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AlGaInP LED转移衬底和可靠性的研究

2020-12-11阅读(623)

AlGaInP LED转移衬底和可靠性的研究

论文摘要

LED（light emitting diode,发光二极管）具有节能、环保、寿命长等特点,其在景观照明、背光照明、室内室外通用照明、大屏幕显示、汽车照明、农业、医疗、舞台等有着广泛应用。但AlGaInP LED出光椎体角度小、电极吸光、GaAs衬底吸光散热性差等因素限制了光提取效率的提高,针对这些问题,本论文对有ODR （Omni-directional reflector,全方位反光镜）、Au-Au键合、粗化结构的转移衬底到Si衬底的AlGaInP LED展开了系统性的研究。对自主研发的新型高亮度LED进行了可靠性研究。本文主要的研究工作可归纳如下:论文首先分析了转移衬底的AlGaInP LED中影响其出光的各种因素。分析了LED内有无散射时,AlGaInP LED中光子的路径。假设有源区散射了出光面反射回的全部光子,计算了随出光面出射率、外延层透射率、反光镜反射率变化,光提取效率的变化值。因电流扩展层n-AlGaInP掺杂浓度和厚度有限,分析了影响电流扩展的因素,电极形状与电流扩展的关系。其次,研究了转移衬底AlGaInP LED晶片的键合。在Au-Au扩散键合工艺中,研究了2inch的GaAs片与Si片的合适键合条件,键合会出现气泡、裂纹等问题。石墨片在晶片键合中可以保证两晶片整体的接触。键合工艺中,裂纹随温度的冷却速率减小而减少。制作了不同键合温度270℃、280℃、290℃、300℃下,转移衬底的SiO2 ODR AlGaInP LED,其光输出随温度的增加而减小,电压随温度的增加而增加。反射率因反光镜界面高温下相互扩散而下降,下降的大小随温度的增加而增加,即LED光输出随温度的增加而减小;键合长时间的高温和工艺中的退火使形成欧姆接触时,金属和半导体过扩散。随着键合温度增加,这种过扩散程度增加,电压增加。再次,对比制作并分别研究了Au/ITO/GaP、Au/SiO2/GaP两种ODR的转移衬底LED。计算了随角度变化的Au/GaP、Au/ITO/GaP、Au/SiO2/GaP三种反光镜反射率,并制作对比了三种反光镜的AlGaInP LED。20mA电流下,吸收衬底LED、Au反光镜LED、Au/SiO2 ODR LED与AuZnAu/ITO ODR LED光输出功率分别为1.04mW、1.14mW、2.53mW和2.15mW。Au与GaP相互扩散导致反光镜反射率降低是Au反光镜LED光输出低的主要原因,ITO的吸收是ITO ODR LED光输出为SiO2 ODR LED光输出的85%的主要原因。设计制备了具有ITO/Au ODR、ITO/AuZnAu ODR结构的转移衬底AlGaInP LED。Zn的加入使器件在20mA时的电压由2.378V降至2.033V。设计制备了ITO厚度为65nm,90nm,270nm的AuZnAu/ITO ODR LED,随ITO厚度增加,光输出减小,电压增加。分析其光输出与电压, ITO厚度在65nm时,性能最好。Zn扩散透过ITO至GaP,改善了ITO与GaP的欧姆接触。设计制作了0.6μm GaP SiO2 ODR LED与8μm GaP SiO2 ODR LED,20mA下的光强分别为180mcd、133mcd,提高了35%。在20mA时,电压为2.54V、2.46V。P型欧姆接触小孔处因0.6μm GaP薄,电流扩展差而电压高。测量了两种GaP厚度的Au/SiO2/GaP ODR的反射率,在有源区发光波段处,0.6μm GaP ODR的反射率远大于8μm GaP ODR的反射率是0.6μm GaP转移衬底LED光输出高的主要原因。研究了0.6μm GaP LED中,ICP刻蚀减小GaP的厚度的影响。制作了无刻蚀、刻蚀110nm、刻蚀200nm三种SiO2 ODR LED,随GaP厚度的减小,LED光输出增加。制作了稀盐酸湿法腐蚀、粗化n-AlGaInP电流扩展层的SiO2 ODR,Au-Au键合AlGaInP LED。20mA下,其光强分别为315mcd和173mcd,经粗化后增加了82%。出光面积增加和光子方向改变是光输出增加的主要原因。最后,对新型高亮度的AlGaInP LED进行了可靠性研究。对具有自主知识产权的新型高亮度AlGaInP LED进行了各种可靠性试验。研究了电流下LED电压升高的现象,提出了增加λ/4 ITO厚度至3λ/4的改进工艺。对改进工艺之后的3/4波长ITO作为电流扩展的新型AlGaInP LED进行了电流为50mA、60mA、70mA、80mA、90mA条件下的加速寿命试验,拟合出艾伦模型的指数加速因子n=3.43,推算出20mA电流下,工艺改进后的LED寿命为99.9万小时。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  • 1.1 半导体照明的背景
  • 1.1.1 引言
  • 1.1.2 半导体照明国际形势
  • 1.1.3 半导体照明国内形势
  • 1.2 照明光源的发展简史
  • 1.2.1 照明技术的变迁
  • 1.2.2 发光二极管的发展历史与现状
  • 1.3 发光二极管的应用
  • 1.3.1 发光二极管的白光实现方式
  • 1.3.2 发光二极管的优点与应用
  • 1.4 AlGaInP LED
  • 1.4.1 AlGaInP LED 简介
  • 1.4.2 AlGaInP LED 问题与解决方案
  • 1.4.3 转移衬底AlGaInP LED 的研究进展
  • 1.5 本论文的主要研究内容
  • 第2章 转移衬底的AlGaInP LED
  • 2.1 LED 相关理论
  • 2.1.1 LED 发光原理
  • 2.1.2 LED 中载流子的复合
  • 2.1.3 LED 器件特征参数
  • 2.2 转移衬底的 LED 工艺介绍
  • 2.2.1 转移衬底的薄膜LED 简介
  • 2.2.2 转移衬底AlGaInP LED 工艺
  • 2.3 转移衬底AlGaInP LED 光子的路径
  • 2.4 AlGaInP LED 的电流扩展
  • 2.4.1 电流扩展的理论计算
  • 2.4.2 转移衬底AlGaInP LED 电流扩展
  • 2.4.3 电极形状
  • 2.5 本章小节
  • 第3章 转移衬底AlGaInP LED 晶片键合的研究
  • 3.1 晶片键合简介
  • 3.1.1 晶片键合方法
  • 3.1.2 键合质量的检测
  • 3.2 晶片表面形貌对键合的影响
  • 3.2.1 晶片表面形貌与键合接触面积
  • 3.2.2 晶片接触模型
  • 3.3 转移衬底的LED 工艺中的键合
  • 3.3.1 转移衬底的LED 工艺中的键合方式
  • 3.3.2 Au-In，Ag-In 键合
  • 3.3.3 Au-Au 键合
  • 3.4 键合技术中主要影响因素研究
  • 3.4.1 石墨片对键合结果的影响
  • 3.4.2 键合出现的问题
  • 3.4.3 冷却速率对键合的影响
  • 3.5 AlGaInP LED 中温度对键合的影响
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 转移衬底AlGaInP LED 中关键工艺的研究
  • 4.1 反射镜
  • 4.1.1 反光镜的分类
  • 4.1.2 AlGaInP LED 中不同反光镜的研究
  • 4.1.3 ITO ODR LED 中不同ITO 厚度的研究
  • 4.2 AlGaInP 外延层中光子的吸收
  • 4.3 AlGaInP LED 中不同GaP 厚度的影响
  • 4.4 转移衬底的AlGaInP LED 粗化
  • 4.4.1 粗化增加光输出的原理
  • 4.4.2 转移衬底的AlGaInP LED 粗化
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 AlGaInP LED 可靠性的研究
  • 5.1 LED 可靠性
  • 5.1.1 LED 可靠性简介
  • 5.1.2 LED 参数与结温的关系
  • 5.1.3 LED 寿命与可靠性
  • 5.2 新型高亮度AlGaInP LED 的可靠性研究
  • 5.2.1 AlGaInP LED 特性随电流变化研究
  • 5.2.2 新型高亮度AlGaInP LED 电压升高现象研究
  • 5.3 加速寿命试验
  • 5.3.1 加速寿命试验的理论依据
  • 5.3.2 新型高亮度AlGaInP LED 温度应力老化试验
  • 5.3.3 新型高亮度AlGaInP LED 电流加速老化寿命试验
  • 5.4 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间所发表的学术论文
  • 致谢

    • 相关论文文献

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