垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响_高江东
Si衬底GaN基蓝光LED老化性能
别用积分球测试系统在工作 电流 ６பைடு நூலகம் Ａ时测量 Ｏｍ
基金项 目：国家“ ６ ”计划 （０ ３ Ａ ０ １０２ ０ Ａ ３ １ １ ） ８３ ２ ０ Ａ ３ ２６ ，０ ５ Ａ １０ ０ 资助项 目 作者简介 ： 肖友鹏（ ９９ ， ， １７ 一） 男 江西萍乡人 ， 主要从事 ｓ 衬底 Ｇ Ｎ基 Ｌ Ｄ的研究。 ｉ ａ Ｅ
制 的变化 ， 片制造 中欧姆 接触 电学性能 的变化 、 芯
５０ ｔ 设计 工作 电流 为 ６ ０ ｍ， ａ ０ｍＡ。外 延 片是 本实
验 室 Ｔ ｏ ａ ｗ ｎＭＯ Ｖ ｈｍ ｓ ａ Ｃ Ｄ外延 系统上生 长 的 ， Ｓ 衬 底是 Ｓ（１ ） ； ｉ１１ ¨ 经过基 板转移 、 腐蚀衬底 等步骤
之一 。
２ 实
验
Ｇ Ｎ基 蓝光 Ｌ Ｄ芯 片样 品尺 寸为 ５０ ｔ ａ Ｅ ０ ｍ× ａ
Ｌ Ｄ 的制 作 要 依 次 经 过 外 延 生 长 、 片制 Ｅｓ 芯 作 、 件 封 装 等 主 要 环 节 Ｊ每 个 环 节 都 会 对 器 ， Ｌ Ｄ 器件 的可靠 性 和 寿命 产 生影 响。外延 材 料 Ｅｓ 中非 辐射复合 缺 陷 的生 成 、 流子 注人 活 性 区机 载
率蓝 光 Ｌ Ｄ和 ｓ 衬底 Ｇ Ｎ基 绿光 Ｌ Ｄ进 行 ９ Ｅ ｉ ａ Ｅ ０ ｍ Ａ大 电流 １５ ｏ 温老 化 ， 果显 示 器 件无 光 ２ Ｃ高 结 衰， 电学性能 非 常稳定 “ 。而对 Ｌ Ｄ进行 ＳＮ Ｊ Ｅ ｉ 膜钝化 也会 改 善 器件 的可 靠性 ¨ 。本 文 在 常温 下对 ５ ０ Ｉ ×５０ Ｉ 的 Ｇ Ｎ基 蓝光 Ｌ Ｄ 芯片 ０ ｍ ０ ｍ ｘ ｘ ａ Ｅ 注入 ２ ０ｍ 的电流持 续老 化 １０ ０ｈ 报 道 了加 ０ Ａ ０ ，
硅基与蓝宝石衬底上的GaN-LEDs性能差异分析
硅基与蓝宝石衬底上的GaN-LEDs性能差异分析王美玉;朱友华;施敏;黄静;邓洪海;马青兰【摘要】在简要阐述硅基与蓝宝石衬底的GaN研究与发展基础上，就此两种不同衬底上GaN‐LEDs性能进行了对比分析，并对这两种衬底上的LED进行了相应的表征实验。
通过AFM 和XRD等分析手段揭示了器件的结构特性，对器件性能（I‐V 和 EL以及I‐L测试）进行了相应的评价。
通过分析相关实验数据得出：在电学特性与光学性能两方面，蓝宝石衬底上的L ED均优于硅衬底上的L ED。
%Basied on the research and development of gallium nitride using silicon and sapphire substrates , different device performances of GaN‐LEDs grown on these two substrates have been compared and discussed . The corresponding experimental characterizations have been carriedout .Firstly ,the structural characteristics of device are revealed by means of XRD and AFM ,and the performance of device was evaluated by I‐V ,EL , and I‐L measurements . Finally , through the experimental data analyses , both the electrical and optical properties of the LEDs grown on the sapphire are superior to ones grown on the silicon substrate .【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2016(033)003【总页数】4页(P62-65)【关键词】氮化镓基发光二极管;硅衬底;蓝宝石衬底;电学特性;光学特性【作者】王美玉;朱友华;施敏;黄静;邓洪海;马青兰【作者单位】南通大学电子信息学院，江苏南通226019;南通大学电子信息学院，江苏南通 226019;南通大学电子信息学院，江苏南通 226019;南通大学电子信息学院，江苏南通 226019;南通大学电子信息学院，江苏南通 226019;南通大学电子信息学院，江苏南通 226019【正文语种】中文【中图分类】TN364近年来,新型宽禁带化合物半导体材料的发展迅速,特别是GaN材料。
三种LED衬底比较
对于制作LED芯片来说，衬底材料的选用是首要考虑的问题。
应该采用哪种合适的衬底，需要根据设备和LED器件的要求进行选择。
目前市面上一般有三种材料可作为衬底：·蓝宝石（Al2O3）·硅 (Si)碳化硅（SiC）[/url]蓝宝石衬底通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。
蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。
在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。
添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。
因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高
高温预生长对图形化蓝宝石衬底GaN薄膜质量的提高黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华【摘要】在图形化蓝宝石衬底生长低温缓冲层之前,通入少量三甲基镓(TMGa)和大量氨气进行短时间的高温预生长,通过改变TMGa流量制备了4个蓝光LED样品.MOCVD外延生长时使用激光干涉仪实时监测薄膜反射率,外延片使用高分辨率X射线衍射(002)面和(102)面摇摆曲线估算位错密度,并使用光致发光谱表征发光性能,制备成芯片后测试了正向电压和输出光功率.结果表明,高温预生长可促进薄膜的横向外延,使得三维岛状GaN晶粒在较小的薄膜厚度内实现岛间合并,有利于降低位错密度,提高外延薄膜质量,LED芯片的输出光功率的增强幅度达29.1％,而电学性能无恶化迹象;但高温预生长工艺中TMGa的流量应适当控制,过量的TMGa导致GaN晶粒过大,将延长岛间合并时间,降低晶体质量.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2014(035)008【总页数】6页(P980-985)【关键词】LED;GaN;图形化蓝宝石衬底;高温预生长【作者】黄华茂;杨光;王洪;章熙春;陈科;邵英华【作者单位】华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;华南理工大学理学院物理系广东省光电工程技术研究开发中心,广东广州510640;鹤山丽得电子实业有限公司,广东鹤山529728;鹤山丽得电子实业有限公司,广东鹤山529728【正文语种】中文【中图分类】TN303;TN3041 引言第三代半导体材料氮化镓(GaN)具有直接带隙、禁带宽度宽、化学稳定性和热稳定性好等优点，在光电子和微电子领域有巨大的应用价值。
由于大尺寸GaN体材料生长困难，目前GaN基发光二极管(LED)绝大部分都是在蓝宝石、碳化硅和硅衬底上进行异质外延。
硅衬底高光效gan基蓝色发光二极管
硅衬底高光效gan基蓝色发光二极管以硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管为标题，我们来探讨一下这种新型发光二极管的特点和应用。
一、引言发光二极管（LED）作为一种节能环保、寿命长、体积小的光源，已经广泛应用于照明、显示、通信等领域。
然而，传统的LED在蓝光发射方面还存在一些问题，如低发光效率、频谱不稳定等。
为了解决这些问题，硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管应运而生。
二、硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管的特点1. 高发光效率：硅衬底可以提供更好的晶格匹配，有助于提高发光效率。
2. 高热稳定性：硅衬底具有良好的热导性能，可以有效地散热，提高LED的热稳定性。
3. 高亮度：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管具有较高的亮度，能够满足一些高亮度要求的应用场景。
4. 窄频谱：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管的频谱稳定性较好，能够提供更纯净的蓝光。
三、硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管的应用1. 智能照明：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管可以用于智能照明系统中，提供高亮度的蓝光，使照明效果更加明亮和舒适。
2. 显示技术：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管可以用于液晶显示器的背光源，提供高亮度的蓝光，使显示效果更加清晰和鲜艳。
3. 光通信：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管可以用于光通信系统中，作为高速传输的光源，提供稳定的蓝光信号。
4. 医疗器械：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管可以用于一些医疗器械中，如光疗仪、光动力学治疗设备等，提供高亮度的蓝光，有助于治疗效果的提升。
四、硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管的发展前景随着人们对节能环保、高效照明的需求不断增加，硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管有着广阔的市场前景。
同时，随着技术的不断进步，硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管的性能将得到进一步提升，应用范围也将更加广泛。
总结：硅衬底高光效GAN基蓝色发光二极管作为一种新型的发光二极管，具有高发光效率、高热稳定性、高亮度和窄频谱等特点，适用于智能照明、显示技术、光通信和医疗器械等领域。
静电对Si衬底GaN基蓝光LED老化寿命的影响
底 Ｇ Ｎ基蓝光 Ｌ Ｄ老化寿命 的影响。 ａ Ｅ
１ 实 验
实验所使用 的 Ｌ Ｄ样品为本研究组用 Ｔ ｏ ａ Ｅ ｈｍ ｓ Ｓａ ｗ ｎ低压 Ｍ Ｃ Ｄ 系统 ， Ｓ（ １ ） ＯＶ 在 ｉ１１ 衬底 上 外 延 生
的 Ｇ Ｎ —Ｌ Ｄ 都 是 以蓝 宝石 （ １ ， 或碳 化 硅 ａ Ｅ Ａ ） Ｏ （ ｉ 为 衬 底 制 备 的。硅 （ ｉ 材 料 具 有 晶 体 质 量 ＳＣ） Ｓ） 高、 导电导热性好等优 良物理性能 ， 而且具有晶体尺 寸大 、 成本低 、 容易加工等优 良的综合经济性能 ， 因 而 ， ｓ 衬底上制备高性能 Ｇ Ｎ外延材料一直是业 在 ｉ ａ
Ｌ Ｄ欧姆接触 电极 可靠 性 良好 ； 驱动 电流越大 ， Ｅ 但
样 品的光 输 出功率 下 降速率 越快 。 图 １为 Ｇ Ｎ Ｓ 蓝光 Ｌ Ｄ相 对 光输 出功 率 随老 ａ ／ｉ Ｅ 化 时间 的变化关 系 ， 曲线 １２３分 别对 应 ３ 、０ ７ 、、 ０ ５ 、０ ｍ Ａ老 化 电 流 ， 中 点 为 实 验 测 试 数 据 。对 Ｇ Ｎ 图 ａ Ｌ Ｄ相 对 光输 出 Ｙ随 老化 时 间的变化 关 系可 由下 式 Ｅ 拟合 得 出¨ ：
Ｊ ｎ ２ ０７ ｕ ．Ｏｒ
文 章 编 号 ：０ ６一 ４４ ２ ０ ） ３— ２ ６— ３ １０ Ｏ ６ （Ｏ ７ ０ ０４ ０
静 电对 Ｓ 衬 底 Ｇ Ｎ基 蓝 光 Ｌ Ｄ老化 寿命 的影 响 ｉ ａ Ｅ
乐淑 萍 ， 料 与器件工程研究 中心 ， 江西 南 昌 ３ ０４ ） ３０ ７ 摘 要 ： 几组本 工程中心研制的 ｓ 衬底 Ｇ Ｎ基蓝 光二极 管 （ Ｅ 施加 了不 同静 电击 打后 ， 对 ｉ ａ Ｌ Ｄ） 分别 在 ３ 、０和 ７ ０５ ０
GaN基通孔垂直结构的发光二极管失效分析
GaN基通孔垂直结构的发光二极管失效分析符民;文尚胜;夏云云;向昌明;马丙戌;方方【摘要】Light-emitting diode (LED) failure mechanism plays an important role in studying and manufacturing LEDs. In this paper, X-ray perspective instrument is used to carry out the non-invasive and real-time X-ray imaging detection of the representative LED packaging products purchased from 5 Chinese companies. A large number of the welded voids are founded in the thermal pad and the void ratio of thermal pad, which represents the ratio of void area to pad area, is more than 30% for all samples. 1 W warm white light LED of GaN-based vertical via structure is selected to study the mechanism of short-circuit invalidation. The method is carried out by the following steps. Firstly, the surface morphologies of failure samples are compared with those of normal samples by visual observation. Secondly, antistatic electric capacity testing instrument is used to detect the existences of the electrical parameter abnormalities of the failure of non-short-circuit samples. Thirdly, decapsulations are operated on samples by using Silica gel dissolving agent. And the microtopographies of the samples are characterized by optical microscope, energy dispersive spectrometer and scanning electron microscopy. Then the cross-sectional morphologies of failure samples are observed. The failure mechanism can be drawn from the characterizations mentioned above. The study shows that the failure mechanism of the vertical structure of GaN-based vias is that the existences of voids in the Ni-Sn alloy backgold layer and solid-crystal layer reduce the interface bonding strength and thermal conductivity of the LED chip. The heat building-up leads to thermal expansion of the air inside the voids, which increases the electrical stress and thermal stress distribution at the LED chip vias. Long-term heat accumulation and higher electrical stress in the through-hole region, where the chip current density is greatest, lead to the crack and break of GaN epitaxial layer, which is so brittle and fragile, around the through-hole region. It can eventually lead to short-circuit of PN junction and then failure of LED. Back gold layer is the heat-conductive and electric-conductive channel of LED. The concentrations of thermal stress and electrical stress caused by voids in the back gold layer further lead to the uneven current distribution on the chip. This is the main reason why GaN epitaxial layer cracks and breaks. Voids in the back gold layer and solid-crystal layer are the direct and indirect causes of LED short-circuit failure, respectively. Therefore, the packaging process should be standardized to avoid the void occurrence, based on the reasons why voids exist. It can finally improve reliability of LED.%基于X-射线透视仪进行无损伤检测发现发光二极管(LED)产品的封装会产生空洞的情况,特选取了GaN基通孔垂直结构的LED 短路失效案例进行了失效性研究.利用光学显微镜、能谱仪和扫描电子显微镜对样品微观形貌进行表征,对失效样品进行金相切片处理,观察截面处形貌,最后根据分析结果得出样品的失效机理.分析结果表明:背金层空洞和固晶层空洞的存在加重了芯片通孔处应力不均,加快了GaN外延层的破裂的速度,致使LED失效.因此,在LED 的封装过程中,也需要去避免空洞的产生,增加LED的可靠性.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)004【总页数】9页(P315-323)【关键词】发光二级管;失效分析;空洞;可靠性【作者】符民;文尚胜;夏云云;向昌明;马丙戌;方方【作者单位】华南理工大学, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640;华南理工大学, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640;华南理工大学, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640;华南理工大学, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640;华南理工大学, 发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640;广东金鉴检测科技有限公司, 广州 511300【正文语种】中文基于X-射线透视仪进行无损伤检测发现发光二极管(LED)产品的封装会产生空洞的情况,特选取了GaN基通孔垂直结构的LED短路失效案例进行了失效性研究.利用光学显微镜、能谱仪和扫描电子显微镜对样品微观形貌进行表征,对失效样品进行金相切片处理,观察截面处形貌,最后根据分析结果得出样品的失效机理.分析结果表明：背金层空洞和固晶层空洞的存在加重了芯片通孔处应力不均,加快了GaN外延层的破裂的速度,致使LED失效.因此,在LED的封装过程中,也需要去避免空洞的产生,增加LED的可靠性.发光二极管(LED)作为一种新型的半导体照明光源,具有节能、光电转换率高、绿色环保、寿命长、响应速度快、点光源、单色波长等优点,在传统照明领域(家居照明、建筑照明、道路照明等)和特种照明领域(农业照明、医疗照明等)都有应用[1,2],具有广阔的市场应用前景.与此同时,LED的高可靠性是其广泛应用的基础,所以对LED 进行可靠性研究与分析具有重要的实际意义[3-5].LED芯片三种基本结构为：正装结构、倒装结构和垂直结构.垂直结构LED芯片的电极分别在外延层的两侧,使得电流基本上全部垂直流过LED外延层,具有均匀的电流分布[6-8].此外,相较于正装LED芯片,垂直结构的LED芯片一般采用金属合金、SiC和Si衬底,且与蓝宝石衬底相比具有良好的导热和导电性能,加上表面粗化和下部反射镜面,使得发光效率大幅提高,可用于制备高功率LED[9-13].通孔垂直结构LED是一种新型的垂直结构LED,通孔使n型金属嵌入芯片内部,量子阱向LED芯片外部的发光不会受到n极阻挡,可消除传统垂直结构的LED芯片的电流拥堵现象[14].目前硅衬底和铜衬底的垂直结构GaN基LED已逐步实现商品化[15-18],但是目前关于通孔垂直结构LED器件的可靠性研究与分析较少,因此有必要对通孔垂直结构LED器件进行可靠性研究与分析.本文基于X-射线透视仪进行无损伤的实时X射线成像检测时发现LED产品的封装会产生空洞的情况,主要对通孔垂直结构GaN基LED器件的短路现象进行研究,对样品进行老化试验,利用金相切片、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM),能谱仪(EDS)等测试手段分析垂直结构GaN基LED器件失效的原因.实验首先利用X-射线透视仪Dage 6600对国内多家公司具有代表性的LED封装产品进行无损伤的实时X射线成像检测,样品如图1所示;发现大量焊接空洞,散热焊盘的空洞比均超过30%,如图2所示.空洞面积除以焊盘面积的比例称为空洞比.空气的导热系数约为0.023 W/(m·K),焊锡的导热系数是2 W/(m·K)左右,两者相差50—100倍,空洞比过高会影响LED的散热速度.为进一步研究封装产生的空洞对LED可靠性的影响,特选取实验样品为某公司一款1 W暖白GaN基LED,额定工作电流为350 mA,工作电压为2.9—3.2 V,样品实物图和芯片截面图如图3所示.样品芯片结构为通孔垂直结构,通过对样品进行EDS分析以及芯片厂提供的资料,得到芯片结构自上而下是：GaN外延层、Ag反射镜、SiO2钝化层、n极金属层、金属Cu衬底和Ni-Sn背金层.对芯片n-GaN外延层做表面粗化处理,可增加临界角减少全反射,提高光萃取效率.p型Ag金属反射镜,将从量子阱射到p-GaN层的光反射到n-GaN层上,减少芯片对光的吸收.SiO2钝化层的主要作用为隔绝底部n极金属和上部p极的电性连接,从而避免芯片短路.采用Cu衬底,铜的热导率高达397 W/(m·K),具有优良的导热性、导电性和机械延展性.Ni-Sn背金层起到将芯片连接到外部金属的作用.将样品焊接在铝基板上,如图4所示,并串联在WY3010精密直流稳流稳压电源输出端,设置正向电流为700 mA,环境温度20◦C,串联的LED均悬于空间中,每隔一定时间观察样品的光通量,在连续点亮550 h后发现部分样品不同程度的光通量下降甚至熄灭等现象.利用数字万用表对失效样品进行短路测试,推测失效样品芯片是否出现退化.随机抽取5个未短路的失效样品,使用机械方式切断齐纳二极管的电性连接,采用杭州远方仪器有限公司的ESD1000抗静电能力自动测试系统,抗静电测试选择人体模拟放电测试模式(HBM)测试LED的静电敏感等级.测试结果如表1所列,样品1击穿电压为0 V,表示测试前样品的反向电流大于10µA,是指样品在测试前已经出现反向漏电现象;样品2的击穿电压为500 V,反向电流为80 mA;样品3和样品4的击穿电压为1000 V,反向电流分别为102 mA和120 mA;样品5的击穿电压为1500 V,反向电流为320 mA.可见失效样品芯片的抗静电电压普遍较低,击穿后反向漏电电流约100 mA左右.参照美国国家标准协会(ANSI)/静电放电(ESD)协会标准S20.20-2007,可知样品抗静电能力较差,时常出现静电击伤.为了进一步对样品进行失效分析,接着对失效样品进行开封,利用OM,EDS和SEM 对样品微观形貌进行表征,必要时进行金相切片,观察截面处的形貌;最后根据各个分析结果得出样品的失效机理.实验分析检测标准采用GB/T17359-98电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析方法通则和JY/T 010-1996分析型扫描电子显微镜方法通则.实验中使用的扫描电镜型号为Hitachi 3400 N.3.1 形貌观察化学试剂解封装样品,使用道康宁LED硅胶溶解剂DY-711去除封装胶与荧光粉.将样品浸泡在DY-711溶液中,设置加热台加热温度90◦C,加热时间为1.5—2 h,直到固化的封装胶全部溶解,将样品取出用蒸馏水清洗产品.得到解封装后的失效样品,在OM中观察芯片,如图5(a)所示.从图5中可见,样品芯片为通孔垂直结构,样品单个芯片上的通孔数为23个.利用ICP在芯片上蚀刻出通孔结构,将n-GaN与衬底直接导通,通孔垂直结构使得n极在下,p极在上,芯片表面直接出射光,可有效消除传统垂直结构芯片上的n极阻挡及电流拥堵现象.一个齐纳二极管与芯片反向并联,起到稳压、防止LED反向击穿的作用.从图5(a)中可以看出,失效样品芯片通孔处存在异常,将异常处进行放大得到图5(b),发现通孔附近出现暗色区域,并以通孔为中心在周围分布.为判断在通孔区域的芯片表面上是否形成其他物质或者芯片表面形貌结构的变化,进一步使用SEM进行观察.用SEM观察通孔异常处表面,如图6所示.可见芯片表面平整,无粗糙不平现象,说明通孔异常区芯片表面并未发生形貌改变,故认为图5(b)中通孔附近出现的暗色区域不在芯片表面,异常处可能出现在芯片内部.3.2 失效机理分析3.2.1 背金层空洞采用金相切片结合SEM和EDS对通孔异常截面处进行微区分析,金相切片法是准确有效的截面分析技术,通过对样品注塑、切片、研磨、抛光,从而获得样品截面.在图7切片位置对芯片异常通孔处进行定点切片,经EDS在截面处检测可知,样品采用Ni-Sn合金作为背金层.在SEM下观察截面处的形貌,如图8所示.从图8(a)中可以发现虚线椭圆区域GaN 层开裂破碎,并且背金层存在大量空洞(实线椭圆区域),空洞集中在通孔中心位置.图8(b)是外观正常通孔处的截面图,从图中可以看出,背金层出现少量孔洞分布在通孔处,但是GaN层无明显碎裂痕迹.图8(c)是正常通孔处的截面图,GaN外延层完好无破裂,背金层无孔洞.对比图8(a),(b)和(c)可以发现,背金层空洞的存在是致使GaN外延层破裂的原因,空洞尺寸越大,GaN外延层越容易产生破裂.背金层是通孔垂直结构LED芯片的重要组成部分,能够保护金属衬底避免磨损腐蚀,是芯片散热通道上极为重要的一部分,直接影响芯片焊接性能的好坏.此外是电流均匀分布的重要保证之一.图8(a)中通孔附近A,B处是芯片电流密度较大处,由于背金层空洞的存在,使得通孔区域热量聚集产生热应力,电流分布不均匀,局部电应力过大.在热应力和电应力的作用下,A,B位置GaN层开裂破碎,从而导致PN结短路失效,LED器件失效.背金层空洞对LED的性能影响很大,在实际制造过程中要通过有效途径降低空洞形成的概率：保证背金层制作时的真空度,减少衬底表面的气体残留;对芯片进行低温烘烤,将衬底表面的水汽蒸发掉;控制好镀膜时氩气的流量及速率,过大和过小都易造成空洞率的增加[19].3.2.2 固晶层空洞使用EDS检测发现LED芯片是采用金锡共晶焊接工艺与基板固定.利用SEM观察失效样品芯片截面处固晶层的情况,发现金锡共晶焊接固晶层存在空洞,如图9所示.从图9可以发现空洞分布存在两种模式：一种是空洞边界分布,如图9(a)所示;另一种是空洞中间分布,如图9(b)所示.这两种分布空洞尺寸较大,几乎穿透整个固晶层,说明固晶工艺存在问题.固晶层的热阻由焊料热阻和接触热阻组成,空洞会使接触热阻变大,进而造成固晶层热阻增大,将直接影响芯片的热量传导.造成芯片固晶层空洞缺陷产生的因素主要有两个方面：一是热应力导致固晶层开裂,热应力造成固晶层开裂的原因主要是由于固晶材料与基底之间的热膨胀系数不同,在固化过程中,将产生较大的热应力,致使固晶层与基底之间的界面处产生裂纹,随着裂纹的不断扩展和移动,造成固晶层空洞;二是固晶层内部存在气泡.此外由于LED是发光器件,其上表面为光出射面,对压力比较敏感,如果直接在LED上表面施加大的压力,容易造成上表面微裂或者生成划痕,从而影响LED的出光效率和电流分布,所以LED芯片固晶时在上表面施加的压力十分有限.较小的压力无法有效排除固晶层的气泡,在高温固化过程中膨胀形成空洞缺陷.空洞在固晶层的分布模式,通常分为顶层分布、底层分布、边界分布、中间分布和穿透分布[20],见图10.一般穿透分布是较为严重的,热导率在空洞穿透分布的区域会明显下降.在固晶层中空洞的存在,导致固晶层的填充率降低,不但显著增大LED的热阻,而且还会引起LED光出射效率的降低,这与空洞的大小和分布情况有关[21]. LED器件的热应力一般被储存在空洞、裂缝等缺陷处,当这些空洞区域聚集了大量的热应力后,在高温状态或者温度急剧变化时,将导致空洞的扩展,最终会导致芯片与背金层分离或芯片外延层破裂[22].综上,认为样品失效的原因是：Ni-Sn合金背金层区域和固晶层中大量空洞的存在使得界面结合强度和热传导性能降低;由于背金层作为LED的导电导热通道,空洞造成热应力和电应力集中,芯片电流分布不均匀;此外GaN外延层较脆易碎,通孔区域为芯片电流密度最大处,由于长时间热量的聚集以及热电应力作用导致通孔位置的GaN层开裂破碎,最终导致PN结短路,LED 器件失效.LED失效机理的分析在LED研究和制造中都具有非常重要的作用.本文基于X-射线透视仪进行无损伤的实时X射线成像检测时发现LED产品的封装会产生空洞的情况,特选取1 W暖白GaN基通孔垂直结构的LED的短路失效案例进行研究.分析步骤为：外观检查,比较失效样品与正常样品外观差异;然后利用ESD进行电性能测试,发现是否存在电参数异常;接着用化学式解封装开封样品,利用光学显微镜、能谱仪和扫描电子显微镜对样品微观形貌进行表征,随后对失效样品进行金相切片处理,观察截面处形貌;最后根据分析结果得出样品的失效机理.分析结果表明：GaN基通孔垂直结构的LED失效机理是背金层和固晶层中的空洞使得LED热传导性能降低,热量聚集导致空洞内空气热膨胀,加重了芯片通孔处的电应力和热应力分布不均匀,GaN外延层在过高的电应力和极端的热冲击下,最终产生破裂,致使LED短路失效,背金层空洞和固晶层空洞分别是导致LED短路失效的直接原因和间接原因.因此,在LED的封装过程中,要根据空洞产生的原因,规范封装流程,尽可能地避免空洞的产生,增加LED的可靠性.[1]Yeh N C,Chung J P 2009Renew.Sust.Energ.Rev.13 2175[2]Fu M,Wen S S,Chen H W,Ma B X 2016Chin.J.Lumin.37 366(in Chinese)[符民,文尚胜,陈浩伟,马丙戌2016发光学报37 366][3]Dong L,Liu H,Wang Y,Sun Q,Liu Y,Xin D,Jin L 2014Acta Phot.Sin.43 50(in Chinese)[董丽,刘华,王尧,孙强,刘英,辛迪,荆雷2014光子学报43 50][4]Xia Y Y,Wen S S,Fang F 2016Chin.J.Lumin.37 1002(in Chinese)[夏云云,文尚胜,方方 2016发光学报37 1002][5]Zou S P,Wu B X,Wan Z P,Tang H L,Tang Y 2016Chin.J.Lumin.37 124(in Chinese)[邹水平,吴柏禧,万珍平,唐洪亮,汤勇2016发光学报37 124][6]Liu W J,Xiao L H,Jiang Y Z,Weng G E,Lü X Q,H uang H J,Chen M,Cai X M,Lei Y Y,Zhang B P 2012Opt.Mater.34 1327[7]Tsai Y J,Lin R C,Hu H L,Hsu C P,Wen S Y,Yang C C 2013IEEEPhoton.Tech.L.25 609[8]Tian T,Wang L C,Guo E Q,Liu Z Q,Zhan T,Guo J X,Yi X Y,Li J,Wang G H 2014J.Phys.D:Appl.Phys.47 115102[9]Wang H,Yun F,Liu S,Huang Y P,Wang Y,Zhang W H,Wei Z H,Ding W,Li Y F,Zhang Y,Guo M F 2015Acta Phys.Sin.64 028501(in Chinese)[王宏,云峰,刘硕,黄亚平,王越,张维涵,魏政鸿,丁文,李虞锋,张烨,郭茂峰2015物理学报64 028501] [10]Liu Z H,Zhang L L,Li Q F,Zhang R,Xiu X Q,Xie Z L,Shan Y 2014ActaPhys.Sin.63 207304(in Chinese)[刘战辉,张李骊,李庆芳,张荣,修向前,谢自力,单云2014物理学报63 207304][11]Xiong C B,Jiang F Y,Wang L,Fang W Q,Mo C L 2008Acta Phys.Sin.57 7860(in Chinese)[熊传兵,江风益,王立,方文卿,莫春兰2008物理学报57 7860] [12]Fan J M,Wang L C,Liu Z Q ser8 994(in Chinese)[樊晶美,王良臣,刘志强 2009光电子 8 994][13]Wang S J,Uang K M,Chen S L,Yang Y C,Chang S C,Chen T M,Chen C H,Liou B W 2005Appl.Phys.Lett.87 011111[14]Liu L,Hu X L,Wang H 2016Chin.J.Lumin.37 338(in Chinese)[刘丽,胡晓龙,王洪2016发光学报37 338][15]Huang B B,Xiong C B,Zhang C Y,Huang J F,Wang G X,Tang Y W,Quan Z J,Xu L Q,Zhang M,Wang L,Fang W Q,Liu J L,Jiang F Y 2014Acta Phys.Sin.63 217806(in Chinese)[黄斌斌,熊传兵,张超宇,黄基锋,王光绪,汤英文,全知觉,徐龙权,张萌,王立,方文卿,刘军林,江风益2014物理学报63 217806][16]Wang W K,Huang S Y,Huang S H,Wen K S,Wuu D S,Horng R H2006Appl.Phys.Lett.88 181113[17]Shchekin O B,Epler J E,Trottier T A,Margalith T,Steigerwald DA,Holcomb M O,Martin P S,Krames M R 2006Appl.Phys.Lett.89 071109 [18]Fujii T,Gao Y,Sharma R,Hu E L,DenBaars S P,Nakamuraa S2004Appl.Phys.Lett.95 3916[19]Wang M R 2010M.S.Thesis(Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China)(in Chinese)[王美荣2010硕士学位论文(成都：电子科技大学)][20]Otiaba K C,Bhatti R S,Ekere N N,Mallik S,Alam M O,Amalu E H,Ekpu M2012Microelectron.Reliab.52 1409[21]Tan L X,Jia L,Wang K,Liu S 2009IEEE Trans.Electron.Packag.Manuf.32 233[22]Fleischera A C,Chang L H,Johnson B C 2006Microelectron.Reliab.46 794 PACS:85.60.Jb,62.23.—c DOI:10.7498/aps.66.048501Light-emitting diode(LED)failure mechanism plays an important role in studying and manufacturing LEDs.In this paper,X-ray perspective instrument is used to carry out the non-invasive and real-time X-ray imaging detection of the representative LED packaging products purchased from 5 Chinese companies.A large number of the welded voids are founded in the thermal pad and the void ratio of thermal pad,which represents the ratio of void area to pad area,is more than 30%for all samples.1 W warm white light LED of GaN-based vertical via structure is selected to study the mechanism of short-circuit invalidation.The method is carried out by the following steps.Firstly,the surface morphologies of failure samples are compared with those of normal samples by visual observation.Secondly,antistatic electric capacity testing instrument is used to detect the existences of the electrical parameter abnormalities of the failure of non-short-circuit samples.Thirdly,decapsulations are operated on samples by using Silica gel dissolving agent.And the microtopographies of the samples are characterized by optical microscope,energy dispersive spectrometer and scanning electron microscopy.Then the cross-sectional morphologies of failure samples are observed.The failure mechanism can be drawn from the characterizations mentioned above.The study showsthat the failure mechanism of the vertical structure of GaN-based vias is that the existences of voids in the Ni-Sn alloy back gold layer and solid-crystal layer reduce the interface bonding strength and thermal conductivity of the LED chip.The heat building-up leads to thermal expansion of the air inside the voids,which increases the electrical stress and thermal stress distribution at the LED chip vias.Long-term heat accumulation and higher electrical stress in the through-hole region,where the chip current density is greatest,lead to the crack and break of GaN epitaxial layer,which is so brittle and fragile,around the through-hole region.It can eventually lead to short-circuit of PN junction and then failure of LED.Back gold layer is the heat-conductive and electric-conductive channel of LED.The concentrations of thermal stress and electrical stress caused by voids in the back gold layer further lead to the uneven current distribution on the chip.This is the main reason why GaN epitaxial layer cracks and breaks.Voids in the back gold layer and solid-crystal layer are the direct and indirect causes of LED short-circuitfailure,respectively.Therefore,the packaging process should be standardized to avoid the void occurrence,based on the reasons why voids exist.It can finally improve reliability of LED.。
硅衬底灯饰LED芯片主要制造工艺解析
硅衬底灯饰LED芯片主要制造工艺解析目前国际上商品化的GaN基led均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。
但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处，而价格相对便宜的Si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势，因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。
目前日本日亚公司垄断了蓝宝石衬底上GaN基LED专利技术，美国CREE公司垄断了SiC 衬底上GaN基LED专利技术。
因此，研发其他衬底上的GaN基LED生产技术成为国际上的一个热点。
南昌大学与厦门华联电子有限公司合作承担了国家863计划项目“基于Si衬底的功率型GaN基LED制造技术”，经过近三年的研制开发，目前已通过科技部项目验收。
1、Si衬底LED芯片制造1.1 技术路线在Si衬底上生长GaN，制作LED蓝光芯片。
工艺流程：在Si衬底上生长AlN缓冲层→生长n型GaN→生长InGaN/GaN多量子阱发光层→生长p型AIGaN层→生长p型GaN层→键合带Ag反光层并形成p型欧姆接触电极→剥离衬底并去除缓冲层→制作n型掺si层的欧姆接触电极→合金→钝化→划片→测试→包装。
1.2 主要制造工艺采用Thomas Swan CCS低压MOCVD系统在50 mm si(111)衬底上生长GaN基MQW结构。
使用三甲基镓(TMGa)为Ga源、三甲基铝(TMAI)为Al源、三甲基铟(TMIn)为In源、氨气(NH3)为N源、硅烷(SiH4)和二茂镁(CP2Mg)分别用作n型和p型掺杂剂。
首先在Si(111)衬底上外延生长AlN缓冲层，然后依次生长n型GaN层、InGaN/GaN多量子阱发光层、p型AlGaN 层、p型GaN层，接着在p面制作Ag反射镜并形成p型欧姆接触，然后通过热压焊方法把外延层转移到导电基板上，再用Si腐蚀液把Si衬底腐蚀去除并暴露n型GaN层，使用碱腐蚀液对n型面粗化后再形成n型欧姆接触，这样就完成了垂直结构LED芯片的制作。
Si衬底GaN基LED外延薄膜转移至金属基板的应力变化
Si衬底GaN基LED外延薄膜转移至金属基板的应力变化第31卷第4期2010年8月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.31No.4Aug．，2010文章编号：1000-7032（2010）04-0531-07Si 衬底GaN 基LED 外延薄膜转移至金属基板的应力变化熊贻婧，张萌*，熊传兵，肖宗湖，王光绪，汪延明，江风益（南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心，江西南昌330047）摘要：采用电镀金属基板及湿法腐蚀衬底的方法将硅衬底上外延生长的GaN MQW LED 薄膜转移至不同结构的金属基板，通过高分辨X 射线衍射（HRXRD ）和光致发光（PL ）研究了转移的GaN 薄膜应力变化。
研究发现：（1）转移至铜基板、铬基板、铜/镍/铜叠层基板等三种基板的GaN 薄膜张应力均减小，其中转移至铬基板的GaN 薄膜张应力最小。
（2）随着铬基板中铬主体层厚度的增加，转移后的GaN 薄膜应力不发生明显变化。
关键词：金属基板；Si 衬底；GaN ；薄膜；应力中图分类号：TN304．055PACS ：78．60．FiPACC ：7860F文献标识码：A收稿日期：2010-03-10；修订日期：2010-05-06基金项目：教育部长江学者与创新团队发展计划（IRT0730）资助项目作者简介：熊贻婧（1986－），女，江西九江人，主要从事半导体材料与器件的研究。
E-mail ：iching．x@foxmail．com *：通讯联系人；E-mail ：tiegang_zm@126．com1引言GaN MQW LED 已经广泛地应用于显示器件及照明光源，成为产业界和研究领域的热点之一［1 4］。
目前商品化的GaN LED 器件其外延衬底有三种：蓝宝石、碳化硅和硅衬底［5］。
蓝宝石衬底上外延的GaN 具有同侧结构和垂直结构两种器件结构［6，7］；碳化硅衬底上外延的GaN 有在外延衬底上直接加工的垂直结构器件和将外延膜转移到新的支撑基板上获得的垂直结构器件两种［8］。
LED外延芯片和外延工艺
LED外延芯片和外延工艺LED工作原理可知，外延材料是LED的核心部分，事实上，LED的波长、亮度、正向电压等主要光电参数基本上取决于外延材料。
发光二极管对外延片的技术主要有以下四条：? ①禁带宽度适合。
? ②可获得电导率高的P型和N型材料。
? ③可获得完整性好的优质晶体。
? ④发光复合几率大。
外延技术与设备是外延片制造技术的关键所在，金属有机物化学气相淀积(Metal-Organic Chemical VaporDeposition，简称MOCVD)技术生长III-V族，II-VI族化合物及合金的薄层单晶的主要方法。
II、III族金属有机化合物通常为甲基或乙基化合物，如：Ga(CH3)3，In(CH3)3，Al(CH3)3，Ga(C2H5)3，Zn(C2H5)3等，它们大多数是高蒸汽压的液体或固体。
用氢气或氮气作为载气，通入液体中携带出蒸汽，与V族的氢化物（如NH3，PH3，AsH3）混合，再通入反应室，在加热的衬底表面发生反应，外延生长化合物晶体薄膜。
MOCVD具有以下优点：1. 用来生长化合物晶体的各组份和掺杂剂都可以以气态方式通入反应室中，可以通过控制各种气体的流量来控制外延层的组分，导电类型，载流子浓度，厚度等特性。
2. 因有抽气装置，反应室中气体流速快，对于异质外延时，反应气体切换很快，可以得到陡峭的界面。
3. 外延发生在加热的衬底的表面上，通过监控衬底的温度可以控制反应过程。
4. 在一定条件下，外延层的生长速度与金属有机源的供应量成正比。
MOCVD及相关设备技术发展现状：MOCVD技术自二十世纪六十年代首先提出以来，经过七十至八十年代的发展，九十年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术。
目前已经在砷化镓、磷化铟等光电子材料生产中得到广泛应用。
日本科学家Nakamura将MOCVD应用氮化镓材料制备，利用他自己研制的MOCVD设备(一种非常特殊的反应室结构)，于1994年首先生产出高亮度蓝光和绿光发光二极管，1998年实现了室温下连续激射10,000小时，取得了划时代的进展。
GaN基大功率白光LED的高温老化特性
第 10 期
周 舟，等： GaN 基大功率白光 LED 的高温老化特性
1049
K
=
dCΣ dRΣ
=
cλA2 ，
（ 4）
其中 c 为比热容，λ 为热导率，A 为传热途径上的
横截面积。图中曲线变化的位置表示热流经过两
种不同材料的界面时由于两种材料的横截面尺
图 3 所示为器件 I-V 特性曲线，由图 3（ a） 可 以看出，在较高的正向偏压区域的相同电压下，大 功率白光 LED 的正向电流随老化时间逐渐降低， 说明 LED 的串联电阻在不断增大。引起串联电 阻的增加有许多因素，例如引线键合的退化、欧 姆接触的退化、Mg 掺杂剂的钝化或者半导体缺 陷等。
加，其原因可归结为老化过程中芯片有源区中缺 陷的不断增加导致了非辐射复合中心的增多［7］，
这也是造成光强衰减的一个重要因素。
3． 3 热特性分析
散热能力的强弱直接影响大功率 LED 的性
能［8-9］，而热阻则是表征器件散热能力的 重 要 热
学参数。热阻为导热介质两端的温度差与通过其
热流功率的比值，由式（ 1） 可得 LED 的热阻的表
2实 验
将 1 mm × 1 mm 的 GaN 基大功率蓝光芯片 涂敷 YAG 黄色荧光粉制成的白光 LED 作为实验 样品，初选 5 支光、电、热等主要性能参数值相近 的器件样品。器件外形如图 1 所示。
将 LED 样品固定于可施加电流的恒温实验 平台上，样品的金属管壳与恒温平台的导热膜紧
图 1 大功率白光 LED 样品外形 Fig． 1 Configuration of high-power white LED sample
Φ = exp（ － αt） ，
（ 2）
蓝宝石衬底介绍
蓝宝石衬底介绍led用衬底材料一般有蓝宝石衬底，碳化硅衬底及硅衬底三种，其中蓝宝石衬底应用最广泛，因为其加工方法以及加工成本等与其他两种相比较都有不小的优势。
虽说在晶格匹配上面是氮化镓衬底砷化镓衬底最为匹配，但其生产加工方法要比碳化硅及硅等都更难上加难。
目前，GaN基LED的衬底材料很多，但可用于商业化的衬底只有蓝宝石和碳化硅两种。
Gan、Si和ZnO等其他衬底仍处于研发阶段，离工业化还有一定距离。
一、红黄光led红色LED主要有gap（二元系）、AlGaAs（三元系）和AlGaInP（四元系）。
Gap和GaAs主要用作衬底，蓝宝石Al 2O 3和硅衬底尚未工业化。
1、gaas衬底：在使用lpe生长红光led时，一般使用algaas外延层，而使用mocvd生长红黄光led时，一般生长alingap外延结构。
外延层生长在gaas衬底上，由于晶格匹配，容易生长出较好的材料，但缺点是其吸收这一波长的光子，布拉格反射镜或晶片键合技术被用于消除这种额外的技术问题。
2.Gap衬底：当使用LPE生长红色和黄色LED时，通常使用Gap外延层，波长范围为565-700nm；当使用VPE生长红色和黄色LED时，生长GaAsP外延层，波长在630-650nm之间；当使用MOCVD时，通常会生长AlInGaP外延结构。
这种结构解决了GaAs衬底光吸收的缺点，直接在透明衬底上生长LED结构，但缺点是晶格失配。
生长InGaP和AlGaInP结构需要缓冲层。
此外，基于gap的iii-n-v材料体系也引起了广泛的兴趣。
这种材料结构不仅可以改变带宽，而且当只添加0.5%的氮时，也可以改变带隙从间接到直接，并且在红色区域（650 nm）有很强的发光效应。
使用这种结构制造led，可以从Gan P晶格匹配异质结构一步外延形成led结构，并且可以省略GaAs衬底去除和晶圆键合透明衬底的复杂过程。
二、蓝绿光led用于氮化镓研究的衬底材料很多，但只有两种可用于生产的衬底，即蓝宝石al2o3和碳化硅SiC。
蓝宝石、硅、碳化硅衬底材料比较
∙∙蓝宝石（Al2O3）,硅(Si),碳化硅（SiC）LED衬底材料的选用比较∙通常，GaN基材料和器件的外延层主要生长在蓝宝石衬底上。
蓝宝石衬底有许多的优点：首先，蓝宝石衬底的生产技术成熟、器件质量较好；其次，蓝宝石的稳定性很好，能够运用在高温生长过程中；最后，蓝宝石的机械强度高，易于处理和清洗。
因此，大多数工艺一般都以蓝宝石作为衬底。
图1示例了使用蓝宝石衬底做成的LED芯片。
[url=/upload/zhishi/200803/2008032908212104.jpg]图1 蓝宝石作为衬底的LED芯片[/url]使用蓝宝石作为衬底也存在一些问题，例如晶格失配和热应力失配，这会在外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难。
蓝宝石是一种绝缘体，常温下的电阻率大于1011Ω·cm，在这种情况下无法制作垂直结构的器件；通常只在外延层上表面制作n型和p型电极（如图1所示）。
在上表面制作两个电极，造成了有效发光面积减少，同时增加了器件制造中的光刻和刻蚀工艺过程，结果使材料利用率降低、成本增加。
由于P型GaN掺杂困难，当前普遍采用在p型GaN上制备金属透明电极的方法，使电流扩散，以达到均匀发光的目的。
但是金属透明电极一般要吸收约30%~40%的光，同时GaN基材料的化学性能稳定、机械强度较高，不容易对其进行刻蚀，因此在刻蚀过程中需要较好的设备，这将会增加生产成本。
蓝宝石的硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石，但是在LED器件的制作过程中却需要对它进行减薄和切割（从400nm减到100nm左右）。
添置完成减薄和切割工艺的设备又要增加一笔较大的投资。
蓝宝石的导热性能不是很好（在100℃约为25W/（m·K））。
因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量；特别是对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。
为了克服以上困难，很多人试图将GaN光电器件直接生长在硅衬底上，从而改善导热和导电性能。
p层厚度对Si基GaN垂直结构LED出光的影响
Ｇ Ｎ层 ， 体 生 长 方 法 已 有 报 道 Ｊ ａ 具 ９。薄 膜 生 长
后， 垂直 结构 Ｌ Ｄ按 下列 步骤 制作 （ 片结 构 Ｅ 刮 芯
我 们采 用 “ ｊ ｓ 衬底 垂 直结 构 蓝 光 Ｌ Ｄ ＋荧 光 Ｅ
粉” 技术 制 造 的 白光 Ｌ Ｄ 已达 到 １０ ｌ ／ Ｅ ０ ｒ Ｗ。 由 ｎ
１ 引
言
光效 率 和出 光模 式 有 很 大 的影 响 。同 时 ， 子 阱 量
层 和金属 反射 镜之 间为 Ｐ型 Ｇ Ｎ， 化该 Ｐ层厚 ａ 优
目前 ， 业 化 的 ＩＧ Ｎ Ｇ Ｎ 基 Ｌ Ｄ 主 要 有 商 ｎ ａ／ ａ Ｅ 同侧 结 构 和 垂 直 结 构 两 大 类 。传 统 的 同侧 结 构 Ｌ Ｄ存 在 电 流拥挤 、 Ｅ 电压 高 、 散热 困难 等 缺 点 Ｊ ，
艺， 即在 Ｌ Ｄ薄膜 的 Ｐ面上 蒸发 一层 足 够厚 的高 Ｅ
反 射率 的金 属层 作 为 Ｐ型欧 姆接 触和 反射 镜可 以
使 大部 分 射 向 Ｐ面 的光 被 反 射 出去 ， 而 避 免 了 从 硅 衬底 的吸收 。 当金属 反射 镜 和量子 阱层 的间距
上 ， 利用 化学 腐蚀 的方 法剥离 掉原 生长 衬底 ， 再 随
Ｐ层厚度对 Ｓ 基 Ｇ Ｎ垂直 立 ， 刘彦松 ，王光绪 ， 江风 益
（ 昌大学 国家硅基 Ｌ Ｄ工程技术研究中心 ，江西 南 昌 ３ ０ ４ ） 南 Ｅ ３ ０ ７
摘要 ： 利用金属有机化学气相沉积（ Ｏ Ｖ 法在 ｓ衬底上生长了一系列具有不同 Ｐ层厚度 ｄ的 ＩＧＮ Ｍ Ｃ Ｄ） ｉ ｎａ／
具 有现 实 意义 。
２ 实
验
Ｌ Ｄ薄 膜 由 Ｔ ｏ ａ ｗ ｎ Ｃ Ｓ低 压 ＭＯ Ｖ Ｅ ｈ ｍ ｓＳ ａ Ｃ ＣＤ 系统在 Ｓ （ １ ） 底 上 生 长 ， 括 低 温 ＡＮ 缓 冲 ｉ１１ 衬 包 １ 层 、．ａ ｎＧ Ｎ层 、 子 阱层 （ ｗ ） 量 Ｑ 以及不 同厚度 的 Ｐ —
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第37卷第2期2016年2月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.37No.2Feb．，2016文章编号：1000-7032（2016）02-0202-06垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响高江东，刘军林*，徐龙权，王光绪，丁杰，陶喜霞，张建立，潘拴，吴小明，莫春兰，王小兰，全知觉，郑畅达，方芳，江风益（南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心，江西南昌330047）摘要：用MOCVD技术在硅衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料，研究了有源层多量子阱中垒的生长温度对发光效率的影响，获得了不同电流密度下外量子效率（EQE）随垒温的变化关系。
结果表明，在860 915ħ范围内，发光效率随着垒温的上升而上升。
当垒温超过915ħ后，发光效率大幅下降。
这一EL特性与X 光双晶衍射和二次离子质谱所获得的阱垒界面陡峭程度有明显的对应关系，界面越陡峭则发光效率越高。
垒温过高使界面变差的原因归结为阱垒界面的原子扩散。
垒温偏低使界面变差的原因归结为垒对前一个量子阱界面的修复作用和为后一个量子阱提供台阶流界面的能力偏弱。
外延生长时的最佳垒温范围为895 915ħ。
关键词：LED；硅衬底；GaN；垒温；外量子效率中图分类号：O484．4；TN383+．1文献标识码：A DOI：10．3788/fgxb20163702．0202Dependence of Electroluminescence on Barriers Temperaturein GaN Base Blue LED on Silicon SubstrateGAO Jiang-dong，LIU Jun-lin*，XU Long-quan，WANG Guang-xu，DING Jie，TAO Xi-xia，ZHANG Jian-li，PAN Shuan，WU Xiao-ming，MO Chun-lan，WANG Xiao-lan，QUAN Zhi-jue，ZHENG Chang-da，FANG Fang，JIANG Feng-yi（National Institute of LED on Silicon Substrate，Nanchang University，Nanchang330047，China）*Corresponding Author，E-mail：liujunlin@ncu．duc．cnAbstract：The growth of GaN-based blue LED with different barriers temperature in multiple quan-tum wells on silicon substrate by MOCVD method was reported．The dependence of luminescence on barriers temperature was obtained．The relationship between external quantum efficiency（EQE）and barriers temperature under different current density showed that EQE increases with barriers temperature during the temperature from860to915ħ，and then EQE decreases a lot after the tem-perature over915ħ．The results of XRD，SIMS and EL support each other very obviously，which means that the luminescence efficiency is contributed on the sharpness of well-barrier interface．Over top temperature of barriers will result in a worse sharpness of well-barrier interface owing to an unde-sirable atoms diffusion．Much lower temperature of barriers will also cause a worse sharpness of well-barrier due to the non-step flow growth of barriers．The optimization barriers temperature range is from895to915ħfor epitaxy growth．Key words：LED；Si substrate；GaN；barrier temperature；EQE收稿日期：2015-10-02；修订日期：2015-11-07基金项目：国家自然科学基金重点项目（61334001）；863计划（2011AA03A101）资助项目第2期高江东，等：垒温对硅衬底GaN基蓝光LED发光效率的影响2031引言2014年，赤崎勇、天野浩和中村修二等三位科学家因发明“高效蓝色发光二极管”而获得2014年诺贝尔物理学奖。
这3位科学家的突出贡献在于，20年前他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN基蓝光LED的两大核心技术，即过渡层生长技术和P型GaN激活技术［1-4］，从而解决了美国广播公司Pankove等20多年来没能解决的两大难题［5］，即“如何获得器件质量的外延材料和空穴导电的P型层”。
近20年来，基于蓝宝石衬底的GaN基蓝光LED技术和产业发展迅猛，成为目前市场上的主流技术路线。
同时，基于SiC衬底的GaN基蓝光LED技术在少数厂家（代表性企业如美国的Cree公司）得以实现，但这一技术目前因SiC衬底价格昂贵而显得成本过高。
相比于蓝宝石和SiC衬底，硅衬底具有诸多优势，如结晶质量高、尺寸大、价格便宜等，同时硅衬底还为光电集成提供了可能性。
因此，科学家们积极研发在硅衬底上制备高光效GaN基LED技术。
早在1973年，美国IBM公司就申请了全球第一份硅衬底GaN基LED专利［6］，研究人员希望找到在硅衬底上生长高质量GaN薄膜的方法［7-13］。
1998年，IBM公司的Guha等［14］报道了硅衬底上第一支GaN基LED。
南昌大学江风益领导的相关研究团队在过去的10多年中，在国际上率先研制成功硅衬底高光效蓝色发光二极管［15-19］，获得了电光转换效率超过60%的蓝光LED，并实现了产业化。
现代LED芯片中的多量子阱是LED芯片发光的核心区域。
量子阱周围的量子垒则是保护和改善量子阱区晶体质量的重要结构，实验表明量子垒的生长温度对LED发光效率具有明显影响［20-21］。
本文通过改变多量子阱层中垒的生长温度，系统研究了垒温对蓝光LED量子效率的影响。
使用X光双晶衍射（XRD）、二次离子质谱（SIMS）、电致发光（EL积分球）等仪器表征材料和器件的性能，研究垒温对器件电致发光性能影响的规律。
所得结果在实际中外延生长环节有助于改善芯片的量子效率。
2实验目前在硅衬底上生长GaN基LED外延薄膜已经是一项成熟的外延技术［15，17］。
本文使用MOCVD技术生长外延材料，外延层结构如图1（a）所示。
由下至上为硅（111）衬底、AlN综合过渡层、厚度3μm的掺Si浓度为（3 5）ˑ1018 cm－3的N型GaN层、In组分约为3%的厚2．5nm 的InGaN与掺Si浓度为（4 6）ˑ1017cm－3的厚3．5nm的GaN组成的周期数为20的InGaN/GaN 超晶格、厚度为10 20nm的掺Si浓度为（4 6）ˑ1017cm－3的GaN电子注入层、In组分为15%厚3 nm的InGaN和厚10nm的GaN组成的周期数为9的InGaN/GaN多量子阱结构有源层（垒中间掺Si到3ˑ1017cm－3）、Al组分为15% 20%的厚12 20nm的掺Mg浓度为2ˑ1019cm－3的AlGaN电子阻挡层、厚度为30 60nm掺Mg浓度为1ˑ1020cm－3的空穴注入层、厚度为40 60 nm掺Mg浓度为1．5ˑ1020cm－3的P面接触层。
其中9个量子阱中，垒（QB GaN）的生长温度（石墨表面温度）分别是850，865，895，905，915，920，925，935ħ，样品编号分别为A、B、C、D、E、F、G和H，垒层生长速率保持为0．05nm·s－1，其他条件不变。
图1（b）是通过剥离转移技术制成的LED芯片结构示意图［16］。
从下而上，分别由金属P电极、导电导热性能良好的新的硅基板、银反射镜和互补电极、P型层、有源层、N型层、表面粗化和N 电极组成。
其中，互补电极是一种高阻材料，避免电流直接从挡光的N电极正下方流过，其作用是提高电流的利用率，从而提高出光效率。
器件封装时，芯片P面朝下连接支架正极引脚，N面朝上通过金属丝连接支架负极引脚。
图1硅衬底GaN基蓝色发光二极管。
（a）外延层结构示意图；（b）芯片结构示意图。
Fig．1Schematic diagram of GaN-based blue LED on silicon substrate．（a）Epitaxy layers．（b）Chip．204发光学报第37卷3结果与讨论3.1XRD测试采用Panalytical公司生产的型号为X'Pert PRO的高分辨X光双晶衍射仪（Cu靶，40kVˑ40mA）测试分析相关硅衬底GaN基LED外延片结构，衍射结果如图2所示。
图2不同垒温硅衬底GaN基蓝光LED外延片的XRD ω-2θ衍射峰曲线Fig．2XRDω-2θcurves of GaN-based blue LED epitaxy wafers on silicon substrate with different barrierstemperature from850ħto935ħ图2中，以样品C（垒温895ħ）的衍射曲线举例，0级峰代表外延层中多量子阱InGaN/GaN 平均晶格常数，ʃ1、ʃ2等分别代表其ʃ1、ʃ2级卫星峰；0级峰右侧的主峰是外延层中GaN衍射峰；在0级峰与－1级卫星峰之间存在反映阱垒界面平整程度的干涉条纹，这些干涉条纹越清晰，表明阱垒界面越陡峭［22］。
由图2可知，当垒温小于等于915ħ（样品E）时，随着垒温的增加，0级峰与－1级卫星峰之间的干涉条纹越来越清晰，表明随着垒温的升高阱垒界面越来越陡峭。