插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED外量子效率的影響

劉夢玲， 高藝霖， 胡紅坡， 劉星童， 呂家將， 鄭晨居， 丁星火， 周圣軍

(武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED外量子效率的影響

劉夢玲， 高藝霖， 胡紅坡， 劉星童， 呂家將， 鄭晨居， 丁星火， 周圣軍*

(武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院， 湖北 武漢 430072)

為了改善藍(lán)光大功率LED芯片p電極處的電流擁擠現(xiàn)象，提高大功率LED芯片的外量子效率，在ITO透明導(dǎo)電層與p-GaN間沉積插指型SiO2電流阻擋層。采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積的方法沉積SiO2薄膜，再經(jīng)過光刻和BOE濕法刻蝕技術(shù)制備插指型SiO2電流阻擋層。采用SimuLED仿真軟件分析插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED芯片電流擴(kuò)展性能的影響，研究插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED芯片外量子效率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，插指型SiO2電流阻擋層結(jié)構(gòu)可以有效改善p電極附近的電流擁擠現(xiàn)象。與沒有沉積插指型SiO2電流阻擋層的大功率LED芯片相比，光輸出功率得到顯著的提高。在350 mA的輸入電流下，沉積插指型SiO2電流阻擋層后的大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。

大功率LED； 插指型SiO2電流阻擋層； 電流擁擠； 外量子效率

1 引 言

發(fā)光二極管(Light-emitting diodes，LEDs)作為第四代光源，從20世紀(jì)60年代發(fā)展至今，由于具有節(jié)能環(huán)保、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長以及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于照明和顯示等領(lǐng)域。LED芯片的外量子效率取決于芯片的內(nèi)量子效率和芯片的出光效率。為了提高LED芯片的外量子效率，芯片結(jié)構(gòu)被不斷改善[1-5]。另外，為了獲得更高光輸出功率的LED芯片，以及提高LED芯片對電流的承受能力，芯片的面積逐漸增大，大功率LED芯片得到快速發(fā)展。

GaN半導(dǎo)體具有寬禁帶、耐高溫、高熱導(dǎo)率、性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，使其成為應(yīng)用最廣泛的高性能電子器件的主流材料。目前市場上的GaN基半導(dǎo)體主要是在藍(lán)寶石襯底上生長的，但是藍(lán)寶石襯底與GaN之間存在較大的晶格失配，使得藍(lán)寶石上生長的GaN外延材料具有較高的位錯密度。圖形化藍(lán)寶石襯底技術(shù)不僅可以減少GaN外延層的位錯密度，提高LED芯片的內(nèi)量子效率，而且可以對LED芯片有源區(qū)發(fā)射的光的傳播方向進(jìn)行調(diào)制，從而提高LED芯片的出光效率[6-10]。此外，在LED芯片的側(cè)面引入空氣間隙結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高芯片的出光效率[11]。采用微結(jié)構(gòu)技術(shù)[12]、表面粗化技術(shù)[13]、光子晶體技術(shù)[14]、圖形化ITO技術(shù)[11]以及底部反射鏡結(jié)構(gòu)[15]等均可以有效提高芯片的出光效率。但是對于大功率LED芯片而言，由于輸入電流增大，電流擁擠現(xiàn)象更加嚴(yán)重，從而影響了大功率LED芯片的外量子效率和芯片的可靠性[16-21]。通過在LED芯片的電極和p-GaN之間蒸鍍一層ITO透明導(dǎo)電層可以改善電流的擴(kuò)展性[22]，但是由于ITO透明導(dǎo)電層的方塊電阻大于n-GaN層的方塊電阻，使得電流在p電極附近的擁擠現(xiàn)象仍然十分明顯。LED芯片p電極附近的電流擁擠現(xiàn)象會導(dǎo)致芯片有源區(qū)光輻射功率分布不均勻，從而減小芯片的內(nèi)量子效率，同時造成芯片局部熱量集中，影響芯片的可靠性。在ITO透明導(dǎo)電層和p-GaN間沉積SiO2電流阻擋層可以緩解電流在p電極附近的擁擠現(xiàn)象，改善LED芯片有源區(qū)電流密度分布情況，從而提高LED芯片的外量子效率和整體性能[23-25]。

本文設(shè)計了一種插指型SiO2電流阻擋層，該阻擋層位于大功率LED的p電極的正下方，且圖形與p電極的圖形保持一致。采用實驗與仿真相結(jié)合的方法，詳細(xì)分析了該插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED芯片電流擴(kuò)展性能與外量子效率的影響。

2 實 驗

采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備在圖形化藍(lán)寶石襯底上生長GaN基LED外延結(jié)構(gòu)。三甲基鎵(TMGa)、三甲基銦(TMIn)、三甲基鋁(TMAl)和氨氣(NH3)分別為外延生長過程中的Ga源、In源、Al源和N源。硅烷(SiH4)和二茂鎂(Cp2Mg)分別為n-GaN和p-GaN的摻雜材料。

將c面圖形化藍(lán)寶石襯底放入反應(yīng)腔內(nèi)，先經(jīng)過1 034 ℃的高溫清洗去除圖形化藍(lán)寶石襯底上的雜質(zhì)，再經(jīng)過525 ℃的低溫成核過程形成30 nm的GaN緩沖層；將溫度升高至1 010 ℃生長2.2 μm的u-GaN；然后將生長溫度降到960 ℃生長120 nm的n-AlGaN；在1 010 ℃的溫度下生長2.5 μm的n-GaN，其中Si的摻雜濃度為1×1019；接著生長InGaN/GaN超晶格應(yīng)力釋放層，該InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)由12個周期的厚度分別為9 nm和2 nm的 InGaN/GaN組成， 其中InGaN和GaN的生長溫度分別為750 ℃和800 ℃；然后生長225 nm的多量子阱(multiple quantum wells, MQWs)結(jié)構(gòu)，該多量子阱由15個周期的厚度分別為12 nm和3 nm的GaN勢壘層和InGaN勢阱層組成，其中InGaN和GaN的生長溫度分別為730 ℃和820 ℃；接著生長6個周期p-AlGaN/GaN超晶格電子阻擋層，其中p-AlGaN和GaN的厚度均為1.5 nm，生長溫度均為900 ℃；然后在905 ℃的生長溫度下生長10 nm厚的p-InGaN；在945 ℃的生長溫度下生長110 nm的p-GaN，其中Mg的摻雜濃度為1×1020；然后在650 ℃的溫度下生長5 nm厚的p-InGaN，最后采用爐外退火，在N2氣氛中750 ℃下退火20 min。GaN基LED外延結(jié)構(gòu)如圖1所示。

大功率LED芯片的制造工藝如下：首先，將LED外延片分別放入小王水(HCL∶HNO3∶H2O)和稀鹽酸刻蝕液(H2O∶HCL)中浸泡清洗，沖水甩干后，采用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕出MESA圖形，ICP的刻蝕深度為1.2 μm，直至暴露出n-GaN層。然后，采用PECVD在p-GaN上沉積厚度為190 nm 的SiO2薄膜，再經(jīng)過光刻和BOE濕法刻蝕技術(shù)制備插指型SiO2電流阻擋層結(jié)構(gòu)。接著，在60 ℃的溫度下分別用511溶液(V(H2O)∶V(H2O2)∶V(H2SO4)=1∶1∶5)和稀鹽酸溶液浸泡清洗。沖水甩干后，采用電子束蒸鍍的方法沉積180 nm厚的ITO透明導(dǎo)電層，并制備p電極和n電極，電極材料為Cr/Pt/Au(50 nm/50 nm/2.1 μm)。通過機(jī)械減薄和研磨將LED外延片的厚度減薄至150 μm。最后，采用激光切割LED外延片制備大功率LED芯片，芯片尺寸為1.14 mm×1.14 mm(45 mil×45 mil)。

圖1 GaN基LED外延結(jié)構(gòu)示意圖

采用聚焦離子束(FIB)技術(shù)制備透射電子顯微鏡(TEM)樣品，并用TEM觀察LED外延結(jié)構(gòu)。采用405 nm的半導(dǎo)體激光器對LED外延片進(jìn)行光致發(fā)光(Photoluminsecence，PL)測試。運(yùn)用SimuLED仿真軟件分析大功率LED芯片有源區(qū)電流密度分布情況，采用快速光譜儀測量芯片的光輸出功率-電流-電壓(L-I-V)曲線。

3 結(jié)果與討論

3.1 LED外延結(jié)構(gòu)

圖2(a)為LED外延結(jié)構(gòu)的透射掃描電鏡(TEM)圖。由圖可知，位于圖形化藍(lán)寶石襯底上方的Ⅰ區(qū)位錯密度明顯小于沒有圖形結(jié)構(gòu)的Ⅱ區(qū)。這是因為圖形化藍(lán)寶石襯底可使外延材料橫向生長，從而減小位錯密度。圖2(b)展示了外延結(jié)構(gòu)中的InGaN/GaN超晶格、InGaN/GaN多量子阱和p-AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)、InGaN/GaN多量子阱和p-AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)分別為12個周期、15個

周期和6個周期。圖2(c)為12個周期的InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)中InGaN的厚度約為2 nm，GaN的厚度約為9 nm。圖2(d)為6個周期的p-AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，p-AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)中p-AlGaN和GaN的厚度均為1.5 nm左右。

圖2 GaN基LED外延結(jié)構(gòu)的透射掃描電鏡圖。(a)外延片整體結(jié)構(gòu)圖；(b)InGaN/GaN超晶格、InGaN/GaN多量子阱和p-AlGaN/GaN超晶格；(c)InGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)；(d)p-AlGaN/GaN超晶格結(jié)構(gòu)。

Fig.2 TEM images of GaN-based LED epitaxial structure. (a) Overall structure of the wafer. (b) TEM image of InGaN/GaN superlattice, InGaN/GaN multiple quantum wells and p-AlGaN/GaN superlattice. (c) TEM image of InGaN/GaN superlattice. (d) TEM image of p-AlGaN/GaN superlattice.

圖3顯示了LED外延片的PL光譜。圖3(a)為LED外延片的峰值波長分布圖，由圖可以看出，該外延片光致發(fā)光波長分布在450.5～456.5 nm，位于藍(lán)光波段，最大波長與最小波長相差僅6 nm，從邊緣到中心處，波長逐漸減小，且除外延片邊緣部分外，發(fā)光波長分布較均勻；圖3(b)為LED外延片的發(fā)光強(qiáng)度分布圖，由圖可知，與邊緣部分相比外延片中間部分發(fā)光強(qiáng)度較大，但除去邊緣部分，該外延片發(fā)光強(qiáng)度分布較均勻。可知該外延片發(fā)光波長位于藍(lán)光波段且外延片的發(fā)光分布較均勻。

圖3 LED外延片的光致發(fā)光分布圖：(a)峰值波長；(b)發(fā)光強(qiáng)度。

Fig.3 Photoluminescence distribution of LED wafer. (a) Peak wavelength. (b) Light emission intensity.

3.2 插指型SiO2電流阻擋層對芯片電流擴(kuò)展性能的影響

注入電流在大功率LED芯片有源區(qū)橫向擴(kuò)展的過程中，芯片內(nèi)部某點(diǎn)處的電流密度為J(x)。根據(jù)電流擴(kuò)展理論，由于p型接觸電阻的降低以及p型摻雜濃度的提高使得水平結(jié)構(gòu)大功率LED芯片的垂直串聯(lián)電阻(Rv)可忽略不計，也即Rv上的電壓降小于kT/q(26 mV，當(dāng)T=300 K時)，此時大功率LED芯片有源區(qū)電流密度分布可用下式表示[25-27]：

(1)

(2)

其中，J0為p電極邊緣處最大電流密度，x為該點(diǎn)到p電極邊緣的距離，Ls為電流擴(kuò)展長度，k、T和q分別為玻爾茲曼常數(shù)、溫度和電荷，ρs,ITO和ρs,n-GaN分別為ITO和n-GaN的方塊電阻，nideal為GaN基LED的理想因子。在350 mA的輸入電流下，當(dāng)溫度為300 K時計算得理想因子為1.7[28]。

由式(2)可知，電流擴(kuò)展長度Ls與ITO和n-GaN的方塊電阻有關(guān)。當(dāng)ITO的厚度為180 nm時，經(jīng)測量其方塊電阻為40 Ω/□；當(dāng)n-GaN的厚度為2.5 μm，電子濃度為1019/cm3，電子遷移率為175 cm2/(V·s)時，經(jīng)測量n-GaN的方塊電阻為15 Ω/□。當(dāng)J0為28.7 A/cm2，ITO和n-GaN的方塊電阻分別為40 Ω/□和15 Ω/□時，根據(jù)式(2)計算得電流的擴(kuò)展長度為89.1 μm。

圖4(a)為MESA和插指型SiO2電流阻擋層示意圖，其寬度分別為24 μm和15 μm。n焊盤和p焊盤處的直徑分別為134 μm和110 μm。由于電流擴(kuò)展長度Ls為89 μm，因此我們設(shè)計插指型SiO2電流阻擋層圖形時，使SiO2電流阻擋層的插指與MESA邊緣的距離為89 μm。圖4(b)為p電極和n電極形狀示意圖，其中p電極和n電極的寬度分別為5 μm和6 μm。圖4(c)為p電極(Cr/Pt/Au)、位于p電極下厚度為180 nm的ITO透明導(dǎo)電層以及位于ITO透明導(dǎo)電層下厚度為190 nm的SiO2電流阻擋層的TEM圖。該插指型SiO2電流阻擋層的形狀與大功率LED的p電極的形狀相同，且位于p電極的正下方。

圖4 SiO2電流阻擋層形狀示意圖。(a)MESA和CBL圖形示意圖；(b)p電極和n電極示意圖；(c)p電極、ITO透明導(dǎo)電層和SiO2電流阻擋層的TEM圖。

Fig.4 Demonstration ofinterdigitated SiO2CBL. (a) Schematic diagram of MESA and CBL. (b) Schematic diagram of p-electrode and n-electrode. (c) TEM image of the deposited multilayer thin films including Cr/Pt/Au, ITO and SiO2CBL, respectively.

運(yùn)用SimuLED仿真軟件，仿真分析在350 mA輸入電流下的插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED芯片有源區(qū)電流密度分布的影響，其結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知，沒有沉積插指型SiO2電流阻擋層時，電流在p電極附近擁擠現(xiàn)象十分明顯；對比圖5(b)發(fā)現(xiàn)，插指型SiO2電流阻擋層結(jié)構(gòu)可以有效改善p電極附近的電流擁擠現(xiàn)象，使大功率LED芯片有源區(qū)電流密度分布更均勻。

圖5 無(a)、有(b)插指型SiO2電流阻擋層的大功率LED芯片有源區(qū)電流密度的SimuLED仿真分布圖。

Fig.5 SimuLED simulation results of the current density distribution of high power LED in InGaN/GaN MQWs active region without (a) and with (b) interdigitated SiO2CBL

LEDⅠ和LEDⅡ分別表示沒有和有插指型SiO2電流阻擋層的大功率LED芯片。采用快速光譜儀測量大功率LED芯片在不同輸入電流下的光輸出功率，得到LEDⅠ和LEDⅡ的光輸出功率-電流(L-I)曲線，如圖6(a)所示。在相同的輸入電流下，LEDⅡ的光輸出功率明顯高于LEDⅠ。當(dāng)輸入電流為350 mA時，LEDⅠ和LEDⅡ的光輸出功率分別為409.7 mW和486.4 mW，可知沉積插指型SiO2電流阻擋層后，芯片的光輸出功率提高了18.7%。通過L-I曲線可計算 LED芯片的外量子效率(EQE)：

(3)

其中，P為LED芯片的光輸出功率(mW)，I為輸入電流(mA)，λ為光波長(nm)，將e(電子電荷量)、h(普朗克常量)和c(光速)的數(shù)值代入式(3)后可得：

(4)

將大功率LED芯片的光輸出功率和發(fā)光波長帶入公式(4)可得，在350 mA的輸入電流下，LED Ⅰ和LED Ⅱ的外量子效率分別為42.7%和50.7%，可知沉積插指型SiO2電流阻擋層后，大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。

圖6 不同結(jié)構(gòu)大功率LED芯片的L-I-V曲線。(a)L-I；(b)I-V。

Fig.6L-I-Vcharacteristics of high power LED with and without interdigitated SiO2CBL. (a)L-I. (b)I-V.

圖6(b)為LEDⅠ和LEDⅡ 的電流-電壓(I-V)曲線，根據(jù)I-V曲線可得電流傳輸路徑中的動態(tài)電阻r：

(5)

其中Rsh為與p-n結(jié)的并聯(lián)電阻，Rs為串聯(lián)電阻。由式(5)可知，當(dāng)電流I增大到一定值時，串聯(lián)電阻Rs約等于動態(tài)電阻值r。根據(jù)圖6(b)的I-V曲線可得，LEDⅠ和LEDⅡ的串聯(lián)電阻分別為1 Ω和1.1 Ω。在350 mA的輸入電流下，LEDⅠ和LEDⅡ的正向電壓分別為3.19 V和3.22 V。由于沉積插指型SiO2電流阻擋層之后，ITO與p-GaN之間的歐姆接觸面積減小，導(dǎo)致電流傳輸路徑中的串聯(lián)電阻增大了0.1 Ω，從而使大功率LED芯片的電壓增大了0.03 V。

4 結(jié) 論

本文介紹了藍(lán)光大功率LED芯片的外延生長工藝以及芯片制造工藝，采用Simu LED仿真軟件分析了插指型SiO2電流阻擋層對大功率LED芯片電流擴(kuò)展性能的影響。仿真結(jié)果表明，插指型SiO2電流阻擋層可以有效改善大功率LED芯片p電極處的電流擁擠現(xiàn)象，使大功率LED芯片有源區(qū)的電流密度分布更加均勻。與沒有沉積插指型SiO2電流阻擋層的大功率LED芯片相比，LED芯片的光輸出功率明顯提高。在350 mA的輸入電流下，沉積插指型SiO2電流阻擋層使大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。

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劉夢玲(1993-)，女，湖北黃石人，碩士研究生，2016年于南昌大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事GaN基LED芯片和先進(jìn)電子制造等方面的研究。

E-mail： lml0305@whu.edu.cn周圣軍(1983-)，男，湖北天門人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，2011年于上海交通大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事GaN基LED芯片和先進(jìn)電子制造方面的研究。

Email: zhousj@whu.edu.cn

Effect of Interdigitated SiO2Current Blocking Layer on External Quantum Efficiency of High Power LEDs

LIU Meng-ling, GAO Yi-lin, HU Hong-po, LIU Xing-tong, LYU Jia-jiang,ZHENG Chen-ju, DING Xing-huo, ZHOU Sheng-jun*

(WuhanUniversity,SchoolofPowerandMechanicalEngineering,Wuhan430072,China)

In order to alleviate current crowding around p-electrode of high power blue light-emitting diodes (LEDs) and improve its external quantum efficiency (EQE), a SiO2current blocking layer (CBL) was deposited between ITO transparent conductive layer and p-GaN by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). An interdigitated SiO2CBL pattern was then fabricated by photolithography and BOE wet etching process. The effect of interdigitated SiO2CBL on the current spreading performance of high power LED was analyzed using commercial SimuLED package. It is found that the current crowding around the p-electrode is effectively alleviated by employing the interdigitated SiO2CBL. Comparing with the high power LED without interdigitated SiO2CBL, the light output power is significantly improved. At 350 mA injection current, the external quantum efficiency of the high power LED with interdigitated SiO2CBL is 18.7% higher than that of LED without interdigitated SiO2CBL.

high power LED; interdigitated SiO2CBL; current crowding; external quantum efficiency

1000-7032(2017)06-0786-07

2016-12-05；

2017-02-03

國家自然科學(xué)基金(51675386, 51305266)； “863” 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃重大項目(2015AA03A101)資助 Supported by National Natural Science Foundation of China(51675386, 51305266); Major Project of “863” National High Technology Research and Development Program(2015AA03A101)

TN383

A

10.3788/fgxb20173806.0786

*CorrespondingAuthor,E-mail:zhousj@whu.edu.cn