硅衬底GaN基LED异质外延生长及器件制备中应力研究

The stress induced by the large lattice mismatch and the thermal expansion mismatch between GaN-based material and Si is the main problem for the GaN-based LED on Si substrate. In this proposal, our research is forcused on the issue of the stress in the GaN-based light-emitting diodes (LEDs) structure growth and the devices fabrication on silicon substrate. For the material growth, micro- and nano-patterned silicon substrate and the stress controlling layer will be used to avoid the generation of crack in thick GaN-based material. The mechanism of the stress controling will be investigated. The threading dislocation blocking layer will be inserted in the LED structure to reduce the dislocation density. In the devices fabrication,the metal plating techniqe will be adopted to form a free-standing metal substrate to instead of silicon substrate. In order to solve the problem of stress in the LED chip processing, multiple metals layers will be adopted. The effects of the metal plating condition, the structure of the multiple metal, and the annealing condition will be studyed in our research. To research the issue of stress in the material growth and the devices fabrication, it will play a key role in repleacing the sapphire substrate by large-scale silicon and in realizing the low cost for the GaN-based LEDs on silicon substrate.

GaN与硅之间大的晶格失配和热失配引起的应力问题是硅衬底GaN基LED外延生长及LED芯片制备中的主要问题。本项目拟围绕硅衬底GaN基材料生长及器件制备中的应力问题开展研究。在材料生长方面，采用微纳图形硅衬底及插入应力调控层技术，研究材料生长中的应力控制机制，解决硅衬底GaN基材料厚膜生长中的龟裂问题，并通过插入位错阻挡层降低位错密度，提高晶体质量；在硅衬底GaN基LED芯片制备中，采用多层金属电镀方法制备金属自支撑衬底来替代硅衬底，研究金属电镀条件、多层电镀金属结构及电镀金属的退火条件对GaN基薄膜材料应力的影响，解决硅衬底GaN基LED制备中的应力问题。这两个方面的研究对大尺寸硅衬底替代蓝宝石衬底，实现低成本LED芯片制备具有重要意义。

应力是硅衬底GaN基LED外延生长及芯片制备中的主要问题。本项目围绕材料生长及器件制备中的应力问题开展研究。项目顺利完成，并取得了一系列科研成果： .（一）在材料生长方面： .1. 研究了AlN缓冲层的生长条件对Si衬底GaN应力状态及晶体质量的影响，提出了中温、高温AlN层结合的双层缓冲层，相比单一高温AlN缓冲层， GaN晶体质量、应力状态及表面形貌有了明显改善。.2. 采用周期性δ掺Si的方法，在保证n-GaN电学性能和晶体质量的条件下，减少了Si掺杂引入的张应力。Mg的δ掺杂同样可有效减小p-GaN层中的应力。.3. 研究了AlGaN缓冲层对GaN晶体质量和应力的影响，提出了TMAl函数流量法生长Al组分连续渐变AlGaN缓冲层，有效保持了AlGaN引入的压应力，减小了位错密度，获得高质量无龟裂的GaN厚薄膜。.4. 通过改变量子阱下面GaN层的应力状态，研究了应力对量子阱特性的应力。..（二）在GaN基LED芯片制备方面： .1. 对前期研究的内嵌电极结构金属铜基板GaN基薄膜LED芯片制备工艺进行了改进，制备了加宽P电极的内嵌电极结构GaN基薄膜LED芯片，其特性有较大的改善。.2. 引入全方位反射镜（ODR）结构，制备了金属铜衬底全方位反射镜结构GaN基薄膜LED芯片。由于全方位反射镜的插入以及铜衬底良好的散热性能，转移后的LED芯片的特性有了明显的提升。对比GaN薄膜在Si衬底转移衬底前后的应力进行分析，XRD测试显示，由于Si衬底的剥离以及铜衬底的引入，使得芯片的张应力减小，压应力增加，应力的变化使得芯片的峰值波长在转移衬底后发生的蓝移。.3. 为简化硅衬底GaN基LED的转移工艺，利用环氧树脂的抗腐蚀性，提出了薄膜型环氧树脂支撑的GaN基薄膜LED的制备技术。通过在环氧树脂载体中添加黄色荧光粉，制备了光色均匀的薄膜型白光LED。.4. 通过应力调控技术，实现了带有DBRs结构的GaN基LED无龟裂外延生长。结合通孔技术，制备了垂直导通的带有DBRs结构的GaN基LED芯片。在不剥离硅衬底的情况下，实现了垂直导通并较小了衬底的吸收。