薄化氮化物LED衬底可提升绿光LED光效

　 21ic讯 韩国与埃及研究人员采用晶圆薄化(thinning)技术以提升氮化物半导体绿光LED的效率。参与组织包括韩国全南国立大学、埃及贝尼苏韦夫大学以及韩国光子技术研究院。

薄化的功效是为了减少氮化物半导体架构中的残余压应力(residual compressive stress )，这种应力在LED架构中对降低的压电电场有撞击效应。氮化镓和蓝宝石之间不同的热膨胀系数制成的应力器件，在外延生长工艺冷却后会造成压应力的产生。

这种电场效应将降低电子和空穴复合以产生光子的可能性。这种问题在高铟成分(超过20%)的氮化铟镓(InGaN)合金中更为严重，而这种合金又是绿光LED所需的。目前蓝光InGaN LED的效率为50%，而较高铟含量的绿光LED的效率通常低于10%。

这种LED架构(如图1)采用MOCVD在2英寸的C面蓝宝石衬底上生长的。该衬底厚度为430μm，并采用传统工艺整合到240μm x 600μm的LED芯片中。

图1: LED外延架构

这种衬底薄化技术通过采用研磨和软质抛光实现的。这些工艺被用于最小化薄化过程中的损坏。在薄化后，芯片切割成单个，n型GaN接触层的晶圆翘曲与残余应力测量显示，当晶圆薄化至200μm和80μm之间时，翘曲增加，应力减少。

20mA注入电流的电致发光光谱显示，随着衬底变薄其电流密度在增加。同时， 200μm和80μm厚度衬底的峰值位置分别从520.1nm (2.38eV)漂移至515.7nm (2.40eV)。研究人员解释道：“这些发现清晰地表明了晶圆翘曲所带来的机械应力会改变InGaN/GaN MQW有源区的压电电场，并可修正能带值。但，蓝光峰值波长和能量的漂移要归因于带隙的提升，带隙的提升是因为 InGaN/GaN MQW的压电电场减少。”

衬底薄化也提升了内量子效率(IQE)和光输出功率，但不会降低电流与电压行为。20mA时，衬底厚度从200μm到80μm，光输出功率从7.8mW 增至11.5mW。这再一次证明可以降低压电电场提升性能。20mA情况下，不同衬底厚度 (200μm, 170μm, 140μm, 110μm, 80μm)的前向电压几乎恒定在3.4V。

通用的衬底厚度情况下，其峰值外量子效率(EQE)从16.3%增加到24%。研究人员将他们的绿光LED的EQE性能与目前最好的半极自支撑GaN衬底数据相比较：20.4%在(20-21)方向，18.9%在(11-22)方向。采用半极衬底是 另一种降低GaN LED压电电场的方式。但是这种衬底非常昂贵。

研究人员采用了韩国EtaMax (DOSA-IQE)公司的室温IQE测量系统，在至少10mA注入电流时，80μm衬底厚度的最大IQE为92% ，20mA时，随着衬底厚度从200μm降至80μm，IQE从58.2% 提升至68.9%。

通过对比EQE和IQE，研究人员确定较薄衬底的光萃取效率更高。光萃取率的提升归因于蓝宝石衬底吸收的光子减少了，同时光从器件的蓝宝石边际逃逸能力提升了。

最后，采用相同衬底薄化技术的光电转换效率(WPE)从11.5%提升到17.1%。