Si衬底GaN基蓝光LED老化性能

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。

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。

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）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[/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。

蓝宝石衬底、LED衬底“四剑客”布局如哪般！来源微信公众号：蓝宝石材料蓝宝石材料资讯公众号，每天晚上10点左右推送，都是精华内容哦。

目前用于LED产业化的衬底主要有蓝宝石（Al2O3）、SiC和Si，Cree公司用SiC为衬底，东芝公司宣布8″的硅衬底生长LED将于2013年产业化，其余的大部分以蓝宝石为主。

全球生产蓝宝石衬底有130多家，其中有80多家是近两年加入的。

2012年的需求量约9600万片（以2″计算），其中蓝宝石图形化衬底（PSS）占70%~80%，目前仍以2″和4″衬底片为主，由于同样面积的6″晶片比2″晶片要多出52%芯片，所以预测几年后将以6″为主。

由于生产能力过大，供大于求，致使蓝宝石晶片价格大幅度下降，大约为每片7~8美元。

在蓝宝石晶体生长上大部分采用A轴向生长，取出C轴向的晶片，材料利用率过低，2″为35%左右，6″约为20%。

据有资料显示：采用CHES法直接按C轴向生长，材料利用率可达75%，而且减少了张力和应力，从而降低了衬底晶片的弯曲度和翘曲度，因此，极大提高了蓝宝石衬底的生产效率、晶片质量及降低成本。

近几年全球正在研究很多LED的新衬底，取得了很大成果。

中国生产蓝宝石衬底的企业约50家，其中已投产约30家左右，生产能力已达1亿片/年（以2″计算），超过全球的需求量。

而且由于蓝宝石企业直接生产PSS衬底的不多，企业的竞争力较差，企业走向转型、整合、兼并是必然的。

另外，还有山东华光采用SiC衬底生长LED，南昌晶能采用6″的Si衬底生长LED，均取得较好成果。

蓝宝石衬底（1）图形衬底衬底是支撑外延薄膜的基底，由于缺乏同质衬底，GaN基LED一般生长在蓝宝石、SiC、Si等异质衬底之上。

发展至今，蓝宝石已经成为性价比最高的衬底，使用最为广泛。

由于GaN的折射率比蓝宝石高，为了减少从LED出射的光在衬底界面的全发射，目前正装芯片一般都在图形衬底上进行材料外延以提高光的散射。

基于Si衬底的功率型GaN基LED制造技术0 引言1993 年世界上第一只GaN 基蓝色LED 问世以来，LED 制造技术的发展令人瞩目。

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。

Si衬底GaN基蓝光LED芯片出光效率的研究的开题报告一、选题背景随着LED技术的飞速发展，蓝光LED已经成为了照明、显示、通讯等多个领域的重要光电器件，其在市场上的应用前景也日益广阔。

而Si衬底GaN基蓝光LED芯片具有优异的热稳定性和可靠性，成为近年来研究的热点。

二、研究目的本文旨在探究Si 衬底GaN基蓝光LED芯片出光效率变化的原因，通过实验方法分析其表面结构、晶体缺陷、内部应力等因素与出光效率之间的关系，为进一步提高其出光效率提供重要理论基础。

三、研究内容本研究的主要内容包括：1. Si衬底GaN基蓝光LED芯片的制备工艺研究；2. 实验方法的设计与具体实施；3. 对实验结果进行分析与处理；4. 结合文献资料，讨论蓝光LED芯片的出光效率变化的原因。

四、研究方法本文采用以下研究方法：1. 首先，通过文献调研、资料分析等途径查阅相关文献，掌握现阶段Si衬底GaN基蓝光LED芯片出光效率变化的研究现状。

2. 其次，建立实验模型，通过样品制备、表面分析、结构分析等实验手段，探究各因素对芯片出光效率的影响。

3. 最后，通过实验结果分析，探究各因素与芯片出光效率之间的关系。

五、研究意义本文的研究将有助于深入探究Si衬底GaN基蓝光LED芯片出光效率变化的原因，为进一步提高其出光效率提供参考和指导。

此外，本研究还将有助于推动蓝光LED技术的发展，为相关领域的应用提供技术支持。

六、预期成果预计本文的主要成果包括：1. 掌握Si 衬底GaN基蓝光LED芯片的制备工艺及相关实验方法；2. 研究Si 衬底GaN基蓝光LED芯片的表面结构、晶体缺陷以及内部应力等因素对其出光效率的影响；3. 结合文献资料，深入分析各因素对芯片出光效率变化的原因。

七、研究计划本文的研究计划主要分为以下几个阶段：1. 阶段一：文献调研和实验模型的建立（预计2周）；2. 阶段二：实验数据的采集和结果的分析（预计4周）；3. 阶段三：实验结果与文献资料的结合，深入探究芯片出光效率变化的原因（预计2周）；4. 阶段四：论文撰写和修改（预计3周）。

含V形坑的Si衬底GaN基蓝光LED发光性能研究InGaN LED中位错密度达108-1010/cm2,却具有很高的发光效率。

对此学术界有两种解释：一种认为载流子被限制在InGaN量子阱的富In局域态中，避免了非辐射复合；另一种认为，量子阱生长时在位错处形成V形坑，坑中侧壁量子阱的禁带宽度比平台量子阱大数百meV，在位错周围对载流子形成势垒，避免载流子靠近位错而被捕获。

这两种理论均能在一定程度上解释GaN基LED的发光行为。

然而，局域态的解释提出多年，却未有对局域态实现调控的报道；相比之下，V形坑则具有更强的可控性。

虽然文献提出V形坑的形成可抑制非辐射复合，但V形坑对器件光电性能影响的研究却并不透彻。

在此背景下，本文在Si衬底上生长了GaN基蓝光LED外延材料，结构依次为：缓冲层、N型GaN层、准备层（含低温GaN层、超晶格层、电子注入层）、多量子阱、P-AlGaN、V形坑合并层和P-GaN接触层，选择V形坑作为主要研究对象，所做的工作以及取得的研究成果包括：1.研究了Si衬底GaN 中V形坑的产生和合并。

（1）对V形坑的产生：实验表明在高温N层GaN后生长一层低温GaN可产生V形坑，且V形坑尺寸随该层厚度的增加而变大；同温同厚度时，In0.02Ga0.98N/GaN超晶格比单层低温GaN所形成的V形坑尺寸要小；AFM测得的V形坑密度，约为基于高分辨XRD摇摆曲线所计算的位错密度的一半。

（2）对V形坑的合并：实验结果表明，升高生长温度、减慢生长速率以及H2气氛下有利于V形坑的合并。

2.发现并解释了V形坑侧壁量子阱的电致发光（EL）现象。

在含有V形坑的器件结构中，设计了低温生长的AlGaN电子阻挡层（EBL）重掺Mg和不掺Mg的对比实验，对样品进行了二次离子质谱（SIMS）、透射电子显微镜（TEM）以及变温变电流EL测试。

（1）侧壁量子阱EL的产生：EBL不掺Mg样品中的低温（≤150K）EL光谱中在主峰的短波长侧出现一宽发光峰，峰形同已报道的侧壁量子阱的PL结果相符。

蓝光发光二极管材料的制备与性能蓝光发光二极管（Blue LED）作为一种新型的发光材料，具有广泛的应用前景和极高的市场价值。

在各种电子设备中，蓝光发光二极管被广泛应用于显示屏、照明等领域。

在本文中，将讨论蓝光发光二极管材料的制备与性能。

首先，蓝光发光二极管所采用的材料是氮化镓（GaN）材料。

氮化镓是一种半导体材料，其能带宽度较大，能够发出蓝光。

为了获得高质量的氮化镓材料，必须采用合适的生长技术。

当前常用的生长技术有金属有机化学气相沉积、有机金属气相外延、分子束外延等。

在制备过程中，需要控制氮化镓材料的晶格匹配和生长温度。

晶格匹配是指材料的晶格与衬底晶格的匹配程度。

对于氮化镓材料，常用的衬底材料有蓝宝石和硅（Si）衬底。

蓝宝石是目前使用较广泛的衬底材料，但其晶格与氮化镓材料并不匹配，因此在生长过程中容易产生晶格失配。

为了解决晶格失配带来的问题，可以采用缓冲层生长技术，通过在蓝宝石衬底上生长一层合适的缓冲层，使其与氮化镓材料的晶格匹配度提高。

另外，生长温度也对氮化镓材料的质量和性能有着重要影响。

一般情况下，高温生长能够得到高质量的氮化镓材料，但高温生长也会增加生长过程中的杂质和缺陷产生的可能性。

因此，需要在高温生长和控制杂质等方面进行权衡，以获得既具有高质量又具有良好性能的氮化镓材料。

制备好的氮化镓材料可以通过多种工艺进行二极管的制作。

其中最常见的是p-n结构的制备。

通过在氮化镓材料上加工不同掺杂的区域，形成p型和n型二极管材料。

然后，通过熔融硅或其他材料进行接触，形成正向和反向的电子流。

蓝光发光二极管具有许多优良的性能特点。

首先，其发光效率高，能够将电能转化为光能的效率较高，相较于传统照明灯具能够拥有更低的功耗。

其次，蓝光发光二极管的使用寿命长，能够连续发光数千小时，相比于传统的白炽灯泡寿命更长。

此外，蓝光发光二极管还具有小体积、高亮度、颜色纯度高等优点，因此在显示屏、照明等领域有着广泛应用。

然而，蓝光发光二极管在制备过程中还面临着一些挑战。

摘要GaN基LED凭借其可控的全色光谱能隙以及优良的物理化学性能，在各种照明、背光等领域有着广泛的应用前景，已逐步成为新一代绿色照明光源。

目前LED照明的主流技术方案是“蓝光LED+黄色荧光粉”合成白光，虽然可以获得较高的光效，但色温、显色指数等色品质不佳。

为了获得真正意义上的高品质LED照明光源，白光需要采用全LED混光来实现，即采用红、绿、蓝三基色LED （RGB）获得白光，这样就可以实现低色温、高显色指数以及高效率的完美结合。

而目前绿光的发光效率远远落后于蓝光和红光LED，学术界称之为“Green gap”，这也成为实现RGB白光光源的主要技术瓶颈。

因此，进一步提升绿光LED量子效率成为近几年LED领域的研究热点。

与垒之间的晶格失配导致量子阱中存在较大应力，这种应力对绿光LED的光电性能有明显影响，但一直没有统一的认知。

基于硅衬底LED技术平台，本文通过改变垒结构较为系统地研究了垒对硅衬底绿光LED应力、光电特性、结温特性以及老化特性的影响。

获得了以下研究成果：1）采用高分辨率X射线衍射（HRXRD）测试了三种不同垒结构（垒中含InGaN、垒含AlGaN以及全GaN垒）的Si衬底GaN基绿光LED外延薄膜（1015）面非对称衍射倒易空间分布图，定性的表征了三种结构量子阱的应力状态，结果表明，垒层中引入InGaN和AlGaN均能明显减小绿光量子阱所受的压应力，其中引入InGaN时所受压应力最小。

2）将上述三种垒结构的Si衬底GaN基绿光LED外延片制作成垂直结构芯片，研究了其变温电致发光（VTEL）性能，结果表明：在同一温度下，随着电流密度的增加，三种结构的EL峰值波长均发生蓝移，但程度存在差异。

环境温度为低温13K时，随着电流密度的增加，垒中含AlGaN的蓝移量大于全GaN垒，全GaN垒和垒中含InGaN的蓝移量相近。

在环境温度为300K（室温）时，蓝移量的大小也不同，大小关系为：全GaN垒大于垒中含AlGaN，垒中含AlGaN又大于垒中含InGaN。

第31卷第3期2010年6月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.31No.3Jun.，2010文章编号：1000-7032（2010）03-0364-05Si 衬底GaN 基蓝光LED 老化性能肖友鹏1，莫春兰1，2，邱冲1，2，江风益1，2*（1.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；2.晶能光电（江西）有限公司，江西南昌330029）摘要：报道了芯片尺寸为500μm ˑ500μm 硅衬底GaN 基蓝光LED 在常温下经1000h 加速老化后的电学和发光性能，其光功率随老化时间的变化分先升后降两个阶段；老化后的反向漏电流和正向小电压下的电流均有明显的增加；老化后器件的外量子效率（EQE ）比老化前低；老化前后EQE 衰减幅度在不同的注入电流下存在明显差异，衰减幅度最小处出现在发光效率最高时对应的电流密度区间。

关键词：硅衬底；GaN ；蓝光LED ；老化；光衰中图分类号：O482.31；TN383.1PACS ：78.60.FiPACC ：7860F文献标识码：A收稿日期：2009-10-09；修订日期：2009-11-24基金项目：国家“863”计划（2003AA302160，2005AA311010）资助项目作者简介：肖友鹏（1979－），男，江西萍乡人，主要从事Si 衬底GaN 基LED 的研究。

E-mail ：lantianshang@ *：通讯联系人；E-mail ：jiangfy@1引言近几年来，InGaN /GaN 发光二极管（LEDs ）的研发与生产取得了飞速发展。

文献中已经报道了蓝光LEDs 的光功率达到643mW （440nm /3.24V /350mA /WPE ：57%），白光的光通量达到155lm （350mA /3.24V /136lm /W /5000K ）［1］。

这表明，GaN 基蓝光LEDs 已经具备了进入通用照明所需的发光效率［2］。

硅衬底GaN基蓝光LED可靠性研究的开题报告1. 研究背景及意义近年来，随着LED产业的迅速发展，蓝光LED（Blue Light Emitting Diodes，简称蓝光LED）已经成为一种成熟的光电子器件。

蓝光LED的主要应用领域为照明、显示、光通信等。

硅衬底GaN基蓝光LED相比传统的蓝光LED具有很多优势，如光电转化效率高、亮度高、寿命长、抗冲击等特点，受到了广泛的关注。

然而，蓝光LED的可靠性问题也成为制约其应用普及的主要因素之一。

因此，对于硅衬底GaN基蓝光LED的可靠性进行研究，对于其实际应用和产业发展具有重要的意义。

2. 研究内容本研究旨在通过实验研究硅衬底GaN基蓝光LED的可靠性，深入分析其在长时间工作的过程中可能出现的失效机理。

具体包括以下几个方面：（1）制备硅衬底GaN基蓝光LED样品及其电学性能的测试；（2）对硅衬底GaN基蓝光LED进行可靠性测试，包括热老化、电应力、湿热老化等条件下的寿命测试；（3）对测试结果进行分析，探索硅衬底GaN基蓝光LED的失效机理，并提出改善方案。

3. 研究方法（1）样品制备本研究采用化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）等方法制备硅衬底GaN基蓝光LED样品。

（2）电学测试采用电学性能测试系统对硅衬底GaN基蓝光LED样品的基本电学性质进行测试，如电阻、电流-电压特性等。

（3）可靠性测试采用热老化、电应力、湿热老化等条件下的寿命测试对硅衬底GaN基蓝光LED样品进行可靠性测试，记录其寿命、光电性能等参数。

（4）分析失效机理及提出改善方案对测试结果进行统计处理，深入分析硅衬底GaN基蓝光LED的失效机理，并提出改善方案。

4. 预期成果通过研究硅衬底GaN基蓝光LED的可靠性，深入了解其长时间工作中可能出现的失效机理，提出相应改善方案，从而为硅衬底GaN基蓝光LED的实际应用提供科学依据和指导，并对蓝光LED产业的发展做出贡献。