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薄化氮化物LED衬底可提升绿光LED光效

2019-08-15 17:38:18来源:励志吧0次阅读

  韩国与埃及研究人员采用晶圆薄化(thinning)技术以提升氮化物半导体绿光的效率。参与组织包括韩国全南国立大学、埃及贝尼苏韦夫大学以及韩国光子技术研究院。

  薄化的功效是为了减少氮化物半导体架构中的残余压应力(residual compressive stress ),这种应力在LED架构中对降低的压电电场有撞击效应。氮化镓和蓝宝石之间不同的热膨胀系数制成的应力器件,在外延生长工艺冷却后会造成压应力的产生。

  这种电场效应将降低电子和空穴复合以产生光子的可能性。这种问题在高铟成分(超过20%)的氮化铟镓(InGaN)合金中更为严重,而这种合金又是绿光LED所需的。目前蓝光InGaN LED的效率为50%,而较高铟含量的绿光LED的效率通常低于10%。

  这种LED架构(如图1)采用MOCVD在2英寸的C面蓝宝石衬底上生长的。该衬底厚度为4 0 m,并采用传统工艺整合到240 m x 600 m的中。

  图1: LED外延架构

  这种衬底薄化技术通过采用研磨和软质抛光实现的。这些工艺被用于最小化薄化过程中的损坏。在薄化后,芯片切割成单个,n型GaN接触层的晶圆翘曲与残余应力测量显示,当晶圆薄化至200 m和80 m之间时,翘曲增加,应力减少。

  20mA注入电流的电致发光光谱显示,随着衬底变薄其电流密度在增加。同时, 200 m和80 m厚度衬底的峰值位置分别从520.1nm (2. 8eV)漂移至515.7nm (2.40eV)。研究人员解释道: 这些发现清晰地表明了晶圆翘曲所带来的机械应力会改变InGaN/GaN MQW有源区的压电电场,并可修正能带值。但,蓝光峰值波长和能量的漂移要归因于带隙的提升,带隙的提升是因为 InGaN/GaN MQW的压电电场减少。

  衬底薄化也提升了内量子效率(IQE)和光输出功率,但不会降低电流与电压行为。20mA时,衬底厚度从200 m到80 m,光输出功率从7.8mW 增至11.5mW。这再一次证明可以降低压电电场提升性能。20mA情况下,不同衬底厚度 (200 m, 170 m, 140 m, 110 m, 80 m)的前向电压几乎恒定在 .4V。

  通用的衬底厚度情况下,其峰值外量子效率(EQE)从16. %增加到24%。研究人员将他们的绿光LED的EQE性能与目前最好的半极自支撑GaN衬底数据相比较:20.4%在()方向,18.9%在()方向。采用半极衬底是 另一种降低GaN LED压电电场的方式。但是这种衬底非常昂贵。

  研究人员采用了韩国EtaMax (DOSA-IQE)公司的室温IQE测量系统,在至少10mA注入电流时,80 m衬底厚度的最大IQE为92% ,20mA时,随着衬底厚度从200 m降至80 m,IQE从58.2% 提升至68.9%。

  通过对比EQE和IQE,研究人员确定较薄衬底的光萃取效率更高。光萃取率的提升归因于蓝宝石衬底吸收的光子减少了,同时光从器件的蓝宝石边际逃逸能力提升了。

  最后,采用相同衬底薄化技术的光电转换效率(WPE)从11.5%提升到17.1%。

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