GaN基LED衬底微纳结构研究(3)
虽然现在大多数公司制作LED的衬底使用的是蓝宝石，但是蓝宝石也有一些缺点。由于蓝宝石是绝缘体，故用蓝宝石制作的衬底不能导电，所以LED的蓝宝石衬底只能设计为横向结构，这样的设计对工作电流造成了巨大的限制。由于蓝宝石的导热性能差，所以这在这种小电流的工作环境下并没有暴露出明显的缺陷，但是在大功率LED器件中，使用大电流工作的话问题就会十分的突出。而且图形化技术使用中，蓝宝石衬底对图像的规则度要求更高，如果在制作中出现的图形有高有低参差不齐，那就会影响到外延片的质量，造成外延生长缺陷。并且因为蓝宝石衬底比较坚硬，无论使用干法刻蚀或者湿法腐蚀，使得蓝宝石衬底表面的微纳结构做到一致性、均匀性都有一定难度，所以制作过程中对设备和工艺的要求很高，这就是导致PSS技术制作衬底的价格偏高的一个主要因素[1]。
发光二极管LED（light-emitting diode）是一种极有竞争力的新型节能绿色照明光源，有取代传统照明光源的趋势。自20世纪90年代被提出以后，就深受人们的关注。它的质量和水平已成为人类社会可持续发展的一项重要措施以及人类社会现代化程度的一个重要标志之一。而LED光源作为一种具有巨大发展潜力的固态半导体发光光源，其具有传统光源所不具有的特点：寿命长、安全可靠、环保节能、色彩丰富等，使得LED在照明领域得到推广应用。LED光源将在绿色照明工程中扮演越来越重要的角色[2] 。
SiC是继第一代半导体材料（Ge和Si）、第二代半导体材料（GaAs、InP 等）之后发展起来的第三代半导体材料，具有大的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、低介电常数和抗辐射能力强等优良的特性，在高温、高频率、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及短波长光电子器件和光电集成等应用场合是理想的半导体材料之一[3] 。SiC 衬底的应用要求衬底表面超光滑、无缺陷、无损伤，SiC 的加工质量和精度直接影响器件的性能 [4] 。在衬底基片的加工过程中，由于 SiC 的莫氏硬度仅次于金刚石，所以晶体的切割、研抛难度极大，大直径、高质量的单晶生长技术和高精度、高效率、低成本的衬底基片加工技术是 SiC 单晶衬底材料制备技术的关键和发展方向[5] 。
国内绝大部分GaN基LED采用的衬底材料是价格价格相对低廉但是晶格失配度较高的蓝宝石,尚没有商业化的SiC衬底GaN基LED,因此对它的研究尤其显得重要。最终对SiC衬底GaN基蓝光LED的可制造性设计结果,结合量子效应、极化效应、压电场效应等进行简要分析,确定了最终的结构尺寸及工艺参数,完成整个LED的可制造性设计过程。
目前研究方向主要集中在图形形貌优化，提高刻蚀工艺的重复性、一致性以及降低生产成本。目前工业生产上广泛应用于的是微米量级图形化蓝宝石衬底，而更高级的纳米量级图形化蓝宝石衬底还处在研究阶段。微米量级的图形化衬底的制备技术已趋成熟。微米量级的图形化衬底的制备技术已趋成熟。已被广泛地应用于氮化镓基LED的制备中。纳米量级的蓝宝石图形化衬底可以像微米量级的图形化衬底一样，改变LED光的出射光路，能够有效的减少光线在LED产品内部的全反射现象。并且具备二文光子晶体所特有的光电子禁带效应，所以更加有利于最大化提高其光子禁带效应，所以对于大幅度地提高LED的光提取效率更有利。但是由于技术水平没有达到更高，所以就目前来说制备纳米量级图形化衬底的技术还只是处于摸索实验的阶段。
1.2 Si衬底的可行性
GaN基LED在信息显示和固态照明等领域具有广阔的应用前景,近年来,Si衬底GaN基LED取得了很大的进展,已有产品推出市场,然而其可靠性有待于进一步研究。本文用加速老化的方法研究了LED的可靠性。把Si衬底GaN基蓝光LED芯片在大电流下老化,研究发现尽管该芯片尺寸小到(300μm×300μm),在高达600mA电流下老化30分钟,发光强度和正向电压随老化时间变化不大,这表明本实验室制备的Si衬底GaN基LED质量较好;将Si衬底GaN基蓝光LED器件分别在20mA、30mA和50mA下老化,测试各项参数随老化时间的变化,结果LED法向光强衰减明显,但是整个光功率输出衰减较小,这一现象表明芯片本身性能稳定,但芯片发出的短波蓝光(光子能量较大)是封装环氧树脂变黄使法向光强衰减较大的原因。在切割成单个芯片之前,对大量尺寸小到(300μm×300μm)的两种不同基板LED芯片分别通高达1安培的大电流在测试台上加速老化。结果显示:铜基板Si衬底GaN基LED芯片有更大的饱和电流,光输出效率更高,工作电压随驱动电流的变化不大,光输出在老化过程中衰减很小。这些结果表明;铜基板LED芯片比硅基板LED芯片可靠性更高,在大功率半导体照明器件中前景诱人。对比电极形状和芯片面积对LED性能的影响,相同芯片面积的圆环带角电极LED芯片的光电性能比圆环电极LED芯片好,经分析,以上结果皆与电流拥挤效应有关,电流扩展好电极LED综合性能较好;相同工艺制作的芯片尺寸为(300μm×300μm)的LED的性能优于尺寸为(200μm×200μm)的LED芯片[6]。