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超高能效半导体光源核心材料及器件技术研究

2021-05-19

 

半导体照明已成为光电转换效率最高的人工光源,节能效益显著。氮化物半导体材料与器件是半导体照明的“核芯”,实现超高能效发光器件是国内外半导体照明研发和产业界追求的目标,对掌握半导体照明科技制高点和产业主导权意义重大。
在国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项“超高能效半导体光源核心材料及器件技术研究”项目(项目编号:2017YFB0403100)的支持下,由中国科学院半导体研究所牵头的项目团队依据半导体照明光源全技术链展开,系统突破材料、芯片、封装与光谱技术,在掌握载流子复合规律基础上建立高效器件模型,通过高质量外延材料提升内量子效率,通过芯片和封装设计提升光提取效率,通过光谱匹配实现高效白光器件,并取得了一系列重要进展。
 
1 实现低维氮化物材料可控制备与发光器件
氮化物纳米线以其特殊的一维结构被认为是获得更高效率发光器件的途径之一,目前已在该器件中证明了极化电场和Droop效应的减弱,为进一步理解氮化物发光机制和研制下一代新型发光器件提供了新思路。
项目组开展了氮化物纳米材料的宏量可控制备方法研究,实现了HVPE生长GaN纳米线的晶向调控,分别在蓝宝石、硅和GaN等基底上实现了GaN纳米线的生长取向可控,如图1所示;受益于GaCl前驱体高的分解率,水平纳米线的生长速率达400μm/h。衬底的倒立放置影响着衬底表面局部的反应源流量,决定纳米线的水平生长模式。项目组提出了一种纳米线成核的生长模型,从生长动力学的角度解释了水平纳米线的生长过程。相关成果发表在Nanoscale上,并被选为封底文章;同时,探索了基于氮化物纳米线低维结构的器件制备工艺,实现了绿光纳米线器件的电注入发光。
此外,项目组采用AlN/AlGaN应力控制层技术,实现硅基高质量GaN薄膜的外延生长,实现了无裂纹、10µm厚的无间隔的连续GaN薄膜材料,并将晶圆级硅基GaN外延材料的穿透位错密达到6×107 cm-2。获得了Si衬底GaN基微盘激光器的室温电注入激射,报道了室温电注入连续激射的硅基GaN微环激光器,激射波长410 nm,阈值电流仅18 mA,如图2所示。
 
2 p型GaN掺杂机制与技术研究
高性能p型GaN材料的获得是氮化物基器件的技术难点和发展瓶颈。项目组针对氮化物发光器件空穴注入难题,提出了缺陷共振态p型GaN掺杂新方法。通过周期性结构中受主缺陷能级间的相互耦合,完成受主能级从局域态(Localized States)向共振态(Resonate States)的转换,实现高效氮化物p型掺杂。该方法基于能带“剪裁”,具有普适性,也为其他宽禁带半导体材料的p型掺杂提供了新的途径。重点研究基于“能带调控”的p型掺杂新机制,构建利于受主激活的氮化物价带顶结构,开展缺陷共振态p型GaN掺杂机制研究。从理论方面完成对了缺陷共振态初步的理论分析,构建了缺陷共振态的理论模型。采用AlGaN/GaN超晶格结构,实现基于“缺陷共振态掺杂”的p型GaN材料,通过周期性结构中受主能级间的互相耦合,使杂质能级从AlGaN材料的局域态,扩展到整个周期性结构的共振态,实现(准)零激活能的高效p掺杂(图3)。获得了空穴浓度大于6.47×1018 cm-3 p型GaN材料,测得其p型GaN电阻率达到了0.136 Ω·cm
 
3 高In组分InGaN黄绿光LED制备技术
多基色白光LED是实现超高能效白光LED的一个技术实现方案,采用蓝光LED、黄绿光LED、红光LED三种形式的配色获得白光,通过调节光谱分布曲线,最大程度利用光子的效能与视觉函数匹配,提升白光光谱效率。以实现超高能效黄绿光LED为目标,结合硅衬底蓝、绿、黄光LED生长技术,采取了系列措施。如:引入应力准备层减小量子阱应力,改善量子阱质量;引入V型坑屏蔽位错、改善空穴注入;改进阱垒生长工艺,提高界面平整度,抑制量子阱相分离;优化能带结构,降低器件电压。获得的黄绿光LED器件,在5 A/cm2电流密度下,波长为535 nm,输出功率66 mW,电压2.28 V,光电转换效率达到57.9%,峰值效率达到64%,见图4。
 
4 高能效GaN基LED外延、芯片与封装技术突破
影响LED的发光效率的因素有电注入效率、内量子效率、光提取效率、荧光粉转换效率等。LED外延技术对电注入效率、内量子效率、光提取效率产生影响,尤其是对内量子效率;芯片工艺对电注入效率、光提取效率产生影响;而封装技术则对光提取效率、荧光粉转换效率产生影响。在大注入电流密度下工作时,LED的发光效率还受到Droop效应的影响,产生大量的热对LED的封装和材料可靠性提出更高的要求。项目组以提升GaN基LED发光效率为目标,在材料外延方面,开展了基于微纳米图形衬底的外延设计及生长模式控制、量子阱能带设计研究,发展了PVD AlN缓冲层技术与量子阱/量子垒新结构,设计并实现了多种结构AlGaN电子阻挡层,制备出内量子效率大于90%的高质量GaN基LED外延材料;在芯片方面,研究了界面子耦合与提取机制,通过衬底结构、透明电极扩展层、电流阻挡层、DBR、高反射金属反射镜等技术,实现LED器件提取效率全面提升;在封装方面,开展了高折射率封装胶水、AuSn共晶焊接、AlN导热基板、荧光陶瓷等技术研究,实现了高光效低热阻封装器件。通过外延、芯片、封装关键技术(图5)突破与系列技术集成实现高能效发光器件,在大于5 A/cm2电流密度下,白光LED发光效率达到280 lm/W。研究开发倒装结构、晶圆级封装(CSP)结构、薄膜结构LED关键技术,解决了大注入电流下电流扩展与效率下降难题,白光LED在100 A/cm2电流密度下发光效率达165 lm/W。相关成果通过中国电子学会成果鉴定,可为高品质照明、新型显示、生物医疗应用等领域提供高性能芯片。