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GaN基LED——高光效半导体照明与显示芯片
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20世纪90年代，高亮度氮化镓基蓝光发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)的诞生开启了半导体照明时代。LED是一种可将电能高效转化为光能的新型固态光源，具有发光效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，基于LED的半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景的高新技术领域之一。
为了应对能源和环境问题，世界各国和地区纷纷出台政策支持LED推广，如美国的“国家半导体照明研究计划”，日本的“21世纪照明研究发展计划”，欧盟的“彩虹计划”，韩国的“氮化镓半导体研究计划”。我国政府对半导体照明高度重视，并通过多项国家科技和产业计划给予重点支持。在“十一五"期间，国家高技术研究发展计划(863计划)开展”半导体照明工程"项目，通过学术界和产业界的联合攻关，解决了高效率蓝光LED芯片的产业化关键技术问题。通过“十二五"国家科技计划新材料领域“半导体照明”和“第三代半导体材料”重点专项的实施，以及“十城万盏”半导体照明试点示范工作的开展，我国已经形成了完整的LED产业链，LED产能已稳居世界前列。
半导体照明广泛应用的关键是提高氮化镓LED芯片的发光效率。影响LED芯片发光效率的因素主要有两个，一个是电子转化为光子的效率，也称内量子效率，一个是光子从LED芯片内部出射的效率，也称为光提取效率，两者共同决定了LED芯片的发光效率。经过学术界和产业界的不懈努力，2010年至2015年，蓝光LED的内量子效率和光提取效率得到了快速的提升，使蓝光LED在市场上得到广泛的应用。目前，LED的发光效率已经超过180lm/W，基于LED的半导体照明已成为性价极具优势的高效照明与显示光源，开始进入全面替代传统照明阶段。在未来5~10年内，全球LED照明产业仍将以每年20％~30％的速度增长，具有广阔的市场空间。
GaN基LED具有发光效率高、节能、环保、寿命长、体积小等优点，基于LED的半导体照明被认为是最有可能替代传统照明的新型固态冷光源。超高效率LED芯片研究已成为微纳制造领域一个重要的研究方向，近年来备受研究人员青睐。进一步提高GaN基LED芯片的发光效率是半导体照明替代传统照明的关键因素。为此，有许多制造技术有待攻克，主要集中在异质外延生长、芯片制造等关键环节，带来这一方向研究的三个基本问题：大失配异质外延生长的应力调控与缺陷控制；高折射率、多光学界面体系中光子传输及其调控规律；新型器件结构设计。
武汉大学的周圣军老师在这方面取得的创新性研究成果如下。
发展了基于电感耦合等离子体（ICP）刻蚀技术在超硬、难加工材料（GaN、蓝宝石衬底）表面制备微纳结构的方法；提出周期、准周期以及无规则微纳结构的优化设计与制造方法，提高了LED芯片的出光效率；提出了具有分布式通孔接触n型和高反射率p型欧姆接触电极的新型三维倒装结构LED芯片，提升了电流扩展均匀性，解决了金属电极吸光引起的光损耗问题。
揭示了异质外延生长中缺陷形成与抑制机理，提出溅射AlN成核层/蓝宝石图形衬底模板和等电子掺杂实现异质外延生长缺陷控制的新方法，为发展高效率紫外LED芯片提供理论基础与技术支撑；提出了一种基于激光直写技术的高紫外光透光率、低方块电阻金属线网格透明导电电极。
采用超晶格和低温插入层形成V坑，建立了绿光LED内量子效率与制造缺陷（V坑）的关联关系，发展了合理利用制造缺陷提高绿光LED芯片发光效率的新途径，为解决“绿光鸿沟”问题提供了新思路；揭示了应变效应对绿光LED芯片外量子效率的影响规律，通过对大失配异质体系的应力调控，改善了绿光LED器件性能。
外延生长紫外LED的金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备反应腔体
通过调控氮化铟镓（InGaN）/氮化镓（GaN）多量子阱的铟（In）组分，实现紫外/蓝光/绿光/黄绿光/红光LED
周圣军
博士生导师，湖北省楚天学者，湖北省杰青。面向国家战略需求和国际学术前沿，以第三代半导体材料（GaN）与器件在半导体照明、新型显示、节能环保、智能制造等战略性新兴产业的应用为导向，在GaN基紫外/蓝光/绿光发光二极管（LED）外延生长和芯片设计与制造技术方面开展了系统的理论和应用研究，主持国家自然科学基金、湖北省杰出青年基金、广东省部产学研项目、国家重点研发计划子课题、863 重大项目子课题等项目，在国际权威期刊发表SCI论文45篇（第一/通讯作者SCI论文42篇），主编学术专著1部，获授权中国发明专利10余项，研究成果得到国内外学术界和工业界研究人员的广泛引用。周圣军受邀担任第十七届 ICEPT 国际学术会议组织委员会共同主席，第十二届光学与光电子国际学术会议技术委员会委员，第二届电子器件与机械工程国际会议技术委员会委员，获国际会议IEEE ECTC杰出贡献奖，担任ACS Photonics等27份国际学术期刊特邀审稿人。
刘胜
长江学者特聘教授、ASME Fellow、IEEE Fellow、国家高技术研究发展计划（863计划）先进制造技术领域专家。1992年在美国斯坦福(Stanford)大学获得博士学位。1992年至1995年任教佛罗里达理工学院，1995年至2001年任教美国韦恩（Wayne）州立大学机械工程系和制造研究，并取得终身教授。在美国任职期间，1995年因在IC封装与复杂结构可靠性研究方面的杰出成就，被授予美国白宫总统教授奖；因在IC和MEMS封装与CAD研究方面的成就而获得美国自然科学基金委青年科学家奖。2001年从美国韦恩州立大学辞职回国效力，并在国内率先开展先进电子封装研究，长期从事集成电路、LED和微传感器封装及可靠性理论和前沿技术研究。发表SCI论文260余篇，他引2900余次，授权发明专利160余项。以第一完成人获国家技术发明二等奖、IEEE-CPMT杰出技术成就奖、教育部技术发明一等奖、中国电子学会技术发明一等奖等多项国内外奖项。
本文摘选自周圣军、刘胜著《氮化镓基发光二极管芯片设计与制造技术》一书，标题为编辑所加。
《氮化镓基发光二极管芯片设计与制造技术》
周圣军、刘胜 著
ISBN：9787030607430
责任编辑：刘凤娟
《氮化镓基发光二极管芯片设计与制造技术》一书基于作者十多年的研究成果和实践经验，详细介绍了我们团队的研究成果，力求理论和实践相结合，重点介绍了GaN基紫外/蓝光/绿光LED外延生长与芯片制造技术，力求突出重要的学术意义和应用价值。
目录
第1章 绪论 1
1.1 LED发展历史 1
1.2 LED国内外研究现状 4
1.2.1 LED外延生长技术与衬底材料 4
1.2.2 LED芯片结构研究现状 16
1.2.3 LED芯片光提取效率研究现状 21
参考文献 35
第2章 LED基本原理 46
2.1 LED工作原理 46
2.2 辐射复合与非辐射复合 48
2.3 内量子效率与外量子效率 49
2.3.1 内量子效率 49
2.3.2 光提取效率 53
2.3.3 外量子效率 55
2.4 LED的特性参数 56
2.4.1 LED的光学参数 56
2.4.2 LED的色度学参数 59
2.4.3 LED的电学参数 63
2.4.4 LED的热学参数 66
2.5 欧姆接触电极 66
2.5.1 欧姆接触简介 66
2.5.2 欧姆接触原理 67
2.5.3 欧姆接触的测量 69
2.5.4 金属与p-AlGaN和p-GaN接触特性 72
2.6 极化电场与量子限制斯塔克效应 80
2.6.1 InN、GaN和AlN的晶体结构和极性 80
2.6.2 自发极化与压电极化 82
2.6.3 量子限制斯塔克效应 87
参考文献 89
第3章 LED外延结构设计与材料生长 94
3.1 Ⅲ族氮化物晶体结构 94
3.2 GaN外延测试分析与表征手段 97
3.2.1 原子力显微镜 97
3.2.2 扫描电子显微镜 98
3.2.3 透射电子显微镜 98
3.2.4 光致发光 99
3.2.5 电致发光 99
3.2.6 阴极荧光 100
3.2.7 霍尔测试 101
3.2.8 拉曼散射 101
3.2.9 高分辨X射线衍射 102
3.3 GaN基LED外延生长 104
3.3.1 薄膜生长模式 104
3.3.2 MOCVD两步法生长GaN 105
3.3.3 GaN基蓝光LED 106
3.3.4 GaN基绿光LED 113
3.3.5 GaN基紫外LED 142
参考文献 166
第4章 LED芯片制造工艺 179
4.1 光刻工艺 179
4.1.1 LED外延片清洗 179
4.1.2 涂胶 180
4.1.3 软烘 180
4.1.4 曝光和显影 180
4.2 刻蚀工艺 181
4.2.1 蓝宝石衬底的刻蚀 181
4.2.2 ITO材料的刻蚀 185
4.2.3 SiO2材料的沉积与刻蚀 188
4.2.4 GaN材料的刻蚀 190
4.2.5 ICP工艺参数对GaN刻蚀影响 195
4.3 薄膜淀积与退火工艺 215
4.4 蓝宝石衬底背减薄和抛光工艺 218
4.4.1 工艺流程 219
4.4.2 工艺优化 220
4.5 蓝宝石衬底剥离技术 222
4.5.1 激光剥离技术 222
4.5.2 化学剥离技术 223
4.5.3 机械剥离技术 225
4.5.4 复合剥离技术 226
4.6 工艺集成 227
参考文献 232
第5章 LED芯片电流扩展特性 238
5.1 电流聚集效应 238
5.1.1 电流扩展路径 238
5.1.2 电流扩展模型 240
5.1.3 电流聚集效应对LED芯片光提取效率的影响 243
5.2 电-热耦合仿真模型 248
5.2.1 LED芯片有源区一维特性 248
5.2.2 LED芯片三维电流扩展特性 250
5.2.3 LED芯片中热的产生和传递 251
5.3 电流扩展仿真分析 253
5.3.1 SlimuLED软件介绍 253
5.3.2 蓝光LED芯片电流扩展仿真 253
5.3.3 紫外LED芯片电流扩展仿真 258
参考文献 266
第6章 高效率水平结构LED芯片 269
6.1 蓝宝石图形衬底技术 269
6.2 侧壁空气间隙结构 271
6.3 侧壁波浪状微结构 275
6.4 图形化ITO 276
6.5 电流阻挡层 287
6.6 图形化电流阻挡层 294
6.7 低光损失电极结构 298
6.8 金属线网格透明导电电极 301
6.9 底部反射镜 306
参考文献 313
第7章 倒装结构LED芯片 319
7.1 倒装LED芯片电极结构优化设计 319
7.1.1 倒装LED芯片电极结构 319
7.1.2 倒装LED芯片电流扩展仿真 320
7.2 高反射率低阻p型欧姆接触电极 323
7.2.1 Ni/Ag 323
7.2.2 ITO/DBR 328
7.2.3 Ni/Ag和ITO/DBR对比 338
7.2.4 Ag/TiW和ITO/DBR对比 342
参考文献 348
第8章 高压LED芯片 352
8.1 高压直流LED芯片 353
8.1.1 高压直流LED工作原理 353
8.1.2 LED单胞阵列布局方式优化设计 353
8.1.3 LED单胞间光子耦合传播机制 356
8.2 高压交流LED芯片 359
8.2.1 高压交流LED工作原理 359
8.2.2 惠斯通电桥结构高压交流LED芯片 360
8.3 高压直流/交流LED芯片光电性能 362
参考文献 365
第9章 LED芯片失效机理与可靠性分析 368
9.1 位错对LED芯片可靠性的影响 368
9.2 结温对大功率LED芯片光衰的影响 373
9.3 LED芯片正向/反向漏电流 376
9.3.1 LED芯片漏电流简介 376
9.3.2 LED芯片正向漏电流产生机理 382
9.3.3 LED芯片反向漏电流产生机理 385
9.3.4 反向漏电流与LED可靠性 395
9.3.5 加速寿命试验 396
9.4 p-GaN粗化与电极焊盘色差 398
参考文献 404
第10章 新型LED器件 408
10.1 Micro-LED芯片 408
10.2 纳米柱LED 413
10.3 偏振光LED 416
10.4 半极性/非极性LED 421
参考文献 423
（本期编辑：王芳）
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