基于纳米多孔GaN结构的LED器件制备技术和关键器件机理研究

Further improvement of the efficiency of GaN based light emitting diode (LED) and development of new fabrication techniques are still the two major topics in the evolving solid state lighting region. Nanoporous GaN as a new class of GaN materials has many interesting properties that the conventional GaN material does not have. Because of its high surface-to volume ratio, nanoporous GaN shows significantly different behaviors in mechanical properties, chemical inertness and thermal stability compared to the conventional one, which makes it with huge value in developing new LED technique. In this project, we are going to investigate the devices technique of GaN LED incorporating nanoporous GaN structure, as well as the key device mechanisms. Particularly, we will develop a novel process for separation and transfer of GaN thin film devices incorporating nanoporous structure. Using this process, we will fabricate free-standing vertical thin film LEDs and systematically study the cause of the "Droop" problem in GaN LED. Some new ideas of further improving the lighting efficiency are supposed to be proposed based on the research. Meanwhile, this project will also develop a technique to improve the light extraction efficiency of LED using a buried nanoporous GaN layer. This project is with the goal of providing valuable reference for the development of nanoporous GaN technique and to facilitate its application in solid state lighting.

进一步提高GaN基LED器件的发光效率并发展新的LED器件制作工艺依然是半导体照明工程持续发展的重要命题。纳米多孔GaN材料由于其纳米尺度的多孔结构，具有异常高的面积/体积比例，所以在材料的机械性能，化学性能等上都表现出有别于传统GaN材料的特性，这使得他在GaN基LED技术领域有重大的应用潜力。本项目以纳米多孔GaN的电致化学制备技术为基础，进行基于纳米多孔GaN结构的LED器件的工艺技术研究和器件机理研究。重点研究一套基于纳米多孔GaN结构的LED器件衬底转移技术，并通过该技术制作无残存应力的垂直结构GaN薄膜LED，深入研究LED中Droop问题的物理机理，探索提高LED量子效率的新方法。同时项目将发展采用纳米多孔GaN结构提高LED光萃取效率的技术。项目以期能为纳米多孔GaN材料技术的发展和在半导体照明领域的应用提供参考。

进一步提高GaN基LED器件的发光效率并发展新的LED器件制作工艺依然是半导体照明工程持续发展的重要命题。纳米多孔GaN材料由于其纳米尺度的多孔结构，具有异常高的面积/体积比例 ，所以在材料的机械性能，化学性能等上都表现出有别于传统GaN材料的特性，这使得他在GaN基LED技术领域有重大的应用潜力。本项目以纳米多孔GaN的电致化学制备技术为基础，进行基于纳米多孔GaN结构的LED器件的工艺技术研究和器件机理研究。重点研究一套基于纳米多孔Ga N结构的LED器件衬底转移技术，并通过该技术制作无残存应力的垂直结构GaN薄膜LED，深入研究LED中Droop问题的物理机理，探索提高LED量子效率的新方法。同时项目将发展采用纳米多孔GaN结构提高LED光萃取效率的技术。项目以期能为纳米多孔GaN材料技术的发展和在半导体照明领域的应用提供参考。. 项目搭建了制备阳极氧化铝电化学实验平台，并通过实验平台采用二次阳极氧化的方法成功制备出三种体系（硫酸、草酸、磷酸）下双通的周期性的多孔阳极氧化铝掩膜。我们选择草酸AAO和磷酸AAO薄膜作为我们ICP干法蚀刻的掩膜。同时，利用分子间作用力，我们使用悬浮法将AAO掩膜很好的转移到了我们需要蚀刻的样品表面，并利用ICP干法蚀刻，成功在GaN、Si、SiO2以及AZO等半导体材料的表面制作出孔洞阵列的粗化结构，为后续的粗化器件奠定了基础。同时，我们在纳米多孔GaN模板上进行了GaN材料和LED全结构外延生长。在新型器件的设计和开发方面，我们设计了一种新型365 nm的倒装芯片和一种紫外365 nm LED和背面的分布式布拉格反射器，同时设计了一种基于微孔结构的新型倒装芯片白光LED器件。