蓝宝石纳米图形衬底的制备技术及相应LED外延技术

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随着半导体照明的普及，GaN基发光二极管（LED）照明芯片的市场需求量越来越大，对LED芯片的性能和成本也提出了更高的要求。蓝宝石图形衬底（PSS）的引入大幅提高了LED的出光效率，将LED 发光效率提升到150～180 流明/瓦。采用纳米图形衬底（Nano-patterned Sapphire Substrate，NPSS），有望在进一步提高LED性能的同时，降低外延生产成本，非常适宜深入研究和产业化推广。我们主要通过光学模拟方法研究了纳米图形衬底（NPSS）形状和尺寸对LED 出光效率的影响，完善了NPSS的软膜压印技术，针对NPSS上GaN薄膜的生长规律及LED器件光电性能进行了研究。内容如下： 1、研究了NPSS结构参数对GaN-LED 出光效率的影响：模拟了NPSS图形周期、占空比和倾角对LED器件光效的影响。模拟结果表明，图形占空比和倾角越大，LED光效越高，结合衬底加工和外延生长工艺，我们确定了实际NPSS图形占空比和倾角的控制范围； 2、完善了NPSS的软膜压印技术，解决了压印脱模过程中压印胶剥离问题。优化了衬底刻蚀参数，成功制备出了尖锥型和蒙古包型两种NPSS衬底，2英寸NPSS衬底上图形的尺寸方差<5%； 3、研究了NPSS上GaN薄膜的外延生长工艺。由于NPSS衬底图形之间的生长空隙较小，为获得高质量的GaN外延膜，相比于微米级PSS衬底，NPSS所需的缓冲层厚度更薄，厚度窗口更窄；研究了NPSS上3D层生长速度和生长温度对GaN合并过程的影响，为使GaN层均匀合并，3D层的生长温度和生长速度要明显变低。 4、由于NPSS衬底图形高度低于微米级PSS，GaN层的合并厚度降低，使得LED外延过程中外延片的翘曲度要明显低于传统微米PSS衬底，随着翘曲降低，LED外延片整体波长均匀性明显改善，波长标准方差由微米PSS的2.8nm降到了1.0nm。