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.     

LED蓝宝石图形化衬底的研究进展及发展趋势

图形化蓝宝石衬底作为GaN基LED照明外延衬底材料,由于其能降低GaN外延薄膜的线位错密度和提高LED的光萃取效率的显著性能在近几年来引起国内外许多科研机构和厂商的广泛兴趣。从衬底的制备工艺、图形尺寸角度出发,综述了图形化蓝宝石衬底GaN基LED的研究进展,并对其未来在大功率照明市场的应用进行了展望。     

图形化蓝宝石衬底技术综述

采用图形化蓝宝石衬底(PSS)技术可以降低GaN外延层材料位错密度,提高了发光二极管(LED)的内量子效率(IQE),同时使LED光析出率(LEE)提高。基于PSS技术可以制作高效GaN基高亮度LED。基于已公开发表文献对用于高效LED制作的PSS技术做了综述,介绍了PSS技术演化、PSS的制作方法与主要的图形结构、PSS上GaN外延层生长机制以及PSS对LED性能的影响。PSS结构对LED的IQE与LEE均有提高,但对二者哪个提高更为有效没有定论,最近的研究结果倾向于以为对LEE提高更为有效。PSS对LED的IQE与LEE提高的机制目前并不是非常清楚,对公开发表的PSS对LEE的提高机制提出了不同看法。不同PSS结构与尺寸对GaN质量以及LED性能的影响方面的研究目前还非常缺乏。     

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。     

蓝宝石图形衬底上利用AlN缓冲层生长高质量GaN

在图形化衬底上以AlN作为缓冲层生长高质量的GaN薄膜,国内相关的报道较少。通过引入两步缓冲层生长方法,在蓝宝石图形衬底上生长基于AlN缓冲层的高质量GaN薄膜,利用低温AlN层生长时内部的缺陷,选择性进行腐蚀,形成衬底与外延层界面间的侧向倒斜角,提高光萃取效率;同时在其上继续生长高温AlN,为后续GaN薄膜提供高质量模板。从外延角度出发,以表面形貌及其上生长的GaN薄膜的晶体质量为衡量依据,优化了低温AlN缓冲层以及高温AlN缓冲层的生长参数,优化后LED样品在20 mA测试电流下的光输出功率较参考样品提升了4%。     

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。     

生长温度对InGaN/GaN多量子阱LED光学特性的影响

利用低压MOCVD系统,在蓝宝石衬底上外延生长了InGaN/GaN多量子阱蓝紫光LED结构材料.研究了生长温度对有源层InGaN/GaN多量子阱的合金组分、结晶品质及其发光特性的影响.结果表明当生长温度从730℃升到800℃时,LED的光致发光波长从490nm移到380nm,室温下PL谱发光峰的半高全宽从133meV降到73meV,表明了量子阱结晶性的提高.高温生长时,PL谱中还观察到了GaN的蓝带发光峰,说明量子阱对载流子的限制作用有所减弱.研究表明,通过改变生长温度可以对LED发光波长及有源层InGaN的晶体质量实现良好的控制.     

生长在图形化蓝宝石衬底上的GaN薄膜光学性质研究

图形化蓝宝石衬底（PSS）技术作为提高LED发光效率的方法之一,一直备受关注。研究了PSS上生长的GaN薄膜的表面形貌、吸收光谱、红外光谱、拉曼散射（Raman）和太赫兹光谱等,并与常规蓝宝石衬底上的GaN外延薄膜进行对比。结果表明,PSS上生长的GaN外延薄膜的表面形貌、光提取效率（LEE）得到明显改善。此研究成果对进一步提高GaN基短波（蓝/紫光）发光二极管（LED）的发光效率具有一定的借鉴意义,为进一步拓展PSS器件的太赫兹响应提供了依据。     

InGaN/GaN和InGaN/AlGaN多量子阱中应变对光致发光特性的影响

对蓝宝石衬底上的InGaN/GaN和InGaN/AlGaN多量子阱结构和经激光剥离去除衬底的InGaN/GaN和InGaN/AlGaN多量子阱结构薄膜样品,进行了光致发光谱、高分辨XRD和喇曼光谱测量.PL测量结果表明,相对于带有蓝宝石衬底的样品,InGaN/GaN多量子阱薄膜样品的PL谱峰值波长发生较小的蓝移,而InGaN/AlGaN多量子阱薄膜样品的PL谱峰值波长发生明显的红移;喇曼光谱的结果表明,激光剥离前后E2模的峰值从569.1减少到567.5cm-1.这说明激光剥离去除衬底使得外延层整体的压应力得到部分释放,但InGaN/GaN与InGaN/AlGaN多量子阱结构中阱层InGaN的应力发生了不同的变化.XRD的结果证实了这一结论.     

InGaN/GaN和InGaN/AlGaN多量子阱中应变对光致发光特性的影响

对蓝宝石衬底上的InGaN/GaN和InGaN/AlGaN多量子阱结构和经激光剥离去除衬底的InGaN/GaN和InGaN/AlGaN多量子阱结构薄膜样品,进行了光致发光谱、高分辨XRD和喇曼光谱测量.PL测量结果表明,相对于带有蓝宝石衬底的样品,InGaN/GaN多量子阱薄膜样品的PL谱峰值波长发生较小的蓝移,而InGaN/AlGaN多量子阱薄膜样品的PL谱峰值波长发生明显的红移;喇曼光谱的结果表明,激光剥离前后E2模的峰值从569.1减少到567.5cm-1.这说明激光剥离去除衬底使得外延层整体的压应力得到部分释放,但InGaN/GaN与InGaN/AlGaN多量子阱结构中阱层InGaN的应力发生了不同的变化.XRD的结果证实了这一结论.