GaN基大功率LED芯片设计概况.docx
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GaN基大功率LED芯片设计概况
华中科技大学
硕士学位论文
GaN基大功率LED芯片设计
姓名:
魏巍
申请学位级别:
硕士
专业:
光电信息工程
指导教师:
刘胜
20090518
华中科技大学硕士学位论文
摘要
由于LED具有电光转换效率高、寿命长和节能环保等优点,以GaN基LED为主的半导体照明近年来发展非常迅猛,各种应用层出不穷,当前在全球能源紧张和“节能减排”的大环境下,国家非常重视。
但这也给LED芯片提出了更高的标准和要求,GaN基LED虽经过了近20年的研究和发展,但仍存在一些问题,主要是电光转换效率还需要进一步提高,芯片成本需不断降低等问题,如何系统地设计一个性能良好的大功率LED芯片是一个很有价值的研究课题。
本文全面地研究了GaN基大功率LED的芯片设计,主要分为两个部分,一是芯片结构的设计以提高取光效率,二是芯片电极的设计以获得良好的电流注入和电流密度分布,并最后在实验中得到了一些证实。
本论文所做的工作主要有:
(1基于光线追迹的方法,全面地分析了正装芯片、倒装芯片和垂直芯片三种典型LED芯片的取光效率及其潜力,并系统地分析了四种提高LED芯片取光效率的有效途径。
设计了两种有特定沟槽的LED芯片结构,并在模拟分析中证实了其可以有效地提高LED芯片的取光效率,提升比例最高可达到100%以上。
(2利用软件SimuLED,较全面地分析了LED芯片电流扩展的基本情况,特别是电极图案与芯片电流密度分布的关系,以及不同的电流密度分布对芯片电光性能的影响,得出了一些大功率LED芯片电极设计的基本原则。
基于上述的基本原则,为本文设计的有特定沟槽的LED芯片制定了相应的电极方案。
(3通过一整套芯片制作工艺,先后研制了两套芯片,并测试了芯片的结构特征和电光性能,并与模拟结果对比分析了其中的问题,讨论了下一步需要继续改进的地方。
关键词:
GaN基LED取光效率电极电流密度电流扩展
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Light-emittingdiode(LEDisakindofsemiconductordevicewhichhasthemeritsofhighluminousefficiency,longlifeexpectancy,non-pollution,energysaving,etc.GaN-basedLEDshavebeendevelopedquicklyinthepastfewyearswiththeriseofsolidstatelighting.VariouskindsofLEDapplicationsarespringingupandattractrecognitionofthegovernmentinthebackgroundofglobalenergysavingandenergycrisis.AlthoughGaN-basedLEDshavebeenresearchedanddevelopedfortwentyyears,buttheystillhavemanyproblemstobesolved,suchasluminousefficiencyandcost.Besides,itisstillworthyofresearchthathowtodesignareliablehighpowerLEDchip.
Inthisthesis,twoissuesaboutthedesignofhighpowerGaN-basedLEDchipsareconcerned.Oneisthedesignofchipstructuretoenhancelight-extractionefficiency,andtheotheristhedesignofelectrodestoachieveeffectivecurrentinjectionanduniformcurrentdensitydistribution.Intheend,thedesignedLEDchipsarefabricated,testedandanalyzed.
Themajorworkofthisthesisissummarizedasfollows:
(1Basedonthemethodofray-tracing,thelight-extractionefficiencyofconventionalLEDchip,flipLEDchipandverticalLEDchiparesimulatedsystemically.Accordingtosuchthreebasicchips,fourmethodswhichcanenhancelight-extractionefficiencyofLEDchipsareanalyzed.TwoLEDchipswithspecificgroovesaredesigned,whichcanenhancethelight-extractionefficiencyashighas100%.
(2ThecurrentspreadinginLEDchipsissimulatedwithSimuLED.Theimpactofdifferentelectrodesoncurrentdensitydistributionandtheimpactofdifferentcurrentdensitydistributiononchipperformanceareanalyzed.Somebasicprinciplesofelectrodedesignofconventionalchipareconcluded.TheelectrodesforourLEDchipswithspecificgroovesaredesigned.
(3Afullsetofchipfabricationprocessesareexplored.TwoversionsofLEDchipsare
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fabricated.Allkindsofelectrical,optical,andstructuralpropertiesoftheLEDchipsaretested,andthetestresultsarecomparedwiththesimulationresults.WhatshouldbedonetoimprovetheperformanceofLEDchipsinthefutureareanalyzedandconcluded.
Keywords:
GaN-basedlight-emittingdiodeLight-extractionefficiency
ElectrodeCurrentdensityCurrentspreading
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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保密□,在年解密后适用本授权书。
本论文属于
不保密□。
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指导教师签名:
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1绪论
1.1选题背景
LED(Light-EmittingDiode是一种基于PN结电致发光原理制成的半导体发光器件,其发光基理是自发辐射,因其具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能等优点,被誉为21世纪绿色照明光源。
自从1962年Holonyak和Bevacqua报道了第一个GaAsP材料的LED[1],LED的应用遍布了各个领域,红、橙、黄等各种颜色的LED先后被研制出来,并且LED的各种性能也均在逐步提高,但由于宽禁带材料的外延生长技术一直没能突破,蓝绿光LED直到上世纪90年代初Nakamura解决了GaN外延生长的难题后[2],蓝绿光LED才得以发展和应用,再加上荧光技术等的快速进步,半导体照明逐步成为现实并被提上了日程,基于GaN基蓝光LED激发荧光粉产生白光的半导体照明技术被认为是最有前景的,也是当前被研究最多的。
当前,随着环境恶化、气候变暖和能源紧张等问题的日益突出,使人们不得不发展新的技术,半导体照明正是其一。
仅从发光效率来看,白光LED与其它光源相比存在着较大优势和发展潜力,表1.1中即对比了当前几种主要光源的电光转换效率[3]。
表1.1各种光源的电光转换效率对比
光源流明效率
白炽灯15lm/W
荧光灯管80lm/W
紧凑型荧光灯60lm/W
高压纳灯130lm/W
白光LED(当前商业水平100lm/W
白光LED(目标200lm/W
由此可知,相比其它光源,白光LED具有更高的电光转换效率,非常有希望成为下一代的照明光源,发展白光LED也已经成了大家的共识。
美国、日本和欧盟等相继
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推出了国家半导体照明计划,日本的“二十一世纪照明研究发展计划”,美国的“国家半导体照明研究计划”,欧共体的“彩虹计划”,韩国的“GaN半导体研究计划”,中国台湾的“次世纪照明光源开发计划”,我国也于2003年紧急启动了国家半导体照明工程,以推动我国半导体照明技术的发展[4,5]。
各国投入巨大资金,无非希望在这一具有广阔应用前景的新兴领域抢占制高点,在将来的经济对抗中掌握主动权。
LED的应用非常广泛,在显示屏、道路交通信号灯、手机、景观照明、便携式照明等领域的应用已趋成熟,但这些方面主要是一些小功率LED的应用。
而大功率白光LED的应用,在下面3个方面的应用发展非常迅速:
(1汽车灯
LED在汽车信号灯和车内照明上的应用技术已非常成熟,下一个主要增长点即是汽车前照灯。
2007年,奥迪A8首先使用LED作为汽车前照灯,奥迪R8也使用LED作为高低束光前照灯。
2008年夏,通用Cadillac也采用了LED作为高低束前照灯。
如今全球每年6000万辆的汽车总产量是LED应用的一个巨大市场[6]。
(2LED液晶显示背光源
2005年,3.5英寸液晶显示屏已全面使用LED背光;2006年,使用LED背光的7英寸液晶显示屏达到了30%;2007年,11英寸屏也开始用LED背光。
现今,12英寸-15.4英寸的笔记本电脑LED背光也有较大增长。
去年,苹果公司已宣布该公司生产的笔记本电脑全部使用LED背光源[7]。
因为具有超薄和节电的优点,LED背光在监视器和电视机中也得到应用。
2006年8月,三星在欧洲推出3000美元的40英寸LED背光液晶电视数百台。
Osram和三星均已制成82英寸的LED背光研发样机,Osram后来还研制成了102英寸的样机。
在国内,海信、京东方和上广电等均推出了各种型号的大尺寸LED背光LCD电视机,并且随着平板电视机价格的不断下降,平板电视机将逐步取代CRT电视机,所以,单就这一项,LED的市场就非常大[8]。
(3LED路灯
目前LED路灯的推广和应用可谓进行得如火如荼,许多城市都有半导体路灯示范工程。
2008年12月科技部在北京召开全国地方科技工作会议,科技部高新司提出了开
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展“十城万盏”LED应用试点示范城市的思路,初步设想是:
通过以LED在市政照明的应用示范工程为载体,选择10个城市,每个城市推广应用LED功能照明(路灯、隧道灯、地铁/轻轨、加油站、地下停车场等功能照明灯1万盏以上。
根据LED产品的技术效能、应用的节能效果以及所获得的经济、社会效益,采取后补助的方式,按LED照明与传统照明相比投资增量的30-50%进行后补贴。
在2009年4月国家科技部正式公布了“十城万盏”半导体照明应用试点的21个城市。
这一重大政策直接反映了国家对半导体照明的高度重视和期待,我们相信,LED路灯一定会大放光彩。
此外,随着白光LED性能的进一步提升,以及价格的不断下降,白光LED进入普通商业照明和家庭照明也将指日可待,到那时,白光LED将彻底改变我们的生活和工作。
我国作为一个人口大国,经济正处于高速发展的阶段,能源消耗非常大,推行节能环保的半导体照明事在必行,但当前半导体照明中的许多关键技术均掌握在国外大公司手中,特别是LED的材料、外延和芯片制造等方面的技术,国内缺乏核心技术。
在2008年,美国还就LED专利对我国的几家LED公司进行了侵权起诉,即著名的美国ITC“337调查”[9],让我们更紧迫地意识到形势的严峻。
于是,国内科学界和产业界纷纷立项,希望能逐步赶上国外的研究及产业水平,并掌握半导体照明中的关键技术。
从国家863计划和自然科学基金,到省市的科技攻关项目,无不在为之而努力。
国家近几年已确立了许多关于半导体照明的重大专项,国内的LED公司也在努力提高产品性能,各方面已经取得了一些成果,如武汉迪源光电研发的普通正装芯片在350mA电流注入下,光功率达到了240mW,而采用图形衬底技术后,光功率更是达到了295mW[10];南昌晶能光电江风益老师的团队,经过十多年的努力,成功在硅基上生长出高质量的GaN外延层,并通过衬底转移和表面粗化的技术,使芯片发光亮度提高了50%以上[11],并据公司内部消息,其2009年生产出来的GaN外延片的内量子效率已经超过了50%,1mm*1mm的大功率芯片光输出功率已经超过了300mW;中科院半导体所也自主研发了整套激光剥离蓝宝石衬底的垂直芯片的工艺,降低了芯片的工作电压,并提升了芯片的光效[12]。
但同时我们也注意到,国内的研究和产业水平离国际先进水平仍有较大差距,Lumileds的芯片在小电流注入下,实验室最好水平在2007年就
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已经达到了116lm/W[13],到2008年8月更是提高到了132lm/W;OSRAM的商业化的Dragon系列芯片,1mm*1mm的单芯片封装后的出光达到102lm,总体效率为87lm/W[14];美国CREE的商业化芯片是基于SiC衬底的,有着一些天然的优势,所以,CREE的垂直芯片很早就推出了高性能的蓝光芯片以及封装后的白光LED模块,其最有名的EZ1000系列芯片大量被应用在许多高性能的LED产品中,并据CREE宣称,公司将在2009年第三季度推出业界最高亮度的LED—XLampXP-GLED,冷白光的XLampXP-GLED在驱动电流为350mA时,光通量可达139lm,发光效率可达132lm/W;SemiLEDs芯片的性能最近几年也在快速提升,从2006年1月的60lm/W,到2006年12月的76lm/W,再到2007年3月的96lm/W,2007年8月则达到了115lmW[15];日本Nichia在2008年7月宣布在脉冲电流注入下,白光LED的光效达到了168lm/W[16],另据报道,今年4月份Nichia又宣布其GaN基LED芯片最新实验室水平,在小电流下达到了249lm/W,但注入350mA大电流后光效降到了145lm/W。
总的来说,国外的研究水平和产业水平确实比国内要先进许多,但我们国内GaN基LED的发展也在不断跟进,一方面要攻破一些技术难题,另一方面要创新性地发展新的技术。
国内学术界和工业界任重而道远,在这样的大背景下,本论文专门就GaN基大功率LED芯片设计展开研究,希望能做出一些创新性的研究,解决一些实际技术问题,为推动国内GaN基大功率LED芯片的发展做出一些贡献。
1.2国内外研究现状
关于GaN基LED芯片的研究,主要有两方面的内容,一是芯片结构的设计以提高取光效率,二是电极设计以提高电流注入效率并获得均匀的电流分布。
下面就分别以这两方面的内容来全面介绍GaN基LED芯片国内外的研究现状,其中每部分又涉及到模拟仿真和实验制作两个方面。
芯片结构设计这部分,关于LED芯片取光效率的模拟研究已经有很多了,主要有光线追迹的方法和全电磁场模拟的方法。
其中VasilyZabelin等在其一篇论文中就用光线追迹的方法较全面地分析了AlGaInN材料系列的LED的取光效率,并提出对于大功率LED芯片,可以在蓝宝石衬底背面或外延层与P接触层之间的界面上引入散射面来提升
华中科技大学硕士学位论文等芯片的取光效率[17]。
Tsung-XianLee等则专门就表面微结构和图形衬底的GaN基LED芯片的取光效率用光线追迹的方法进行了模拟分析,在其研究中显示角度为20°-70°的微金字塔结构对LED芯片取光效率的提升作用最为有效,角度为30°时,相比没有结构的芯片,取光效率提升了150%[18]。
RuishengZheng则在其研究中用基于FDTD的全电磁场方法研究了GaN基LED芯片的取光效率和提升途径,并指出微金字塔结构,V形沟槽和衬底剥离的垂直结构是三种非常有效的提升芯片取光效率的途径[18]。
不过,FDTD的方法来计算芯片的取光效率可能存在一些理论上的问题和准确性问题,特别是对于三维结构的芯片,计算量也是一个问题。
芯片结构设计上,具体在实验和产品中能有效地提升取光效率的方法主要有如下几种:
图形衬底,表面粗化,表面微结构,底面微反射镜,光子晶体,异形芯片,底面全方向反射面等等。
图形衬底的技术一方面可以改善外延质量,减少缺陷,另一方面,也可以提高取光效率,Y.J.Lee在其研究中便利用图形衬底技术使得芯片的外量子效率提升了15%[20]。
D.S.Wuu则将图形衬底的技术应用于近紫外LED中,发现图形衬底的LED的发光强度相比普通LED提升了63%[21]。
Chien-ChunWang等所设计的图形衬底结构也使得芯片的发光强度提高了30%[22]。
可能是由于工艺和设计上的问题,对芯片取光效率的提升作用似乎还没有达到非常理想的效果。
表面粗化的技术主要是在正装芯片的ITO上粗化以及垂直芯片N-GaN层上表面粗化,YaoYu等在ITO层上粗化,实现了相对于没有粗化的普通芯片,芯片整体光效提升了70%的效果[22]。
在垂直芯片上,因最上层是N-GaN,厚度一般达到3um左右,有足够的空间做表面粗化,研究较多,现在一些大公司的垂直芯片已普遍应用这项技术。
Ya-JuLee在其研究中便提出在垂直芯片中,P-GaN层下表面做粗糙化的漫反射面后再与Si基键合,而上表面做成粗糙化的漫透射面,最后实现了约40%的外量子效率,这相对于传统结构芯片,效率提升了136%[24]。
Ray-HuaHorng等也利用两面粗化的技术大幅提高了芯片的效率,即在P-GaN和N-GaN上均粗化,双面粗化的芯片相比仅粗化P-GaN面的芯片,光效进一步提升了77%[25]。
表面微结构的技术,由于微结构制作工艺较复杂,主要在一些研究和专利中提到,
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真正实用的较少。
LumiledsLighting在其专利中便提出可以在芯片表面制作特殊结构的光学微结构以提高芯片的取光效率[26]。
T.H.Hsueh在其研究中尝试在正装芯片的上表面制作微孔阵列以提高取光效率,实验结果显示,当微孔直径为7μm时,输出光功率提升了28%[27]。
底面微反射镜的技术用在倒装芯片中较多,J.Q.Xi等在实验中先沉积一层SiO2在外延层表面,然后将SiO2制作成三维微结构,再在这些微结构表面镀银作反射层,最后使得芯片的取光效率提升了14%[28]。
光子晶体是近年来研究得最多的一种技术,据称可将LED芯片的取光效率提升至90%以上,但在实验中至今还没有得到特别好的结果。
Dong-HoKim和他的同事们利用电子束光刻的技术在GaN表面制作二维光子晶体结构,当图形周期为500nm时,芯片的输出光功率提升了1倍以上[29]。
T.A.Truong在最新发表的文章中也提到他们利用纳米压印的技术成功将LED芯片的出射光功率提升了80%,并在模拟中证实了其实验结果[30]。
北京大学的康香宁近年来一直研究光子晶体LED,并取得了一些创造性成果,特别是提出激光剥离蓝宝石和图形化GaN一次成形的方法,已经使得LED芯片的出光效率提升了40-100%[31]。
本人的学士论文中还提到一种集成白光LED的技术,其中提到将蓝光和黄光LED有源层集成到一个外延层中,并利用一维光子晶体的能带特性合成白光[32]。
异形芯片也是近些年来提出的一种颇具创新性的技术,但其作用有限。
Chih-ChiangKao的研究小组成功将GaN的侧壁刻蚀成向内倾斜22°的角度,使得芯片的出光提升了70%[33]。
C.S.Chang则将LED芯片的GaN层的侧壁制作成不是直线而是波浪型的曲线,很容易地提升了芯片的光效10%[34]。
C.H.Chiu等在垂直芯片的底面交替沉积TiO2/SiO2层,制作全方向的反射面,再配合N-GaN层表面粗化技术,使得芯片的外量子效率提升了16%,芯片输出功率达到了330mW[35]。
JongKyuKim等则试图在GaN芯片背面通过Ni/Au,SiO2以及Ag,制作全方向的漫反射面,但仅使芯片的出光得到了微弱的提高[36]。
关于GaN基LED芯片的电流扩展以及电流注入等方面的模拟研究相对较少,本文中所用到的软件SimuLED所在的STR公司对LED芯片中电流扩展的研究可谓是最基础
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和最全面的,从能带结构,到内量子效率的计算,再到电流密度的分布,再混合进热传导方程,引入了温度的变化,全面地计算了LED芯片的各种电光热情况[37]。
HyunsooKim等用电阻性网络再配合二极管的恒压降模型研究了GaN基LED的横向电流扩展问题,提出在N焊盘和P焊盘附近存在电流拥挤的现象,以及电流横向扩展距离类似一个指数函数[38]。
潘华璞将LED模型进行简化后,在静电场的基本方程基础上,也建立了LED的电流扩展模型,提出了定量评价其特性的参数和标准,并指出采用插指型电极结构与采用传统型电极结构和扩展正极型电极结构的LED相比,电流扩展更均匀,串联电阻更小[39]。
1.3课题来源及研究内容
本论文的课题来源国家自然科学基金重点项目“大功率LED制造中的科学问题”(项目编号:
50835005。
本论文主要针对GaN基大功率LED的芯片设计展开研究,目的就是掌握一整套高效率的GaN基大功率LED芯片设计方法以制造工艺。
第一章的绪论中介绍了GaN基大功率
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