GaN基LED——高光效半導體照明與顯示晶元

20世紀90年代，高亮度氮化鎵基藍光發光二極體(Light-Emitting Diode，LED)的誕生開啟了半導體照明時代。LED是一種可將電能高效轉化為光能的新型固態光源，具有發光效率高、節能、環保、壽命長、體積小等優點，基於LED的半導體照明被認為是21世紀最有可能進入普通照明領域的一種新型固體冷光源和最具發展前景的高新技術領域之一。

為了應對能源和環境問題，世界各國和地區紛紛出台政策支持LED推廣，如美國的「國家半導體照明研究計劃」，日本的「21世紀照明研究發展計劃」，歐盟的「彩虹計劃」，韓國的「氮化鎵半導體研究計劃」。我國政府對半導體照明高度重視，並通過多項國家科技和產業計劃給予重點支持。在「十一五"期間，國家高技術研究發展計劃(863計劃)開展」半導體照明工程"項目，通過學術界和產業界的聯合攻關，解決了高效率藍光LED晶元的產業化關鍵技術問題。通過「十二五"國家科技計劃新材料領域「半導體照明」和「第三代半導體材料」重點專項的實施，以及「十城萬盞」半導體照明試點示範工作的開展，我國已經形成了完整的LED產業鏈，LED產能已穩居世界前列。

半導體照明廣泛應用的關鍵是提高氮化鎵LED晶元的發光效率。影響LED晶元發光效率的因素主要有兩個，一個是電子轉化為光子的效率，也稱內量子效率，一個是光子從LED晶元內部出射的效率，也稱為光提取效率，兩者共同決定了LED晶元的發光效率。經過學術界和產業界的不懈努力，2010年至2015年，藍光LED的內量子效率和光提取效率得到了快速的提升，使藍光LED在市場上得到廣泛的應用。目前，LED的發光效率已經超過180lm/W，基於LED的半導體照明已成為性價極具優勢的高效照明與顯示光源，開始進入全面替代傳統照明階段。在未來5~10年內，全球LED照明產業仍將以每年20％~30％的速度增長，具有廣闊的市場空間。

GaN基LED具有發光效率高、節能、環保、壽命長、體積小等優點，基於LED的半導體照明被認為是最有可能替代傳統照明的新型固態冷光源。超高效率LED晶元研究已成為微納製造領域一個重要的研究方向，近年來備受研究人員青睞。進一步提高GaN基LED晶元的發光效率是半導體照明替代傳統照明的關鍵因素。為此，有許多製造技術有待攻克，主要集中在異質外延生長、晶元製造等關鍵環節，帶來這一方向研究的三個基本問題：大失配異質外延生長的應力調控與缺陷控制；高折射率、多光學界面體系中光子傳輸及其調控規律；新型器件結構設計。

武漢大學的周聖軍老師在這方面取得的創新性研究成果如下。

發展了基於電感耦合等離子體（ICP）刻蝕技術在超硬、難加工材料（GaN、藍寶石襯底）表面製備微納結構的方法；提出周期、准周期以及無規則微納結構的優化設計與製造方法，提高了LED晶元的出光效率；提出了具有分散式通孔接觸n型和高反射率p型歐姆接觸電極的新型三維倒裝結構LED晶元，提升了電流擴展均勻性，解決了金屬電極吸光引起的光損耗問題。

揭示了異質外延生長中缺陷形成與抑制機理，提出濺射AlN成核層/藍寶石圖形襯底模板和等電子摻雜實現異質外延生長缺陷控制的新方法，為發展高效率紫外LED晶元提供理論基礎與技術支撐；提出了一種基於激光直寫技術的高紫外光透光率、低方塊電阻金屬線網格透明導電電極。

採用超晶格和低溫插入層形成V坑，建立了綠光LED內量子效率與製造缺陷（V坑）的關聯關係，發展了合理利用製造缺陷提高綠光LED晶元發光效率的新途徑，為解決「綠光鴻溝」問題提供了新思路；揭示了應變效應對綠光LED晶元外量子效率的影響規律，通過對大失配異質體系的應力調控，改善了綠光LED器件性能。

外延生長紫外LED的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）設備反應腔體

通過調控氮化銦鎵（InGaN）/氮化鎵（GaN）多量子阱的銦（In）組分，實現紫外/藍光/綠光/黃綠光/紅光LED

作者簡介

周聖軍

博士生導師，湖北省楚天學者，湖北省傑青。面向國家戰略需求和國際學術前沿，以第三代半導體材料（GaN）與器件在半導體照明、新型顯示、節能環保、智能製造等戰略性新興產業的應用為導向，在GaN基紫外/藍光/綠光發光二極體（LED）外延生長和晶元設計與製造技術方面開展了系統的理論和應用研究，主持國家自然科學基金、湖北省傑出青年基金、廣東省部產學研項目、國家重點研發計划子課題、863 重大項目子課題等項目，在國際權威期刊發表SCI論文45篇（第一/通訊作者SCI論文42篇），主編學術專著1部，獲授權中國發明專利10餘項，研究成果得到國內外學術界和工業界研究人員的廣泛引用。周聖軍受邀擔任第十七屆 ICEPT 國際學術會議組織委員會共同主席，第十二屆光學與光電子國際學術會議技術委員會委員，第二屆電子器件與機械工程國際會議技術委員會委員，獲國際會議IEEE ECTC傑出貢獻獎，擔任ACS Photonics等27份國際學術期刊特邀審稿人。

劉勝

長江學者特聘教授、ASME Fellow、IEEE Fellow、國家高技術研究發展計劃（863計劃）先進位造技術領域專家。1992年在美國斯坦福(Stanford)大學獲得博士學位。1992年至1995年任教佛羅里達理工學院，1995年至2001年任教美國韋恩（Wayne）州立大學機械工程系和製造研究，並取得終身教授。在美國任職期間，1995年因在IC封裝與複雜結構可靠性研究方面的傑出成就，被授予美國白宮總統教授獎；因在IC和MEMS封裝與CAD研究方面的成就而獲得美國自然科學基金委青年科學家獎。2001年從美國韋恩州立大學辭職回國效力，並在國內率先開展先進電子封裝研究，長期從事集成電路、LED和微感測器封裝及可靠性理論和前沿技術研究。發表SCI論文260餘篇，他引2900餘次，授權發明專利160餘項。以第一完成人獲國家技術發明二等獎、IEEE-CPMT傑出技術成就獎、教育部技術發明一等獎、中國電子學會技術發明一等獎等多項國內外獎項。

本文摘選自周聖軍、劉勝著《氮化鎵基發光二極體晶元設計與製造技術》一書，標題為編輯所加。

《氮化鎵基發光二極體晶元設計與製造技術》

周聖軍、劉勝 著

責任編輯：劉鳳娟

《氮化鎵基發光二極體晶元設計與製造技術》一書基於作者十多年的研究成果和實踐經驗，詳細介紹了我們團隊的研究成果，力求理論和實踐相結合，重點介紹了GaN基紫外/藍光/綠光LED外延生長與晶元製造技術，力求突出重要的學術意義和應用價值。

本書目錄

目錄

第1章 緒論 1

1.1 LED發展歷史 1

1.2 LED國內外研究現狀 4

1.2.1 LED外延生長技術與襯底材料 4

1.2.2 LED晶元結構研究現狀 16

1.2.3 LED晶元光提取效率研究現狀 21

參考文獻 35

第2章 LED基本原理 46

2.1 LED工作原理 46

2.2 輻射複合與非輻射複合 48

2.3 內量子效率與外量子效率 49

2.3.1 內量子效率 49

2.3.2 光提取效率 53

2.3.3 外量子效率 55

2.4 LED的特性參數 56

2.4.1 LED的光學參數 56

2.4.2 LED的色度學參數 59

2.4.3 LED的電學參數 63

2.4.4 LED的熱學參數 66

2.5 歐姆接觸電極 66

2.5.1 歐姆接觸簡介 66

2.5.2 歐姆接觸原理 67

2.5.3 歐姆接觸的測量 69

2.5.4 金屬與p-AlGaN和p-GaN接觸特性 72

2.6 極化電場與量子限制斯塔克效應 80

2.6.1 InN、GaN和AlN的晶體結構和極性 80

2.6.2 自發極化與壓電極化 82

2.6.3 量子限制斯塔克效應 87

參考文獻 89

第3章 LED外延結構設計與材料生長 94

3.1 Ⅲ族氮化物晶體結構 94

3.2 GaN外延測試分析與表徵手段 97

3.2.1 原子力顯微鏡 97

3.2.2 掃描電子顯微鏡 98

3.2.3 透射電子顯微鏡 98

3.2.4 光致發光 99

3.2.5 電致發光 99

3.2.6 陰極熒光 100

3.2.7 霍爾測試 101

3.2.8 拉曼散射 101

3.2.9 高分辨X射線衍射 102

3.3 GaN基LED外延生長 104

3.3.1 薄膜生長模式 104

3.3.2 MOCVD兩步法生長GaN 105

3.3.3 GaN基藍光LED 106

3.3.4 GaN基綠光LED 113

3.3.5 GaN基紫外LED 142

參考文獻 166

第4章 LED晶元製造工藝 179

4.1 光刻工藝 179

4.1.1 LED外延片清洗 179

4.1.2 塗膠 180

4.1.3 軟烘 180

4.1.4 曝光和顯影 180

4.2 刻蝕工藝 181

4.2.1 藍寶石襯底的刻蝕 181

4.2.2 ITO材料的刻蝕 185

4.2.3 SiO2材料的沉積與刻蝕 188

4.2.4 GaN材料的刻蝕 190

4.2.5 ICP工藝參數對GaN刻蝕影響 195

4.3 薄膜澱積與退火工藝 215

4.4 藍寶石襯底背減薄和拋光工藝 218

4.4.1 工藝流程 219

4.4.2 工藝優化 220

4.5 藍寶石襯底剝離技術 222

4.5.1 激光剝離技術 222

4.5.2 化學剝離技術 223

4.5.3 機械剝離技術 225

4.5.4 複合剝離技術 226

4.6 工藝集成 227

參考文獻 232

第5章 LED晶元電流擴展特性 238

5.1 電流聚集效應 238

5.1.1 電流擴展路徑 238

5.1.2 電流擴展模型 240

5.1.3 電流聚集效應對LED晶元光提取效率的影響 243

5.2 電-熱耦合模擬模型 248

5.2.1 LED晶元有源區一維特性 248

5.2.2 LED晶元三維電流擴展特性 250

5.2.3 LED晶元中熱的產生和傳遞 251

5.3 電流擴展模擬分析 253

5.3.1 SlimuLED軟體介紹 253

5.3.2 藍光LED晶元電流擴展模擬 253

5.3.3 紫外LED晶元電流擴展模擬 258

參考文獻 266

第6章 高效率水平結構LED晶元 269

6.1 藍寶石圖形襯底技術 269

6.2 側壁空氣間隙結構 271

6.3 側壁波浪狀微結構 275

6.4 圖形化ITO 276

6.5 電流阻擋層 287

6.6 圖形化電流阻擋層 294

6.7 低光損失電極結構 298

6.8 金屬線網格透明導電電極 301

6.9 底部反射鏡 306

參考文獻 313

第7章 倒裝結構LED晶元 319

7.1 倒裝LED晶元電極結構優化設計 319

7.1.1 倒裝LED晶元電極結構 319

7.1.2 倒裝LED晶元電流擴展模擬 320

7.2 高反射率低阻p型歐姆接觸電極 323

7.2.1 Ni/Ag 323

7.2.2 ITO/DBR 328

7.2.3 Ni/Ag和ITO/DBR對比 338

7.2.4 Ag/TiW和ITO/DBR對比 342

參考文獻 348

第8章 高壓LED晶元 352

8.1 高壓直流LED晶元 353

8.1.1 高壓直流LED工作原理 353

8.1.2 LED單胞陣列布局方式優化設計 353

8.1.3 LED單胞間光子耦合傳播機制 356

8.2 高壓交流LED晶元 359

8.2.1 高壓交流LED工作原理 359

8.2.2 惠斯通電橋結構高壓交流LED晶元 360

8.3 高壓直流/交流LED晶元光電性能 362

參考文獻 365

第9章 LED晶元失效機理與可靠性分析 368

9.1 位錯對LED晶元可靠性的影響 368

9.2 結溫對大功率LED晶元光衰的影響 373

9.3 LED晶元正向/反向漏電流 376

9.3.1 LED晶元漏電流簡介 376

9.3.2 LED晶元正向漏電流產生機理 382

9.3.3 LED晶元反向漏電流產生機理 385

9.3.4 反向漏電流與LED可靠性 395

9.3.5 加速壽命試驗 396

9.4 p-GaN粗化與電極焊盤色差 398

參考文獻 404

第10章 新型LED器件 408

10.1 Micro-LED晶元 408

10.2 納米柱LED 413

10.3 偏振光LED 416

10.4 半極性/非極性LED 421

參考文獻 423

（本期編輯：王芳）

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