10微米以上GaN基厚膜垂直结构LED器件的制备及相关关键物理问题的研究

因蓝宝石衬底的局限性，利用激光剥离技术制备垂直结构GaN基LED成为未来一段时间大功率LED器件的发展方向。然而，由激光剥离所带来的损伤、反向漏电的增加，以及器件在大电流注入下效率的droop问题成为现今高功率LED器件发展的首要障碍。目前，国际流行的大功率LED器件基本为5微米以下激光剥离垂直薄膜型结构芯片，其对降低激光剥离后反向漏电的增加以及减少droop现象都是不利的。本项目创新性（国际首次）的提出了结合HVPE，MOCVD，以及激光剥离技术，制备10微米以上的厚膜垂直结构LED器件，并对同质外延、激光剥离影响器件特性机制以及器件效率droop等物理问题作深入的研究。厚膜器件可以有效地减少激光剥离过程中高温场及应力驰豫过程对量子阱区的影响，降低激光剥离带来的漏电流增加，并提高量子阱晶体质量，改善压电极化场以及阱区能带结构，降低载流子注入密度，缓解效率衰减。推动我国高端芯片技术的发展。

本项目经三年研究，基本达成了研究目标，取得研究成果如下：.（1）建立了基于量子力学理论的k.p微扰方法的完整理论模型描述大注入下droop现象；同时以此为基础建立数值仿真计算程序，完整模拟了改变量子阱阱宽以及In组分时对于droop效应的影响机制；.（2）通过实验和理论分析方法，验证载流子over flow以及量子斯塔克效应对droop效应的影响；同时，提出步进式电子驻留层方案，有效改善载流子over flow现象对droop现象的贡献，在40A/cm2注入电流下，droop ratio只有10.8%。并提出了In组分三角分布的三角阱方案以及阶梯量子阱方案，均有效提高了大注入下外量子效率。.（3）详细对比分析了激光剥离前后器件的I-V特性，并通过变温I-V曲线、导电AFM测试以及STEM等手段，综合分析了激光剥离过程后器件反向漏电增加的物理机制，发现激光剥离瞬时贯穿位错附近点缺陷增加，导致贯穿位错遂穿漏电能力增强。同时，建立了激光剥离瞬时温度场和应力场模型，发现了激光剥离瞬时外延层高温以及热失配、氮气压等应力瞬间不对称释放，是造成宏观和微观损伤主要原因。.（4）开发了加热准激光剥离消除外延片残余应力的方法，以实现可控应力激光剥离实验。同时制备了完善的加热激光准剥离系统。.（5）利用HVPE技术生长了厚度在9微米GaN template厚膜，同时发现其严重翘曲和表面粗糙问题，并开发利用高温长时退火方法以及CMP表面抛光技术，解决上述问题。开发PGS技术用于GaN同质外延生长，(002)面和(102)面半峰宽分别为245.23arcsec和354.09arcsec。.（6）攻克完善了垂直结构关键技术bonding技术和氮面电极制备技术。制备了11微米厚膜1mm×1mm的大功率垂直结构LED器件。开启电压为2.9V，工作电流从20mA—700mA甚至到1A以上，-5V时反向漏电1.07×10¬-8A，剥离前后反向漏电增加不超过1个量级；蓝光封装后器件350mA下光功率最高达553mW，外量子效率达53.3%。350mA注入下，其droop效应改善在58%以上。白光封装后，其光效最高达到130lm/W。.同时项目期间团队参加国际国内学术会议做邀请报告4篇，口头报告3篇，poster报告2篇。项目期间共发表SCI文章7篇，EI文章1篇（已接收）。申请国家发明专利3项。