基于CMOS工艺的Si-LED器件设计与测试

采用CSMC(华润上华)0.5μmCMOS工艺设计和制备了正向偏置和反向偏置情况下发出两种不同种类光的Si-LED。在室温条件下,对器件进行了初步测试,正向导通电压为0.7V,反向击穿电压为7.5V。器件的结构采用P-base层与n+区交叠,形成Si-pn结LED。观察了Si-LED发光显微照片及实际器件的版图,并对器件的发光进行了光谱特性测量。Si-LED在正向偏置时,发出红外光,其发光峰值在1125nm;Si-LED在反向偏置时,发出可见光,其发光峰值在725nm。

标准CMOS工艺载流子注入型三端Si-LED的设计与研制

采用无锡华润上华(CSMC)0.5μm标准CMOS工艺,设计并制备了一种新型的高发光功率载流子注入型三端Si-LED器件。该器件在p型衬底上进行n+掺杂,与p衬底形成两个相对的n+p结,其中一个结正向偏置,发出峰值波长在1 100 nm附近的红外光;另一个结同样正偏,作为注入结对发光进行调制。测试结果显示:第三端注入载流子明显增强了总体的发光功率,在10 mA偏置电流、3 V调制电压下,可获得1 nW的光功率,与单结相比提高了两个数量级。由于工作电压低,该器件可与目前主流的CMOS工艺共电源单芯片集成,在光电集成领域具有一定的应用前景。

基于标准CMOS的低压高效正向注入型Si-LED阵列研究

基于标准CMOS工艺的n^＋源/漏区和p-sub,设计了一种楔形n^＋pn^＋结构的硅基发光二极管（Si-LED）阵列,并经UMC 0.18μm 1P6M CMOS工艺制备。测试结果表明,设计的Si-LED在0.9-1.5V范围内正常工作,与CMOS电路的电源电压兼容,其发光峰值波长在1 100nm附近;注入电流为390mA时,器件的发光功率可达1 800nW,平均功率转换效率为3.5×10^-6。由于工作电压低、发光功率高,设计的LED器件有望在光互连领域得到广泛应用。

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道S i衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量S i衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaN LED的结温比较,发现S i衬底GaN LED有更低的结温,原因归结为S i有更好的导热性。同时也表明:用S i作GaN LED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。

半导体光电结构材料及其应用

半导体光电结构材料广泛应用于信息、照明、交通、能源、医疗、军事等领域.介绍了厦门大学近年来在半导体光电结构材料研究的进展,着重介绍高Al组分AlGaN、高In组分InGaN、GaN基半导体、Si基半导体、ZnO基半导体等结构材料研发中所取得的进展及其在大功率LED、紫外LED、激光器、探测器、太阳能电池等光电器件中的应用.

Si衬底GaN基蓝光LED老化性能

报道了芯片尺寸为500μm×500μm硅衬底GaN基蓝光LED在常温下经1000h加速老化后的电学和发光性能,其光功率随老化时间的变化分先升后降两个阶段;老化后的反向漏电流和正向小电压下的电流均有明显的增加;老化后器件的外量子效率(EQE)比老化前低;老化前后EQE衰减幅度在不同的注入电流下存在明显差异,衰减幅度最小处出现在发光效率最高时对应的电流密度区间。

SiN钝化膜对Si衬底GaN基蓝光LED性能影响

利用等离子辅助化学气相沉积(PECVD)系统在垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED芯片上生长了SiN钝化膜,并对长有钝化膜及未作钝化处理的LED在不同条件下进行了老化实验,首次研究了SiN钝化膜对垂直结构Si衬底GaN基蓝光LED可靠性的影响。实验发现:经过30mA、85℃、24h条件老化后,未作钝化处理的Si衬底GaN基蓝光LED的平均光衰为11.41%,而长有SiN钝化膜的LED平均光衰为6.06%,SiN钝化膜有效地改善了LED在各种老化条件下的光衰,另外,SiN钝化膜缓解了Si衬底GaN基蓝光LED老化过程中反向电压(Vr)的下降,但对老化后LED的抗静电击穿能力(ESD)没有明显的影响。

Si衬底InGaN/GaN多量子阱LED外延材料的微结构

用透射电子显微镜(TEM)和X射线双晶衍射仪(DCXRD)对在Si(111)衬底上生长的InGaN/GaN多量子阱(MQW)LED外延材料的微结构进行了观察和分析.从TEM高分辨像观察到,在Si和AlN界面处未形成SixNy非晶层,在GaN/AlN界面附近的GaN上有堆垛层错存在,多量子阱的阱(InGaN)和垒(GaN)界面明锐、厚度均匀;TEM和DCXRD进一步分析表明MQW附近n型GaN的位错密度为108cm-2量级,其中多数为b=1/3〈1120〉的刃位错.

裂纹对Si衬底GaN基LED薄膜应力状态的影响

本文通过XRD和PL等分析方法研究了在Si衬底生长的GaN基LED外延薄膜n型GaN层和InGaN阱层的应力状态,以及裂纹对其应力状态的影响。XRD结果表明:在Si衬底生长的GaN基LED外延薄膜n型GaN层受到张应力,在受到一定的外加应力后会以裂纹及裂纹增生的方式释放。随着裂纹数量的增加,n型GaN层受到的张应力逐渐减小,但仍处于张应力状态;n型GaN层张应力的减小使得InGaN阱层受到的压应力增大。PL分析进一步表明:InGaN阱层受到的压应力增大使得量子限制Stark效应更加明显,禁带宽度减小,发光波长表现为红移。

Si衬底氮化物LED器件的研究进展

通过对比分析目前氮化物LED的三种主要衬底即蓝宝石、SiC与Si的技术特点,指出了发展Si衬底LED的重要意义。详细介绍了目前国内外Si衬底LED的研究现状,解析了在Si衬底上制备LED的多种新型技术,主要包括以提高薄膜沉积质量为目的的缓冲层技术、激光脱离技术、图案掩模技术、阳极氧化铝技术,以及以提高光提取率为宗旨的镜面结构技术和量子阱/量子点技术。这些新型技术与传统的MOCVD,HVPE,MBE等制备技术相结合,在很大程度上克服了Si衬底的不足,使Si衬底上氮化物LED展现出广阔的发展前景。

功率型白光LED平面涂层技术研究

基于水溶性感光胶的白光LED表面涂层技术,阐述了含有荧光粉感光胶悬浮液的配比和封装结构对白光LED出光效率的影响,提出了相应的改进措施,通过实验证实提高了白光LED器件的整体性能。同时,对利用该法得到的功率型白光LED进行了光衰减测试,LED在700mA电流下点亮168h后,光输出为初始光输出的95.95%,满足实用要求。

静电对Si衬底GaN基蓝光LED老化寿命的影响

对几组本工程中心研制的S i衬底GaN基蓝光二极管(LED)施加了不同静电击打后,分别在30、50和70mA的驱动电流下进行了老化实验对比,施加静电电压分别为0、100、500和1 000 V。研究对比了1 000 V范围内的静电对S i衬底上GaN基蓝光LED老化寿命的影响,并对相关实验现象进行了分析。结果表明在1000V范围内施加不同的静电对其寿命没有明显的影响。

量子垒结构对Si衬底GaN基绿光LED光电性能的影响

在Si衬底上外延生长了3种不同量子垒结构的绿光外延片并制作成垂直结构芯片,3种量子垒结构分别为Ga N、In0.05Ga0.95N/Al0.1Ga0.9N/In0.05Ga0.95N、In0.05Ga0.95N/Ga N/In0.05Ga0.95N,对应的3种芯片样品为A、B、C,研究了3种样品的变温电致发光特性。垒结构的改变虽然对光功率影响很小,但是在光谱性能上会引起显著改变,结果如下:在低温(13 K)大电流下,随着电流密度的增大,样品的EL谱峰值波长蓝移更为显著,程度依次为B>A≈C;在高温(300 K)小电流下,随着电流密度的增大,样品EL谱的峰值波长蓝移程度的大小依次为A>B>C。在同一电流下,随着温度的升高,样品在大部分电流下的EL谱峰值波长出现"S"型波长漂移,在极端电流下又表现出不同的漂移情况。这些现象与局域态、应力、压电场、禁带宽度等因素有关。

用于制备硅LED的太阳能电池技术

集成电路工艺发展使得芯片内部的互连成为芯片延时的主要问题。制备出高光效的硅LED已经成为OEIC发展的瓶颈。硅是间接带隙半导体,而且载流子寿命较长。所以使用硅材料制备发光器件是长久以来特别引人关注而又较难解决的问题。采取降低非辐射复合速率,增加辐射复合的机会可以实现硅LED的发光。介绍了用于制备硅LED的太阳能电池技术原理和主要方法,以及采用这一原理实现PERL硅电池和区熔硅衬底非晶硅电池用于制备LED的技术。

标准CMOS工艺U型Si LED器件发光分析

描述了用于制备SiLED发光器件的Si材料的一些特性和Si发光器件的发光原理,分析了影响Si发光器件发光性能的主要因素。介绍了采用新加坡Charter公司的0.35μm标准CMOS工艺最新设计和制备的U型SiLED发光器件,设计和制备此U型器件主要目的是尽可能大的提高侧面发光效率。在对器件进行了电学和光学特性的测量后,得到了SiLED发光及实际版图的显微图形以及器件的正反向I-V特性和发光光谱。器件在室温下反向偏置,50mA电流下所得辐射亮度值为14.43nW,发光峰值在772nm处。

标准CMOS工艺低压栅控硅发光器件设计与制备

本文采用0.18μm标准CMOS工艺设计并制备了一种MOS结构的低压栅控硅基发光器件.该光源器件内部采用n^(+)-p^(+)-p^(+)-n^(+)-p^(+)-p^(+)-n^(+)的叉指结构,在相邻两个p^(+)有源区之间覆盖多晶硅栅作为第三端控制电极,用于在源/漏区边缘形成场诱导结,降低p^(+)/n-well结的反向击穿电压,提高器件发光功率.测试结果表明,该光源器件可以发射420nm~780nm的黄色可见光,在3V的正向栅压下,p^(+)/n-well发光二极管的反向击穿电压下降到3V以下,光输出功率提高至2倍以上.本文设计的光源器件工作电压较低,并且与CMOS工艺完全兼容,可以与其他CMOS电路共用电源并且实现单片集成,在硅基光电子集成领域具有一定的应用价值.

一种新型垂直结构的Si基GaN绿光LED

为了改善Si基LED的电流扩展问题以及降低其工作电压,阐述了一种工艺简单新型垂直结构的Si基GaN绿光LED(V-LED)。利用ICP在芯片上刻蚀出通孔结构露出n-GaN层和Si衬底层,在通孔上的n-GaN层和Si衬底层蒸镀金属,将n-GaN层和Si衬底层直接导通,形成第一n电极,在减薄的Si衬底背面蒸镀背电极用于形成第二n电极。并且通过改变探针的测试位置,在同一芯片上进行了V-LED与横向导电的LED结构(L-LED)的比较,V-LED展现出了良好的性能,其串联电阻相对降低了10%,在大电流注入的情况下,相对光输出强度也有了提高。

用于高亮LED的Si键合研究

在Si和外延层之间使用一层薄金属层作为高效反射镜的所谓"镜面衬底",不但有助于提高芯片的出光效率,同时把键合温度降低到300℃以下。利用Au/In合金的方法,来实现用于高亮LED的Si片与AlGaInP四元外延片的键合。实验表明,在温度为250℃时,利用Au/In作为焊料,Si片与AlGaInP四元外延片可以实现比较好的键合,键合面可以达到60%。通过研磨减薄、X-ray测试和扫描电镜(SEM)测试得出键合面的界面特性,通过能谱分析得出键合面的物质分别为AuIn2和AuIn,实验测试得出此时Au的原子数占33.31%,In的原子数占36.64%。

垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响

用MOCVD技术在硅衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料,研究了有源层多量子阱中垒的生长温度对发光效率的影响,获得了不同电流密度下外量子效率（EQE）随垒温的变化关系。结果表明,在860~915℃范围内,发光效率随着垒温的上升而上升。当垒温超过915℃后,发光效率大幅下降。这一EL特性与X光双晶衍射和二次离子质谱所获得的阱垒界面陡峭程度有明显的对应关系,界面越陡峭则发光效率越高。垒温过高使界面变差的原因归结为阱垒界面的原子扩散。垒温偏低使界面变差的原因归结为垒对前一个量子阱界面的修复作用和为后一个量子阱提供台阶流界面的能力偏弱。外延生长时的最佳垒温范围为895~915℃。

SiON钝化膜对硅衬底氮化镓绿光LED可靠性的影响

研制了4种不同表面钝化类型Si衬底GaN基绿光LED,分别标记为样品A、B、C、D。样品A无钝化层,样品B为台面SiON钝化,样品C为侧面SiON钝化,样品D为台面和侧面均钝化。将4种样品进行了常温60 mA(电流密度312 A/cm2)下168 h的加速老化,并对比了老化前后的I-V和光衰等特性。结果表明:侧边的SiON钝化层可有效抑制有源区内非辐射复合缺陷的增加,从而有效降低器件老化后的漏电流和光衰。与台面上的SiON相比,侧边的SiON对钝化起到了决定性作用。