激光剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED

1、第35卷第2期2009年3月 光學(xué)技術(shù)OP T ICA L T ECHN IQ U EV ol.35No.2M arch 2009文章編號(hào):1002 1582(200902 017203激光剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED王婷,崔占忠,徐立新(北京理工大學(xué)宇航科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京 100081摘 要:為改善GaN 基發(fā)光二極管(L ight emitting diode,L ED的電學(xué)特性和提高其輸出光功率,采用激光剝離技術(shù),在KrF 準(zhǔn)分子激光器脈沖激光能量密度為400mJ/cm 2的條件下,將GaN 基L ED 從藍(lán)寶石襯底剝離,結(jié)合金屬熔融鍵合技術(shù),在300 中將G aN 基L ED

2、轉(zhuǎn)移至高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率的硅襯底,制備出了具有垂直結(jié)構(gòu)的G aN 基L ED,并對(duì)其電學(xué)和光學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明:在110mA 注入電流下,垂直結(jié)構(gòu)器件的開啟電壓由普通結(jié)構(gòu)的3.68V 降低到了3.27V ;在560mA 注入電流下,器件輸出光功率沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象;采用高電導(dǎo)率和高熱導(dǎo)率的硅襯底能有效地改善GaN 基L ED 的電學(xué)和光學(xué)特性。關(guān)鍵詞:光電子學(xué);L ED;GaN;激光剝離;鍵合中圖分類號(hào):T N312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AVertical GaN light emitting diodes fabricated by laser lift off techniqueWANG T

3、ing,C UI Zhan zhon g,XU Li xin(School of A erospace Science and Engineer ing ,Beijing Institute of T echnology,Beijing 100081,ChinaAbstract:In order to improve the electrical characteristic and light output power o f GaN based light emitting diodes (L EDs,G aN based L EDs are separated from sapphire

4、 substrates by laser lift off (LL O technique using KrF ex cimer laser with 400mJ/cm 2ener gy density.T he free standing GaN based L EDs are transferr ed to Si substrates by Sn/Au fusion bonding at 300 ,forming the vertical G aN based L EDs on Si.T he electr ical and optical character istics of the

5、samples are investigated.T he results show that the forward voltage of GaN based LEDs on Si and on sapphire is 3.27V and 3.68V respectively at 110mA,and the output power of v ert ical GaN based L EDs keeps increasing up to 560mA free of satur at ion because of the hig h electrical and ther mal condu

6、ctivity of Si substrates.Key words:Optoelectronics;L ED;GaN;laser lift off;w afer bonding1 引 言GaN 基藍(lán)光、紫光、藍(lán)綠光發(fā)光二極管(Lig ht emitting diode,LED在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,如全色平板顯示屏、儀表指示燈、藍(lán)綠色交通燈以及各種照明設(shè)備1,2。由于GaN 屬于六方晶系結(jié)構(gòu),并且生長(zhǎng)溫度高,目前的GaN 基LED 主要是異質(zhì)外延在與之晶系結(jié)構(gòu)相容的藍(lán)寶石襯底上3,4。但藍(lán)寶石襯底的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都比較低,影響器件在電學(xué)特性和壽命,使器件制備工藝復(fù)雜57。為了解決藍(lán)寶石襯底

7、對(duì)GaN 基LED 性能的限制,在Si 襯底上制備GaN 基LED 的技術(shù)得到了發(fā)展8。雖然在Si 襯底上直接外延GaN 的技術(shù)日趨完善,但由于Si 對(duì)藍(lán)、綠光的光吸收系數(shù)較高,這項(xiàng)技術(shù)通常用來制備GaN 基微電子高速器件。對(duì)于GaN 基LED 等光電子器件來說,激光剝離技術(shù)(Laser lift off,LLO結(jié)合金屬熔融鍵合技術(shù)在實(shí)現(xiàn)將GaN 基LED 從藍(lán)寶石襯底轉(zhuǎn)移至Si 襯底的同時(shí),通過在Si 片上濺射反射鏡的方法來減小襯底對(duì)光的吸收,以提高出光效率。Wang 9報(bào)道了由激光剝離技術(shù)制備的GaN 基LED,器件在室溫下的I V 特性沒有發(fā)生明顯變化。Chen Fu Chu 10報(bào)道了

8、由激光剝離技術(shù)制備的在Cu 襯底上的GaN 基LED,工作電流在400mA 時(shí)沒有出現(xiàn)功率飽和現(xiàn)象。本文采用激光剝離技術(shù),并結(jié)合Sn/Au 金屬熔融鍵合技術(shù)制備了在Si 襯底上的垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED 。在GaN 和Si 上分別濺射Sn/Au 和T i/Al/Ti/Au,在300 和氮?dú)猸h(huán)境下完成鍵合。采用激光剝離技術(shù)將GaN 基LED 與藍(lán)寶石襯底分離,完成垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED 的制備。對(duì)垂直結(jié)構(gòu)器件進(jìn)172收稿日期:2008 12 08 E mail:tina基金項(xiàng)目:國(guó)家部委預(yù)研資助項(xiàng)目(62301060503作者簡(jiǎn)介:王婷(1979 ,女,山東省人,北京理工大學(xué)宇航科學(xué)技術(shù)學(xué)院講

9、師,博士,主要從事固體電子學(xué)的研究。 圖4 硅和藍(lán)寶石襯底GaN 基L ED 的I V 特性圖5 硅和藍(lán)寶石襯底上L ED 輸出光功率隨電流的變化特性行了電學(xué)、光學(xué)和結(jié)構(gòu)特性測(cè)試。2 實(shí) 驗(yàn)采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積法在藍(lán)寶石(001襯底上生長(zhǎng)GaN 基LED 。三甲基鉀和氨氣分別作為Ga 源和N 源。器件結(jié)構(gòu)包括:25nm 的本征GaN 緩沖層,4 m 的n GaN,5對(duì)In0.25Ga0.75N/GaN 量子阱結(jié)構(gòu)和0.2 m 厚的p GaN 。為減小在激光剝離過程中襯底對(duì)光的反射和吸收,在材料生長(zhǎng)完畢后將藍(lán)寶石背面減薄至100 m 并拋光。把濺射金屬Ni/Au 作為p 電極。圖1 垂直結(jié)構(gòu)

10、G aN 基LED 結(jié)構(gòu)示意圖在p GaN 和Si 的表面分別濺射T i/Al/T i/Au 和Sn/Au 。在300 氮?dú)猸h(huán)境下加壓完成GaN 基LED 和硅片的鍵合,采用Liau 報(bào)道的石墨/石英反應(yīng)器11,利用石墨和石英不同的熱膨脹系 數(shù)圖2 垂直結(jié)構(gòu)GaN 基L ED 結(jié)構(gòu)示意圖施加壓力,通過調(diào)整石墨墊片的厚度改變鍵合過程中施加的壓力,形成LED/T i/Al/Ti/Au/Sn/Au/Si 結(jié)構(gòu)。采用KrF 準(zhǔn)分子激光器在脈沖激光能量密度為400mJ/cm 2的條件下,完成GaN 基LED 與藍(lán)寶石襯底的剝離,剝離過程中的詳細(xì)參數(shù)在文獻(xiàn)12中已有報(bào)道。在濺射n 電極Ti/Au 后,將芯

11、片解理成面積為1mm 1mm 的LED 樣品,樣品結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。3 結(jié)果與討論垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED 的表面掃描電鏡(Scanning electron mi croscope,SEM 照片如圖2(a所示。由圖可以看出,n 型GaN 材料表面平整、光滑,沒有裂紋出現(xiàn),說明剝離過程沒有帶來材料損傷。樣品表面顏色均勻,初步判定實(shí)現(xiàn)了均勻鍵合。圖2(b給出了垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED 端面SEM 照片。由圖可以清晰地看出端面LED/T i/Al/Ti/Au/Sn/Au/Si 結(jié)構(gòu),截面處沒有出現(xiàn)明顯的空洞,形成了均勻、致密的鍵合結(jié)構(gòu)。鍵合強(qiáng)度滿足了后續(xù)激光剝離等工藝的要求。激光剝離后,n G

12、aN 的X 射線光電能譜(X ray photoelectron spectroscopy,XPS測(cè)試曲線如圖3所示。圖中可以清楚地看到Ga 元素和N 元素譜峰,除此之外還可以觀察到O 元素,這是由于激光剝離后Ga 在空氣中被氧化的緣故。圖3 激光剝離后GaN 材料表面X PS 測(cè)試譜對(duì)垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED 的電學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試。激光剝離前后器件的I V 特性由圖4給出。在20mA 注入電流下,藍(lán)寶石襯底和硅襯底的LED 的正向電壓約為3.2V 。這是由于激光剝離后器件表面殘留本征GaN 緩沖層的緣故。為進(jìn)一步改善I V 特性,可以通過感應(yīng)耦合等離子刻蝕(Inductively coupl

13、ed plasma etching,ICP去除殘留的GaN 緩沖層。在110mA 時(shí),硅襯底和藍(lán)寶石襯底上的GaN基LED 的正向電壓分別為3.27V 和3.68V 。器件電流特性改善的原因是:Si 的電導(dǎo)率比藍(lán)寶石的電導(dǎo)率高109倍;器件可以直接采用垂直結(jié)構(gòu);與藍(lán)寶石襯底上的水平結(jié)構(gòu)器件相比,有效地避免了電流擁擠效應(yīng)。圖5給出了硅襯底和藍(lán)寶石襯底上的LED 輸173第2期王婷,等: 激光剝離技術(shù)實(shí)現(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)GaN 基LED出光功率隨電流的變化關(guān)系。在室溫下采用Si探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。在60mA和300mA注入電流下,硅襯底器件的輸出光功率比藍(lán)寶石襯底器件分別高19.8%和18.1%。藍(lán)寶石襯底器

14、件的輸出光功率在420mA電流下達(dá)到最大值。當(dāng)工作電流超過450mA時(shí),出現(xiàn)輸出功率衰減現(xiàn)象。在用激光剝離技術(shù)制備硅襯底器件和注入電流達(dá)到560mA時(shí),其輸出光功率仍然保持增大趨勢(shì),沒有出現(xiàn)功率飽和現(xiàn)象。這是由于Si具有良好的散熱特性的緣故。4 結(jié) 論采用激光剝離技術(shù),并結(jié)合Sn/Au金屬熔融鍵合技術(shù)制備了硅襯底上垂直結(jié)構(gòu)GaN基LED。在110mA注入電流下,垂直結(jié)構(gòu)器件正向電壓由普通結(jié)構(gòu)器件的3.68V降低到了3.27V。在560mA注入電流下,垂直結(jié)構(gòu)器件輸出光功率持續(xù)增大,沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。從器件的電學(xué)和光學(xué)特性測(cè)試表明,采用激光剝離技術(shù)制備的在垂直結(jié)構(gòu)硅襯底上的GaN基LED能有效地

15、消除藍(lán)寶石襯底對(duì)器件特性帶來的不利影響。參考文獻(xiàn):1M asayoshi Koik e,Naoki S hi bata,Hisaki Kato,et al.Developmentof high efficiency GaN based multiquantum w ell light emitting diodes and their applicationsJ.IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics,2002,8(2:271!277.2Akira S akai,Haruo S unakaw a,Akira Usui.Def

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