周圣军在LED芯片设计与制造领域取得新进展

新闻网讯（通讯员栋力）动力与机械学院周圣军等在硅衬底垂直结构发光二极管（Light-Emitting Diodes，LEDs）研究领域取得新进展，研究成果近日发表在光学领域期刊Optics Express（《光学快报》）。

论文题目为“High-power and reliable GaN-based vertical light-emitting diodes on 4-inch silicon substrate”《高可靠性大功率硅衬底GaN基垂直结构发光二极管芯片》。武汉大学为论文第一作者和通讯作者单位。论文第一作者和通讯作者为周圣军。

大功率LED芯片在照明、光通信和显示等领域有着广阔的市场需求。由于蓝宝石衬底的热导率低，水平结构和倒装结构LED芯片在高电流下工作时产生的热累积会导致严重的量子效率衰减（Efficiency droop）和可靠性问题，难以满足大功率LED芯片的技术要求。通过将LED晶圆片层键合到高热导率硅衬底上并采用激光剥离蓝宝石衬底，制备垂直结构LED芯片可以增强电流扩展和散热能力，从而提高器件可靠性。高反射率、低阻欧姆接触金属电极是垂直结构LED芯片设计与制造的关键技术。

在先前研究工作中，周圣军开发出一种多层金属堆栈电极用于三维倒装结构大功率蓝光LED芯片，该金属堆栈电极采用高反射率金属银（Ag）与p-GaN形成低阻欧姆接触，并在Ag上沉积TiW阻挡层，解决高温退火工艺中Ag薄膜发生团簇引起的反射率下降问题， 研究成果发表在Optics Express27，A669-A692（2019），被诺贝尔物理学奖获得者Nakamura教授和美国工程院院士DenBaars教授在论文【Opt. Express 2019, 27: A1074】中评价为世界上电注入效率最高的商业化蓝光LED芯片（“…ranges from 47%–70% at 20 mA [47,48], whereas for the best commercial blue LEDs, VE approaches 95% [49] and 99% [50].” 注：[49]和[50]分别为美国Soraa公司和周圣军的论文）。

在先前研究工作的基础上，周圣军带领研究团队开发了一种新型的多金属层堆栈电极结构用于垂直结构LED芯片。由于不同金属层间存在热膨胀系数差异引起的残余应力，传统的多金属层堆栈结构很容易被环境湿度等因素诱发断裂失效。研究团队在Ag/TiW表面和侧壁沉积Pt/Ti保护层以隔绝环境湿度，从而提高金属电极的环境稳定性。采用低温Au-In共晶键合技术将沉积多金属层堆栈电极的LED晶圆片与四英寸硅衬底键合，然后利用248纳米的KrF激光剥离蓝宝石衬底，制备出硅衬底垂直结构LED芯片。采用这一新型多金属层堆栈结构电极的垂直结构LED芯片的光功率达到了1030 mW，在经过1000小时的老化实验后，光输出功率衰减不超过1%。

此外，为了提高垂直结构LED芯片的光提取效率，周圣军研究了KOH溶液腐蚀对GaN表面形貌的影响。在经过KOH溶液腐蚀处理后，氮极性的GaN表面产生了规则的六棱锥结构。GaN表面的六棱锥微结构对光的散射作用增加了光从GaN波导中逃逸到空气的概率，使得垂直结构LED芯片获得了更高的光提取效率。该项研究课题得到湖北省杰出青年基金（2018CFA091）的资助。

（编辑：陈丽霞,原文链接：https://news.whu.edu.cn/info/1002/54958.htm）