硅衬底gan基led光电性能与可靠性分析

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1、第一章绪论第一章绪论1.1引言2014年可谓是LED行业比较重要的一年，赤崎勇、天野浩和中村修二获得了诺贝尔物理学奖。从1991年世界上第一支GaN基LED问世到现在，短短的二十多年里，LED行业的发展可谓突飞猛进，究其原因主要是以GaN为代表的[1][2-6]第三代半导体材料优越的性能所导致，从禁带宽度为0.7eV的InN到[5-7][6,8]3.4eV的GaN再到6.2eV的AIN，通过三者的搭配Ⅲ-Ⅴ材料的禁带宽度几乎覆盖了从红光到紫光的所有波段，而且可以连续变化，这是GaN基LED广泛[9-11][10,

2、12]用于照明和显示领域的前提。除此之外在效率、安全、响应速度、色彩、[13]体积等方面优点也很突出。因此，各国政府跟相关企业都在花大力气研究、[14]开发跟应用LED光源。1.2GaN基LED的发展史LED的发展最早可以追溯到1907年，当时HenryJosephRound在碳化硅里观察到光。后来的50年里进展和发展并不快，直到1962年，波长在710nm左右的第一只LED在通用公司问世，接着1969年Maruska和Tietjen利用氢化物[15]气相外延（HVPE）技术，在蓝宝石衬底上生长出了单晶的GaN薄

3、膜材料。[16]Amano等人通过低温AlN缓冲层生长技术从而获得了高质量GaN薄膜材料，缓冲层技术解决了长期以来的一大难题，使高质量的GaN薄膜材料的获得不再是难题，具有里程碑的意义。1991年Akasaki等人在1991年将Mg掺入GaN中[17]获得了p型GaN，解决了长期一直困扰本行业的难题，p型GaN的成功制备是LED行业的又一大里程碑，两种技术获得使GaN材料取得了突飞猛进的发展。1991年Nakamura研制出了世界上第一支GaN基发光二极管，接着在1993年又做出了第一支InGaN/GaN的发光二

4、极管，一年后世界上第一支商业化的发光二[18]极管问世。1997年出紫外LED被开发出来。1998年日亚的中村修二通过在蓝光LED芯片上涂黄色荧光粉的方法，利用蓝光激发黄色荧光粉的方式得到了白光。之后在背光源、交通信号、大屏幕显示器、液晶显示屏、路灯等方面LED1第一章绪论无处不在，照明市场如雨后春笋般迅猛发展。以民用照明为终极应用的LED将是本世纪科学技术上的一大亮点，耀古亮今。1.3GaN材料基本性质1.3.1GaN的晶体结构[19]GaN晶体结构有纤锌矿和闪锌矿两种，纤锌矿为六方对称结构，而闪锌矿是立方对称

5、结构，如图1.1所示。其中纤锌矿结构是热力学稳定状态，闪锌矿[20]结构是热力学亚稳定状态。纤锌矿结构的GaN在晶胞＜0001＞方向原子按ABABABAB堆叠，闪锌矿结构的GaN在＜111＞方向原子按ABCABCABCABC堆叠，如图1.2所示。图1.1（a）GaN纤锌矿结构图（b）GaN闪锌矿结构图2第一章绪论图1.2GaN两种不同结构原子堆垛方式图1.3.2GaN物理化学性质GaN的熔点高达1700℃，化学性质非常稳定，常温下不与水、碱和酸发生[21]反应，高温下在碱溶液中缓慢的溶解，该性质在芯片工艺上一般用

6、作粗化来使用，也被广泛应用于检测位错跟缺陷。GaN的原子键能高达8.92eV，因此热稳定性很好，另外GaN的化合物也是一种坚硬的材料，有时被用作涂料使用。表1.1给出了最常用的AlN、GaN、InN三种族氮化物的一些基本性质。表1.1Ⅲ-Ⅴ族常用氮化物的物理性质Ⅲ-Ⅴ族氮熔点热导率300K禁带宽度热膨胀系数晶格常数(nm)-1-1-6-1化物(℃)(WcmK)Eg(300K)(10K)a0=0.3115.3‖c-axisAlN34872.856.2c0=0.4984.2⊥c-axisa0=0.3183.2‖c-a

7、xisGaN27911.33.4c0=0.5185.6⊥c-axisa0=0.3543.7‖c-axisInN21460.30.7c0=0.575.7⊥c-axis3第一章绪论1.3.3GaN的能带结构与光电特性GaN材料是直接带隙，而且是宽禁带半导体材料，图1.3给出了纤锌矿结构[7,22][23]的能带图，能带图可以有发射光谱或者光致发光得到。Maruska和Tietjen在1969年最早测出了GaN的带隙为3.39eV。Pankove于1970年发现低温(1.6K)时在3.477eV处GaN有很强的发射光致

8、发光(PL)谱。1971年Bloom等人首次用赝势法计算得到准确值为3.5eV，之后又拟合出了更加精确的能带结构图。光谱分析得到的结果为3.503eV(1.6K)，并且有三个分裂的价带。价带的分裂归结于晶体场效应跟轨道自旋耦合有关，s轨道特征主要表现在氮化镓的导带上，而价带则表现出p轨道特征。[24]光致发光在GaN应用主要有两方面，一是利用带边峰和黄带发光峰的强度来反映