp o s i t i v ev o l t a g e 少数载流子) 。在室温下，n 区导带底附近的浅施主能级e p 被电离，并向导带提供 大量电子，因此，在n 区中多数载流子是电子。同样，在p 区中，浅受主能级e a 9 北京工业大学丁学硕十学位论文 向价带提供大量空穴。p 区的多数载流子是空穴。在p - n 结附近，当非平衡载流子 和多数载流子复合时，便把多余的能量以光的形式辐射出来，这就可以观察到p n 结的发光。 一般在p n 结中，扩散长度远远大于势垒宽度，电子和空穴通过势垒区时因 复合而消失的几率很小，继续向扩散区扩散。在扩散区内，非平衡载流子和多数 载流子复合可以分为辐射复合和非辐射复合。辐射复合是复合时把能量以光能的 形式辐射出来，就是p n 结的发光。辐射复合主要有三种类型：电子和空穴由于 碰撞而复合，它分为不通过声子的复合( 直接跃迁型) 和必须通过声子为媒介的复 合( 间接跃迁型) 。直接带隙材料如g a a s 的发光为直接跃迁型。注入的电子和空穴 直接复合而发光。而间接跃迁必须借助于一定的能量和动量的声子，以保证跃迁 时能量和动量守恒。间接跃迁时声子和光子的相互作用必须同时发生，其跃迁几 率比直接跃迁几率低得多。所以，一般发光二极管采用直接带隙材料。注入的少 数载流子带间复合发光。如g a a s 发红光和绿光就是这种类型。发光二极管的发 光称为注入式发光此外，还有一部分少数载流子复合时间接复合的能量以热能形 式释放，这个过程称为非辐射复合。非辐射复合包括阶段地放出声子地复合，俄 歇复合和表面复合。实际晶体中，由于有害的金属及晶体缺陷，电子会落到禁带 中的许多能级上，声子也就阶段性地产生。俄歇过程是有晶格缺陷或自由载流子 的情