氮化镓基垂直结构发光二极管隧穿型电流匀化结构研究

In this project, PN tunneling junction, used as high dynamic resistance layer at certain current density as required to improve the curent spreading, are going to be inserted in GaN base LED epilayers during MOCVD process. We will research on the epitaxy method of GaN tunneling junction, the I-V characterastic of the current spreading layer with GaN tunneling junction inserted in it, the relationship of LED's current distribution to it's efficacy, reliability and lifetime. At large injection current density,the current distribution in GaN based LED is quite non uniform, which is not conducive to LED's efficacy and reliability. Thoery calculations indicate that large longitudinal dynamic resistance with low voltage bias and certain current density injection as required could satify the demand of LED's uniform current distribution. Fortunitely, the PN tunneling junction has infinite dyanamic resistance, because when its forward voltage increased a certain lever its current will saturate. So PN tunneling junction could be used in current spreading layer to improve it's current spreading ability, making the LED's current distribution close to ideal uniform.

本项目采用MOCVD外延生长技术在氮化镓基LED外延结构上插入氮化镓基隧穿PN结来使LED工作时注入电流密度均匀分布。本项目研究具有一定电流密度注入下高动态电阻的氮化镓基隧穿PN结外延生长，研究隧穿结作为电流扩展层纵向支路使电流扩展层具有的电流分布特性，研究电流分布的变化与LED光效，可靠性以及使用寿命之间的关系。在大注入电流密度下，氮化镓基发光二极管的电流分布非常不均匀，限制了其光效的提高，也降低了其可靠性和使用寿命。理论计算表明如果额定电流密度注入时纵向动态电阻大并且外加偏压低的电流扩展层能较理想地实现发光二极管的电流均匀分布。而PN隧穿二极管具有接近无穷大的动态电阻,因为PN隧穿二极管在正向偏置下电压升高到一定值后电流会出现饱和。这一特性非常适合于用来加强发光二极管的电流扩展层的电流扩展能力，实现近乎理想的均匀注入电流分布。

以GaN基LED芯片为基础的半导体照明作为新一代照明技术具有节能、长寿、安全、环保等特点，已开始逐渐取代传统的以白炽灯、荧光灯为基础的照明技术。在大注入电流密度下，LED发热问题较严重，采用铜衬底的垂直结构LED具有优良的散热性能，但是LED的电流分布仍然非常不均匀，限制了其光效的提高，也降低了其可靠性和使用寿命。本项目采用MOCVD外延生长技术在氮化镓基LED外延结构上插入氮化镓基隧穿PN结来使垂直结构LED工作时注入电流密度达到均匀分布的目的。具体研究内容包括研究隧穿结作为电流扩展层纵向支路使LED芯片具有的电流分布特性，研究具有一定电流密度注入下高动态电阻的氮化镓基隧穿PN结外延生长，研究电流分布的变化与LED光效，可靠性以及使用寿命之间的关系。本项目已实现高效的基于电镀铜衬底的垂直结构LED芯片，通过AlGaN/GaN超晶格插入层增加了电流扩展长度，改善了电流分布的均匀性，使器件的光效提升了11%；采用MOCVD生长了高掺杂的p-GaN/InGaN/n-GaN pn结，可以测出pn结的正向隧穿电流及峰值电流，其峰值电流有9.1微安；在垂直结构LED器件工艺方面改进了激光剥离、p型和n型电极欧姆接触等，垂直结构LED器件在350mA下发光效率达到132lm/W。实现了大面积GaN薄膜的连续剥离，并进一步增大了单颗芯片面积，达到2.4mm*2.4mm，实现了单芯片最高在3.2A的稳定工作,能输出1000lm的光通量。本项目的实施大幅促进了高功率大芯片垂直结构LED技术的进步，为其实现产品到走向应用打下了良好的基础。