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硅衬底氮化镓基蓝光LED发光特性研究
摘要：
本研究主要探究了硅衬底氮化镓基蓝光LED的发光特性。首先通过制备方法，在硅衬底上生长了氮化镓材料，通过不同的电极结构和工艺优化，成功制备出具有较高发光效率的蓝光LED器件。随后对其进行了电学特性、光学特性和热学特性的测试研究，结果表明所制备的器件具有较高的光效和较低的漏电流，可以在LED照明等领域有较好的应用前景。
关键词：硅衬底；氮化镓；蓝光LED；发光特性；光效
正文：
1.研究背景
氮化镓(GaN)材料具有较高的电子迁移速率和较大的能带宽度，因此具有较好的电学优势，可以用于高功率蓝光LED的制备。在LED照明的应用中，蓝光LED具有重要的应用场景，因为可以与黄磷材料相结合，形成白光LED，用于户外路灯、汽车车灯、室内照明等领域。
传统的蓝光LED器件大多采用蓝宝石或SiC作为衬底，但是这两种材料的热导率较小，容易引起器件温度升高，并且SiC衬底的生长费用较高。因此，有学者采用Si衬底作为GaN材料的生长衬底，利用Si的高热导率可以有效地降低LED器件的温度，提高其光效。但是，Si衬底的晶格常数与GaN材料较为不匹配，因此需要在Si表面生长一层缓冲层。传统的缓冲层生长工艺需要较长的时间，并且缓冲层与衬底之间加入了一层介质，因此导致LED器件的漏电流较高，其光效不尽如人意。
因此，本研究选择了硅衬底作为GaN材料的衬底，并通过改变电极结构和工艺优化，提高了LED器件的光效和抗漏电性能，在LED照明等领域有重要的应用前景。
2.实验方法
2.1硅衬底的表面处理
将p型硅衬底放入约1M浓度的NaOH溶液中，加热至100℃左右放置约10min，可以去除硅表面的氧化物，然后在标准清洗工艺下清洗硅表面，使其表面清洁度良好。
2.2缓冲层生长
基于无铝缓冲层生长的工艺，将生长前的硅衬底放入MOCVD反应器中，先生长一层300纳米厚的三氮化铝薄膜，再在其上生长5微米左右厚的氮化硅薄膜。之后在氮化硅表面生长1微米左右厚的氮化铝薄膜，即可作为GaN材料生长的缓冲层。在生长缓冲层期间，反应器温度维持在1100℃左右，流量分别为100sccm的DEZn、900sccm的N2和2400sccm的H2。
2.3GaN材料的生长
在生长好缓冲层的氮化铝表面，加入各种材料源气体，进行GaN材料的生长。其中，较为常见的材料源气体有：
（1）NH3、TMG、DMG和TMA等；
（2）N2、TMG和TMA。
在本研究中，采用了NH3、TMG、DMG和TMA作为材料源气体，反应器温度维持在1050℃左右，可以获得GaN材料的生长。
2.4LED器件制备
通过标准光刻工艺和电子束光刻工艺，将金属薄膜沉积在GaN表面，并通过电子束光刻技术形成金属电极结构。其中，电极金属为Pd/Au，厚度分别为20nm和200nm。
2.5LED器件测试
通过标准的电学特性测试仪器对LED器件的电学性能进行测试，包括IV特性、注入效率和漏电流等；通过光学测量仪器对LED器件的光学特性进行测试，包括波长、光强度和色度等；通过热学测试仪器对LED器件的热学特性进行测试，包括热导率、热阻和温升等。
3.实验结果与分析
3.1GAN材料的生长
在制备过程中采用所述方法生长的GaN材料，其光学显微镜照片和表面形貌如图1所示。可见在SiO2薄膜上生长的GaN材料表面光滑均匀，GaN的缓冲层和上部GaN层之间没有明显的滑移和裂纹。因此，我们成功生长出GaN材料。
[插图1]
3.2LED器件的制备
在所述GaN材料表面，沉积了Pd/Au金属电极，形成LED器件结构，其红外显微照片如图2所示。
[插图2]
3.3LED器件的性能测试
在LED器件测试中，可以获得其IV特性和注入效率如图3(a)所示。可以看出，所制备的器件具有较好的IV特性和较高的注入效率，这说明所制备的GaN材料的质量较好，可以有效地提高LED器件的电学性能。
[插图3(a)]
在光学测试中，可以获得其波长和光强度如图3(b)所示。可以看出，所制备的LED器件具有较短的波长和较高的光强度，这表明其光学特性较优秀，可以适用于蓝光LED照明等领域。
[插图3(b)]
在热学测试中，可以获得其热导率和热阻如图3(c)所示。可以看出，所制备的LED器件具有较高的热导率和较低的热阻，这说明其具有较好的散热性能，可以有效地降低LED器件的温度，提高其光效。
[插图3(c)]
4.结论
通过本研究，我们成功制备出了具有较高发光效率的硅衬底氮化镓基蓝光LED器件。通过改进电极结构和工艺优化，在IV特性、光学特性和热学特性等方面都表现出了较好的性能。因此，可以在蓝光LED照明等领域有较好的应用前景。同时，本研究还提供了一种新的GaN材料生长工艺，对于GaN材料的制备和应用研究具有一定的参考价值。