垂直结构紫外LED的研究

深紫外LED通常采用蓝宝石衬底，通过刻蚀工艺将n、p电极制作在同侧，这导致器件中的电流拥堵效应，器件效率低下，发热严重。通过设计合适的外延结构，在紫外LED中插入GaN或超晶格牺牲层，采用键合和激光剥离工艺将蓝宝石衬底去除，则n、p电极可以制作在LED的两侧，电极几乎可以垂直均匀通过有源区，消除了拥堵效应，大大提高器件效率。同时，紫外LED键合在Si、Cu等高热导率的衬底上，器件的散热性能和可靠性大大提高。垂直结构紫外LED相比于普通的平面结构紫外LED，器件的性能可以长足提高，因为成为当今紫外LED研究领域的热点和发展趋势。

本项目创新开展了AlGaN基垂直结构紫外LED的材料外延、结构设计和芯片工艺研究，突破了材料结构外延和衬底剥离转移的关键技术难题，成功制备出垂直结构紫外LED器件。总体上完成了本项目的既定研究内容，达到了预期目标。采用自组装纳米球曝光和湿法腐蚀相结合的技术自主制备出纳米图形蓝宝石衬底，并在此基础上开展了高铝组分氮化物材料的MOCVD外延研究，获得快速合并、表面平整的高质量AlN材料，原子力显微镜表面粗糙度仅为0.15 nm （5μm×5μm），达到了原子级平整度，(002)和(102)的X射线衍射摇摆曲线的半峰宽分别只有69和319 arcsec，显著提升了AlN材料外延质量，降低了位错密度，进而突破了紫外LED核心AlGaN材料外延技术；面向垂直结构紫外LED的衬底剥离，设计并外延了不同牺牲层的紫外LED结构，对比研究了GaN插入层、AlN/AlGaN超晶格、AlGaN/AlGaN超晶格、AlN/GaN超晶格牺牲层结构对于紫外LED外延片的应力和发光的影响，优化选取了AlN/AlGaN超晶格结构，并进一步优化紫外LED的阻挡层，解决了载流子溢出导致的次级发光峰问题；选择电镀铜的方法来制备转移衬底，对比研究了248nm和193nm激光器在紫外LED衬底剥离的应用，248nm激光器剥离的外延片中出现了严重的裂纹问题，而193nm激光器则成功实现了UVLED两英寸外延片与蓝宝石衬底的的无裂纹基本完整剥离；我们进一步研究了紫外LED的缓冲层干法刻蚀和湿法腐蚀工艺，成功去除绝缘的缓冲层，实现氮面表面尖锥状起伏可控，制备出垂直结构紫外LED器件，峰值发光波长282nm，最大输出功率超过3mW。在本项目的研发过程中共计发表期刊文献8篇，会议报告3篇，申请发明专利8项。其中本项目创新开展的纳米图形衬底外延高铝组分氮化物技术发表于在Applied Physics Letter期刊上(Vol. 102, pp. 241113)，并获得Semiconductor Today等科技网站引用评述；相关研究结果获得氮化物半导体领域最重要的国际学术会议International Conference on Nitride Semiconductors（ICNS-10，美国华盛顿特区）口头报告。