GaN基三维倒装LED芯片设计与制造技术研究

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发光二极管(Light Emitting Diodes,LEDs)具有体积小、寿命长、亮度高、能耗低、和安全环保等特点,已经广泛应用于户内外照明、显示屏、路灯、可见光通信和植物照明等领域。LED芯片的结构主要分为三种类型:水平结构LED芯片、倒装结构LED芯片和垂直结构LED芯片。倒装LED芯片技术因其散热性好、光提取效率高、工艺稳定且成本较低等优点而迅速成为学术界和工业界的研究热点。然而,倒装LED芯片中的高反射率、低阻p型欧姆接触电极制备困难,这在一定程度上制约了倒装LED芯片技术的发展。此外,在大电流注入下,蓝宝石衬底上外延生长的LED芯片中仍存在电流聚集严重、散热性差等问题。因此,开发高反射率、低阻p型欧姆接触电极和提高芯片的电流扩展性能是制备高光效倒装LED芯片的关键。铟锡氧化物(Indium-tin oxide,ITO)结合布拉格反射镜(distributed Bragg reflector,DBR)可以作为高反射率、低阻p型欧姆接触电极。此外,Ag基反射镜也可以作为高反射率、低阻p型欧姆接触电极。本课题根据仿真和实验结果,分别制备了以ITO/DBR,Ni/Ag和Ag/TiW为高反射率、低阻p型欧姆接触电极的倒装LED芯片,并分析对比了三种类型芯片的光电性能。主要研究内容归纳如下:(1)对比分析了退火参数对ITO和Ni/Ag两种p型欧姆接触电极反射率和比接触电阻率的影响。此外,为了解决Ni吸光所导致Ni/Ag反射率下降的问题,采用纯Ag作为芯片的反射性p型欧姆接触电极,并在纯Ag薄膜上溅射TiW扩散阻挡层抑制纯Ag在退火过程中的团簇现象,在N2环境下600℃高温退火使Ag与p-GaN形成欧姆接触,比接触电阻率为9.3×10-2Ω·cm-2。通过TFCalc软件仿真与实验测试相结合,详细研究了DBR堆栈结构对其反射率和反射带宽的影响。(2)建立了ITO/DBR倒装LED芯片的电流扩展模型,结合电流扩展仿真实验确定了芯片的电极图案,并制备了一款高光效ITO/DBR倒装LED芯片。此外,我们对比分析了DBR对倒装LED芯片光电性能的影响。结果表明,本文设计的ITO/DBR倒装LED芯片在90 mA注入电流下的光输出功率比传统水平结构LED芯片提升了7.6%,具有DBR的倒装LED芯片在90 mA注入电流下的光输出功率比无DBR的倒装LED芯片高出了25.3%。(3)提出了一种具有通孔接触式n型和高反射率p型欧姆接触电极的三维倒装结构LED芯片,并对比分析了具有ITO/DBR和Ni/Ag高反射率、低阻p型欧姆接触电极的倒装LED芯片的光电性能。结果表明:在90 mA注入电流下,由于ITO/DBR的反射率高于Ni/Ag,ITO/DBR倒装LED芯片的光输出功率比Ni/Ag倒装LED芯片高出6.3%;然而,由于Ni/Ag倒装LED芯片的电流扩展性能和散热性能更好,在大电流下Ni/Ag倒装LED芯片的光输出功率反超ITO/DBR倒装LED芯片,且Ni/Ag倒装LED芯片具有更高的光输出饱和电流值。(4)根据欧姆接触实验和TFCalc的仿真结果分别制造了两款ITO/DBR和Ag/TiW倒装LED芯片,并对其进行光电性能比较。结果表明,由于Ag/TiW在电流扩展性能和反射率等方面的优势,Ag/TiW倒装LED芯片在任意电流下的光输出功率都高于ITO/DBR倒装LED芯片。在350 mA注入电流下,Ag/TiW倒装LED芯片的光输出功率比ITO/DBR倒装LED芯片高出7.5%。
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