应力对硅衬底GaN基LED器件光电性能影响的研究

尽管硅衬底GaN LED在中国率先实现了产业化，并成为半导体照明的重要技术路线之一,然而它还有大量的科学技术问题没有解决,值得多学科交叉融合进行深入研究。无论是哪种衬底上外延的GaN,将其剥离转移到新基板上制备垂直结构的大功率器件，是实现半导体照明的必由之路。GaN LED外延生长、芯片制造、器件封装、和使用过程中各种应力对器件光电性能影响的研究是当前研究热点,文献中对此现象的研究主要集中在GaN没有从外延衬底剥离的同侧结构器件，对垂直结构GaN LED器件尤其是硅衬底GaN LED器件中各种应力的研究还处于初始阶段。本项目设计和制备多种具有不同应力状态的垂直结构GaN LED，研究应力与LED光电性能之间的关系。期望建立芯片应力状态和基板热膨胀系数的最佳组合，大幅度提升器件光电性能的稳定性和可靠性，为薄膜转移芯片制造工艺技术路线提供科学依据，为半导体照明技术得到更广泛的应用奠定重要基础。

GaN LED外延生长、芯片制造、器件封装、和使用过程中各种应力对器件光电性能影响的研究是研究热点,文献中对此现象的研究主要集中在GaN没有从外延衬底剥离的同侧结构器件，对垂直结构GaN LED 器件尤其是硅衬底GaN LED 器件中各种应力的研究非常少。本课题对从外延生长到芯片制备诸多环节所涉及的应力问题进行了一定的研究，获得了一些有益的研究结果，对于进一步改善硅衬底GaN LED性能起了一定的指导作用。研究了Si(111)图形衬底上生长的GaN LED外延薄膜应力分布的均匀性，及把外延薄膜从外延衬底转移到新基板并制备成垂直结构芯片的发光均匀性问题。研究了AlN插入层厚度对硅衬底上生长GaN外延膜晶体质量的影响,结果表明随着AlN插入层厚度的增加，外延膜在放置过程中所产生的裂纹密度逐渐减少，当AlN层厚度为30nm时，外延片放置过程中不产生裂纹,其原因可归结为：随着AlN插入层厚度的增加，GaN成核层的生长模式由层状生长转变为岛状生长，使GaN外延膜在生长过程中积累更多的压应力，从而补偿了外延膜生长后降温带来的张应力。课题组采用在不同垒层重掺杂硅的办法产生不同内建电场来补偿应力导致的极化电场，使得有源层的能带结构发生不同程度的变化，从而导致电子空穴的输运及复合关系发生改变。本课题通过电镀的方法将硅衬底GaN LED薄膜分别转移至铜铬基板、铜镍基板上并制备成垂直结构的LED芯片，研究结果表明，铜镍基板LED芯片较铜铬基板Droop效应得到改善。课题组将外延结构相同的LED薄膜从硅衬底上分别剥离转移到热膨胀系数比GaN小的硅基板上和比GaN大的纯铜基板上，制备了垂直结构LED芯片。研究结果表明相同绑定转移条件制备的芯片，硅基板芯片与铜基板芯片其发光起始波长有明显区别；当器件的驱动电流加大和环境温度升高时，铜基板芯片的发光波长与硅基板芯片的发光波长差值均会变小；两种基板芯片不同温度下的内量子效率（IQE）随温度变化呈现现出一种竞争关系；我们认为这是由铜的热膨胀系数远大于硅，以及器件的自加热效应所导致的。通过优化，本项目制备的450nm硅衬底氮化镓功率型蓝光LED在350mA下(电流密度35A/cm2)光输出功率达到623mW，内量子效率高达80%，封装成白光色温6200K时光效超过140lm/W。