图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展

蓝宝石衬底作为发光二极管最常用的衬底,经过不断发展,在克服其与GaN间晶格失配和热膨胀失配问题上,研究人员不断提出解决方案。近期发展起来的图形化衬底技术,除了能减少生长在蓝宝石衬底上GaN之间的差排缺陷,提高磊晶质量以解决失配问题,更能提高LED的出光效率。从衬底图形的形状、尺寸、制备工艺出发,回顾了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展,详细介绍了近年来关于图形化衬底技术与其他技术在提高LED性能方面的结合,总结了图形化蓝宝石衬底应用于大尺寸芯片的优势,并对其未来在大功率照明市场的应用进行了展望。

图形衬底上应变SiGe/Si超晶格的结构及光致发光研究

本文研究了在Ｓｉ的图形衬底上生长应变ＳｉＧｅ／Ｓｉ超晶格的结构和其光致发光性质．图形衬底由光刻形成的类金字塔结构组成．发现在组成倒金字塔结构的（１１１）面的交界处有富Ｇｅ的ＳｉＧｅ量子线出现．对相同条件下图形衬底和平面衬底上的应变ＳｉＧｅ层的光致发光谱进行了比较，图形衬底上总的发光强度相对提高了５．２倍．认为这种提高同富Ｇｅ的ＳｉＧｅ量子线的产生相关．

用于GaN基发光二极管的蓝宝石图形衬底制备进展

近几年,图形化蓝宝石衬底因其作为GaN基发光二极管外延衬底,不仅能降低GaN外延薄膜的线位错密度,还能提高LED的光提取效率而引起国内外许多科研机构的广泛研究兴趣.本文综述了图形化蓝宝石衬底提高GaN基发光二极管性能的作用机理,重点评述了目前图形化蓝宝石衬底的制备方法(湿法刻蚀、干法刻蚀、固相反应)和图形尺寸(微米图形化、纳米图形化),分析比较了不同制备方法和图形尺寸制备蓝宝石图形衬底对GaN基发光二极管性能改善,最后针对蓝宝石图形衬底制备存在的问题对其今后的发展方向做出了展望.

图形化蓝宝石衬底工艺研究进展

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术是一种提高LED亮度的新技术。结合光刻和刻蚀工艺制作图形化蓝宝石衬底。有关图形化蓝宝石衬底的研究主要集中在对光刻和刻蚀工艺的研究,以及图形化蓝宝石衬底提高LED亮度的机理。目前微米级图形化蓝宝石衬底已经得到普遍的应用,与基于平坦蓝宝石衬底的LED相比,PSS-LED的发光功率提高了30%左右。图形化蓝宝石衬底技术的发展经历了从早期的条纹状图形到目前应用较广的半球形和锥形图形,从湿法刻蚀到干法刻蚀,从微米级到纳米级图形的演变。由于能够显著提高LED亮度,纳米级图形化蓝宝石必将得到广泛的运用。

图形化的衬底电极改善碳纳米管的场发射特性

用电泳法将碳纳米管分别淀积到图形的和平面的ITO(铟锡氧化物)电极上作为场发射阴极并比较性的研究了它们的场发射特性。实验结果显示,相对于平面的衬底电极,斑条的ITO电极能够有效的改善碳纳米管的场发射特性。通过电场的数值计算,场发射特性的改善起源于斑条的ITO电极自身的表面电场增强引起了碳纳米管表面电场的两级放大。采用图形化衬底电极去制备碳纳米管阴极是改善碳纳米管场发射特性的一个简单、有效途径。

高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高

在图形化蓝宝石衬底生长低温缓冲层之前,通入少量三甲基镓(TMGa)和大量氨气进行短时间的高温预生长,通过改变TMGa流量制备了4个蓝光LED样品。MOCVD外延生长时使用激光干涉仪实时监测薄膜反射率,外延片使用高分辨率X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线估算位错密度,并使用光致发光谱表征发光性能,制备成芯片后测试了正向电压和输出光功率。结果表明,高温预生长可促进薄膜的横向外延,使得三维岛状GaN晶粒在较小的薄膜厚度内实现岛间合并,有利于降低位错密度,提高外延薄膜质量,LED芯片的输出光功率的增强幅度达29.1%,而电学性能无恶化迹象;但高温预生长工艺中TMGa的流量应适当控制,过量的TMGa导致GaN晶粒过大,将延长岛间合并时间,降低晶体质量。

腔室状态对图形化蓝宝石衬底刻蚀工艺的影响

图形化蓝宝石衬底是近年来针对高度发光二极管的应用要求发展起来的一种新技术。通过利用自主研制的工业化感性耦合等离子体刻蚀机对图形化蓝宝石衬底的刻蚀工艺进行了研究。采用光学发射光谱仪和扫描电镜研究了PSS生产过程中腔室状态的变化对蓝宝石的刻蚀速率、选择比和图形形貌的影响。研究结果表明:随着反应腔累积放电时间的增加,刻蚀速率呈现下降趋势,选择比呈先上升然后下降的趋势。该趋势由反应腔室内表面上的沉积物所引起。

高效大功率LED用蓝宝石图形衬底的制备

首先在蓝宝石衬底上旋涂PMMA/copolymer双层胶,然后再进行电子束光刻处理,随后溅射铝膜,并结合剥离技术,从而制备图形化金属铝膜;最后再采用两步热处理法,使图形铝膜发生固相外延反应。在此过程中,侧重于电子束光刻和高温热处理的工艺优化研究。SEM测试结果表明,图形化铝膜在450℃低温氧化热处理24 h后,其图形形貌没有发生明显改变;在温度低于1200℃的高温热处理1 h后,图形仍然存在。HRXRD分析表明,图形化铝膜在450℃低温热处理24 h后再在1000℃高温热处理1 h,可在蓝宝石衬底上形成氧化铝外延薄膜;并且相比于基片,氧化铝外延薄膜的结晶质量还有所提高。本方法成功实现了高效大功率用LED蓝宝石图形衬底的制备。

LED用图形化蓝宝石衬底的光刻工艺优化

基于对单片衬底曝光场分布规律的研究,建立了曝光场分布优化的数学模型,推导出计算单片衬底曝光场数目及曝光场顶点坐标值的解析表达式;根据曝光场顶点与衬底中心点之间的关系,开发了优化衬底曝光场分布的算法;将该算法应用于实际曝光加工过程,结果表明:曝光场数量减少了近10%,提高了光刻机的生产效率。

图形化蓝宝石衬底上有序微米半球形SnO_2的生长、结构和光学特性研究

利用化学气相沉积法,在图形化蓝宝石衬底上,无需引入催化剂,通过改变反应源锡粉量生长出了不同尺寸、规则排列的有序微米半球形SnO_2.测试结果表明,微米半球形SnO_2呈选择性生长特性,并且随着反应源锡粉量的增加,微米半球的直径逐渐增大,结晶质量变差.此外,随着锡粉量的增加,在吸收谱中还观测到了吸收边的红移现象.这种选用图形化衬底的制备方法为制备高密度、有序排列的SnO_2微/纳米结构提供了一种可行和有效的方法.

LED用图形化蓝宝石衬底的干法刻蚀工艺

近年来,图形化蓝宝石衬底(PSS)作为GaN基LED外延衬底材料被广泛应用。采用感应耦合等离子体(ICP)技术对涂覆有光刻胶阵列图案的蓝宝石衬底进行刻蚀。通过研究及优化不同ICP刻蚀工艺参数对刻蚀速率和选择比的影响,分别成功制备出蒙古包形和圆锥形图形化蓝宝石衬底片,并在其表面完成InGaN/GaN多量子阱外延及芯片工艺。借助光致发光和电致发光等手段测试其LED器件的光电学性能。实验结果发现圆锥形的图形化蓝宝石衬底拥有更强的光功率和更窄的半峰宽,说明这种形貌的衬底在GaN外延时有效减少了晶格失配造成的缺陷,提高了晶体质量,从而更有效地增加LED出光效率。

GaN基LED的图形衬底优化研究

设计了方形和阶梯状两大类的图形化蓝宝石衬底(PSS),使用Crosslight公司的工艺软件CSuprem建立了三维的方形和阶梯状两类图形衬底GaN LED器件,然后使用APSYS软件模拟计算出它们的光电特性。并且对方形图形衬底的刻蚀深度进行了优化,通过对模拟结果的比较得到刻蚀深度与边长的比值为0.4时,这种方形图形衬底GaN LED的光提取效率最高,且比平面衬底提高了20.13%。对阶梯状图形衬底的阶梯层数进行了比较,发现随着阶梯层数的增加,光提取效率也随着增加,阶梯状层数为5时,光提取效率比平面衬底提高了30.03%。并对方形PSS LED进行了实验验证。

图形化蓝宝石衬底表面原位处理对GaN外延薄膜的影响

采用预铺Ga或NH_3氮化等方式原位处理图形化蓝宝石衬底(PSS)表面,然后外延生长了GaN薄膜,研究了PSS表面预处理对GaN薄膜表面形貌、晶体质量以及残余应力的影响。结果显示,PSS经过预铺Ga后生长的GaN薄膜具有平滑的表面和清晰平直的原子台阶,且位错密度最低;氮化后生长的GaN薄膜原子台阶较宽,螺型位错密度较低;衬底未经表面处理生长的GaN薄膜,原子台阶模糊,位错密度最高;同时,与氮化或未经预处理的方法相比,经过预铺Ga的方式预处理PSS表面后生长的GaN薄膜残余应力最小。分析认为,预铺Ga、氮化等方式处理衬底表面,改变了PSS微结构,有利于生长表面平滑、晶体质量高、残余应力小的GaN薄膜。

双AlN插入层法在Si图形衬底上进行AlGaN/GaN HEMT的MOCVD生长

双AlN插入层方法被用来在Si(111)图形衬底上进行AlGaN/GaN高迁移率晶体管(HEMT)的金属有机物化学气相沉积(MOCVD)外延生长。Si图形衬底采用SiO2掩膜和湿法腐蚀(无掩膜)两种方法进行制备。高温生长双AlN插入层用来释放GaN外延层和Si衬底之间由于晶格失配和热失配而产生的张应力。AlGaN/GaN HEMT的生长特性被讨论和分析。在使用优化的双AlN插入层之前,可以在图形[1-100]方向观察到比[11-20]方向更多的由于应力而引起的裂纹。这是由于GaN在(1-100)面比(11-20)更稳定。建议在图形设计中,长边应沿着[11-20]方向进行制备。拉曼测试显示在图形凹角处比凸角处有更大的拉曼频移,证明在图形凹角处有更大的张应力。

高效大功率LED用蓝宝石图形衬底制备的研究进展

近年来,图形化的蓝宝石衬底在改善GaN晶体外延生长质量以及提升LED器件发光提取效率方面作用显著,引起了广泛的研究兴趣。综述了蓝宝石图形衬底的制备方法(干法刻蚀、湿法刻蚀、外延生长法),并较系统地介绍了蓝宝石图形衬底表面周期性图形参数(图形形貌、图案尺寸、图形占位比及其深度)对LED发光薄膜及器件的影响及其机理,最后对蓝宝石图形衬底的发展趋势进行了展望。

湿法腐蚀制备蓝宝石图形衬底的研究

利用湿法腐蚀方法,制备出图形化蓝宝石衬底(PSS)。在相同的腐蚀时间下,研究腐蚀液温度对腐蚀蓝宝石表面形貌和外延后GaN材料的影响。扫描电镜(SEM)测试结果表明:随着腐蚀液温度的增加,图形的深度增加。腐蚀后图形阵列排布整齐,所有图形都方向一致,这与蓝宝石本身晶体性质有关。腐蚀液温度对外延后GaN的影响也比较大,随着腐蚀液温度的增加,(002)半峰宽逐渐增加,光致发光谱(PL)发光强度逐渐增加。管芯结果表明,LED管芯的光强也逐渐增加。

湿法腐蚀制备GaN LED蓝宝石图形衬底的工艺方法研究

近几年来,蓝宝石图形衬底(PSS)制备工艺技术已成为国内外研究GaN基发光二极管(LED)的热点问题.该技术不仅能够降低GaN外延缺陷和位错密度,还能够有效提高LED的光提取效率.为了获得均匀性好的PSS及操作简便、成本较低的制备方法,采用湿法腐蚀方式研制C面蓝宝石图形衬底;利用自主设计的高温腐蚀系统,在硫酸和磷酸配比为3:1,加热280℃的条件下,腐蚀40分钟得到深度大于2μm的规整图形结构,具有极高的图形占空比;分析了时间、温度、腐蚀深度等因素与腐蚀速率的关系,对PSS结构设计和实现具有参考意义.

GaN基LED图形衬底的性能研究

蓝宝石图形衬底可以降低外延位错密度并增强背散射光,已经成为制备高亮LED有效技术手段。本研究运用时域有限差分(FDTD)法模拟和比较了GaN基微纳米图形衬底LED几种衬底图形结构对光的提取效率的影响。模拟结果显示纳米图形衬底(NPSS)对光效的提高明显优于微米图形衬底(MPSS)。在对圆柱、圆孔、圆台、圆锥和曲面锥等纳米结构的研究中,圆台柱结构的纳米图形衬底对光提取效果最好。通过进一步模拟优化,得到圆台结构的最佳参数,此时相对于普通衬底LED光的提取效率提高了96.6%。试验中,采用软模压印技术在蓝宝石基片上大面积制备出纳米圆台图形衬底,并测得外延生长GaN层后的外延片的PL强度增加了8倍,可见纳米图形衬底对提高LED的出光效率有显著效果。

GaAs(001)图形衬底上InAs量子点的定位生长

InAs/GaAs量子点是重要的单光子源,位置可控量子点对实现可寻址易集成的高性能量子点光源具有重要意义.本文详细研究了氢原子条件下GaAs (001)图形衬底的低温脱氧过程,低温GaAs缓冲层生长中沟槽形貌的演化过程,以及沟槽形貌对量子点形核位置的影响.发现GaAs衬底上纳米沟槽侧壁的倾斜角较小时, InAs量子点会优先生长于沟槽底部;当沟槽的侧壁倾斜角较大时, InAs量子点则会优先生长于沟槽两侧的外边沿位置.此外,本文还研究了纳米孔洞侧壁的倾斜角对量子点成核位置的影响,实现了双量子点分子和四量子点分子的定位生长.

硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长

纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提.结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术,通过分子束外延生长方法,在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火,实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长,锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面.详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否,以及纳米线尺寸的影响.