SiNx层 - 硅上GaN LED分析

横截面透射电子显微镜图(TEM)显示，器件层结构中的SiNx层会改变缺陷的方向甚至有的消失不见了，因而导致了低位错密度(图3)。与AlN相比GaN的面内晶格参数更大，它产生的压应力使得AlGaN/GaN界面也出现这种现象。

　　图3.TEM图中的淡线和深色区域展示出，SiN层有助于降低InGaN/GaN LED中的位错密度。图中纯螺旋式/混合型的位错清晰可见。

　　用TEM的平面图来评估外延片中的位错密度。汇同其它的原子力显微镜图像(在860°C时将表面暴露在硅烷助熔剂下面，可突出凹坑)，最终测得硅上GaN材料的位错密度值低于109cm-2。

　　在曼切斯特大学，研究人员使用光致光测量法PL(受温度的影响)来评估材料的IQE值，在室温下约为50%。使用这种方法的前提是，假定非辐射复合接近零基本予以忽略。生长在蓝宝石上的类似结构，它的位错密度是108cm-2，典型的IQE值是70%;这表明在硅平台上制备高性能LED的时候，硅上氮化物的位错密度不可能成为一个主要的问题。我们在QinetiQ继续制备LED.通过刻蚀一个n型GaN层的台面。接着，往上面沉积一层Ti/Al/Pt/Au合金以产生n型接触;p型接触是一个退火后的半透明NiAu和一个更厚的金接触焊盘。

　　我们最好的0.5×0.5mm LED，它所呈现的I-V特性与蓝宝石上GaN器件极其相似，开通电压约是2.5V(图4)，使用相同的光学方法测量两种器件的顶部光输出，结果发现蓝宝石基LED产生的光输出是硅器件的两倍。考虑到硅衬底的光吸收较大，对LED正向的总发光量进行测量，据计算硅上LED的IQE是37%。

　　图4. 硅上GaN LED产生了与常用器件非常相似的I-V曲线(a);但这种类型器件的光输出不到一半左右(b)

　　图5 硅、蓝宝石和SiC之比较

　　硅上LED仍处于早期阶段，但初始结果令我们非常振奋。移除硅衬底可防止光吸收，但它将不再对制造商构成威胁，原因是高亮度LED生产通常会采取倒装焊接和衬底移除。通过使用先进的封装及合适的荧光粉，我们现有的器件的发光效率可达70lm/W，这与基于蓝宝石的LED形成了对照。由于硅的成本低，这意味着，在硅上生长的GaN LED将接近美国能源署关于2012年每千流明成本所需达到的目标。这些将促使我们的器件成为固态照明应用中名副其实的竞争者。随着原位生长技术的提高，带来了更高质量的材料，为此器件的性能只会变得更好。