氮化镓发光二极管芯片生长与性能研究
摘 要 近些年来，随着半导体技术的不断发展，LED发光二极管的各项性能逐渐提升，并已广泛应用于照明、显示等领域。特别是在照明领域，LED具有众多优势，并将在短期内逐渐替代传统光源。作为照明应用，白光LED是主要的研究对象。目前，较为成熟的方案是通过蓝光LED照射黄光荧光粉产生混合白光，因此蓝光LED是照明技术的关键因素。本论文采用金属有机气相沉积法（MOCVD）在图案化蓝宝石衬底上外延生长了GaN基蓝光LED芯片，并通过扫描电子显微镜对其形貌结构进行了表征，结果显示本论文生长的外延层具有典型的横向外延生长特征。进一步利用半导体参数仪及光谱仪系统研究了芯片的电学及发光特性。实验结果表明，本论文制备的LED芯片具有较好的电学性质及较高的发光效率。关键词 发光二极管，氮化镓材料，金属有机物化学气相沉积，发光效率
目 录
1 绪论 1
1.1 LED的相关概述 1
1.2 GaN材料 2
2 GaN材料外延生长 3
2.1 气相外延 3
2.2 液相外延 4
2.3 分子束外延 4
2.4 金属有机物化学气相沉积 5
2.5 综合对比 6
3 LED芯片制备 6
3.1 衬底材料的选择 6
3.2 图形化衬底PSS技术 7
3.3 芯片前端生产外延生长 8
3.4 芯片中端生产电极制作 9
3.5 芯片后端生产分裂封装 10
3.6 仪器设备 10
4 LED芯片形貌与光电性质 11
4.1 LED芯片形貌 11
4.2 LED芯粒的IV特性 13
4.3 LED芯粒的光致发光 13
4.4 LED芯粒的电致发光测试 14
5 总结与展望 15
5.1 LED芯片发光效率 15
5.2 LED的未来发展方向 18
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 LED的相关概述
发光二极管 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
，简称LED（Light Emitting Diode），它是一种通过电流注入半导体PN结并激发电子空穴对，最终产生辐射复合的光电器件[]。LED发光二极管作为第四代固体光源，具有体积小、亮度高、能耗低、无污染、寿命长等优点[]，已广泛应用于照明、显示等领域，特别是在公共及家庭照明领域。随着LED技术的不断进步，其价格逐渐接近传统照明器件，并将在短期内逐渐替代传统照明。这在能源危机日益严重的当下，具有极其重要的战略意义。因此，欧洲、美国、日本等发达国家均已制定半导体照明相关的政策及发展规划，并在该领域占据了主导地位。近年来，我国各级政府相继出台相关政策，扶持半导体照明产业的发展。
1.1.1 LED的发展史
LED发光二极管诞生于1955年左右，是物理学家鲁宾布朗石泰发明的。
70年代初，美国杜邦化工厂首先研制出以镓砷磷为材料的LED，这种二极管可发出橘红色的光，可当做仪器指示灯。
随着科技技术进步，其发光颜色扩展到了从绿光到红外光的波长范围。
80年代后，人们利用液相外延技术，制作出了高亮度的红光二极管和红外发光二极管。
90年代使用氮化镓半导体材料使绿、蓝色LED发光效率达到10流明每瓦，至此LED二极管的发光颜色覆盖了整个可见光范围。
近年来，美国科瑞研发并独家垄断SiC衬底制备技术，并且在光效上也取得了突破，达到了303lm/w。
日本日亚化学中村修二研发出蓝光LED。并且日亚化学在荧光粉制备技术上也有不少专利。
1.1.2 LED的发光原理
LED是一种的固体半导体发光器件，由含有镓（Ga）、氮（N）、砷（As）、磷（P）等化合物制作而成。如图1.1(a)所示，与普通的二极管相同，发光二极管的核心是一个PN结，该pn结具有两个电极，也具有单向导电性(如图1.1(b)所示)。当在发光二极管p极和n极上加上正向电压后，n区的电子和p区的空穴会产生自建电场，在自建电池的作用下，电子与空穴向空间电荷区移动并空间电荷区产生复合效应发射出可见光，因为pn结具有这种特性，所以人们一般用它来制作发光二极管。制作二极管的材料有很多种，不同材料具有不同的带隙宽度，因而辐射发光的频率不同，发光颜色也不一样，如：GaAs材料制成的二极管发红色光、SiC材料制成的二极管发黄色光、GaN材料制成的二极管发蓝色光[]。
图1.1（a）pn结结构示意图 图1.1（b）LED结构示意图
目前商业化生产主要是蓝光LED，氮化镓作为蓝光二极管的主要材料，也就成为了商业生产的最主要材料。
1.2 GaN材料
GaN材料是一种新型材料，它与碳化硅、单晶硅等材料一起，被称为是第三代半导体材料[]。关于它的性能研究与应用方向是目前全球半导体行业的关注点，就现在的情形来看，GaN材料可以用于生产微电子器件和光电子器件等方面，用途广泛。
1.2.1 GaN的结构特性
GaN及其有关化合物的晶格结构一般是纤锌矿结构或闪锌矿结构，还有很少见到的氯化钠结构。其中纤锌矿晶格结构是氮化镓的稳定晶格结构[]，而闪锌矿晶格结构是氮化镓的亚稳态晶格结构，所以一般状态下，GaN都是以纤锌矿晶格结构存在的[]。如图1.2所示，六方对称性纤锌矿结构是由六角晶胞组成。它的一个晶胞中有4个原子，GaN原子体积大约为GaAs原子体积的一半。晶格常数包括a与c，其中a=0.3191nm.c=0.5192nm[]。
图1.2 GaN纤锌矿结构图
1.2.3 GaN的电学特性
氮化镓是很稳定的化合物，熔点很高，标准大气压下可以到达1700℃左右。因为其硬度很高，GaN也可以用作涂层保护材料。
氮化镓半导体的禁带宽度是比较大的，常温（300K）下氮化镓的带隙宽度约为3.39eV,属于宽禁带的半导体。正是因为氮化镓半导体的禁带宽度很大，使氮化镓材料在很大的温度范围内，本征载流子的浓度很低[]。在各种情况下未有意掺杂的氮化镓材料都呈n型掺杂，即电子多余空穴，并且其本征载流子浓度很高。此外，GaN的电离度也很高、原子键结合稳定、导热性质也比较好、有着较强的抗辐射能力，最重要的是它的化学稳定特性极好，不能够被多数酸腐蚀[]。
目 录
1 绪论 1
1.1 LED的相关概述 1
1.2 GaN材料 2
2 GaN材料外延生长 3
2.1 气相外延 3
2.2 液相外延 4
2.3 分子束外延 4
2.4 金属有机物化学气相沉积 5
2.5 综合对比 6
3 LED芯片制备 6
3.1 衬底材料的选择 6
3.2 图形化衬底PSS技术 7
3.3 芯片前端生产外延生长 8
3.4 芯片中端生产电极制作 9
3.5 芯片后端生产分裂封装 10
3.6 仪器设备 10
4 LED芯片形貌与光电性质 11
4.1 LED芯片形貌 11
4.2 LED芯粒的IV特性 13
4.3 LED芯粒的光致发光 13
4.4 LED芯粒的电致发光测试 14
5 总结与展望 15
5.1 LED芯片发光效率 15
5.2 LED的未来发展方向 18
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
1.1 LED的相关概述
发光二极管 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
，简称LED（Light Emitting Diode），它是一种通过电流注入半导体PN结并激发电子空穴对，最终产生辐射复合的光电器件[]。LED发光二极管作为第四代固体光源，具有体积小、亮度高、能耗低、无污染、寿命长等优点[]，已广泛应用于照明、显示等领域，特别是在公共及家庭照明领域。随着LED技术的不断进步，其价格逐渐接近传统照明器件，并将在短期内逐渐替代传统照明。这在能源危机日益严重的当下，具有极其重要的战略意义。因此，欧洲、美国、日本等发达国家均已制定半导体照明相关的政策及发展规划，并在该领域占据了主导地位。近年来，我国各级政府相继出台相关政策，扶持半导体照明产业的发展。
1.1.1 LED的发展史
LED发光二极管诞生于1955年左右，是物理学家鲁宾布朗石泰发明的。
70年代初，美国杜邦化工厂首先研制出以镓砷磷为材料的LED，这种二极管可发出橘红色的光，可当做仪器指示灯。
随着科技技术进步，其发光颜色扩展到了从绿光到红外光的波长范围。
80年代后，人们利用液相外延技术，制作出了高亮度的红光二极管和红外发光二极管。
90年代使用氮化镓半导体材料使绿、蓝色LED发光效率达到10流明每瓦，至此LED二极管的发光颜色覆盖了整个可见光范围。
近年来，美国科瑞研发并独家垄断SiC衬底制备技术，并且在光效上也取得了突破，达到了303lm/w。
日本日亚化学中村修二研发出蓝光LED。并且日亚化学在荧光粉制备技术上也有不少专利。
1.1.2 LED的发光原理
LED是一种的固体半导体发光器件，由含有镓（Ga）、氮（N）、砷（As）、磷（P）等化合物制作而成。如图1.1(a)所示，与普通的二极管相同，发光二极管的核心是一个PN结，该pn结具有两个电极，也具有单向导电性(如图1.1(b)所示)。当在发光二极管p极和n极上加上正向电压后，n区的电子和p区的空穴会产生自建电场，在自建电池的作用下，电子与空穴向空间电荷区移动并空间电荷区产生复合效应发射出可见光，因为pn结具有这种特性，所以人们一般用它来制作发光二极管。制作二极管的材料有很多种，不同材料具有不同的带隙宽度，因而辐射发光的频率不同，发光颜色也不一样，如：GaAs材料制成的二极管发红色光、SiC材料制成的二极管发黄色光、GaN材料制成的二极管发蓝色光[]。
图1.1（a）pn结结构示意图 图1.1（b）LED结构示意图
目前商业化生产主要是蓝光LED，氮化镓作为蓝光二极管的主要材料，也就成为了商业生产的最主要材料。
1.2 GaN材料
GaN材料是一种新型材料，它与碳化硅、单晶硅等材料一起，被称为是第三代半导体材料[]。关于它的性能研究与应用方向是目前全球半导体行业的关注点，就现在的情形来看，GaN材料可以用于生产微电子器件和光电子器件等方面，用途广泛。
1.2.1 GaN的结构特性
GaN及其有关化合物的晶格结构一般是纤锌矿结构或闪锌矿结构，还有很少见到的氯化钠结构。其中纤锌矿晶格结构是氮化镓的稳定晶格结构[]，而闪锌矿晶格结构是氮化镓的亚稳态晶格结构，所以一般状态下，GaN都是以纤锌矿晶格结构存在的[]。如图1.2所示，六方对称性纤锌矿结构是由六角晶胞组成。它的一个晶胞中有4个原子，GaN原子体积大约为GaAs原子体积的一半。晶格常数包括a与c，其中a=0.3191nm.c=0.5192nm[]。
图1.2 GaN纤锌矿结构图
1.2.3 GaN的电学特性
氮化镓是很稳定的化合物，熔点很高，标准大气压下可以到达1700℃左右。因为其硬度很高，GaN也可以用作涂层保护材料。
氮化镓半导体的禁带宽度是比较大的，常温（300K）下氮化镓的带隙宽度约为3.39eV,属于宽禁带的半导体。正是因为氮化镓半导体的禁带宽度很大，使氮化镓材料在很大的温度范围内，本征载流子的浓度很低[]。在各种情况下未有意掺杂的氮化镓材料都呈n型掺杂，即电子多余空穴，并且其本征载流子浓度很高。此外，GaN的电离度也很高、原子键结合稳定、导热性质也比较好、有着较强的抗辐射能力，最重要的是它的化学稳定特性极好，不能够被多数酸腐蚀[]。
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