摘要：随着氮化镓（GaN）基发光二极管的效率、亮度、寿命等参数的进一步提升和成本的持续下降，GaN基LED正在逐渐取代传统光源在通用照明、液晶显示器背光源等领域的应用。高压LED是一种集成式芯片，将一块芯片分割成数个互联的发光单元，使得LED在高压低电流的状态下工作，与同样的传统大功率LED相比，高压LED的电流扩展性能和发光效率得到了提高。
关键词：GaN基高压直流发光二极管；蓝宝石图形衬底；正梯形芯粒结构；发光效率
1前言
LED作为一种节能环保的固态半导体光源，具有很多有优点，发展LED产业受到各国政府的高度重视[[i,a]。LED在全球通用照明领域扮演着越来越重要的角色。但应用于该领域的产品主要限于大功率LED，但是大功率LED需要大电流驱动，从而造成器件热耗严重，导致器件老化严重甚至烧坏。大电流驱动对散热铝外壳的要求比较高，导致照明灯具成本居高不下，限制了LED照明的普及。广义上的高压LED是指把一个芯片的外延层分割成数个芯粒单元，并通过片上电路设计连接而构成的LED芯片。按照此电路设计定义，目前公认的高压LED可以分为两大类:高压直流LED和高压交流LED。本文只设计高压直流LED，高压直流LED芯片相对于传统直流LED芯片具有以下优势:直接用市电高压驱动，简化电源匹配，减少电压转换的能源损失，降低成本及功耗;相互隔离的单元，更均匀的电流分布，更高的发光效率。而且所集成芯粒为同一外延片的相邻区域，光电特性参数高度一致，可以很匹配的适应封装和应用端需求，减少了所需的线绑定，简化了封装，解决多晶封装的可靠性问题。此外，为了满足需求，高压直流LED可以定制芯片尺寸和或内核数量，而制造流程也与传统LED兼容。
2 GaN基高压直流LED制备
2.1GaN基高压直流LED外延片制备
在本试验中所用的LED外延片结构采用MOCVD在C面(0001)蓝宝石衬底上生长GaN半导体层。在外延生长之前，首先对衬底进行有机清洗并用HF进行表面处理。生长采用氢气((Hz)和氮气(N2)作为载气，所使用的Ga源，In源，N源分别是三甲基嫁(TMGa)，三甲基锢(TMIn)和氨气(NH3)，所使用的P型掺杂剂和n型掺杂剂分别是二茂镁((CPaMg)和硅烷((SiH4)。衬底在反应室内经过高温热处理去除表面杂质，再采用二步法生长，先生长一层30nm的低温(7800C)GaN缓冲层，然后升温(11000C)生长1}m的非故意掺杂的GaN半导体层和3}m的n型GaN体材料(Si-1.0x1019cm-3).LED结构的样品在此基础上继续生长由15个周期Ino,lSGao.asN}GaN(2.5nm/12.5nm)量子阱(MQW)构成的有源区，其上是30nm的P型Alo.lsGao.ssN电子阻挡层，最后生长300nm的P型GaN接触层(Mg-1.85x1019cm-3)，同时粗化外延层表面。TEM拍摄的外延层结构如图1所示;外延层载流子浓度随外延层厚度的变化曲线如图2所示。
2.2GaN基高压直流LED光刻版的设计优化
通常市电电压为220V,单颗传统蓝色LED的电压为3V左右，所以单颗高压直流LED最多可以串联73颗二极管芯粒，考虑到整流二极管所分配的电压，那么单颗高压直流LED实际上最多可以串联70颗二极管芯粒。可以设计高压直流LED工作电压50V-220V(1}20mA)，由此设计单颗高压直流LED芯片的芯粒数目约为16到70颗，考虑外延片缺陷面积导致的良率问题，实验设计单颗高压直流LED芯片同时工作的芯粒数目为16颗。由于芯粒上电极相距较远时会导致电流扩散不均匀，从而造成芯片发光区域亮度不均匀。设计光刻版时，将每一颗芯粒都设计成长方形状，电极设计位于长方形芯粒的长边区域。考虑到芯片的电极部分占据一定的面积，电极过大导致发光区面积减小，同时也造成了电极吸光，由此造成芯片的光效不高;电极过小导致电流扩散不均匀，造成芯片发光区域不均匀，同时导致芯片电压升高光刻版设计电路时，我们将芯粒的电极宽度尺寸宽度进行优化，权衡高压直流LED的光电特性，得到最佳设计尺寸。
2.3高压直流LED芯粒结构优化
本实验制备了三种芯粒结构的高压直流LED:垂直侧面角度芯粒;倒梯形侧面角度芯粒;正梯形侧面角度芯粒。垂直侧面角度芯粒采用硬掩膜进行ICP刻蚀工艺制备;倒梯形侧面角度芯粒采用侧面粗化工艺制备;正梯形侧面角度芯粒采用软掩膜进行ICP刻蚀工艺制备。制备所得高压直流LED都采用了全方位反射镜工艺((ODR)。测试发现倒梯形侧面角度的高压直流LED,相对垂直角度的高压直流LED，其亮度提升约为20%，芯粒的四个侧面不再是相互平行，可以使得射到芯片侧面的光，经侧面的反射到顶面，以小于临界角的角度出射;同时，射到顶面大于临界角的光可以从侧面出射，从而大大提高了芯片的出光效率，此做法类似于Krames等制作的截倒金字塔(TruncatedInvertedPyramid,TIP)形状Al-GaInPLED，大大提高了芯片的出光效率。
3图形化衬底应用于高压直流LED的效果研究
蓝宝石图形衬底技术((PSS)通过在蓝宝石衬底表面制作具有细微结构的图形，然后再在这种图形化的衬底表面进行GaN半导体材料外延。采用PSS衬底生长GaN外延层，制备正梯形侧面角度高压直流LED，相对普通衬底制备的正梯形侧面角度高压直流LED，测试发现两者的伏安特性曲线基本重合，可见两者电性基本一致。20mA驱动时，芯片光功率相对普通衬底制备的正梯形侧面角度高压直流LED的光功率提升约为26%。普通衬底外延片-制备的正梯形侧面角度，高压直流LED与PSS衬底外延片制备的正梯形侧面角度。
研究认为可以归结为三点原因综合作用的结果:图形化的界面改变了GaN材料的生长过程，能抑制缺陷向外延表面的延伸，提高器件内量子效率;粗糙化的蓝宝石界面能散射从有源区发射的光子，使得原本全反射的光子有机会出射到器件外部，能有效提高光提取效率;还有一优点是发射到隔离槽底部的光线被PSS图形直接折反射到空气中，增加光线正向出射几率。基于上述三点原因，芯片光功率得到大幅提升。
4结束语
本文设计和开发了工艺完整的工作电压为50V(I}20mA)的高压直流LED的器件，并对高压直流LED芯片结构优化。采用PSS衬底的外延片制备的正梯形芯粒结构的高压直流LED为最佳结构器件，利用检测仪器和设备测试其光电性能:高压直流LED开启电压为36V,对应驱动电流为1。5mA;在驱动电流介于15mA到50mA之间时，光功率随驱动电流增加近似于线性增加，在此区域光效随电流增加而降低的幅度比较缓慢，说明我们制作的高压直流LED适宜于采用大电流密度驱动，而不会随驱动电流密度增加出现明显的量子效率下降问题，为我们在芯片层面解决量子效率随电流增大而下降问题的提供了一种新思路。
参考文献
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论文作者:尹斌
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/27
标签：高压论文; 衬底论文; 外延论文; 芯片论文; 侧面论文; 梯形论文; 电流论文; 《当代电力文化》2019年第7期论文;