| 纵向传导氮化物LED中石墨衬底的应用和研究 | |
2011-11-25 16:32:22 中国半导体照明网 译 梁漠 行业分类:其它 浏览 | |
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韩国的几所大学应用铝合金石墨材料制作出热传导衬底。这种新型衬底可以使LED的光输出性能提高23% [H K Lee et al, Semicond. Sci. Technol., vol26, p115011, 2011]。Korea Advanced Nano-Fab Center (KANC)为此款装置的制造提供支持。 传统氮化物半导体LED的蓝宝石衬底具有绝缘性。而正是因为这种特性，传统LED采用侧向传导方案。各类LED，特别是氮化物LED，如果采用纵向传导方案的话其电流密度能保持相当的一致性。而要实现这种一致性，可行的方法之一是分隔氮化物半导体和其蓝宝石衬底。 通常来讲，在分隔之前，各部分要转移到新的衬底之上。考虑到接面温度对于LED性能的影响，衬底采用热导材料。Kyung Hee/Dongguk在研究以石墨材料的衬底，使其作为碳化硅或氮化镓衬底的低成本替代品。 蓝光(~450nm)氮化镓铟LED生长于430μm厚的蓝宝石衬底；使用金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD）。纯GaN缓冲区厚度为3.5μm，n-GaN厚度为4μm， p-GaN厚度为0.21μm。作用区域在n- GaN 和p-GaN之间，由5组纯nGaN/GaN层组成多量子阱（MQW）。 图 1: GaN基组件原理示意图 (a)蓝宝石衬底 LLED (b) 1mm x 1mm石墨衬底 VLED。
外延层与石墨结合。蓝宝石衬底层被248nm氪氟化物准分子激光工序移除。纯GaN层被电感耦合等离子体蚀刻掉。n-GaN表面浸入50°C的氢氧化钾溶液15分钟进行粗糙化处理以提升光萃取率。 LLED走的是传统工艺路线。220nm厚的铟锡氧化物（ITO)电流散布层在台面蚀刻和金属接触沉积之前在600°C的温度下沉积退火1分钟。 LLED和VLED的在350mA的注射电流和298K的温度下的光输出功率分别为127.2mW和156.4mW。VLED性能的提升应归功于改进后表面粗糙处理的提取物和装置底部的反射金属层。这些改进在LLED中却很难进行。LLED中的顶层p-GaN很薄，并且缺少用于防止光进入和防止光困于蓝宝石衬底中的反光片。 对于两种装置来说场致发射模式都是很难实施的。由于光从作用层中向各个角度发射，LLED的光线要更宽。而在VLED中，由于反光片是为增加向上提取物，则会提供更窄更有方向性的光线。 热工测量显示，VLED在高于338K的温度下性能有所下降。在350mA注射电流和288-338K的温度范围条件下光输出功率基本恒定于156.4mW。在378K时，功率减少至149.4mW，减少了4.5%。在700mA时，功率值在288K和378K只有262.8mW和236.6mW，减少了10%。 温度同样影响启动和正向电压。启动电压随着温度的增加而减少。288K时为2.65V，而378K时为2.39V。正向电压在350mA注射电流条件下，288K时为3.84V，而378K时为3.47V。 热降解在蓝宝石衬底LLED上作用更加显著，其原因为LLED较铝合金石墨的低导热率。LLED在288K-378K温度下的光输出功率降低了12%，在298K温度以上成指数递减。研究人员得到LLED 和VLED的温度T1：295K和414K。VLED所显示的更高的温度显示出其对温度的较小的依赖性。 使用纵向注射电流结构的影响在其他方面也有所体现。VLED在350mA下的量子效率（EQE）为16.2%，而LLED再相同条件下为13.2%。在550mA条件下，VLED的量子效率减少11.9%，而LLED的量子效率减少14.6%。把吸热温度提高至298K(~室温)后，装置的总体效率均有所下降。但是VLED下降的幅度要明显小于LLED。在288-338K的温度下。VLED保持恒定值。在350mA注射电流，378K温度下，VLED的量子效率为15.5%(–4.3%)。 温度增加更深远的影响在于可以缩减能隙，使辐射光向更长波长的红色偏移。在298-378K范围内，LLED的波长峰值从449.3nm移至453.7nm (0.55nm/K)，VLED则从449.5nm移至453.2nm (0.48nm/K)。相比之下，在电流增加到300mA时，LLED会发生蓝移而VLED则保持一致。 最初的蓝移应归因于量子局限斯塔克效应(QCSE)——多量子阱中变化的电场中不同的注射电流带给能带不同的改变，因此影响到发射波长。氮化物半导体中出现的极化电场是由于自发和压电效应(strain-dependent)的影响，从而使QCSE趋于增长。 各装置的接合温度在不同的注射电流下呈现等幅波状（CW）。测量的时间为初态后30分钟，装置达到热平衡时。正向电压对温度的依赖性体现在未达到热平衡时的脉冲测量。 在298K的环境下，LLED的接合点在60mA达到300.6K，在350mA达到312.4K(上升率为40.74K/A)。同样条件下的实验显示VLED在60mA达到299.7K，在350mA达到310.2K(上升率为35.68K/A)。实验显示VLED的热变电阻为10.12K/W，而LLED的热变电阻为12.53K/W。Kyung Hee University 和 Korea Advanced Nano Fab Center先前的实验表明在100μm厚的散热铜条件下VLED的热变电阻可以达到8K/W。新一次实验中的3名研究人员也曾参与先前的实验。 研究人员总结道：“石墨衬底将会因晶片粘结法成为高能LED领域的重要材料。”（编辑：LEDxume） | |
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标签:蓝宝石衬底,GaN,石墨衬底