WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 7 Высокомощные синие флип–чип светодиоды на основе AlGaInN © Д.А. Закгейм¶, И.П. Смирнова, И.В. Рожанский, С.А. Гуревич, М.М. Кулагина, Е.М. Аракчеева, Г.А. Онушкин+, А.Л. Закгейм+, Е.Д. Васильева, Г.В. Иткинсон Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия + Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур, 194021 Санкт-Петербург, Россия ЗАО „Светлана–Оптоэлектроника“, 194156 Санкт-Петербург, Россия (Получена 5 октября 2004 г. Принята к печати 28 ноября 2004 г.) Сообщается о разработке конструкции и изготовлении светодиодного кристалла большой мощности с площадью активной области 1 мм2, излучающего на длине волны 460 нм. Конструкция кристалла разработана на основе численного моделирования и предназначается для монтажа флип–чип. Применение двухуровневой разводки n-контакта позволило получить рекордно низкое значение последовательного сопротивления (0.65 Ом) и высокую однородность распределения тока накачки. Светодиоды на основе разработанной конструкции работают в непрерывном режиме в диапазоне токов 0–2 А, при этом максимальная выходная оптическая мощность составила 430 мВ.

1. Введение коллективов. Так, фирма Lumileds разработала так называемую „встречно-штыревую“ конструкцию для своих Существенный прорыв, произошедший в последние мощных светодиодных кристаллов [2], фирма OSRAM годы в области эпитаксиального выращивания высоко- использует метод лазерного отделения изолирующей качественных гетероструктур на основе AlGaInN, поз- подложки [3], что позволяет применить вертикальную волил получить высокие значения внешней квантовой конструкцию кристалла.

эффективности светодиодов, излучающих в видимой и Помимо достижения однородного распределения тока ближней ультрафиолетовой области. Так, при низких накачки в светодиодах большой мощности должны быть плотностях тока накачки для светодиодов, излучающих решены еще несколько важных проблем. Так, очень суна длине волны 460 нм (400 нм), достигнуты значения щественным препятствием для дальнейшего повышения эффективности свыше 50% (свыше 35%) [1]. Столь внешней эффективности светодиода является внутренвысокие эффективности делают возможным создание нее отражение генерируемого светового излучения на на основе таких светодиодов источников белого света, границах полупроводника с воздухом и (или) с сапфиспособных составить конкуренцию традиционным ламровой подложкой. На повышение эффективности вывопам накаливания, флюоресцентным и даже галогеновым да излучения из светодиодного кристалла направлено лампам.

множество работ; наиболее эффективными решениями Однако помимо высокой квантовой эффективности представляются создание рассеивающих свет поверхдля подобных применений от светодиодов требуется ностей [4], создание микрорезонатора внутри активной высокая мощность излучения. В то же время для области [5], использование фотонного кристалла [6].

всех существующих на данный момент гетероструктур Важной задачей является также минимизация последона основе нитридов элементов III группы характерен вательного электрического сопротивления светодиода и довольно резкий спад эффективности с увеличением создание условий для эффективного отвода тепла от плотности тока накачки, что приводит к необходимоактивной области, так как требуемый диапазон рабочих сти использования светодиодных кристаллов с большой токов составляет несколько ампер.

площадью активной области. В этом случае на перДля решения изложенных задач и создания мощных вый план выходит проблема поддержания приемлемой светодиодов наиболее перспективной представляется однородности плотности тока накачки по площади изтак называемая флип–чип конструкция излучающего лучающего p-n-перехода. Дело в том, что светодиодкристалла [2,7], в которой обе контактные площадки ные гетероструктуры, как правило, выращиваются на к материалу n- и p-типа проводимости расположены изолирующей сапфировой подложке, и проводимость с одной (лицевой) стороны и кристалл монтируется тонкого (4–5мкм) слоя n-GaN недостаточно высока для на теплоотвод лицевой стороной. При этом в качестве обеспечения однородного распределения тока накачки контакта к p-GaN используется комбинация металлов по активной области в случае, если линейные размеры с высокой отражающей способностью (обычно на оснокристалла превышают 300–400 мкм. На решение этой ве Ag), а свет выводится через прозрачную сапфировую проблемы направлены усилия многих исследовательских подложку. Такая конструкция позволяет в 1.6-2 раз ¶ E-mail: mitya@quantum.ioffe.ru повысить эффективность вывода излучения из кристалла 886 Д.А. Закгейм, И.П. Смирнова, И.В. Рожанский, С.А. Гуревич, М.М. Кулагина, Е.М. Аракчеева...

по сравнению со „стандартным“ вариантом, исполь- 3. Изготовление экспериментальных зующим тонкий полупрозрачный p-контакт [8]. Кроме образцов того, при монтаже флип–чип минимизируется тепловое сопротивление между активной областью светодиода и Для определения параметров светодиодной гететеплоотводом, так как тепло от p-n-перехода отводится роструктуры были изготовлены кристаллы средней через тонкий (0.1–0.3 мкм) слой GaN, а не через сап- мощности, имеющие простую прямоугольную форму фировую подложку, обладающую низкой теплопровод- p-контакта размером 350 450 мкм2. В этих кристаллах n-контакт имел форму „вилки“, охватывающей p-контакт ностью.

с трех сторон. При изготовлении использовалась коммерческая структура на основе AlGaInN, излучающая 2. Численное моделирование на длине волны 460 нм. Процесс изготовления включал в себя вытравливание двухуровневой меза-структуры растекания тока методом реактивного ионного травления в атмосфере Cl2 : BCl3 : Ar. Первое травление на глубину 0.5 мкм Таким образом, задачей данного исследования являпроводилось для вскрытия площадок под нанесение nлась разработка конструкции и изготовление светодиодконтакта. Второе травление на глубину 5–6мкм (до сапного кристалла с площадью активной области 1мм2, фировой подложки) по всему контуру светоизлучающего предназначенного для монтажа флип–чип. При этом кристалла проводилось с целью повышения эффективнорешалась задача одновременной минимизации последости вывода света из кристалла за счет дополнительного вательного сопротивления и достижения высокой одноотражения света от боковых стенок меза-структуры, родности распределения плотности тока накачки. Было имеющих наклон 45 к вертикали [8].

также уделено внимание минимизации площади пассивДля формирования рисунков всех контактных площаной области кристалла, занятой n-контактными площаддок применялась взрывная фотолитография. В процессе ками, а также повышению эффективности вывода света.

изготовления контактов особое внимание уделялось обПри разработке конструкции использовалось численное работке поверхности нитрида галлия с целью удаления моделирование трехмерной картины распределения тока поверхностных окислов перед нанесением металлов. Хив кристалле.

мическая обработка поверхности GaN перед нанесением Используемая для расчетов численная модель осноp-контакта была двухступенчатой. Перед формированивана на вычислении потенциалов и токов в трехмерной ем фотолитографической маски образцы кипятились в линейной сетке сопротивлений путем решения системы растворе HCl : HNO3 (3: 1) в течение 10 мин, а после линейных уравнений Кирхгофа. В сетку включались обрабатывались в растворе буферного травителя в тесопротивления трех типов, соответствующие удельному чение 5 мин. Отражающий p-контакт состоял из тонкого объемному сопротивлению материала n-GaN и удель(4нм) слоя Ni и толстого (200 нм) слоя Ag, наносимых ным контактным сопротивлениям n- и p-контактов.

методом термического испарения. Отражательная споУдельное объемное сопротивление p-GaN отдельно не собность такого контакта на длине волны 460 нм составрассматривалось (входило в контактное сопротивление ляет 85% для нормального падения света. В качестве p-контакта), поскольку толщина p-слоя в светодиодных n-контакта использовалась традиционная металлизация гетероструктурах на основе AlGaInN весьма мала и Ti/Al, наносимая методом магнетронного распыления в латеральным растеканием тока по этому слою можатмосфере Ar. Для получения низкоомного омического но пренебречь. Также в модель не вводилась вольтконтакта n-поверхность GaN подтравливалась ионами амперная характеристика самого p-n-перехода, поскольаргона непосредственно перед напылением металлов.

ку в режиме работы при больших плотностях тока (когда После отжига в атмосфере азота обе контактные плоp-n-переход полностью открыт) он не вносит заметного щадки усиливались слоем Au.

вклада в общее дифференциальное сопротивление светоВ дальнейшем n- и p-контактные площадки, преднадиода.

значенные для монтажа флип–чип, усиливались гальИспользование специальных алгоритмов численного ваническим слоем Au (толщиной 3 мкм), сапфировая решения систем линейных уравнений (многофронтальподложка утоньшалась до толщины 150–200 мкм и разный метод LU-разложения для разреженных матриц [9]) резалась с помощью лазерной резки на отдельные крипозволило рассчитывать сетки, содержащие до 105 узсталлы. Кристаллы монтировались на подкристальные лов. Это в свою очередь дало возможность корректного платы, представляющие собой чипы из окисленного описания трехмерного распределения плотности тока кремния с нанесенной ответной разводкой контактных накачки в светодиодных кристаллах со сложной гео- площадок. Полученные чипы в свою очередь напаиваметрией контактных площадок. Полученные расчетные лись на медный теплоотвод и закрывались линзой из распределения плотности тока по площади активной об- эпоксидной смолы [11].

ласти кристалла сопоставлялись с экспериментальными На рис. 1 приведены зависимости выходной оптиданными, полученными методом сканирования ближнего ческой мощности и внешнего квантового выхода изполя излучения светодиодного кристалла [10]. лучения светодиодов от тока накачки, измеренные в Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Высокомощные синие флип–чип светодиоды на основе AlGaInN Разработанный на основе численного моделирования кристалл с площадью активной области 1мм2 изображен на рис. 2. В этом кристалле n-контакт (1) состоит из охватывающей p-контакт „вилки“, а также из четырех фрагментов, внедренных в область p-контакта (2) и имеющих форму „уголков“. Все эти фрагменты электрически соединяются с помощью специальных мостиков (3), проходящих над p-контактом и изолированных от него слоем диэлектрика (4). Такая конструкция позволяет достичь очень высокой однородности плотности тока накачки в активной области, а также минимизировать площадь пассивной области, занятой n-контактом, так как проводники, подводящие ток к середине кристалла, вынесены на второй уровень металлизации. Главной технологической трудностью в реализации предложенной конструкции является надежная изоляция между слоями Рис. 1. Зависимость выходной оптической мощности и внеш- металлизации. В настоящей работе в качестве изонего квантового выхода от тока накачки для светодиодов лирующего диэлектрика был выбран SiO2, наносимый средней мощности.

методом магнетронного напыления на вращающуюся подложку в атмосфере H2 : Ar. Известно, что диэлектрик, нанесенный таким способом, обладает более высокой плотностью и вероятность электрического пробоя для него существенно меньше, чем для SiO2, напыленного в атмосфере чистого Ar [12]. Толщина слоя диэлектрика составляла 0.25 мкм. Наиболее критичным с точки зрения электрического пробоя является место, где слой диэлектрика перекрывает край p-контактной площадки. Поскольку толщина слоя металлизации p-контакта сравнима с толщиной диэлектрика, необходимо, чтобы край металла, формируемый с помощью взрывной фотолитографии, был пологим. Это достигается путем применения „обратной фотолитографичесой маски“, т. е.

маски, у которой стенка имеет отрицательный наклон Рис. 2. Внешний вид светодиодного кристалла большой к поверхности. Помимо нанесения промежуточного димощности.

электрика, все остальные технологические этапы изготовления светодиодного кристалла (включая травление двухуровневой меза-структуры) были идентичны применяемым для кристалла средней площади. Аналогичным непрерывном режиме. Как видно из рисунка, максиобразом кристаллы монтировались на подкристальные мальная выходная оптическая мощность составила боплиты и корпусировались.

лее 150 мВт при токе 800 мА, а максимальный квантовый выход 21% при токе 10 мА. Дифференциальное последовательное сопротивление светодиодов в диапа4. Обсуждение результатов зоне токов 400–800 мА составляет 1.8 Ом. Было также исследовано распределение мощности оптического изНа рис. 3 (слева) приведены расчетные распределучения по площади кристалла при различных токах ления плотности тока накачки по активной области накачки. Экспериментальные данные свидетельствуют о кристалла. Более темные участки на рисунке соответдостаточно высокой однородности накачки вплоть до ствуют большей плотности тока. На рис. 3 (справа) максимальных токов (800 мА) — отклонение мощности также представлено экспериментальное распределение излучения от среднего значения не превышает 20%, оптической мощности излучения при токе накачки 1 A.

что хорошо согласуется с результатами расчетов. Одна- Как результаты расчета, так и экспериментальные данко расчет показывает, что однородность распределения ные свидетельствуют о весьма высокой однородности плотности тока накачки по активной области кристалла распределения тока накачки. Лишь в непосредственсущественно ухудшается при увеличении линейных раз- ной близости к n-контакту присутствуют области, где меров активной области. Следовательно, для светодиод- плотность тока (и соответственно мощность излучения) ных кристаллов большой площади требуется примене- несколько превышает среднее значение. Расчетное средние более сложной топологии контактных площадок. неквадратичное отклонение плотности тока накачки от Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 888 Д.А. Закгейм, И.П. Смирнова, И.В. Рожанский, С.А. Гуревич, М.М. Кулагина, Е.М. Аракчеева...

Рис. 3. Расчетное (слева) распределение плотности тока накачки по площади активной области светодиодного кристалла и экспериментальное (справа) распределение оптической мощности при токе 1 А.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.