硅衬底上AlGaN基深紫外LED材料与器件制备研究

AlGaN-based deep ultraviolet light emitting diodes (UV-LEDs) with the characteristics of energy saving, environmentally friend, and long life time, have numerous applications in sterilization, medicine, biochemistry， and so on. The growth of deep UV-LEDs on silicon (Si) substrates is very promising, due to the low cost, large wafer size, good conductive capability, and easy processing characteristics of Si substrate. However, because of the exist of high threading dislocation density (TDD) and high strain in AlGaN films grown on Si substrate,.and due to the lack of systematically study on the fabrication and package process, deep UV-LEDs on Si substrate generally exhibit low efficiency. This project focus on the fabrication of deep-UV thin-film LED with wavelength below 300 nm on Si, and is composed by the following topics. First, study on strain design and TDD reduction technology systematically, and try to use micro/nano patterned Si substrate and second lateral overgrowth technology to reduce the stain and TDD in AlGaN film. Second, by adopting “micro/nano arrays’’ device structure for deep UV-LED, the negative impact of TDD and strain can be reduced. Third, by developing the flip chip package process base on wet etching of Si substrate, the experimental results of deep-UV thin-film LED will be demonstrated.

AlGaN基深紫外LED具有节能、环保和寿命长等优点，在杀菌消毒、医疗和生化检测等领域有重大的应用价值。硅衬底具有成本低、晶圆尺寸大、导电性好和易加工等优点，在硅衬底上制备低成本、高效率的深紫外LED，是该产业未来发展的重要方向之一。但受困于在硅衬底上外延的AlGaN材料应力大、缺陷密度高和器件制备工艺不成熟等问题，硅衬底深紫外LED发光效率较低。本项目围绕波长小于300nm的深紫外薄膜LED研究，拟开展以下工作：第一，研究硅基AlGaN外延材料中应力缓解和位错控制方法，采用微/纳米图形衬底和二次侧向外延技术，降低硅衬底上AlGaN薄膜中的应力和位错密度。第二，在芯片结构方面，采用“微/纳米阵列芯片结构”，仅采用位错密度低的外延膜区域作为器件有源区，减小位错引起的发光效率降低，同时有利于释放外延膜中的应力。第三，开发基于硅湿法腐蚀的芯片封装关键工艺，实现深紫外薄膜LED倒装焊

深紫外光是指波长100nm到300nm之间的光波，在杀菌消毒、医疗、生化检测、高密度存储和保密通讯等领域有重大的应用价值。与汞灯紫外光源相比，AlGaN基深紫外LED具备节能、寿命长和无汞环保等优点，正在逐步渗入汞灯的传统应用领域。同时，深紫外LED的独特优势又激发了许多新的消费电子产品应用，如家电的消毒模块，便携式水净化系统，手机消毒器等，从而展现出广阔的市场前景，成为继半导体照明LED之后全球LED研究与投资的新热点。尽管AlN单晶衬底、GaN单晶衬底等同质衬底是制备高效深紫外LED的理想材料，但其价格昂贵，无法应用于低成本深紫外LED的批量生产。本项目开发了成套的氮化物深紫外LED异质外延生长技术、芯片加工技术、芯片封装技术，并开展深紫外LED模组杀菌消毒实验，部分核心技术转移至山西中科潞安紫外光电科技有限公司（http://www.luan-uv.com）落地转化，并应用于深紫外LED产品线，产生巨大的经济和社会价值，项目执行期间，向中科中科潞安转移深紫外LED核心专利1项。取得的相关成果和关键数据包括：开发异质衬底上高品质氮化物材料外延生长技术，蓝宝石衬底上外延生长的AlN薄膜（002）半高宽达到48arcsec，（102）半高宽达到475arcsec，硅（111）衬底上生长的AlN薄膜（002）半高宽为0.84°，外延生长出用于紫外LED器件研究的全结构紫外LED外延片；开发高效深紫外LED芯片技术，通过芯片整形和电流扩展技术，研制出的发光波长291nm的深紫外LED20mA电流下其功率达到2mW；开发高效深紫外LED封装工艺，研制出100mA电流下输出功率12mW的深紫外LED杀菌消毒模块，并开展氮化物深紫外LED杀菌消毒实验，结果表明氮化物深紫外LED模组对大肠杆菌杀菌消毒率超过99%。