基于衬底图形化与链取向技术实现平面光波导

采用喷墨打印的方法对衬底进行图形化,结合链取向技术,实现聚合物混合体poly(9,9-dioctylfluoreneco-benzothiadiazole)(F8BT,主体)和red F(客体)在指定区域链取向.利用链取向区域内外的折射率差异,设计出了各种宽度的薄膜光波导,使光信号在链取向区域传播.同时,这一共混体系中主体的荧光光谱与客体的吸收光谱区域重叠,可以使有效的能量传递发生,利用主体向客体的能量传递机理,使链取向处理后的聚合物混合体实现了红光发射.

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。

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。

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。

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.

图形化蓝宝石衬底上InGaN/GaN多量子阱发光二极管的光谱特性研究

运用电致发光(EL)和光致发光(PL)实验,分析了图形化蓝宝石衬底(PSSLEDs)和常规平面蓝宝石衬底(C-LEDs)InGaN/GaN多量子阱发光二极管的光谱特性。对比EL谱,发现PSSLEDs拥有更强的光功率和更窄的半峰宽(FWHM),说明PSSLEDs具有较高的晶体质量。其次,PSSLEDs的EL谱半峰宽随电流增加出现了更快的展宽,而这两种LED样品的PL谱半峰宽随激光功率增加呈现了基本相同的展宽变化,说明在相同电流下,PSSLEDs量子阱中载流子浓度更高,能带填充效应更强。另外,随着电流的增加,PSSLEDs和C-LEDs的峰值波长都发生蓝移,且前者的蓝移程度较小,结合半峰宽的对比分析,说明PSSLEDs量子阱中的极化电场较小。最后,对比了PSSLEDs和C-LEDs的外量子效率随电流的变化,发现PSSLEDs拥有更严重的efficiency droop,说明量子阱中极化电场不是导致efficiency droop的主要原因。

图形化衬底对GaN基LED电流与发光特性的影响

在传统蓝宝石衬底(CSS)和图形化蓝宝石衬底(PSS)上分别制备了结构相同的GaN基蓝光发射二极管(LEDs),测试并比较了这两种不同衬底器件的电流与发光特性。结果表明,与CSS-LED相比,PSS-LED在-4V处的反向漏电流降低了两个数量级,峰值波长基本不随电流增大而发生显著蓝移,半高宽、输出功率与外量子效率等发光性能也获得明显改善。PSS-LED反向漏电流的减小主要归功于外延层中位错密度的降低,发光性能的改善主要是因为PSS减少了光在LED内部的全反射,提高了光的析出率;PSS-LED的外量子效率随电流下降的行为(droop)并未明显改善,表明位错可能不是引起效率droop的主要原因。

GaN外延用蓝宝石衬底的图形化研究进展

因蓝宝石具有良好的稳定性能,且其生产技术成熟,是目前异质外延GaN应用最广泛的衬底材料之一。采用图形化蓝宝石衬底技术可以降低GaN外延层材料的位错密度,提高LED的内量子效率,同时提高LED出光效率提高,近年来引起了国内外的广泛关注。概述了图形化蓝宝石衬底的研究进展,包括图形化蓝宝石衬底的制备工艺、图形尺寸、图形形状及图形化蓝宝石衬底的作用机理;详细介绍了凹槽状、圆孔状、圆锥形、梯形和半球状5种图形形状,并分析了GaN材料在不同图形形状的图形化蓝宝石衬底上的生长机理及不同图形形状对GaN基LED器件性能的影响。对图形化蓝宝石衬底技术的研究方向进行了展望,提出了亟待研究和解决的问题。

图形化蓝宝石衬底掺杂渐变GaN肖特基型紫外探测器

在图形化蓝宝石衬底掺杂渐变的氮化镓(GaN)外延片上制备了肖特基型紫外探测器。与传统结构器件相比,该器件表现出显著改善的电学和光学特性:(1)室温下,当偏压为-5V时具有极低的暗电流密度~1.3×10-8 A/cm^2;(2)在零偏压情况下,紫外/可见光抑制比为~4.2×10~3,最高的响应度为~0.147A/W,最大外量子效率为~50.7%,甚至在深紫外波段(250~360nm)平均量子效率也大于40%;(3)平均开启和关闭瞬态响应常数分别为115μs和120μs,基本不随偏压变化,且具有很好的热稳定性;(4)零偏压下热噪声限制的极限探测率为~5.5×10^(13)cm·Hz^(1/2)/W。

图形化蓝宝石衬底干法刻蚀工艺研究

为了缩短刻蚀时间以及提高发光二极管(LEDs)的发光性能,针对添加刻蚀辅助气体三氟甲烷(CHF_(3))的干法刻蚀工艺进行了研究。采用感应耦合等离子(ICP)干法刻蚀技术并通过正交试验研究了偏压功率、CHF_(3)流量、自动压力控制蝶阀开合度(APC)对刻蚀速率和选择比的影响。试验结果表明:当偏压功率、CHF_(3)流量和APC分别为350W、15 sccm和55%时,制程工艺有着更大的刻蚀选择比和蓝宝石刻蚀速率。使用最佳工艺参数制备出了大尺寸、高占空比、小弧度图形化蓝宝石衬底(PSS),与常规PSS相比,优化后的工艺参数制得的PSS高度增加了5.6%、占空比提高了4.6%。

图形化衬底对高In组分InGaN材料分子束外延(MBE)生长的影响

研究了不同衬底上MBE技术生长的InGaN的光学和结构特征。结果表明,在相同生长条件下,用图形化衬底生长的InGaN材料比用普通衬底生长的材料有较低的表面粗糙度和背景载流子浓度及较强的发光强度。通过透射电子显微镜(TEM)观察,发现普通衬底生长的InGaN内部原子错排现象严重,而采用图形化衬底生长的InGaN原子排列清晰规则。这主要是因为图形化衬底材料外延初期为横向生长模式,这种生长模式可有效地抑制穿透位错在GaN材料体系中的纵向延伸,降低GaN缓冲层中的位错密度,进而抑制外延InGaN材料中穿透位错和V型缺陷的产生。

低温下GaAs(001)图形化衬底对In原子扩散机制的影响

通过预先制备的图形化衬底和液滴外延法的结合,利用固体源分子束外延在条纹构图的GaAs(100)衬底上生长InAs纳米结构。发现InAs量子点倾向于形成在靠近平台以及脊上或侧壁上,InAs量子点形貌的变化取决于图案化衬底上In原子受到的扩散限制。随着衬底温度提高和退火时间延长,沟壑底部的几乎所有InAs量子点都逐步消失,而在平台上生长并熟化。基于In原子在图形化衬底下GaAs的成核和扩散,发现了In原子在图形化GaAs表面优先在平台上成核并向上攀爬的机理。基于这个机制,系统讨论了退火时间,衬底温度以及Ehrlich-Schwoebel势垒对In原子在图形化表面的成核和扩散的影响。

图形化Silicon-on-Insulator衬底上分子束外延生长可动GaN微光栅的研究

GaN材料作为第三代半导体材料,具有宽禁带、直接带隙、耐腐蚀等优点,是一种非常有前景的MOEMS材料。由于GaN的刻蚀目前尚未成熟,因此图形化外延生长法是一种较好的选择。本文基于SOI(silicon-on-insulator)基片,利用硅的微加工技术和图形化GaN分子束外延生长工艺,设计并加工了工作在太赫兹波段的、可以在二维方向上运动的SOI基GaN光栅。光栅周期为16μm,光栅宽度为6μm,峰值位置为25.901μm。通过仿真优化,设计的微驱动器在水平电压220V时,水平方向上的位移为±7.26μm;垂直方向加200V电压时,垂直位移2.5μm。为了研究在图形化SOI衬底上外延生长的InGaN/GaN量子阱薄膜的光学性能,用激光拉曼光谱仪对薄膜进行了光致发光光谱实验。实验结果表明,InGaN/GaN量子阱薄膜具有良好的发光性能,其发光范围为350~500nm,覆盖了紫外光到黄绿光。由于局域态效应与禁带收缩的作用,随着环境温度由10K升高至室温,薄膜的PL光谱的峰位呈现"S"形变化趋势。

柔性复合模板压印技术制备图形化蓝宝石衬底

图形化蓝宝石衬底(PSS)技术对提高发光二极管(LED)的内量子效率和光提取效率具有重要意义。研究了一种采用柔性复合模板压印制备图形化蓝宝石衬底的技术,其工艺流程主要包括三步图形转移。首先,在蓝宝石衬底上沉积二氧化硅,并在二氧化硅膜层上旋涂压印胶,利用紫外光固化压印技术实现模板结构向压印胶层转移。再通过电感耦合等离子体刻蚀的方法将压印胶层的结构转移到二氧化硅膜层,并以二氧化硅为掩模湿法腐蚀蓝宝石衬底形成图形结构。最后,去除二氧化硅后即可获得图形化蓝宝石衬底。实验证明,在柔性复合模板纳米压印技术制备的图形化蓝宝石衬底上生长的LED,其光致发光谱的强度比无图形结构衬底上生长的LED明显增强。

图形化蓝宝石衬底形貌对GaN基LED出光性能的影响

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。通过干法刻蚀和湿法腐蚀制备了不同规格和形状的蓝宝石衬底图形,并进行外延生长、芯片制备和封装验证,采用扫描电子显微镜(SEM)和3D轮廓仪进行形貌表征,研究了不同规格和形状的衬底图形对LED芯片出光性能影响,并与外购锥形衬底(PSSZ2)进行对比。结果表明,在20 m A工作电流下,PSSZ2的LED光通量为8.33 lm。采用类三角锥和盾形衬底的LED光通量分别为7.83 lm和7.67 lm,分别比PSSZ2衬底低6.00%和7.92%。对锥形形貌进行优化,采用高1.69μm、直径2.62μm、间距0.42μm的锥形衬底(PSSZ3)的LED光通量为8.67 lm,比PSSZ2衬底高4.08%,优化的PSSZ3能有效地提高LED出光性能。