高功率GaN基LED器件的研究现状与发展[2]

　　首先，两种材料高达13.6%的晶格失配率和不同的热胀系数使得生长在蓝宝石衬底上的GaN材料有高达1010/cm2的位错密度[4-8]，并且残留了大量的应力在GaN外延层中，高的位错密度和应力残存会使器件效率下降的两个非常主要的因素。有源层中的位错，会形成非辐射复合中心，降低器件的内量子效率，并且穿过量子阱的位错会形成漏电通道，降低器件的注入效率[9，10]。残存在器件内部的应力会使量子阱的能级发生倾斜，使发光波长红移，甚至是同一外延片上的不同地点由于不同的应力残存情况而发光波长不同。

　　其次，蓝宝石衬底的不导电性使得基于蓝宝石衬底的LED器件只能制备成平面结构的LED器件，即P、N电极在GaN外延片的同一表面上，而不能制成垂直结构的LED。

　　这样的结构，首先带来的问题就是器件的注入电流不能够得到充分的扩展，因而极大的降低了器件的注入效率。如图1（c）所示，器件中的电流流动遵循电阻最小的原则，从而形成了一端的量子阱电流注入密度过高，出现注入载流子的over flow现象以及俄歇符合现象，另一端的量子阱由于注入载流子密度不够而得不到充分的利用。其次，N面电极的刻蚀减少了出光面积，器件表面的大面积P电极也阻碍了器件的出光，造成了器件的外量子效率的下降。

　　（2） 蓝宝石衬底的差的导热性导致大功率LED器件结温升高：

　　蓝宝石差的导热特性使得器件在工作时的产生的热量不能够有效地传递到热沉上去，从而使得LED器件工作时的结温急剧升高。这种结温的升高在小功率LED器件中体现的并不是十分明显，然而在大功率LED器件中，在高过小功率LED器件近百倍的注入功率下，器件的散热就显得尤为的重要。

　　综上，我们知道，蓝宝石衬底上的LED器件由于结构的限制，使得器件的内外量子效率并不能够达到一个较高的水平，并且，由于器件的光效不高，导致器件的热效率上升，而GaN基LED器件的差的导热特性使得器件在工作时产生的热量不能够有效地传递走，造成结温的升高，这样的现象在大功率LED器件的制备总显得尤为的突出，因此，极大的限制了GaN基LED器件往高功率的方向的发展。

　　2、方法与结果
　　通过了解，我们知道GaN基LED的发展面临着瓶颈，如何克服蓝宝石衬底的障碍，成功地向高功率的方向迈进，成为了GaN基LED器件的主流课题。而这一尖锐问题，随着1997年Kelly[11]等人提出使用激光剥离蓝宝石衬底（Laser Lift Off）技术的提出，其解决方案逐渐明朗开来，金属衬底或Si衬底的垂直结构GaN基大功率LED器件逐渐走向了前台。激光剥离技术的基本原理就是利用GaN和蓝宝石禁带宽度的差异，局域性的使蓝宝石/GaN界面处的GaN吸光分解，相变为低熔点的镓和氮气，实现GaN基外延层和蓝宝石衬底的分离。
                                       
　　传统的激光剥离技术大多使用KrF激光器作为激光光源，激光光斑面积在1mm×1mm左右。激光剥离过程如图2.（a）所示。

　　2.1 激光剥离垂直结构LED器件

　　伴随着上述技术的发展，GaN基垂直结构LED器件逐步走向了前台。1999年，在Kelly[11]等人提出激光剥离后两年，Wong[12]等人第一次综合利用激光剥离和键合的方法制备出了Si基的垂直结构LED器件。国内各大研究机构也都在垂直结构LED器件领域做出研究，如北京大学等。垂直结构LED器件会是今后一段时间大功率LED器件的首选结构主要是器件结构的优势所带来的。垂直结构LED器件结构如图2.(b)所示。

　　首先，垂直结构的LED器件的上下电极结构，有利于器件的注入电流充分的扩展，提高载流子的注入效率，尤其是在大功率器件大电流注入的情况下，充分的电流扩展可以减少注入载流子的over flow等现象，提高器件的效率，减少热效率的产生。

　　其次，导热衬底的替换充分解决了蓝宝石衬底的热导瓶颈问题。极大地降低了器件正常工作时的结温，拓展了器件在大功率中的应用。从2000年到2004年，Wong等人和台湾交大等先后报道出使用Cu衬底或Si衬底的GaN基LED

　　器件其光功率可以达到蓝宝石衬底GaN基LED器件的2到4倍[13-18]。我们的研究也同样发现，导热衬底的LED器件光功率比蓝宝石衬底器件可提高2倍以上，且饱和注入电流也可以提高2倍以上，而这对于高功率器件尤为重要，因为高注入是高功率的基本前提[19]。

　　最后，垂直结构LED器件，避免了对LED器件表面的刻蚀，增大了器件的出光面积，提高了外量子效率，并且，p面大面积的表露给p面的粗糙化，添加出光结构等提供了便利，有效地改进了GaN基LED器件的出光 [17,18]。

　　综上，我们可以知道，垂直结构LED器件满足了GaN基大功率LED器件大电流注入的特点，解决了结温升高的问题，并且提高了器件的光功率，因此，它将是GaN基器件未来一段时间的首选结构。