分类号 TN312 UDC 学校代码 密 级 10590 公开 深圳大学硕士学位论文 GaN基LED芯片的制作 卫静婷 学 科 门 类 专 业 名 称 学院（系、所） 指 导 教 师 工学 物理电子学 光电子学研究所 冯玉春 GaN基LED芯片的制作 摘要 GaN材料及器件近年来成为研究的热点，尤其是GaN基发光二极管（LED）。究其原因，主要是因为GaN蓝绿光LED产品的出现从根本上解决了白光发光二极管三基色的缺色问题。而且LED是节能、环保型光源，具有体积小、冷光源、响应时间短、发光效率高、防爆、节能、寿命长、无闪频、容易与IC电路匹配，可在各种恶劣环境下使用等特点。因此GaN发光二极管的应用遍及大屏幕彩色显示、车辆及交通、多媒体显像、LCD背光源、光纤通讯等领域。白光LED照明更是引起了各个国家的高度重视，日本、美国、欧洲以及我国都相继启动了有关白光照明的研究项目。本文就LED制作过程中出现的困难，着重研究了GaN基LED制作中的p型欧姆接触电极的制作，以及透明导电材料：掺锡氧化铟（ITO）的制备，并对GaN基LED进行了试做，得出了以下的结果： （1）采用Ni/Au作为p型欧姆接触电极，通过实验得到，0℃是退火的最佳温度。金属层厚度过厚或者过薄都会使电阻率增大。而在p-GaN上用磁控溅射沉积Ni（20nm）/Au（40nm）的条件下，在空气中快速退火300s，得到最佳接触比电阻率为1.09×10-5Ω·cm2。 （2）ITO薄膜制备过程中，氧流量的改变，使得薄膜氧含量不同，从而导致薄膜方块电阻和透过率随着退火温度的升高，其变化规律不尽一致。通过实验，我们得到透过率为90%以上，方块电阻较小的样品。 （3）论文最后根据GaN基LED的制作流程，进行了试做及测试，经过对发光亮度，发光功率，反向漏电流等参数的综合优化，获得了高亮度GaN蓝光LED的最终性能指标：发光波长：455～460nm；正向电压：3.22～3.27V；发光功率：>6mW（IF=20 mA）；反向漏电流：<0.05µA（VR=5v）。 关键字：p-GaN；比接触电阻率；ITO；圆形传输线模型；退火 I Chip fabrication of GaN LED Abstract GaN has been extensively investigated for electronic and optoelectronic application, especially for GaN light emitting diodes (LED). Recently, tremendous progress has been achieved in GaN-based blue and green LED, which has many attractive characteristics such as savings in energy consumption, environmental protection, little cubage, short response time, high efficiency, long lifetime, explosion resist, easy to match with the IC circuit etc. It also can be used under any bad circumstance. So, it can be used in the fields of large color display, traffic lights, LCDs, light source, fiber communication and so on. Whit light LED used to illuminate has been paid on great attention by every country. Japan, United States of America, Europe Union and China all have proposed the projects about white LED illumination. In this paper, we focus great attention on investigating the fabrication of p-type ohmic contact on GaN. We also research the technology for making the ITO which is used as the material of p electrode. Following are the conclusions. (1) Using the Ni/Au as the p-type ohmic contact and trying with different annealing temperature and thickness of Ni/Au in the experiment, we got a result that 0℃ is the optimum temperature to anneal. Depositing Ni(20nm)/Au(40nm) on p-type GaN and annealing it under air circumstance, we gained the best specific contact resistance. It is 1.09×10-5Ω·cm2。 (2) Changing the oxygen flux during the preparation of ITO thin films to infect the oxygen content of samples can result in that the square resistance and transmittance of different samples with the increasing of the annealing temperature varied in a different law. According to the experiments, the sample whose transparence is more than 90% is achieved and it also has little square resistance. (3)At the end of the paper the fabrication process of GaN LED is showed. And we try our best to make it and have some tests. Through optimizing parameters of luminous intensity, wavelength and reversed leak current, high luminance of GaN LED was gained with good performance: wavelength: 455～460nm; work voltage: 3.22～3.27V; luminance power: II Chip fabrication of GaN LED >6mW（IF=20 mA）; reversed leak current: <0.05µA（VR=5v）。 Key words: p-GaN; specific contact resistance; ITO; CTLM; annealing III 目录 摘要……………………………………………………………………Ⅰ Abstract………………………………………………………………Ⅱ 绪言…………………………………………………………………… 1 第一章LED的概述…………………………………………………………… 4 1.1 发光二极管的发展现状………………………………………………………… 4 1.2 GaN LED的制作工艺的技术难点和解决方案……………………………………7 1.3 课题来源与主要研究工作………………………………………………………12 第二章 磁控溅射ITO薄膜材料的制备………………………………14 2.1 磁控溅射的工作原理……………………………………………………………14 2.2 ITO薄膜的电学和光学性质……………………………………………………16 2.3 实验工艺参数对ITO薄膜性能的影响…………………………………………17 第三章 金属与GaN欧姆接触的研究………………………………………22 3.1 金属与半导体接触的类型………………………………………………………22 3.2 欧姆接触的测量原理和方法……………………………………………………24 3.3 金属与p-GaN欧姆接触的实验研究……………………………………………25 第四章 GaN LED的制作………………………………………………………………30 4.1 LED的发光原理…………………………………………………………………30 4.2 GaN LED的制作工艺……………………………………………………………32 4.3 LED的测试………………………………………………………………………38 第五章 全文总结………………………………………………………………………41 参考文献…………………………………………………………………………………43 致谢…………………………………………………………………………………………48 攻读硕士期间的研究成果…………………………………………………………………49 GaN基LED芯片的制作 绪言 在半导体行业的发展进程中，人们通常把Si和Ge元素半导体称为第一代半导体材料，把GaAs、InP、InAs等化合物半导体称为第二代半导体材料，而把Ⅲ族氮化物（主要包括GaN、相关化合物InN、AlN及其合金）、SiC、InSe、金刚石等宽带隙的化合物半导体称为第三代半导体材料。同前两代半导体材料相比，以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料，具有优良的物理和化学性质，如大的热导率、高的电子饱和速率和化学稳定性、低的介电常数等等，因而它在短波长发光器件、大功率微波器件和高温电子器件等方面具有广阔的应用前景。氮化镓材料的禁带宽度为3.4eV，可以和InN（禁带宽度为0.7eV）、AlN（禁带宽度为6.2eV）组成三元或者四元固溶体合金体系，其对应的直接带隙波长覆盖了从红光到紫外的区域。因此，可以利用GaN基材料制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。 GaN基LED是节能、环保型光源，具有低工作电压、低功耗、固体化、小体积、长寿命、无闪频、响应速度快、容易与IC电路匹配并可在各种恶劣环境下使用的特点。因此，LED的市场越来越大，利用白光LED照明也已经引起了各国的高度重视，日本、美国、欧洲以及我们国家都相继启动有关白光照明的研究项目。 虽然近年来，各国在衬底研究、外延生长、器件制作方面取得很大进步，但是，实现白光照明，还有许多问题需要解决，其中包括GaN基LED制作中的一项重要工艺：p型电极的制作。如何实现金属与GaN间的欧姆接触，制作高透光率低电阻率和具有更均匀电流扩展的电极，具有至关重要的意义，在LED芯片的成本组成中，以电极制作为主的后道工艺占去芯片总成本的40%，几乎与外延生长的成本相当。事实上，GaN基器件的p型电极的高电阻一直是实现长寿命连续工作的GaN基器件的主要技术障碍之一。主要原因有三：1、缺少功函数足够高的金属，GaN的禁带宽度为3.4eV，电子亲和势为4.1eV，而金属的功函数一般都小于5eV；2、生长重掺杂的p型GaN比较困难，由于其不在本文的讨论范围之内，因此不详细阐述；3、工艺过程中很容易造成GaN表面N空位的产生，使p型GaN表面处可能转换成n型电导。而现在普遍采用的p型欧姆接触电极是Ni/Au，那是因为其具有良好的透光性能和电学性能。沉积前的表面处理和沉积后的合金退火是常用的降低接触电阻的手段。通过氧气氛围下合金的方法，Ho[1-3]等人已经把Ni/Au与p-GaN接触的比接触电阻率降到4×10-6Ω·cm2，也有用其它的金属组合形成了比较好的p-GaN欧姆接触，如Pt/Ni/Au[4]，Cr/Au[5]，Pd/Au[6]，Pt/Ru[7]，Ni/ITO[8]1 GaN基LED芯片的制作 等。Jang J S等人用Pt/Ni/Au作为电极，在300℃N2中退火1min，获得比接触电阻率-4cm2[9]。Kaminska E等人用ZrN/ZrB2作为电极材料，在1050℃N2中退火30s，5.1×10Ω·获得的比接触电阻率为（6～8）×10-5Ω·cm2[10]。通过王水预处理，Horng R H等人用Ni/ITO在600℃空气中退火，获得的比接触电阻率为8.6×10-4Ω·cm2[11]。YOO M C等人-4cm2[12]。用Cr/Au作为电极，500℃条件下退火1min，获得的比接触电阻率为3.0×10Ω·经过王水预处理，Kim D W等人用Pd/Au合金700℃退火，获得了1.99×10-4Ω·cm2[13]。Jang J S等人用Pt/Ru合金，在600℃退火，获得了2.0×10-6Ω·cm2[14]。薛松等人通过处理p型GaN表面，去除其表面上的氧化层，并且改变了表面物理化学状态，因而改[15]善了p型GaN上的欧姆接触。 而今，在LED制作过程中，尚待解决的散热问题及p-GaN的高接触电阻问题等都与金属与p-GaN之间欧姆接触的比接触电阻率较高有着莫大的关系。本文通过改变电极制作过程的工艺条件，如：电极金属层的厚度及比例、退火温度等，以降低金属与p-GaN的比接触电阻率。由于Ni/Au与p-GaN接触电阻是目前所有金属体系中最低的，因此本文采用Ni/Au作为p型欧姆接触的金属层，并加以研究讨论，通过实验及测试分析， 实现了Ni/Au与p-GaN良好的欧姆接触，获得了相对较低的比接触电阻率。并在此基础上，试制作了蓝光LED芯片，对其测试，获得了较好的测试结果。由于Ni/Au/ITO金属体系也可作为透明电极，且性能也相对较于稳定。因此，本文也初步讨论了利用直流磁控溅射获得ITO薄膜的制备工艺，但由于时间有限，尚未应用于电极的制作研究。 论文分为五章： 第一章主要介绍LED的发展现状，以及LED制作的工艺难点及解决方案。 第二章主要介绍了磁控溅射的原理，以及用直流磁控溅射沉积ITO薄膜的制备过程，利用X射线衍射仪对薄膜样品的结晶性能做了测试，四探针测试法获得样品的方块电阻，Perkinelmer Instruments LAMBDA 900分光度计测量薄膜的透过率，扫描电子显微镜扫描样品退火后的表面，对薄膜样品成分进行分析。得出结论：随着退火温度升高，氧含量大的样品，其方块电阻先减小后增大，而氧含量小的样品则是一直减小。而对于透过率来说，无论氧含量的大小，随着退火温度的升高，透过率却一直增大。 第三章主要介绍了金属与半导体材料间的欧姆接触原理。利用磁控溅射沉积金属电极，合金退火后用日本精工仪器SPA300HV-AFM原子力显微镜测量合金后的p-GaN的表面形态，用SEM测样品表面的合金成分。通过I-V曲线特性，CILM，AFM形貌图等得出了结论：退火温度、Ni/Au厚度比例以及Ni金属层自身的厚度等因素与能否在p-GaN2 GaN基LED芯片的制作 上形成良好的欧姆接触相关，在一定的条件下可以降低p-GaN的比接触电阻率。实验结果表明，在金属厚度Ni(20nm)/Au(40nm),温度为0℃条件下在空气中退火300s，可以-52得到比接触电阻率为1.09×10Ω•cm的低P-GaN欧姆接触。 第四章介绍了LED的发光原理，以及制作的工艺流程及测试结果。蓝光LED在20mA的正向电流（IF）下的电荧光（EL）发射光谱呈高斯分布，其峰值波长（λp）为456.8nm，FWHM为16.6nm。改变IF，发射峰λp随IF的变化规律是先蓝移，后又红移。当IF为5mA 时，λp较长。随IF的增加，λp逐渐减小，发生蓝移；当IF增加到某一定值IF （25～30mA区间）后，λp逐渐增加，发生红移。蓝光LED在不同的IF驱动下，发射光谱的λp和光谱的FWHM发生变化，从而导致色品坐标x和y值发生了变化，最初x值随IF增加而增加，IF增加到20～25mA 后，x值逐渐下降；而y值的变化是相反的。x和y值的变化导致LED发生色漂移。我们经过对发光亮度，发光效率，反向漏电流等参数的综合优化后，获得了高亮度GaN蓝光LED的最终性能指标：发光波长：455～460nm；发光功率：>6mW（IF=20 mA）；反向漏电流：<0.05µA（VR=5v）。 第五章进行了全文总结。总结了本论文所做的所有的工作。 3 GaN基LED芯片的制作 第一章 LED的概述 1.1 发光二极管的发展现状 1.1.1发光二极管的照明理念 发光二极管（Light Emitting Diode :LED），是利用固体半导体作为发光材料制作的PN结。当PN结两端加上正向电压时，半导体中的导带电子和价带空穴发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射。半导体发光二极管的制作材料一般采用直接带隙半导体。直接带隙半导体材料的导带底和价带顶的准动量K值相等，而间接带隙半导体材料的导带底和价带顶的K值不同。那么直接带隙半导体材料发生电子跃迁的几率远远大于间接带隙半导体材料，因为前者不需要其它粒子如声子的参与就满足动量守恒。而后者如发生跃迁，则需要其他粒子的参与，以满足跃迁前后系统动量守恒，大大的减小了跃迁几率。 1.1.2 发光二极管的发展史 利用半导体PN结的发光原理制成的发光二极管问世于20世纪60年代初，19年首先出现红色发光二极管，由通用电气公司的尼克·霍洛尼亚柯发明。之后不久又出现黄色发光二极管。1991年，p型GaN出现后，Akasaki等人第一次制成了pn结同质结构的GaN蓝色LED。随后，Nakamura等人克服p型掺杂问题，可制成了掺镁GaN同质结LED，其后，他领导的日亚研究小组在氮化物发光器件的研究中不断取得更大的突破性进展，始终保持世界领先地位并引起了全世界对GaN的研究热潮，到1994年，研制成功亮度超过1cd的InGaN/AlGaN双异质结蓝光LED [16]，使用掺Zn的InGaN作有源层，发光中心为Zn杂质，输出功率为1.5mW，外量子效率达到2.7%，发光峰值波长为450nm，半高全宽为70nm。1995年，他们又成功制作了InGaN/GaN单量子阱LED，改变InGaN的In组分，发光颜色由黄、绿、蓝到紫可变，其中绿色LED的亮度提高到10cd，寿命达十万小时以上[17]。2002年，采用InGaN/ GaN多量子阱结构LED，其外量子效率超过35%[18]。2004年，Lumileds和Sandia国家实验室提出制作量子点器件，可使内量子效高达76%。2005年9月，中村修二博士与加州大学芭芭拉分校（UCSB, University of California at Santa Barbara）研究小组在生长无极性（non-polar）和半极性（semi-polar）GaN薄膜方面取得了重要进展，基于无极性和半极性GaN晶体薄膜的器件具有以下的潜在优4 GaN基LED芯片的制作 势：量子阱复合效率更高、p型掺杂效率更高、开启电压更低即阈值电流密度更低，而且从LED发出的光为偏振光。研究者发现，采用这种新的晶体结构，在p型掺杂层，发光器件的阳极电阻更低，而更低的阳极电阻会使焦耳热更低和发光效率更高。2006年5月，该研究小组制造出第一款无极性（non-polar）和半极性（semi-polar）GaN衬底LED ，由于堆垛层错以及点缺陷的存在，使得这款LED的输出功率非常低，仅为1mW，所以在该技术上，研究工作者还需要进一步努力。最近， InGaN量子阱LED的发展很快，已经有报道外量子效率达到50%[19]。 蓝光LED发展到白光照明灯，有三种基本的方法。第一种为三芯片结构，即红、绿、蓝LED封装为整体，构成白色照明光源；第二种为双芯片结构，可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用，使用范围有限。第三种为单芯片结构，是以GaN基紫外光源来激发红绿蓝三色荧光粉从而形成白光。Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm～405nm的紫外LED。此外，还有一些实验室中采用的方法，如法国一个小组采用不同尺寸的量子点作发光层，利用不同尺寸量子点中的大小不同的极化电场来把发光峰红移到红光和黄光波段，从而形成白光；美国Opto Plus利用在InGaN/GaN多量子阱Si—Zn共掺杂技术，在同一芯片上制作了发射蓝光和黄光量子阱，从而合成了白光，形成单芯片白光LED，即宽带式LED，此白光LED颜色一致；同时采用两个有源区形成的光子再生式单芯片LED。2005年9月，Cree公司宣布在开发白光XLamp7090功率LED中实现了突破性的性能进展，XLamp7090新型LED在350 mA电流下最大光通量为86lm，光电转换效率为70lm/W，2006年6月，日亚公司制备出光电转换效率为100 lm/W白光LED，2007年将完成150lm/W产品的开发。目前，除了高效率的白光LED以外，紫外LED的研制也是GaN基LED的研发热点之一。2006年5月日本NTT[20]公司在Nature上报道他们研制出AlN的PIN同质结LED，通过在AlN中掺Si和Mg，分别形成n层和p层，在两层之间有本征AlN层，其发光波长为210 nm，这是迄今为止，发光波长最短的LED。 美联邦每年投入5000万美元，用于发展半导体白光照明核心技术，以保持其未来产业的领先地位。2006年，中国十一五863计划提出，预计在未来五年时间里，半导体照明工程的总投入金额达18亿人民币，通过自主创新，突破白光照明部分核心专利技术，解决半导体照明市场急需的产业化关键技术，完善半导体照明产业链，20105 GaN基LED芯片的制作 年白光LED的发光效率达到国际同期先进水平（100～130lm/W），替代50%进口高亮度芯片。 1.1.3 发光二极管光源的特点 [21] (1)节能，耗电量少 同样使用50000h，白炽灯要用1250度电，而3W的白光LED只需要250度电(2) 使用寿命长 LED灯具的平均使用寿命达10万小时，是普通灯管的数十倍。LED灯具的使用寿命可达5～10年，可以大大降低灯具的维护费用。 (3)发光效率高 白炽灯、卤钨灯的发光效率为12～24流明/瓦，荧光灯为50～70流明/瓦，纳灯为90～140流明/瓦，而LED的发光效率经改良后的最高效率可达到200流明/瓦，而且光的单色性好，光谱窄。 (4) 安全可靠性强 LED发热量低，无热辐射，可以安全触摸，并且能精确控制光色及发光角度，光色柔和，无眩光。制作材料中不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。 (5) 有利于环保 LED为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。 (6) 开关时间短 响应时间短，最低可达1微秒，一般为几个毫秒（现用的光源响应时间为200毫秒）。可在高频条件下使用。 1.1.4 LED的照明现状及应用前景 长期以来，由于LED发光效率低，其应用主要集中在各种显示领域。随着超高亮度LED(特别是白光LED)的出现，LED在照明领域的应用将可能成为现实。据国际权威机构预测，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代，LED被称为新光源[23][22]。 。如果突破半导体照明的核心技术能够被解决，发光效率得以提高，生产成本得以降低，半导体白光照明的市场应用前景将更为广阔。 目前，LED在很多领域中发挥着重要的作用，例如手机中的白色LED闪光灯，静止数码相机中的闪光灯难以被置入移动电话，采用白光LED作为移动电话中的闪光灯，既节约成本又节省空间。而多姿多彩的LED灯，在建筑物方面的照明应用也是一个亮点，不仅满足几乎所有的照明要求，还能给建筑物装点出不同的美感。现在全世界有近2006 GaN基LED芯片的制作 家公司和300多所大学和研究机构从事氮化镓LED的材料生产、器件制作工艺及相关设备制造的研究和开发工作。居于领先水平的公司主要有日本的日亚、美国的Cree、Lumileds，欧洲的欧司朗、飞利浦等。 近年来，日本日亚化工、丰田合成、SONY、住友电工等公司都已有LED照明产品问世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE等也投入大量的人力资源对LED照明产品进行研究开发和生产。美国GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，专门开发白光LED。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED照明系统。目前的LED产量仅次于日本，列在美国之前，从1998年开始投入6亿台币进行相关开发工作。 根据Strategies Unlimited公司发表的市场调查资料显示，全球高亮度LED市场规模从2001年的1200百万美元增长到2005年的20百万美元，年复合增长率达17%。据预测，2008年世界LED市场将增长到68亿美元。白光LED于2001年作为背光源应用市场共计3.6亿美元，占整个市场的30%，为应用市场中最大的部分，主要应用于手机、PDA及数码相机、汽车内外部照明用灯等，其中又以手机应用为最，占整个市场的58%，汽车和显示牌各占13%，照明占5%，交通信号灯占2%。面对这一巨大的市场需求，美国、日本、欧盟、韩国、我国等国家和地区先后推出了各项半导体照明计划。如美国“国家半导体照明计划”、日本的“21世纪光计划”、欧盟的“彩虹计划”等。据美国能源部预测，到2010年，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯取代，每年可节约350亿美元的电费。我国在2003年6月也启动了国家半导体照明工程，半导体照明产业化技术开发作为国家“十五”科技攻关重大项目正式立项。加强了对关键技术攻关，应用技术开发和推进产业化方面的支持。 在技术研发水平上，国内的蓝光芯片指标已达到国外中档产品水平，个别研发机构的技术水平已达世界先进水平。LED封装技术与国外差距较小，在国际市场上已占有相当大的份额，并有可能取得关键技术突破，形成自主知识产权。另外，位于产业链下游的芯片封装与照明应用产业，既是高新技术产业，又是劳动密集型产业，我国具有廉价劳动力优势，因此有能力承接国际半导体照明产业的转移。据此，不少业内人士认为，中国有可能成为世界上最大的LED生产基地之一。 1.2 GaN LED的制作工艺的技术难点和解决方案 1.2.1 GaN LED制作工艺的技术难点 7 GaN基LED芯片的制作 (1) GaN基器件的发展与其材料生长工艺的发展密不可分。因为找不到与GaN材料晶格常数严格匹配的衬底材料，生长出高质量的GaN材料一直是个困扰人们的一个难题。 (2)困扰人们的另一个难题是p型GaN的掺杂。这是因为本征GaN是n型的，用作p掺杂的Mg会形成深受主能级，并且Mg的离化能很高(170meV )。在Mg掺杂浓度为1019cm-3时，其离化率只有1%。导致空穴浓度很难超过1018 cm-3。在用MOCVD生长GaN时，即使掺入了高达1019～1020cm-3的Mg, GaN仍然是半绝缘的，电阻率高达108Ω·cm，这一现象被称作Mg的钝化((Passivation)。必须在生长后进行再处理才能将Mg激活(Activation)，得到p型GaN。 (3) p-GaN的高接触电阻也是实现长寿命连续工作的GaN基器件的主要技术障碍之一。 (4) 光提取效率问题。LED虽然具有较高的电光转换效率，但是传统的正装LED的光提取效率较低，原因有以下几点：P-GaN半透明金属接触电极对光的透射率为70%左右[24]；P电极上键合焊点和引线对光的遮挡；GaN材料相对折射率较高，光线在蓝宝石与半透明金属电极之间被多次反射和吸收。 (5) 散热问题。由于大功率LED一般工作在350mA电流下，因此散热对器件的性能至关重要，散热不良容易使芯片结温迅速上升，环氧树脂碳化变黄，造成LED的加速光衰，寿命降低，乃至失效。对于GaN基的LED，其有源区远离散热体，蓝宝石衬底更是热的不良导体，散热问题更为严重。 1.2.2 解决方案 (1)获得高质量的GaN材料 在外延生长过程中，GaN外延质量直接影响LED的性能。通过改进材料结构，优化生长参数，以获得高质量的外延片。目前用于LED的GaN材料的衬底主要有蓝宝石衬底、GaN/AlN、SiC衬底三种，另外Si衬底GaN材料也在研制过程中。对于GaN材料外延来说，衬底和外延层的晶格失配率高是个难题。1986年Amano等人提出利用低温生长的AlN或GaN过渡层或成核层，得到表面平坦，低剩余载流子浓度，高电子迁移率和高荧光效率的高质量GaN外延层。1991年首次获得GaN外延层室温光泵浦下的受激发射。这一技术现已成为生长高质量GaN外延层必不可少的标准工艺。但是尽管采用了缓冲层生长等技术来缓解它们之间的晶格失配，但外延层中仍存在大量的缺陷和位错。1997年，中村等人利用选择区域外延技术，采用ELOG衬底，实现了准同质外延。通过使用调制8 GaN基LED芯片的制作 掺杂应力层超晶格结构多量子阱技术，提高了GaN材料的质量。 (2) Mg杂质的激活方法[25] 为了激活Mg杂质，人们采用了许多方法。首先取得突破的是H.Amano，他利用低能电子束辐射(LEEBI)处理掺Mg-GaN，得到了P型GaN，并在此基础上制成了GaN PN结LED。J. A. Van Vechten[26] 提出LEEBI的激活机制是这样的: LEEBI导致在GaN中产生大量电子空穴对，这些电子、空穴及其激子倾向于H-Mg施主受主对处聚集。电子中和了间隙离子H+，产生中性H原子。其中一部分中性H原子扩散到GaN薄膜表面，与其它中性H原子结合成H2分子，逃逸出去，从而留下了大量激活了的受主。后来，中村修二等人又发现了另一种激活掺Mg-GaN的方法——快速热退火(RTA)。他们将掺Mg-GaN置于N2气氛中，在700～800℃下退火，得到了P型GaN。用这种方法得到的P型GaN的典型数据为:电阻率1～2Ω·cm，掺入Mg的浓度6×1019cm-3，空穴浓度3×1017～5×1017cm-3，空穴迁移率5～10cm2/V·s。J. Neugebauer提出RTA激活机制是这样的: 首先，Mg-H复合体热分解，他估计Mg-H解体势垒约为115eV，在300℃下即可分解；然后，H必须被移走(到表面或衬底)或中和掉，否则，在降温时又会形成Mg-H复合体。H+的扩散势垒仅0.7eV，很容易被移走。 (3) 新型芯片结构设计 在芯片设计方面，通过优化器件结构设计、微盘结构、光子晶体等来改善内部电流扩展，降低光在GaN材料内部的反射与吸收，提高光的提取效率。目前，国际国内为提高取光效率采用的关键技术有如下几种：一为晶片键合的透明衬底（TS）倒梯形结构如图1.1[26]所示；二为芯片窗口表面腐蚀或表面粗化的纹理结构，如图1.2[26]所示；三为倒装芯片结构；四为布拉格反射层。 +图1.1 倒梯形结构芯片取光示意图 9 GaN基LED芯片的制作 图1.2 纹理表面取光示意图 (4) 倒装结构（Flip-Chip）[27] 射出光 银反射层 GaN 引线键合 蓝宝石焊接突点 抗ESD电路硅衬底 图1.3 倒装结构LED示意图 传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构采用正装结构，电极刚好位于芯片的出光面。光从最上面的p-GaN层取出，p-GaN层有限的电导率要求在p-GaN层表面再沉积一层电流扩展金属层（Ni/Au），这个金属层会吸收部分光，从而降低芯片的出光效率。为了减少发射光的吸收，电流扩展层的厚度应减少到几百纳米。而厚度的减少反过来却又了电流扩展层在p-GaN层表面扩展电流的可靠性和均匀性，制约了LED芯片的工作功率。同样，这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热途径较长，且蓝宝石的热导系数较金属低，芯片的热阻会较大。此外，这种结构的p电极和引线也会挡住部分光线进入器件封装，所以，这种正装LED芯片的器件功率、出光效率和热性能均不可能是最优的。为了克服正装芯片的这些不足，Lumileds Lighting 公司发明了倒装芯片结构，如图1.3所示，这种结构，光从蓝宝石衬底取出，不必从电流扩散层取出。不透光的电流扩展层可以加厚，增加Flipchip的电流密度。同时还可以将pn结的热量直接通过金属凸点倒给热导系数高的硅衬底，散热效果更优；而且在pn结与p电极之间增加了一个反光层，又消除了电极和引线的挡光，因此这种结构具有电、光、热等方面最优的特性。 (5) P电极的金属体系分析[28] 10 GaN基LED芯片的制作 在倒装结构LED中，对p电极的要求由正装结构中的高透射率转换为高反射率，可以通过两种途径来实现：高透射率的透明电极+高反射率金属（一般取Ag）；或者选用高[28]反射率的金属同时作为欧姆接触层和发射镜，表1.1列出了具有代表性的几种p电极金属体系，并对其接触电阻、透射率/发射率、热稳定性等特性进行了比较。 表1.1 LED p电极金属体系及特征比较 金属体系 接触电阻 /Ω·cm-2 透明电极 Ni/Au Ni/Pt Pd/Ni Ni/Au/ITO Ru/Ni or Ir/Ni Ni/AZO Ni-Mg ss/Au Ni-La ss/Au 高反电极 Ag Ni/Au/Ag or Al ITO/Ag RuO2/SiO2/Ag Pd/Ag 4.0×10-6 10-2 5.7×10-5 2.0×10-4 4×10-5 8.46×10-6 6.1×10-6 7.2×10-5 较高 Vt=4V@350mA 较高 可与Ni/Au比拟 1×10-6 透射率/反射率 /% 70 45 70~80 90.3 85 ＞76 79 82.5 96 ＞70 94 98 60~70 较差 优于Ni/Au 优于Ni/Au 优于Ni/Au 优于Ni/Au 较差 较差 优于Ni/Au 优于Ni/Au 较好 热稳定性 GaN属于宽带隙材料，尤其是p型GaN很难形成良好的欧姆接触，制约p电极欧姆接触的因素有两个：一是p-GaN摻杂浓度难以达到空穴可以隧穿肖特基势垒的水平；二是缺少功函数比p-GaN功函数（7.5eV）更高的金属或金属体系。在器件制作过程中，首先需要激活p-GaN，即750℃N2氛围下快速退火使Mg-H键断裂，提高p-GaN载流子的浓度，然后通过对GaN表面处理及湿法钝化技术减小表面态的影响，进一步降低金属-半导体接触势垒。综合功函数、表面态及实验结果等多方面因素，提出Au（5.10eV），Ni（5.15eV），Pt（5.65eV），Pd（5.17eV），ITO，Ag等金属体系，如表1.1所示。 Ni/Au（5nm/5nm）经空气或O2氛围退火，在p-GaN表面得到良好的欧姆接触，接触电阻可达10-6Ω·cm2数量级，主要原因有两个：一方面金属本身电阻率低，即富Au合金相的生成；另一方面金属与半导体接触电阻降低，即NiO的形成[29]。 关于Ni/Au体系的机理还没有统一的看法，但实验证明，该体系与p-GaN接触电阻是目前所有金属体系中最低的。另一方面经O2氛围退火后的Ni/Au体系，透射率较高，对470nm的光透射率达70%左右，是正装LED常用的金属体系，自然Ni/Au +Ag体系在倒装结构的LED中得到广泛采用。 11
