在大尺寸蓝宝石衬底上制备周期性图形.pdf

X INCA ILIA OX INZHUA NGS HII 新材料新装饰 在大尺寸蓝宝石衬底上制备周期性图形 谢灿强 （广州烈焰工程咨询有限公司 广东广州 510040 ） 摘要：本文介绍了LED 芯片的大尺寸蓝宝石衬底的周期性图形的制备方法，同时把该方法应用到LED 芯片的制备上而获得的 LED ，其内量子效 率、光析出率等性能都得到了大大的提高。 关键词：蓝宝石衬底；图形；制备方法；LED 前言：蓝宝石是现在市面上制作LED 芯片的主要衬底材料，在蓝宝 宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率。 石衬底上，制备周期性图形可以降低GaN 外延层材料位错密度，提高发 3.3在衬底上 制备的周期性图形 光二极管的内量子效率，同时使LED 光析出率也得到提高，大大改善LED 图3-2是在大尺寸蓝宝石衬底上 制备周期性图形。如图 示， 制 的性能。 备的样品在蓝宝石衬底上生长的GaN 有序整齐地呈周期性排列，GaN 形 1.直接在蓝宝石衬底上生长GaN 遇到的问题 貌呈 似圆锥形的图形，图形周期基本上稳定，高度也约为一固定数值。 目前，由于高质量、成本合适的GaN 同质衬底很难制备，而蓝宝石 在大尺寸蓝宝石衬底上 获得的该种周期性图形，使GaN 外延薄膜与底 具有化学和物理性质稳定、透光性好、成本合适等优点，因此被广泛用 部的蓝宝石衬底由于晶格常数失配和热膨胀系数失配而导致的在GaN 外 做GaN 基发光二极管外延衬底。但GaN 外延薄膜与底部的蓝宝石衬底的 延薄膜产生的高线位错密度大为下降，从而使LED 的可靠性和内量子效 晶格常数失配 （16% ）和热膨胀系数失配 （34% ）很大，导致在 GaN 外 率大大提高。 9 10 -2 延薄膜产生高达10 ～10 cm 的线位错密度。高的线位错密度将影响外延 薄膜的光学和电学特性，从而使器件的可靠性和内量子效率降低。 一 方面，GaN 的折射率 （n=2.5 ）大于空气的折射率 （n=1 ）和蓝宝石衬底 的折射率 （n=1.78 ），因此光逃逸角锥的临界角 （～23°）非常小，造成 有源层产生的光子只有～4%从表面溢出，而大部分光子逐渐消失于内部 全反射，并转化成热能。 2.图形化蓝宝石衬底在大尺寸芯片上的应用 橱柜照明、大功率灯杯、路灯照明是当前需求较大的市场，但碍于 其通常使用大尺寸芯片，产品技术不成熟，反而增加了成本，目前大尺 寸芯片的制造还不占优势，不过随着LED 产品性能的提高，市场机遇会 很大。目前国内外大厂家也纷纷研发出更高配置的技术设备，如 AIXTRON 的必威体育精装版产品G5——最大可满足5 英寸×2 英寸（1英寸=2.54cm ） 的 MOCVD 外延；而刻蚀设备方面，国内 方微电子近期自主研发的 ELEDETM330LED 刻蚀机，用IC 工艺更为精密的设计要求来实现LED 更 高性能的刻蚀工艺，能更大程度提高LED 芯片的发光效率。刻蚀设备的 图3-2 周期性图形的SEM 照片 不断优化，使得PSS 应用于大尺寸芯片生产指日可待。未来大尺寸LED 4.所获得的LED 的技术指标 芯片面临着降低成本和提高质量的双重挑战，虽然衬底图形化会相应增 在上 PSS 上生长的LED 的反向漏电流减小，同时其出射光亮度比 加成本，但其产品质量及性价比高；且随着大厂 努力致力于降低生产 传统的 LED 大大提高，LED 的寿命也得到了延长。其内量子效率大于 MOCVD 的成本和蓝宝石基板价格以及使刻蚀设备更加精密