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GaN基发光二极管(LED)因其寿命长、效率高、节能环保的优势备受关注。随着外延技术、芯片技术、封装技术和应用技术的不断进步和发展,LED的应用从指示、背光等领域逐渐拓展到全彩显示、照明等高端领域。然而,限于目前的技术水平,GaN基LED量子效率还不高,迫切需要提高内量子效率和外量子效率,从而增强发光效率。GaN基LED内量子效率低与材料晶体质量差、应力大和电子捕获能力差有关,外量子效率低与光在界面的反射而导致取光效率低有关。针对内量子效率低,本论文设计并研制出了利用AlInGaN/InGaN多量子阱(MQW)作为电子发射层的LED器件,有效地提高了内量子效率。与此同时,为了进一步提高GaN基LED器件的外量子效率,我们研究了图形化蓝宝石衬底、分布布拉格反射薄膜、隐形切割技术对器件取光效率和可靠性的影响,实验表明这些技术可以改善器件的外量子效率和可靠性。具体研究工作如下: (1)基于光电子器件理论,利用Matlab和APSYS软件研究了影响GaN基LED器件内量子效率的主要因素。研究发现内量子效率与俄歇复合和载流子漏溢关系密切,随着俄歇复合和载流子漏溢加剧,LED内量子效率也急剧降低。本论文采用AlInGaN/InGaN多量子阱作为电子发射层,通过模拟优化并制备出了性能较好的AlInGaN/InGaN多量子阱作为电子发射层的LED。测试结果表明新结构量子效率得到明显的改善。这主要归因于采用这样的AlInGaN/InGaN电子发射层之后,一方面AlInGaN相比较于GaN势垒具有更高的禁带宽度,能非常有效地降低垂直方向上的电子迁移率并迫使电子做横向移动,可以提高电子捕获效率和改善电流的扩展能力;另一方面晶体质量得到了提高,缺陷密度降低到1.87×108/cm2。实验表明,采用新结构的LED在30V反向偏压的情况下漏电流为3.24μA,其发光效率提高约26％,在人体模式反向5000V静电释放(ESD)下仍然保持70%的良率,其性能指标较原有结构有较大提高。 (2)基于蒙特卡罗方法进行非序列性光线追踪的原理,利用Tracepro软件,研究了图形化衬底结构参数,如相邻图形单元的边缘间距,单位图形底面半径、高度以及侧面倾斜角度对GaN基LED取光效率的影响。通过比较取光效率的变化,得到了最优化的参数范围。通过优化光刻和电感耦合等离子(ICP)刻蚀工艺,获得了合适的衬底图形,图形高度1.5μm、侧面倾斜角度50度、相邻图形间距0.5μm。通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)工艺外延后,图形化衬底能够有效地提高外延层的晶体质量。X射线衍射(XRD)测试图形化衬底的外延层(102)半峰宽从285arcsec降低到264arcsec。同平面衬底的GaN基LED器件性能相比,采用图形衬底的LED的光通量提高了27%。这主要是由于图形化衬底可以有效改变界面平均折射率,进而改变光线路径,使得原本在界面处发生全反射的光被提取出去,从而有效地提高了LED器件的取光效率。 (3)利用TFCalc软件对全介质分布布拉格反射(DBR)膜和金属增强型分布布拉格反射膜对GaN基LED取光效率的改善进行了研究。通过优化膜层结构,全介质分布布拉格反射膜反射带内平均反射率可以大于97%,能够有效地提高光的反射。此外,全介质型分布布拉格反射膜较金属增强型分布布拉格反射膜的管芯,其光功率约有5.64%提高。为进一步验证器件可靠性,我们还将蒸镀有全介质分布布拉格反射膜和传统未蒸镀分布布拉格反射膜的样品用环氧树脂封装成型后在50℃高温下加速老化168小时,其光通量保持率提高27%,DBR膜有效阻挡了LED光源对底胶的劣化。 (4)激光表面切割技术的灼烧痕迹由于破坏了蓝宝石的晶体结构而吸光,影响了GaN基LED的取光效率。隐形切割是利用皮秒激光器光子密度达到蓝宝石多光子吸收阈值,蓝宝石吸收激光能量而破坏其价键的一种先进切割技术。对比两种切割技术,发现隐形切割技术的裸晶光功率增加11%,封装后光功率增加6%。利用X射线能谱分析法(EDS)研究了隐形切割断面中的O/Al原子比,发现仅在空腔周围有非常小的原子比失配区域,其他区域仍然保持蓝宝石晶体结构,对光线的投射、反射性能良好。此外,通过优化切割功率、聚焦深度、打点密度、调Q频率等工艺参数,使得芯片漏电流异常得到控制。