21ic訊 韓國與埃及研究人員采用晶圓薄化(thinning)技術以提升氮化物半導體綠光LED的效率。參與組織包括韓國全南國立大學、埃及貝尼蘇韋夫大學以及韓國光子技術研究院。
薄化的功效是為了減少氮化物半導體架構中的殘余壓應力(residual compressive stress )，這種應力在LED架構中對降低的壓電電場有撞擊效應。氮化鎵和藍寶石之間不同的熱膨脹系數(shù)制成的應力器件，在外延生長工藝冷卻后會造成壓應力的產生。
這種電場效應將降低電子和空穴復合以產生光子的可能性。這種問題在高銦成分(超過20%)的氮化銦鎵(InGaN)合金中更為嚴重，而這種合金又是綠光LED所需的。目前藍光InGaN LED的效率為50%，而較高銦含量的綠光LED的效率通常低于10%。
這種LED架構(如圖1)采用MOCVD在2英寸的C面藍寶石襯底上生長的。該襯底厚度為430μm，并采用傳統(tǒng)工藝整合到240μm x 600μm的LED芯片中。
圖1: LED外延架構
這種襯底薄化技術通過采用研磨和軟質拋光實現(xiàn)的。這些工藝被用于最小化薄化過程中的損壞。在薄化后，芯片切割成單個，n型GaN接觸層的晶圓翹曲與殘余應力測量顯示，當晶圓薄化至200μm和80μm之間時，翹曲增加，應力減少。
20mA注入電流的電致發(fā)光光譜顯示，隨著襯底變薄其電流密度在增加。同時， 200μm和80μm厚度襯底的峰值位置分別從520.1nm (2.38eV)漂移至515.7nm (2.40eV)。研究人員解釋道：“這些發(fā)現(xiàn)清晰地表明了晶圓翹曲所帶來的機械應力會改變InGaN/GaN MQW有源區(qū)的壓電電場，并可修正能帶值。但，藍光峰值波長和能量的漂移要歸因于帶隙的提升，帶隙的提升是因為 InGaN/GaN MQW的壓電電場減少?！?/p>
襯底薄化也提升了內量子效率(IQE)和光輸出功率，但不會降低電流與電壓行為。20mA時，襯底厚度從200μm到80μm，光輸出功率從7.8mW 增至11.5mW。這再一次證明可以降低壓電電場提升性能。20mA情況下，不同襯底厚度 (200μm, 170μm, 140μm, 110μm, 80μm)的前向電壓幾乎恒定在3.4V。
通用的襯底厚度情況下，其峰值外量子效率(EQE)從16.3%增加到24%。研究人員將他們的綠光LED的EQE性能與目前最好的半極自支撐GaN襯底數(shù)據(jù)相比較：20.4%在(20-21)方向，18.9%在(11-22)方向。采用半極襯底是 另一種降低GaN LED壓電電場的方式。但是這種襯底非常昂貴。
研究人員采用了韓國EtaMax (DOSA-IQE)公司的室溫IQE測量系統(tǒng)，在至少10mA注入電流時，80μm襯底厚度的最大IQE為92% ，20mA時，隨著襯底厚度從200μm降至80μm，IQE從58.2% 提升至68.9%。
通過對比EQE和IQE，研究人員確定較薄襯底的光萃取效率更高。光萃取率的提升歸因于藍寶石襯底吸收的光子減少了，同時光從器件的藍寶石邊際逃逸能力提升了。
最后，采用相同襯底薄化技術的光電轉換效率(WPE)從11.5%提升到17.1%。
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