4-inch蓝宝石图形衬底上GaN基白光LED制备及表征

朱友华，刘 轩，王美玉，李 毅

(南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226019)

1 引 言

GaN基半导体材料作为第三代宽禁带半导体材料，可以通过改变Ⅲ族原子(In,Al,Ga)之间的比例使禁带宽度从0.7～6.2 eV连续可调，覆盖了紫外-可见-红外区域，外加具有直接带隙半导体材料特征，并且有高度的物理和化学稳定性、高电子饱和速度、较好的介电常数以及良好的导热性能，因此GaN基半导体材料在光学器件方面的应用更加广泛，是优异的光电代表材料之一[1-5]。同时，被誉为“第四代照明光源”的全固态白光发光二极管(Light emitting diode，LED)与传统白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯相比，有着巨大的优势。其发光效率高，使用寿命长，响应时间短，工作电压低，应用范围广，是一种典型的绿色环保光源[6-9]。目前，白光LED以光色划分主要通过以下3种方式实现。其一是将发出3种颜色即Red-Green-Blue(RGB)光的芯片封装在一起混合成白光[10]；其二，通过紫外光激发RGB荧光粉混合成白光[11]；其三，即目前最常用的白光LED制作方式，则是采用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉合成白光[12]。由于该荧光粉被激发的黄光与LED芯片所发出的蓝光光谱非常匹配，相对于前两种方法，其光子能量转化效率较高，抗辐射能力强，发光效率高，光电性能稳定且成本最低，具有良好的物理化学性质[13]。

本文主要是通过蓝光LED激发Ce掺杂YAG黄色荧光粉的封装方式产生白光，并制备对应芯片，简要介绍了其外延和工艺以及封装流程。同时，在对外延片进行结构与材料特性分析基础上，对白光芯片进行电学与光学特性表征，并对各实验结果加以分析讨论，最后得出具有关联性的结论。

2 实 验

在德国AIXTRON公司生产的 MOCVD机台上生长 GaN基蓝光LED外延片，其主要外延结构如图1(a)所示，由下到上依次在4-inch蓝宝石图形衬底上生长缓冲层、n型氮化镓层、有源区以及p型氮化镓层。其中有源区发光层为9个周期的In0.2Ga0.8N/GaN多量子阱，每个周期对应垒及阱层厚度分别为12 nm和3 nm。将生长后的外延片进行芯片的标准工艺流片，从而形成n电极与p电极。其主要工艺步骤为：清洗、光刻、刻蚀、电子束蒸镀、钝化层生长、电极退火和后续的研磨抛光以及切割裂片等。具体实验参数可参考文献[14]，其详细的工艺流程如图1(b)所示。

图1 (a)LED外延结构图；(b)工艺流程图。

本研究中芯片加工后所切割裂片的芯片尺寸为10 mil×28 mil，进而再对芯片进行简要封装。封装后白光LED的发光原理如图2所示，即在芯片上直接均匀涂抹YAG荧光粉，其目的就是通过蓝光激发荧光粉发出黄光与蓝光芯片本身发出的蓝光混合而成白光。最后采用环氧树脂将其封装成白光LED芯片。此外，外延片生长后通过原子力显微镜(AFM)和激光测量仪(Nanometrics，激发波长为266 nm)对样品进行结构分析表征。芯片封装后在常温及直流电流下采用Cascade探针台以及iHR320单色仪等仪器进行电学(I-V)与光学(EL)特性表征。

图2 白光LED发光原理图

3 结果与讨论

采用AFM观察外延片的表面，其扫描范围分别为1 μm×1 μm、3 μm×3 μm以及5 μm×5 μm。如图3所示，可以清晰地观察到该样品表面非常平滑，在1 μm×1 μm和3 μm×3 μm两种扫描范围内均有原子层台阶状的表面形貌，无明显表面异物、缺陷及V型凹坑。其均方根粗糙度分别为0.13，0.46，0.34 nm，说明该样品在1 μm×1 μm范围内有更好的表面形貌，但不是随着扫描范围的增加，粗糙度变大。图3(c)的粗糙度相比(b)反而变小，推测可能是受到其上表面异物等影响。

图3 3种扫描范围的AFM表面形貌。(a)1 μm×1 μm；(b)3 μm×3 μm；(c)5 μm×5 μm。

通过白光反射光谱测得外延片厚度mapping图如图4(a)所示，外延片厚度分布总体比较均匀，但由于受到衬底图形及腔体内部气流的影响，从细节上来看由中间(5.05 μm)向周边(3.50 μm)逐渐减小，平均厚度5.225 μm。另外，基于激光测量仪测得外延片的PL谱如图4(b)所示。从图中可以得出其峰值波长为442 nm，所对应的光子能量为0.094 eV，半峰全宽为14.8 nm，符合结构设计预期的蓝光范畴。

此外，将工艺流片后的样品通过YAG荧光粉及环氧树脂的初步封装后置入Cascade探针台测得其I-V特性，如图5所示。从图中可以看出电流在0～50 mA范围内，电压从2.7 V增加到3.6 V，而在该范围之外电流不随电压的变化而变化，由此得出白光芯粒的开启电压为2.7 V，限流电压为3.6 V。同时，从图5可以看出白光芯粒的出光功率(L)随着电流增加而不断上升，其出光功率是利用图6(a)所示的EL谱，在不同电流下分别对400～700 nm波长范围内积分求得。由于其测试时输入电流的限流范围设定为50 mA，因此下述的电致发光谱(EL)也主要在该电流范围内加以分析。

图4 (a)外延片厚度mapping图；(b)PL谱。

图5 封装后白光LED的I-V和I-L特性

白光LED芯片在不同电流下的EL谱如图6(a)所示，其中Is为强度，λ为波长。在10～50 mA注入电流下，EL谱含有两个主要的发光峰：分别是位于440 nm处的蓝光峰及540 nm处的黄绿光峰。图6(a)中的插图是本实验初步封装后的白光LED小芯粒，EL与PL谱在蓝光峰位上体现了实验数据的高度一致性。随着电流的增加，蓝光与黄绿光的荧光强度均不断增大，荧光强度增大表明短波长的蓝光吸收效率和荧光量子效率都比较高，因此导致短波长黄绿光荧光峰更强[15]。图6(b)表示在10～50 mA电流注入下，白光芯粒EL谱的蓝光和黄绿光两种峰值波长变化图。随着注入电流的增加，蓝光峰位由10 mA的439.5 nm蓝移到40 mA的437.5 nm，接着开始红移；黄绿光峰位由10 mA的534 nm红移到30 mA的534.5 nm，接着再蓝移至40 mA的534 nm后再次红移。蓝光峰的蓝移是由其物理性质引起，如图6(b)插图所示，由于极化场的存在导致能带倾斜，当电流增加时，注入的载流子屏蔽了极化电场，使得能带倾斜得以缓和，从态重叠空间上载流子复合产生光子的能量变大。同时也有可能受能带填充的影响，导致导带与价带的能量间距增加发生蓝移[14]。而之后的红移与黄绿光峰的红移类似，在小电流注入下芯片可能受到热效应的影响，导致禁带宽度减少，波长红移；随着注入电流的增加，推测受到竞争机制的影响，量子限制斯塔克效应的作用大于芯片热效应的作用，波长蓝移；同时由于封装后芯片尺寸过小，受生长结构与封装工艺的影响，在电流继续增大后芯片热效应占主要作用，波长红移。其色坐标、色温及显色指数的变化将在后续研究中再进行探讨。

图6 封装后白光LED的EL谱以及电流与两种发光峰值波长的关系。(a)不同注入电流下的发光强度，插图为封装后白光LED小芯粒；(b)不同注入电流下蓝光与黄绿光峰值变化，插图为极化电场作用下的能带结构示意图。

4 结 论

本研究主要验证了在蓝宝石图形衬底上生长GaN基蓝光LED，并利用YAG黄色荧光粉封装成白光LED，对其结构与性能进行了相关表征。AFM表明外延片生长及表面形貌良好，无明显缺陷；PL谱测得其峰值波长为442 nm；I-V特性得出其开启与限流电压分别为2.7 V和3.6 V；EL谱显示其在10～50 mA注入电流下分别有蓝光与黄绿光发光峰，即合成所设计的预期白光。而随着注入电流的增加，蓝光峰位先蓝移后红移，黄绿光峰位先红移后蓝移再红移。总之，通过对相关实验数据分析与讨论，进一步验证了该GaN基白光LED芯片得以成功制备。