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。     

基于胶体球掩模板法制备图形化蓝宝石衬底

制备并研究了纳米级图形化蓝宝石衬底.采用磁控溅射技术在蓝宝石衬底上沉积 SiO2薄膜,利用自组装方法在SiO2薄膜上制备单层聚苯乙烯(PS)胶体球阵列,利用感应耦合等离子体干法刻蚀将周期性PS胶体球的图形转移到SiO2薄膜上,通过湿法腐蚀制备了纳米级图形化蓝宝石衬底.利用扫描电子显微镜对胶体球掩膜、SiO2纳米柱掩膜和图形化蓝宝石衬底结构进行了观察,研究了湿法腐蚀蓝宝石衬底的中间产物对刻蚀的影响,分析了腐蚀温度和腐蚀时间对蓝宝石衬底的影响.结果表明,湿法腐蚀的中间产物会降低蓝宝石衬底的刻蚀速率.蓝宝石衬底的腐蚀速率随着腐蚀温度的升高而加快;在同一腐蚀温度下,随着腐蚀时间的增加,图形尺寸进一步减小.     

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。     

基于图形化蓝宝石衬底的HB-LED研究进展

为了制作高亮度LED,需要在图形化蓝宝石衬底上生长GaN材料。通过光刻在平坦蓝宝石衬底上制作掩膜图形,通过刻蚀将图形转移到蓝宝石衬底,得到图形化蓝宝石衬底。在图形化蓝宝石衬底上进行GaN的侧向外延生长,并做后续处理,就制成了基于图形化蓝宝石衬底的高亮度LED。图形化蓝宝石衬底上GaN的侧向外延生长使得外延材料的位错密度从1010 cm-2降低到107 cm-2,这减少了发生非辐射复合的载流子,多量子阱发射更多的光子,LED的内量子效率提高。此外,图形化蓝宝石衬底能够有效散射从多量子阱射出的光线,使得出射光射到逃离区的几率更大,从而提高光萃取率。内量子效率和光萃取率的提高大大改善了LED的光电特性。     

基于片内热管理应用的碳化硅深孔刻蚀研究

针对传统SiC衬底GaN器件高功率密度工作时的热积累问题,开展基于芯片内部嵌入高热导率材料的GaN器件芯片级热管理技术研究。在实现工艺兼容性的基础上,采用反应离子刻蚀技术对GaN器件有源区下端的SiC衬底进行深孔刻蚀工艺研究,系统地分析了刻蚀气体、射频功率及腔室压强等工艺参数对刻蚀速率的影响,并结合能谱对刻蚀表面的质量和损伤进行分析。实验发现射频功率仅能影响刻蚀速率,而刻蚀气体和压强不仅影响其刻蚀速率,还影响其刻蚀表面质量。最终提出了一种基于反应离子刻蚀技术的SiC深孔刻蚀方法,对器件热管理和SiC深孔刻蚀技术具有重要的指导意义。     

SiC ICP背面通孔刻蚀研究

介绍了利用ICP设备,使用SF6基气体对4H-SiC衬底进行背面通孔刻蚀的技术。研究了金属刻蚀掩模、刻蚀气体中O2含量的变化、反应室压力、RF功率和ICP功率等各种条件对刻蚀结果产生的影响,重点对刻蚀气体中O2含量和反应室压力两个条件进行了优化。通过对刻蚀结果的分析,得出了适合当前实际工艺的优化条件,实现了厚度为100μm、直径为70μm的SiC衬底GaN HEMT和单片电路的背面通孔刻蚀,刻蚀速率达700nm/min,SiC和金属刻蚀选择比达到60∶1。通过对工艺条件的优化,刻蚀出倾角为75°～90°的通孔。     

α—Si TFT矩阵等离子体刻蚀技术的研究

本文介绍了α-Si TFT有源矩阵的CF_4等离子体刻蚀技术。分析了CF_4等离子体刻蚀α-Si:H和α-SiN_x的机理,对α-Si TFT的有源层与绝缘层之间刻蚀选择性和均匀性进行了研究,讨论了等离子体刻蚀速率与射频功率、反应室压力及衬底温度的依赖关系。根据实验结果总结了CF_4等离子体刻蚀速率随射频功率、反应室压力和衬底温度的增加而增大的规律,通过控制合适的工艺条件,成功地实现了选择性刻蚀并改善了刻蚀的均匀性。     

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.     

二氟化氙释放牺牲层多晶硅刻蚀速率研究

该文研究了相关工艺参数对二氟化氙(XeF_2)干法释放多晶硅的释放速率的影响。结果表明,对于薄膜体声波谐振器(FBAR)悬臂结构,腔室压力不变时,随着载气N_2流量的增大,刻蚀速率先增加后减少,刻蚀速率最大值为10.3μm/min;载气N2流量不变时,腔室压力越大,工艺腔室参与刻蚀反应的XeF_2气体的浓度增大,刻蚀速率越大。当腔室压力超过1 200Pa时,随着腔室压力的增加,刻蚀速率的增长率逐渐减小。     

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。     

对胶体球光刻中单层胶体晶体曝光特性的研究

对胶体球光刻中单层胶体晶体(MCC)的曝光特性进行了研究。利用磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上生长SiO2薄膜并旋涂光刻胶,通过固液界面自组装的方法在光刻胶上制备了单层胶体晶体。胶体球光刻利用单层胶体晶体作为微透镜阵列,通过紫外曝光的方法在光刻胶上制备微孔阵列。光刻胶上图形的周期性与胶体球的直径有关,并且大直径的胶体球的聚光性能要强于小直径胶体球,在曝光过程中随着曝光时间的增加,由于曝光量的增加以及光刻胶的漂白现象,光刻胶上微孔的尺寸也在增加。最后以曝光后的光刻胶为掩膜,将感应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)以及湿法腐蚀相结合,制备出了图形化蓝宝石(PSS)衬底。     

图形蓝宝石衬底GaN基发光二极管的研制

采用抗刻蚀性光刻胶作为掩膜,并利用光刻技术制作周期性结构,进行ICP干法刻蚀C面(0001)蓝宝石制作图形蓝宝石衬底(PSS);然后,在PSS上进行MOCVD制作GaN基发光二极管(LED)外延片;最终,进行芯片制造和测试。PSS的基本结构为圆孔,直径为3μm,间隔为2μm,深度为864 nm,呈六角形分布。与同批生长的普通蓝宝石衬底(CSS)GaN基LED芯片相比,PSS芯片的光强和光通量比CSS分别提高57.32%和28.33%(20 mA),并可减小芯片的反向漏电流,且未影响芯片的波长分布和电压特性。     

Reactive ion etching of gallium nitride films

Reactive ion etching (RIE) was performed on gallium nitride (GaN) films grown by electron cyclotron resonance (ECR) plasma assisted molecular beam epitaxy (MBE). Etching was carried out using trifluoromethane (CHF₃) and chloropentafluoroethane (C₂ClF₅) plasmas with Ar gas. A conventional rf plasma discharge RIE system without ECR or Ar ion gun was used. The effects of chamber pressure, plasma power, and gas flow rate on the etch rates were investigated. The etch rate increased linearly with the ratio of plasma power to chamber pressure. The etching rate varied between 60 and 500Å/min, with plasma power of 100 to 500W, chamber pressure of 60 to 300 mTorr, and gas flow rate of 20 to 50 seem. Single crystalline GaN films on sapphire showed a slightly lower etch rate than domain-structured GaN films on GaAs. The surface morphology quality after etching was examined by atomic force microscopy and scanning electron microscopy.     

基于图形衬底生长的GaN位错机制分析

采用缺陷选择性腐蚀法结合光学显微镜及原子力显微镜(AFM)对金属有机化合物气相外延(MOVPE)在蓝宝石图形衬底(PSS)上生长的非掺杂GaN体材料的位错产生机制进行了研究,分析结果表明,位错来源于三个方面:一是"二步法"生长机制引入的位错;二是是由于图形衬底上不同区域GaN晶体相互连接时由于晶面不连续所造成的位错群;三是由于图形衬底制作工艺过程中引入的表面污染与损伤.     

Efficiency improvement of near-ultraviolet InGaN LEDs using patterned sapphire substrates

The use of conventional and patterned sapphire substrates (PSSs) to fabricate InGaN-based near-ultraviolet (410 nm) light-emitting diodes (LEDs) was demonstrated. The PSS was prepared using a periodic hole pattern (diameter: 3 /spl mu/m; spacing: 3 /spl mu/m) on the (0001) sapphire with different etching depths. From transmission-electron-microscopy and etch-pit-density studies, the PSS with an optimum pattern depth (D/sub h/=1.5 /spl mu/m) was confirmed to be an efficient way to reduce the thread dislocations in the GaN microstructure. It was found that the output power increased from 8.6 to 10.4 mW, corresponding to about 29% increases in the external quantum efficiency. However, the internal quantum efficiency (@ 20 mA) was about 36% and 38% for the conventional and PSS LEDs, respectively. The achieved improvement of the output power is not only due to the improvement of the internal quantum efficiency upon decreasing the dislocation density, but also due to the enhancement of the extraction efficiency using the PSS. Finally, better long-time reliability of the PSS LED performance was observed.     

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 mA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1.69 μm、直径2.62 μm、间距0.42 μm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.     

Enhancement of light extraction efficiency of GaN-based light-emitting diode using ZnO sol-gel direct imprinting

ZnO nano-structures were formed on transparent conducting oxide layer of GaN LED device on non-patterned (non-PSS) and patterned sapphire substrates (PSS). Since ZnO nano-structures were formed by sol-gel direct imprinting process, plasma etching process, which may create the plasma induced damage, was not used. Due to the ZnO nano-structures, light extracted from active layer was coupled with ZnO nano-structures and thus total internal reflection at the ITO layer was suppressed. According to electroluminescence measurement, the emission intensities of GaN LED devices with ZnO nano-structures, on both non-PSS and PSS sapphire substrates were increased by 20.5% and 19.0%, respectively, compared to GaN LED devices without ZnO nano-structures, due to the suppression of total internal reflection. Moreover, it is confirmed that there is no decrease of light extraction on side direction due to light focusing to vertical axis by nanostructure. Electrical performance of GaN LED devices were not degraded by ZnO sol-gel direct imprinting process.