SiC衬底GaN基发光二极管的研制

SiC衬底GaN基发光二极管的研制
2010-12-10 16:51:54 《半导体照明》杂志中国半导体照明网文/曲爽1,2 沈燕1 徐化勇1,2 王成新1 李树强1,2 徐现刚1,2 1山东华光光电子有限公司 2山东大学晶体材料研究所行业分类:外延芯片浏览

　　目前，绝大部分GaN基LED均采用价格相对低廉的蓝宝石为衬底材料制备。然而，蓝宝石衬底与GaN材料有高达17%的晶格失配度，如此大的晶格失配造成了很高的位错密度，导致GaN LED中的非辐射复合中心增多，限制了其内量子效率的进一步提升。

　　1994年日本日亚化工突破了GaN材料成核生长的关键技术，不久P型GaN采用退火技术得以实现，随后GaN LED研制成功。近几年，通过外延技术的提升，GaN LED的内量子效率大大提升，结合粗化、倒装、PSS衬底等提高光输出效率的技术，GaN基LED已广泛应用于全彩显示、交通信号灯、汽车灯具、液晶背光、室内照明和路灯照明等领域，半导体照明已经日臻成熟，走进千家万户。

　　目前，绝大部分GaN基LED均采用价格相对低廉的蓝宝石为衬底材料制备。然而，蓝宝石衬底与GaN材料有高达17%的晶格失配度，如此大的晶格失配造成了很高的位错密度，导致GaN LED中的非辐射复合中心增多，限制了其内量子效率的进一步提升。SiC衬底与GaN材料的晶格适配度只有3%，远小于蓝宝石衬底与GaN材料间的晶格适配度，因此在SiC衬底上外延生长的GaN材料的位错密度会更少，晶体质量会更高，同时SiC的热导率（4.2W/cm.K）远大于蓝宝石，有利于器件在大电流下工作。

图1 SiC衬底上外延GaN的X-Ray半宽结果

　　但是SiC衬底的制备难度较高，外延生长GaN的成核也具有一定难度。因此，SiC衬底上制备GaN LED的技术仅限于以美国CREE为代表的少数掌握SiC衬底制备技术的公司手中。目前，美国Cree公司生产的GaN LED封装成白光后，流明效率已经超过200lm/W，远远超过其他同行厂家。

　　2010年上半年，山东华光光电子有限公司和山东大学联合设立的SiC衬底的制备及SiC衬底上的GaN-LED外延技术研发项目获得了突破性进展，在国内实现了SiC衬底上GaN LED的制备。项目运作期间，山东大学在国家863项目的支持下利用5年多的时间成功突破了SiC单晶的生长和加工，目前3英寸SiC衬底已达到GaN LED外延时的“开盒即用”水平。山东华光光电子有限公司借鉴其在蓝宝石衬底上外延GaN LED的丰富经验，通过优化MOCVD生长工艺，成功生长出了高质量的GaN材料，GaN层厚度可达4um以上而不开裂。GaN薄膜X-Ray测量的（002）和（102）半宽分别达到160s和190s，位错密度比蓝宝石衬底上外延生长的GaN低了接近1个数量级。图1是SiC衬底上的X-Ray测量结果。由于成核质量较高，SiC衬底上外延的GaN材料具有更好的表面形貌。图2是SiC衬底上和蓝宝石衬底上外延出的GaN材料的表面原子力显微镜照片，从图中可以看出，SiC衬底上外延的GaN材料表面形貌更加平整，粗糙度Ra达到0.3nm，晶体质量更好。

图2 SiC衬底（左）和蓝宝石衬底（右）外延GaN表面原子力显微镜形貌，测试范围为5um*5um

　　通过优化外延生长条件生产出高结晶质量的SiC衬底GaN外延片之后，我们通过理论模拟，优化设计了SiC LED管芯结构，并在工艺上先后解决了SiC LED切割、欧姆接触及研磨等关键工艺。目前，8×10mil规格芯片封装后光输出功率达到16mW@20mA以上，远高于相同管芯尺寸的蓝宝石衬底类产品指标12mW@20mA。另外，由于SiC衬底具有较佳的热导率，以其为衬底制备的LED具有更好的饱和特性，更适合大电流密度工作。图3是SiC衬底和蓝宝石衬底上制备的8×10mil规格芯片的功率饱和曲线，从该曲线可以看出，SiC衬底上的LED不只在20mA下功率高于蓝宝石衬底类产品，其在大电流工作时优势更为明显。图4是山东华光光电子有限公司在SiC衬底上制备的蓝光LED的照片，LED的亮度达到了商品化的标准，并且超过了蓝宝石衬底，目前已经开始投向市场。

图3 SiC衬底和蓝宝石衬底上外延LED的8×10mil规格管芯饱和曲线比较

图4 SiC衬底上LED封装照片

　　山东华光光电子有限公司与山东大学联合在高质量SiC衬底上制备了GaN LED。在SiC衬底上制备的GaN材料相比蓝宝石衬底上的GaN具有较低的位错密度和更加平整的表面形貌。在SiC衬底上制备的LED光输出功率超过了蓝宝石衬底，而且其在大电流下具有更大的优势。（全文请查看《半导体照明》杂志2010年总第9期编辑：maysoong）

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