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中国科学：物理学 力学 天文学 2015年 第45卷 第6期：067302 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Physica，Mechanica＆Astronomica phys． scichina．com SCIENCECHINA PRESS 硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管 江风益，刘军林 ，王立，熊传兵，方文卿，莫春兰，汤英文，王光绪，徐龙权， 丁杰，王小兰，全知觉，张建立，张萌，潘拴，郑畅达 国家硅基 LED工程技术研究中心 南昌大学．南昌 330047 联系人，E—mail：liujunlin@lieu．edu．ell 收稿 日期：2015-Ol一16，接收 日期：2015-03—11；网络出版 日期：2015—05．05 国家高技术研究发展计划 (编号：2011AA03A101，2009AA03A199，2005AA311010，2003AA302160)、国家 自然科学基金f批准号 6133400l5107207621405076)、国家科技支撑计划(编号：2011BAE32B01)和 电子发展基金资助 摘要 经过近十年的探索，作者在国际上率先突破了硅衬底高光效GaN基蓝光LED材料生长技术及 其薄膜型芯片制造技术，制备 了内量子效率和取光效率均高达 80％的单面出光垂直结构 GaN 基蓝光 LED，并实现了产业化和商品化，成功地应用于路灯、球炮灯、矿灯、筒灯、手电和显示显像等领域．本 文就相关关键技术进行全面系统地介绍．发明了选区生长、无掩模微侧向外延等技术，仅用 100nm厚的 单一高温AIN作缓冲层，制备了无裂纹、厚度大于3lam 的器件级GaN基LED薄膜材料，位错密度为 5×10cm～．发明了自成体系的适合硅衬底GaN基薄膜型LED芯片制造的工艺技术，包括高反射率低接 触 电阻P型欧姆接触 电极、高稳定性低接触 电阻n型欧姆接触电极、表面粗化、互补电极、GaN薄膜应 力释放等技术，获得了高光效、高可靠性的硅基LED，蓝光LED(450nm)在 350mA(35A／cm)下，光输出 功率达657mW，外量子效率为68．1％． 关键词 硅衬底，高光效，氮化镓，发光二极管 PACS：78．66．Fd，73．40．Kp，68．55．一a doi：10．1360／SSPMA2015．00027 1 引言 公司 Pankove等人l520多年来没能解决的两大难题， 即 “如何获得器件质量的外延材料和空穴导电的P型 2014年 10月7日瑞典皇家科学院宣布：赤崎勇、 层”． 天野浩和 中村修二 因发明“高效蓝色发光二极管”获 近 20年来，基于蓝宝石衬底的GaN基蓝光 LED 得 2014年诺贝尔物理学奖．这 3位科学家的突出贡 技术和产业发展迅猛，成为 目前市场上的主流技术 献在于，20年前他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光 路线．同时，基于 SiC衬底的GaN基蓝光 LED技术 效GaN基蓝光LED的两大核心技术，即过渡层生长 在少数厂家(代表性企业如美国的 Cree公司)得 以实 技术和P型GaN激活技术 ～ ，从而解决了美国广播 现，这一技术因 SiC衬底价格昂贵而被称为 “贵族技 江风益等． 中国科学：物理学 力学 天文学 2015年 第 45卷 第 6期 术路线”．这两条技术路线的主要贡献者 日本的赤崎 幅度，有利于提高 LED 薄膜波长均匀性，尤其对大 勇和美国的Carter分别获得 日美两国最高科技奖，即 尺寸硅衬底 GaN 基 LED 波长均匀性有明显的益处． 日本天皇文化勋章和美国总统技术奖． 本单位在单元图形为 1mlTlX1mm 的6英寸 Si(111) 相比蓝宝石和 SiC 衬底，硅衬底具有诸多优势， 图形衬底上获得了波长标准偏差仅为 1．52nm的蓝光 如结晶质量高、尺寸大、价格便宜等，同时硅衬底还 GaN