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超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征

李欣 沙源清 蒋成伟 王永进

李欣, 沙源清, 蒋成伟, 王永进. 超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0192
引用本文: 李欣, 沙源清, 蒋成伟, 王永进. 超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0192
LI Xin, SHA Yuan-qing, JIANG Cheng-wei, WANG Yong-jin. Fabrication and characterization process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0192
Citation: LI Xin, SHA Yuan-qing, JIANG Cheng-wei, WANG Yong-jin. Fabrication and characterization process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0192

超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征

doi: 10.3788/CO.2019-0192
基金项目: 中国博士后基金China Postdoctoral Science Foundation funded project (No. 2018M640508);江苏省高校自然科学基金Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions(No.18KJB510025);南京邮电大学1311人才计划1311 Talent Program of Nanjing University of Posts and Telecommunications;南京邮电大学国自孵化基金 National Self-funding Project of Nanjing University of Posts and Telecommunications (No. NY218013)
详细信息
    作者简介:

    李欣(1984—),女,陕西三原人,博士,2013年于西安交通大学获得博士学位,现为南京邮电大学通信与信息工程学院副教授,主要从事硅基氮化镓光电子器件方面的研究。E-mail:lixin1984@njupt.edu.cn

  • 中图分类号: O439;TN312+.8

Fabrication and characterization process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane

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  • 摘要: 为了更容易地导出LED有源层的出射光,本文研究了亚微米厚度LED悬空薄膜的工艺实现、形貌表征和光学性能表征。我们采用结合光刻工艺、深反应离子刻蚀技术和快速原子束刻蚀技术的背后工艺实现基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。我们利用白光干涉仪观察制备的超薄LED悬空薄膜的变形程度,发现薄膜变形大小与薄膜直径呈正相关,而与薄膜厚度呈负相关。薄膜变形大小总体低至纳米级,并且为中央凸起边缘平滑的拱形变形。我们通过反射谱测试发现未经加工的硅基氮化镓晶圆的反射模式数较多,而LED悬空薄膜的反射模式数大幅度减少,且反射谱整体光强明显提高。在光致发光测试中,我们发现由于应力释放,悬空薄膜的出射光峰值相较于硅基氮化镓晶圆出现了8.2nm的蓝移,并且从背面也可以探测到移除了大部分外延层的超薄LED悬空薄膜有明显的出射光。这表明悬空薄膜在光致发光情况下更有利于导出发射光。本研究工作实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED悬空薄膜,为氮化镓基LED器件在光微机电系统领域的应用开辟了新的空间。
  • 图  1  超薄氮化镓基LED悬空薄膜工艺流程图

    Figure  1.  Fabrication process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane

    图  2  剥离硅衬底的直径800 μm的LED悬空薄膜 (a)正面光镜图,(b)白光干涉仪获得的悬空薄膜三维变形图

    Figure  2.  LED freestanding membrane with 800 μm diameter by removing silicon substrate. (a) top-view optical microscope image, (b) freestanding membrane 3D deformation image by white light interferometer.

    图  3  不同直径LED悬空薄膜的变形情况 (a)掏空硅衬底,(b)背后减薄一次,(c)背后减薄两次

    Figure  3.  Deformation of LED freestanding membrane with different diameter. (a) Removing silicon substrate, (b) backside thinning by once, (c) backside thinning by twice.

    图  4  不同厚度LED悬空薄膜的反射谱

    Figure  4.  Reflectance spectra of LED freestanding membrane with different thickness

    图  5  正面激发情况下不同厚度LED悬空薄膜的光致发光谱

    Figure  5.  Photoluminescence spectra of LED freestanding membrane with different thickness from topside

    图  6  背面激发情况下不同厚度LED悬空薄膜的光致发光谱

    Figure  6.  Photoluminescence spectra of LED freestanding membrane with different thickness from backside

  • [1] PEARTON S J, ZOLPER J C, SHUL R J, et al. GaN: processing, defects, and devices[J]. Journal of Applied Physics, 1999, 86(1): 1-78.
    [2] ZHANG Y H, DADGAR A, PALACIOS T. Gallium nitride vertical power devices on foreign substrates: a review and outlook[J]. Journal of Physics D:Applied Physics, 2018, 51(27): 273001. doi:  10.1088/1361-6463/aac8aa
    [3] NAKAMURA S, PEATRON S, FASOL G. The Blue Laser Diode: the Complete Story[M]. 2nd ed. Berlin: Springer, 2000.
    [4] ALHASSAN A I, YOUNG E C, ALYAMANI A Y, et al. Reduced-droop green III-nitride light-emitting diodes utilizing GaN tunnel junction[J]. Applied Physics Express, 2018, 11(4): 042101. doi:  10.7567/APEX.11.042101
    [5] 李飚, 任艺, 常本康. 梯度掺杂结构GaN光电阴极的稳定性[J]. 中国光学,2018,11(4):677-683.

    LI B, REN Y, CHANG B K. Stability of gradient-doping GaN photocathode[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 677-683. (in Chinese)
    [6] MORELLE C, THÉRON D, DERLUYN J, et al. Gallium nitride MEMS resonators: how residual stress impacts design and performances[J]. Microsystem Technologies, 2018, 24(1): 371-377. doi:  10.1007/s00542-017-3293-0
    [7] 杨振川, 吕佳楠, 闫桂珍, 等. 基于干法刻蚀技术的氮化镓MEMS加工工艺(英文)[J]. 纳米技术与精密工程,2011,9(1):78-82. doi:  10.3969/j.issn.1672-6030.2011.01.015

    YANG ZH CH, LÜ J N, YAN G ZH, et al. Fabrication of GaN-based MEMS structures using dry-etch technique[J]. Nanotechnology and Precision Engineering, 2011, 9(1): 78-82. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-6030.2011.01.015
    [8] 李欣, 施政, 贺树敏, 等. 微机电可调硅基三族氮化物光栅[J]. 光学精密工程,2014,22(11):2945-2949.

    LI X, SHI ZH, HE SH M, et al. MEMS-tunable Ⅲ-nitride grating on silicon substrate[J]. Optics and Precision Engineering, 2014, 22(11): 2945-2949. (in Chinese)
    [9] TABATABA-VAKILI F, ROLAND I, TRAN T M, et al. Q factor limitation at short wavelength (around 300 nm) in III-nitride-on-silicon photonic crystal cavities[J]. Applied Physics Letters, 2017, 111(13): 131103. doi:  10.1063/1.4997124
    [10] PRABASWARA A, MIN J W, ZHAO CH, et al. Direct growth of III-nitride nanowire-based yellow light-emitting diode on amorphous quartz using thin Ti interlayer[J]. Nanoscale Research Letters, 2018, 13(1): 41. doi:  10.1186/s11671-018-2453-1
    [11] 李天保, 赵广洲, 卢太平, 等. 非故意掺杂GaN层厚度对蓝光LED波长均匀性的影响[J]. 发光学报,2017,38(9):1198-1204.

    LI T P, ZHAO G ZH, LU T P, et al. Effect of Undoped GaN layer thickness on the wavelength uniformity of GaN based blue LEDs[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2017, 38(9): 1198-1204. (in Chinese)
    [12] 周之琰, 杨坤, 黄耀民, 等. 硅衬底生长的InGaN/GaN多层量子阱中δ型硅掺杂n-GaN层对载流子复合过程的调节作用[J]. 发光学报,2018,39(12):1722-1729.

    ZHOU ZH Y, YANG K, HUANG Y M, et al. Recombination Process in InGaN/GaN MQW LED on Silicon with δ-Si Doped n-GaN Layer[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2018, 39(12): 1722-1729. (in Chinese)
    [13] CHARLES M, MRAD M, KANYANDEKWE J, et al. Extraction of stress and dislocation density using in-situ curvature measurements for AlGaN and GaN on silicon growth[J]. Journal of Crystal Growth, 2019, 517: 64-67. doi:  10.1016/j.jcrysgro.2019.04.014
    [14] WANG K J, WANG A Q, JI Q B, et al. Epitaxy of GaN in high aspect ratio nanoscale holes over silicon substrate[J]. Applied Physics Letters, 2017, 111(25): 252101. doi:  10.1063/1.5002529
    [15] ISHIKAWA H, ASANO K, ZHANG B, et al. Improved characteristics of GaN-based light-emitting diodes by distributed Bragg reflector grown on Si[J]. Physica Status Solidi (A), 2004, 201(12): 2653-2657.
    [16] ISHIKAWA H, JIMBO T, EGAWA T. GaInN light emitting diodes with AlInN/GaN distributed Bragg reflector on Si[J]. Physica Status Solidi C, 2008, 5(6): 2086-2088. doi:  10.1002/pssc.200778441
    [17] ZHANG B J, EGAWA T, ISHIKAWA H, et al. Thin-film InGaN multiple-quantum-well light-emitting diodes transferred from Si (111) substrate onto copper carrier by selective lift-off[J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(7): 071113. doi:  10.1063/1.1863412
    [18] CHEN T F, WANG Y Q, XIANG P, et al. Crack-free InGaN multiple quantum wells light-emitting diodes structures transferred from Si (111) substrate onto electroplating copper submount with embedded electrodes[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(24): 241112. doi:  10.1063/1.4729414
    [19] LUO R H, RAO W T, CHEN T F, et al. Vertical InGaN multiple quantum wells light-emitting diodes structures transferred from Si (111) substrate onto electroplating copper submount with through-holes[J]. Japanese Journal of Applied Physics, 2012, 51(1R): 012101. doi:  10.7567/JJAP.51.012101
    [20] 黄斌斌, 熊传兵, 汤英文, 等. 硅衬底氮化镓基LED薄膜转移至柔性黏结层基板后其应力及发光性能变化的研究[J]. 物理学报,2015,64(17):177804. doi:  10.7498/aps.64.177804

    HUANG B B, XIONG CH B, TANG Y W, et al. Changes of stress and luminescence properties in GaN-based LED films before and after transferring the films to a flexible layer on a submount from the silicon epitaxial substrate[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(17): 177804. (in Chinese) doi:  10.7498/aps.64.177804
  • [1] 迟明波, 韩欣欣, 徐阳, 舒风风, 吴一辉.  宽谱段高分辨扫描光谱定标技术 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20201302.0249
    [2] 冯思悦, 梁静秋, 梁中翥, 吕金光, 陶金, 王维彪, 秦余欣, 孟德佳.  LED微阵列投影系统设计 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20191201.0088
    [3] 赵海霞, 方铉, 王颜彬, 房丹, 李永峰, 王登魁, 王晓华, 楚学影, 张晓东, 魏志鹏.  ZnO/ZnS核壳纳米线界面缺陷的形成及发光特性研究 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20191204.0872
    [4] 董家宁, 范杰, 王海珠, 邹永刚, 张家斌, 侯春鸽.  高反射光学薄膜激光损伤研究进展 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20181106.0931
    [5] 李飙, 任艺, 常本康.  梯度掺杂结构GaN光电阴极的稳定性 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20181104.0677
    [6] 秦华, 黄永丹, 孙建东, 张志鹏, 余耀, 李想, 孙云飞.  二维电子气等离激元太赫兹波器件 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20171001.0051
    [7] 孙宝臣, 侯跃敏, 李峰, 李剑芝.  光纤光栅与受激布里渊信号的耦合特性 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20171004.0484
    [8] 王小平, 宁仁敏, 王丽军, 柯小龙, 陈海将, 宋明丽, 刘凌鸿.  蓝区无机薄膜电致发光材料研究进展 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20171001.0013
    [9] 周青超, 柏泽龙, 鲁路, 钟海政.  白光LED远程荧光粉技术研究进展与展望 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20150803.0313
    [10] 刘淑杰, 张元良, 张洪潮.  透明软质薄膜的表面形貌测量 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140702.0326
    [11] 杨飞, 安其昌, 张景旭.  基于功率谱的反射镜面形评价 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140701.0156
    [12] 王兴军, 周治平.  硅基光电集成用铒硅酸盐化合物光源材料和器件的研究进展 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140702.0274
    [13] 甘汝婷, 郭震宁.  新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布匹配 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140705.0794
    [14] 洪国彬, 杨钧杰, 卢廷昌.  蓝紫光氮化镓光子晶体面射型激光器 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20140704.0559
    [15] 郭汉洲, 吴振刚, 宋宣晓.  用于标定CCD相机的高精度数控LED点光源 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20130605.0759
    [16] 蔡红星, 胡馨月, 李昌立, 谭勇, 徐立君, 毕娟, 张喜和.  强激光毁伤过程的热辐射谱测量 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120503.0277
    [17] 赵亚辉, 范长江.  组合式发光二极管路灯反射器的设计 . 中国光学, doi: 10.3788/CO.20120505.0520
    [18] 古新安, 朱韦臻, 罗志伟, ANDREEV Y M, LANSKII G V, SHAIDUKO A V, IZAAK T I, SVETLICHNYI V A, VAYTULEVICH E A, ZUEV V V.  掺碲硒化镓晶体的光学性能 . 中国光学,
    [19] 张 鹏, 金 光, 石广丰, 齐迎春, 孙小伟, .  空间薄膜反射镜的研究发展现状 . 中国光学,
    [20] 朱放, 肖志松, 周博, 燕路, 张峰, 黄安平.  β-FeSi2薄膜制备与发光研究的进展 . 中国光学,
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出版历程
  • 网络出版日期:  2020-04-03

超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征

doi: 10.3788/CO.2019-0192
    基金项目:  中国博士后基金China Postdoctoral Science Foundation funded project (No. 2018M640508);江苏省高校自然科学基金Natural Science Foundation of the Jiangsu Higher Education Institutions(No.18KJB510025);南京邮电大学1311人才计划1311 Talent Program of Nanjing University of Posts and Telecommunications;南京邮电大学国自孵化基金 National Self-funding Project of Nanjing University of Posts and Telecommunications (No. NY218013)
    作者简介:

    李欣(1984—),女,陕西三原人,博士,2013年于西安交通大学获得博士学位,现为南京邮电大学通信与信息工程学院副教授,主要从事硅基氮化镓光电子器件方面的研究。E-mail:lixin1984@njupt.edu.cn

  • 中图分类号: O439;TN312+.8

摘要: 为了更容易地导出LED有源层的出射光,本文研究了亚微米厚度LED悬空薄膜的工艺实现、形貌表征和光学性能表征。我们采用结合光刻工艺、深反应离子刻蚀技术和快速原子束刻蚀技术的背后工艺实现基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。我们利用白光干涉仪观察制备的超薄LED悬空薄膜的变形程度,发现薄膜变形大小与薄膜直径呈正相关,而与薄膜厚度呈负相关。薄膜变形大小总体低至纳米级,并且为中央凸起边缘平滑的拱形变形。我们通过反射谱测试发现未经加工的硅基氮化镓晶圆的反射模式数较多,而LED悬空薄膜的反射模式数大幅度减少,且反射谱整体光强明显提高。在光致发光测试中,我们发现由于应力释放,悬空薄膜的出射光峰值相较于硅基氮化镓晶圆出现了8.2nm的蓝移,并且从背面也可以探测到移除了大部分外延层的超薄LED悬空薄膜有明显的出射光。这表明悬空薄膜在光致发光情况下更有利于导出发射光。本研究工作实现了厚度小、面积大、总体变形程度小、光学性能优良的LED悬空薄膜,为氮化镓基LED器件在光微机电系统领域的应用开辟了新的空间。

English Abstract

李欣, 沙源清, 蒋成伟, 王永进. 超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0192
引用本文: 李欣, 沙源清, 蒋成伟, 王永进. 超薄氮化镓基LED悬空薄膜的制备及表征[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0192
LI Xin, SHA Yuan-qing, JIANG Cheng-wei, WANG Yong-jin. Fabrication and characterization process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0192
Citation: LI Xin, SHA Yuan-qing, JIANG Cheng-wei, WANG Yong-jin. Fabrication and characterization process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0192
    • 氮化镓材料拥有优异的光学、电学、机械和压电性能[1, 2]。通过改变In、Ga、Al的含量,可以调控材料的禁带宽度,制备紫外、可见光及近红外波段的发光器件[3-5]。通过引入缓冲层来弥补晶格失配以及热膨胀不一致引起的残余应力,高质量的硅衬底氮化镓晶圆日益成熟。利用硅衬底原料成本低廉、晶圆尺寸大、散热性能好、易于剥离硅衬底等优点,结合氮化镓材料优异的光电性能,为进行晶圆级硅基氮化镓微纳LED器件及相关的光微机电系统的研究工作奠定了材料基础[6-8]。目前限制硅衬底氮化镓基LED器件应用的主要瓶颈是硅衬底和氮化镓外延层对LED器件光电性能的不利影响[9-11]。并且由于硅衬底和氮化镓外延层之间存在晶格失配及热膨胀不一致等问题,晶圆内部存在较大的内应力[12-14]。而硅基氮化镓光微机电系统的实现需要制备氮化镓基悬空薄膜器件,因此解决大面积氮化镓基悬空薄膜内应力的释放问题也是关键的研究难点。

      目前国内外关于改善硅基氮化镓LED器件性能的研究工作,主要涉及下述技术路线—图形化硅衬底、在硅衬底和外延层间添加布拉格反射镜、将LED器件转移至铜衬底。日本名古屋工业大学Takashi Egawa教授研究小组从材料生长的角度,利用MOCVD(金属有机化合物化学气相沉积)技术在硅衬底和氮化镓外延层之间制备DBR(分布式布拉格反射镜)结构,减少硅衬底对LED出射光的吸收[15, 16]。该小组也利用SLO(选择性激光剥离)去除LED器件发光区下方的硅衬底,并利用键合工艺将LED器件转移至铜衬底上方,以提升LED器件的光电性能[17]。中山大学张佰君教授研究小组将制备在硅基氮化镓晶圆上的LED器件转移至电镀铜衬底上。在衬底转移后,氮化镓外延层中的部分应力得到释放,有利于减小LED器件的量子限制斯塔克效应[18, 19]。南昌大学熊传兵教授小组将硅衬底氮化镓基LED薄膜转移至带有柔性黏结层的衬底上,获得了不受衬底束缚的LED器件[20]。并利用高分辨率X射线衍射仪和光谱仪,分别表征分析了LED器件转移前后的应力变化及LED器件的光致发光光谱。但以上研究工作都尚未涉及能够应用于光微机电系统的大面积亚微米厚度氮化镓基LED悬空薄膜的制备和光学特性分析。

      本文基于硅基氮化镓晶圆,开发了硅衬底剥离及悬空氮化镓薄膜背后减薄工艺,利用背后工艺制备了大面积亚微米厚度的超薄氮化镓基LED悬空薄膜,并对LED悬空薄膜进行了形貌测试及光学性能表征。LED悬空薄膜的光学特性和薄膜的厚度及变形情况密切相关,并且大面积亚微米厚度氮化镓基LED悬空薄膜的研究也为氮化镓基LED器件与可动可调控的光微机电系统的集成提供了可能性。

    • 本文的研究工作结合光刻工艺、深反应离子刻蚀技术(DRIE技术)和快速原子束刻蚀技术(FAB技术),利用背后工艺制备基于硅基氮化镓晶圆的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。硅基氮化镓晶圆由苏州晶能光电公司利用金属有机化合物化学气相沉淀技术(MOCVD技术)生产。硅基氮化镓晶圆的衬底为经过减薄的厚度为200微米的硅材料,氮化镓外延层从下至上分层结构为900 nm厚的Al(Ga)N缓冲层、400 nm厚的无掺杂GaN层、3.2 μm厚的n型GaN层、250 nm厚的InGaN/GaN多层量子阱层(为有源发光层)、220 nm的p型GaN。氮化镓外延层的总厚度为4.9 μm,硅衬底和氮化镓外延层都会对LED器件的光学性能造成不利影响。硅衬底会吸收LED器件有源层产生的出射光,外延层也会吸收出射光,并造成出射光在外延层内的反射耗散。

      制备超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件的背后工艺如图1所示。首先利用光刻工艺在晶圆背后的硅衬底面制备具有不同直径的圆形图形结构;之后利用深反应离子刻蚀技术(DRIE技术)掏空圆形图形内的硅衬底,形成具有不同直径的氮化镓基LED悬空薄膜。最后利用具有高度可控性的快速原子束刻蚀技术(FAB技术)从背后分阶段减薄LED悬空薄膜,制得具有亚微米级厚度的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。其中快速原子束刻蚀技术是制备工艺的关键所在,该技术利用具有方向性的高压电流(电压1.8 kV,电流12 mA)产生的电子束流加速SF6原子,对氮化镓材料进行速度稳定的高精度各向异性刻蚀,对氮化镓材料刻蚀深度的精确调控可达到纳米级别。

      图  1  超薄氮化镓基LED悬空薄膜工艺流程图

      Figure 1.  Fabrication process of ultra-thin GaN-based LED freestanding membrane

      为研究制备获得的具有不同尺寸LED悬空薄膜的变形和应力释放规律,我们设计了四种不同直径的圆形LED悬空薄膜,其直径分别为100 μm、200 μm、400 μm和800 μm,薄膜面积从31 400 μm2至2 009 600 μm2,涵盖了氮化镓基光微机电系统的可能包括的尺寸。图2为利用光学形貌检测设备观察的直径为800 μm的LED悬空薄膜。图2a为利用光学显微镜从正面观察的LED悬空薄膜的二维形貌特征,图2b为利用白光干涉仪测试的LED悬空薄膜三维变形图。直径为800 μm的LED悬空薄膜在掏空硅衬底后仍具有良好的表面质量,未出现裂纹或其他缺陷,证明了背后工艺的可行性。由于氮化镓外延层和硅衬底间存在内应力,释放内应力后,LED悬空薄膜整体呈现中央凸起边缘平滑的拱形变形。

      图  2  剥离硅衬底的直径800 μm的LED悬空薄膜 (a)正面光镜图,(b)白光干涉仪获得的悬空薄膜三维变形图

      Figure 2.  LED freestanding membrane with 800 μm diameter by removing silicon substrate. (a) top-view optical microscope image, (b) freestanding membrane 3D deformation image by white light interferometer.

      利用背后工艺制备的不同直径、不同厚度的LED悬空薄膜的表面变形程度不同。表面变形随薄膜直径的增大而增大,随着薄膜厚度的减小而减小,且整体呈现中央凸起边缘平滑的拱形变形。仅剥离硅衬底的LED悬空薄膜(厚度约为4.9 μm),直径为800 μm时,最大变形为400 nm左右;直径为100 μm时,最大变形为100 nm左右。经一次背后减薄至厚度约为2 μm的LED悬空薄膜,直径为800 μm时,最大变形为300 nm左右;直径为100 μm时,最大变形为100 nm左右。经两次背后减薄至厚度约为600 nm(亚微米厚度)的LED悬空薄膜,直径为800 μm时,最大变形为100 nm左右;直径为100 μm时,最大变形为40 nm左右。经背后减薄至亚微米厚度的LED悬空薄膜,整体变形均明显减小。

      图  3  不同直径LED悬空薄膜的变形情况 (a)掏空硅衬底,(b)背后减薄一次,(c)背后减薄两次

      Figure 3.  Deformation of LED freestanding membrane with different diameter. (a) Removing silicon substrate, (b) backside thinning by once, (c) backside thinning by twice.

    • 在上文中,我们研究分析了超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件的形貌特征。在本节中,我们将深入研究超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件的光学特性,并分析了其光学性能的提升。并利用反射谱测试设备测试经过多次背后减薄,厚度不同的氮化镓基LED悬空薄膜。反射谱测试设备所使用的光源波长覆盖450 nm−850 nm的波长范围,从正入射方向测试悬空薄膜的反射光谱。薄膜表面的反射光和薄膜与底部界面的反射光相互干渉,形成的反射谱可以表征薄膜的厚度和模式数。薄膜厚度越厚,由于干涉现象产生的谐振峰(即模式数)越多。

      未经过背后加工的硅衬底氮化镓样品,其氮化镓外延层总厚度为4.9 μm,带有硅衬底,图4中其反射谱模式数为27,且反射谱的整体相对光强较低。掏空硅衬底的LED悬空薄膜厚度不变,反射谱模式数仍为27,但由于移除了硅衬底,样品对反射光的吸收减少,反射谱相对光强提升。经过一次背后减薄至厚度约为2 μm的LED悬空薄膜的模式数降低为6。经过两次背后减薄至厚度约为600 nm的LED悬空薄膜模式数最终降低为1。较小的薄膜厚度有利于LED悬空薄膜应用于需要精确动作操控的光微机电系统器件,薄膜干涉模式数少也可以更容易地导出LED有源层产生的出射光,提高LED器件的发光效率。

      图  4  不同厚度LED悬空薄膜的反射谱

      Figure 4.  Reflectance spectra of LED freestanding membrane with different thickness

      之后利用波长为325 nm的He-Ne激光器激发LED悬空薄膜的量子阱有源层产生出射光,进行光致发光测试,并使用宽谱光谱仪测试出射光的光谱。由于硅衬底与氮化镓外延层之间存在较大的晶格失配和热失配,氮化镓外延层中引入了较厚的Al(Ga)N缓冲层来弥补晶格失配及热膨胀,硅衬底和氮化镓外延层间存在着较大的内应力。在从LED悬空薄膜正面进行光致发光激发的情况下,研究经过背后工艺释放了氮化镓外延层与硅衬底间的内部应力的光致发光光谱。LED悬空薄膜器件的量子阱能带结构在内部应力释放后会发生改变,其光致发光光谱也会发生相应变化。由图5可知,在经过背后加工前,LED悬空薄膜器件出射光的峰值波长为450.7 nm,LED悬空薄膜器件经两次减薄后出射光的峰值波长为442.5 nm。由于背后工艺移除了硅衬底和氮化镓外延层之间的界面和较厚的Al(Ga)N缓冲层,产生的内部应力释放造成量子阱能带结构的变化,光致发光下出射光的峰值波长出现了8.2 nm的明显蓝移。

      图  5  正面激发情况下不同厚度LED悬空薄膜的光致发光谱

      Figure 5.  Photoluminescence spectra of LED freestanding membrane with different thickness from topside

      图6可知,从背后对LED悬空薄膜器件进行光致发光测试,仅掏空硅衬底的LED悬空薄膜没有测试到明显的出射光,向背后发射的大部分出射光被氮化镓外延层吸收,并且由于较厚的悬空薄膜干涉模式数较多,也影响了出射光的导出。经过两次背后减薄移除大部分外延层后,悬空薄膜厚度降低至约600 nm。由于移除了大部分吸收向背后发射的出射光的外延层,并且减少了悬空薄膜的模式数,此时从LED悬空薄膜器件的背后也可以明显测试到透过悬空薄膜导出的出射光。

      图  6  背面激发情况下不同厚度LED悬空薄膜的光致发光谱

      Figure 6.  Photoluminescence spectra of LED freestanding membrane with different thickness from backside

    • 本文利用硅基氮化镓晶圆实现了基于背后工艺的超薄氮化镓基LED悬空薄膜器件。利用深反应离子刻蚀技术剥离硅衬底,并利用快速原子束刻蚀技术从背后减薄氮化镓外延层,将厚度为4.9 μm的氮化镓外延层减薄至600 nm左右。我们研究了具有不同厚度不同尺寸的LED悬空薄膜的变形程度和光学特性。LED悬空薄膜整体变形程度随薄膜直径的增大而增大,随着薄膜厚度的减小而减小,且整体呈现中央凸起边缘平滑的拱形变形。经过背后减薄,直径800 μm的LED悬空薄膜变形从400 nm降低至100 nm。反射谱测试表明厚度为4.9 μm的悬空薄膜的干涉模式数为27,厚度为600 nm的悬空薄膜的干涉模式数降低为1。正面光致发光测试表明背后工艺产生的内部应力释放造成量子阱能带结构变化,相较于未加工的硅基氮化镓晶圆,厚度为600 nm的LED悬空薄膜的出射光峰值波长出现了8.2 nm的蓝移。从背后进行光致发光测试时,移除了大部分氮化镓外延层的超薄LED悬空薄膜也可以测试到明显的出射光。大尺寸亚微米厚度圆形LED悬空薄膜整体变形程度小,可应用于需要精确动作操控的光微机电系统,薄膜干涉模式数少,可以更容易地导出LED有源层产生的出射光,为氮化镓基LED器件在光微机电系统领域的应用开辟了新的空间。

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