图形化蓝宝石衬底结构对GaN基LED发光性能的影响

为了研究图形化蓝宝石衬底(PSS)的结构和形貌对GaN基发光二极管(LED)光学性能的影响,对PSS的制备工艺和参数进 行了调控,从而 形成具有不同填充因子的蒙古包形PSS(HPSS)和金字塔形PSS(TPSS)两种衬底,用于生长 和制备蓝光LED 芯片。通过对TPSS-LED的光学性能测试和分析得到,随着PSS填充因子的增大, LED的 光输出功 率也增大;进而比较具有相同填充因子的HPSS和TPSS的光学性能表明,HPSS明显优于TPSS。 因此, PSS填充因子的增大,能够提高LED的光输出功率;优化PSS的结构可以改善LED中光出射途径 ,从而更有效提高LED的光发射效率。     

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.     

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。     

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.     

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。     

GaN基发光二极管芯片光提取效率的研究

基于蒙特卡罗方法模拟分析了限制GaN基发光二极管(LEDs)芯片光提取效率的主要因素。结果表明,GaN与蓝宝石之间的较大折射率差别严重限制了芯片光提取效率的提高,通过蓝宝石背面出光比通过p型GaN层的正面出光的芯片光提取效率至少高20％;同时,低GaN光吸收系数、高电极反射率以及环氧树脂封装可以有效的增加芯片光提取效率,并且LEDs芯片尺寸在400μm以下时光提取效率较高。     

溅射AlN技术对GaN基LED性能的影响

研究了在图形蓝宝石衬底(PSS)上利用磁控溅射制备AlN薄膜的相关技术,随后通过采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)在相关AlN薄膜上生了长GaN基LED.通过一系列对比实验,分析了AlN薄膜的制备条件对GaN外延层晶体质量的影响,研究了AlN薄膜溅射前N2预处理功率和溅射后热处理温度对GaN基LED性能的作用机制.实验结果表明:AlN薄膜厚度的增加,导致GaN缓冲层成核密度逐渐升高和GaN外延膜螺位错密度降低刃位错密度升高;N2处理功率的提升会加剧衬底表面晶格损伤,在GaN外延膜引入更多的螺位错;AlN热处理温度的升高粗化了表面并提高了GaN成核密度,使得GaN外延膜螺位错密度降低刃位错密度升高;而这些GaN外延膜位错密度的变化又进一步影响到LED的光电特性.     

蓝宝石图形衬底上GaN低温缓冲层的研究

低温下,在蓝宝石图形衬底上使用金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长低温GaN(LT-GaN)缓冲层,并对其表面形貌进行了细致的观察,发现了不同于已报道的GaN选择性成核生长现象。基于不同厚度的低温GaN缓冲层生长了n型GaN(n-GaN),发现过厚或者过薄的缓冲层都会对n-GaN晶体质量产生负面影响,并结合初始成核阶段进行了原因分析。制备了基于不同厚度的n-GaN的发光二极管(LED)样品,分析了GaN晶体质量对LED输出功率的影响。同时发现,晶体质量较差的时候,光提取效率可能主导着对LED器件性能的影响。     

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。     

硅衬底GaN基LED外延生长的研究

采用在AlN缓冲层后原位沉积SiN掩膜层,然后横向外延生长GaN薄膜.通过该法在硅衬底上获得了1.7 μm无裂纹的GaN薄膜,并在此基础上外延生长出了GaN基发光二极管(LED)外延片,其外延片的总厚度约为1.9 μm.采用高分辨率双晶X-射线衍射(DCXRD)、原子力显微镜(AFM)测试分析.结果表明,GaN薄膜(0002)面的半峰全宽(FWHM)降低到403 arcsec,其表面平整度得到了很大的改善;InGaN/GaN多量子阱的界面较平整,结晶质量良好.光致发光谱表明,GaN基LED峰值波长为469.2 nm.     

Enhancement of photo- and electro-luminescence of GaN-based LED structure grown on a nanometer-scaled patterned sapphire substrate

In this study, a 2 in. sized a highly periodic nanometer-scaled patterned sapphire substrate (NPSS) was fabricated using nanoimprint lithography (NIL) and inductively coupled plasma etching to improve the light-extraction efficiency of GaN-based light-emitting diodes (LEDs). A blue LED structure was grown on the nanometer-scale patterned sapphire substrates, and the photoluminescence (PL) and electroluminescence (EL) were measured to confirm the effectiveness of the nanometer-scaled patterns on sapphire. An improvement in luminescence efficiency was observed when NPSS was applied; 2 times stronger PL intensity and 2.8 times stronger EL intensity than the LED structure grown on the unpatterned sapphire wafers were measured. These results show highly periodic nanometer-scaled patterns create multi-photon scattering and effectively enhance the light-extraction efficiency of LEDs.     

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。     

利用ICP设备制备图形化蓝宝石基底的工艺控制

该文对利用感应耦合等离子体(ICP)刻蚀设备来制作图形化蓝宝石基底(PSS)的工艺控制进行了研究。在工艺制作过程中,选用了C轴(0001)取向的100 mm蓝宝石平片作为实验样品,通过光刻工艺和ICP刻蚀工艺控制,制作出了具有圆锥状图形结构的图形化蓝宝石基底。借助扫描电子显微镜,对该图形化蓝宝石基底进行了测量和分析。测量结果显示,基底表面上的单粒圆锥状图形结构的底部直径为(3.45±0.25) μm,刻蚀高度/深度为(1.75±0.25) μm,整个图形化蓝宝石基底成品片的均匀性控制在3%以内。     

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.     

图形衬底对InGaN/GaN多量子阱太阳能电池性能的提升

In this paper, the enhanced performance of InGaN/GaN multiple quantum well solar cells grown on patterned sapphire substrates （PSS） was demonstrated. The short-circuit current （Jsc） density of the solar cell grown on PSS showed an improvement of 60%, compared to that of solar cells grown on conventional sapphire substrate. The improved performance is primarily due to the reduction of edge dislocations and the increased light absorption path by the scattering from the textured surface of the PSS. It shows that the patterned sapphire technology can effectively alleviate the problem of high-density dislocations and low Jsc caused by thinner absorption layers of the InGaN based solar cell, and it is promising to improve the efficiency of the solar cell.