4-inch藍寶石圖形襯底上GaN基白光LED制備及表征

朱友華，劉 軒，王美玉，李 毅

(南通大學 信息科學技術學院，江蘇 南通 226019)

1 引 言

GaN基半導體材料作為第三代寬禁帶半導體材料，可以通過改變Ⅲ族原子(In,Al,Ga)之間的比例使禁帶寬度從0.7～6.2 eV連續可調，覆蓋了紫外-可見-紅外區域，外加具有直接帶隙半導體材料特征，并且有高度的物理和化學穩定性、高電子飽和速度、較好的介電常數以及良好的導熱性能，因此GaN基半導體材料在光學器件方面的應用更加廣泛，是優異的光電代表材料之一[1-5]。同時，被譽為“第四代照明光源”的全固態白光發光二極管(Light emitting diode，LED)與傳統白熾燈、熒光燈和高強度氣體放電燈相比，有著巨大的優勢。其發光效率高，使用壽命長，響應時間短，工作電壓低，應用范圍廣，是一種典型的綠色環保光源[6-9]。目前，白光LED以光色劃分主要通過以下3種方式實現。其一是將發出3種顏色即Red-Green-Blue(RGB)光的芯片封裝在一起混合成白光[10]；其二，通過紫外光激發RGB熒光粉混合成白光[11]；其三，即目前最常用的白光LED制作方式，則是采用藍光LED芯片激發黃色熒光粉合成白光[12]。由于該熒光粉被激發的黃光與LED芯片所發出的藍光光譜非常匹配，相對于前兩種方法，其光子能量轉化效率較高，抗輻射能力強，發光效率高，光電性能穩定且成本最低，具有良好的物理化學性質[13]。

本文主要是通過藍光LED激發Ce摻雜YAG黃色熒光粉的封裝方式產生白光，并制備對應芯片，簡要介紹了其外延和工藝以及封裝流程。同時，在對外延片進行結構與材料特性分析基礎上，對白光芯片進行電學與光學特性表征，并對各實驗結果加以分析討論，最后得出具有關聯性的結論。

2 實 驗

在德國AIXTRON公司生產的 MOCVD機臺上生長 GaN基藍光LED外延片，其主要外延結構如圖1(a)所示，由下到上依次在4-inch藍寶石圖形襯底上生長緩沖層、n型氮化鎵層、有源區以及p型氮化鎵層。其中有源區發光層為9個周期的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱，每個周期對應壘及阱層厚度分別為12 nm和3 nm。將生長后的外延片進行芯片的標準工藝流片，從而形成n電極與p電極。其主要工藝步驟為：清洗、光刻、刻蝕、電子束蒸鍍、鈍化層生長、電極退火和后續的研磨拋光以及切割裂片等。具體實驗參數可參考文獻[14]，其詳細的工藝流程如圖1(b)所示。

圖1 (a)LED外延結構圖；(b)工藝流程圖。

本研究中芯片加工后所切割裂片的芯片尺寸為10 mil×28 mil，進而再對芯片進行簡要封裝。封裝后白光LED的發光原理如圖2所示，即在芯片上直接均勻涂抹YAG熒光粉，其目的就是通過藍光激發熒光粉發出黃光與藍光芯片本身發出的藍光混合而成白光。最后采用環氧樹脂將其封裝成白光LED芯片。此外，外延片生長后通過原子力顯微鏡(AFM)和激光測量儀(Nanometrics，激發波長為266 nm)對樣品進行結構分析表征。芯片封裝后在常溫及直流電流下采用Cascade探針臺以及iHR320單色儀等儀器進行電學(I-V)與光學(EL)特性表征。

圖2 白光LED發光原理圖

3 結果與討論

采用AFM觀察外延片的表面，其掃描范圍分別為1 μm×1 μm、3 μm×3 μm以及5 μm×5 μm。如圖3所示，可以清晰地觀察到該樣品表面非常平滑，在1 μm×1 μm和3 μm×3 μm兩種掃描范圍內均有原子層臺階狀的表面形貌，無明顯表面異物、缺陷及V型凹坑。其均方根粗糙度分別為0.13，0.46，0.34 nm，說明該樣品在1 μm×1 μm范圍內有更好的表面形貌，但不是隨著掃描范圍的增加，粗糙度變大。圖3(c)的粗糙度相比(b)反而變小，推測可能是受到其上表面異物等影響。

圖3 3種掃描范圍的AFM表面形貌。(a)1 μm×1 μm；(b)3 μm×3 μm；(c)5 μm×5 μm。

通過白光反射光譜測得外延片厚度mapping圖如圖4(a)所示，外延片厚度分布總體比較均勻，但由于受到襯底圖形及腔體內部氣流的影響，從細節上來看由中間(5.05 μm)向周邊(3.50 μm)逐漸減小，平均厚度5.225 μm。另外，基于激光測量儀測得外延片的PL譜如圖4(b)所示。從圖中可以得出其峰值波長為442 nm，所對應的光子能量為0.094 eV，半峰全寬為14.8 nm，符合結構設計預期的藍光范疇。

此外，將工藝流片后的樣品通過YAG熒光粉及環氧樹脂的初步封裝后置入Cascade探針臺測得其I-V特性，如圖5所示。從圖中可以看出電流在0～50 mA范圍內，電壓從2.7 V增加到3.6 V，而在該范圍之外電流不隨電壓的變化而變化，由此得出白光芯粒的開啟電壓為2.7 V，限流電壓為3.6 V。同時，從圖5可以看出白光芯粒的出光功率(L)隨著電流增加而不斷上升，其出光功率是利用圖6(a)所示的EL譜，在不同電流下分別對400～700 nm波長范圍內積分求得。由于其測試時輸入電流的限流范圍設定為50 mA，因此下述的電致發光譜(EL)也主要在該電流范圍內加以分析。

圖4 (a)外延片厚度mapping圖；(b)PL譜。

圖5 封裝后白光LED的I-V和I-L特性

白光LED芯片在不同電流下的EL譜如圖6(a)所示，其中Is為強度，λ為波長。在10～50 mA注入電流下，EL譜含有兩個主要的發光峰：分別是位于440 nm處的藍光峰及540 nm處的黃綠光峰。圖6(a)中的插圖是本實驗初步封裝后的白光LED小芯粒，EL與PL譜在藍光峰位上體現了實驗數據的高度一致性。隨著電流的增加，藍光與黃綠光的熒光強度均不斷增大，熒光強度增大表明短波長的藍光吸收效率和熒光量子效率都比較高，因此導致短波長黃綠光熒光峰更強[15]。圖6(b)表示在10～50 mA電流注入下，白光芯粒EL譜的藍光和黃綠光兩種峰值波長變化圖。隨著注入電流的增加，藍光峰位由10 mA的439.5 nm藍移到40 mA的437.5 nm，接著開始紅移；黃綠光峰位由10 mA的534 nm紅移到30 mA的534.5 nm，接著再藍移至40 mA的534 nm后再次紅移。藍光峰的藍移是由其物理性質引起，如圖6(b)插圖所示，由于極化場的存在導致能帶傾斜，當電流增加時，注入的載流子屏蔽了極化電場，使得能帶傾斜得以緩和，從態重疊空間上載流子復合產生光子的能量變大。同時也有可能受能帶填充的影響，導致導帶與價帶的能量間距增加發生藍移[14]。而之后的紅移與黃綠光峰的紅移類似，在小電流注入下芯片可能受到熱效應的影響，導致禁帶寬度減少，波長紅移；隨著注入電流的增加，推測受到競爭機制的影響，量子限制斯塔克效應的作用大于芯片熱效應的作用，波長藍移；同時由于封裝后芯片尺寸過小，受生長結構與封裝工藝的影響，在電流繼續增大后芯片熱效應占主要作用，波長紅移。其色坐標、色溫及顯色指數的變化將在后續研究中再進行探討。

圖6 封裝后白光LED的EL譜以及電流與兩種發光峰值波長的關系。(a)不同注入電流下的發光強度，插圖為封裝后白光LED小芯粒；(b)不同注入電流下藍光與黃綠光峰值變化，插圖為極化電場作用下的能帶結構示意圖。

4 結 論

本研究主要驗證了在藍寶石圖形襯底上生長GaN基藍光LED，并利用YAG黃色熒光粉封裝成白光LED，對其結構與性能進行了相關表征。AFM表明外延片生長及表面形貌良好，無明顯缺陷；PL譜測得其峰值波長為442 nm；I-V特性得出其開啟與限流電壓分別為2.7 V和3.6 V；EL譜顯示其在10～50 mA注入電流下分別有藍光與黃綠光發光峰，即合成所設計的預期白光。而隨著注入電流的增加，藍光峰位先藍移后紅移，黃綠光峰位先紅移后藍移再紅移。總之，通過對相關實驗數據分析與討論，進一步驗證了該GaN基白光LED芯片得以成功制備。