Nghiên cứu chế tạo điốt phát sáng (LED) dùng trong công nghiệp chiếu sáng

Nhóm nghiên cứu xin chân thành ghi nhận sự đóng góp hữu hiệu của các đối tác nước ngoài và trong nước: - Trung tâm Quang điện tử COE thuộc Đại học Quốc gia Singapore NUS đã hợp tác đào

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NANO

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIÔT PHÁT SÁNG (LED) DÙNG TRONG CÔNG

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NANO

ĐỀ TÀI ĐỘC LẬP CẤP NHÀ NƯỚC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIÔT PHÁT SÁNG (LED) DÙNG TRONG CÔNG

NGHIỆP CHIẾU SÁNG

Mã số: ĐTĐL.2007G/42

Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan chủ trì đề tài:

Phó Giám Đốc

PGS.TS Đặng Mậu Chiến TS Tống Duy Hiển

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

TP Hồ Chí Minh, 10 - 2010

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên chúng tôi xin tỏ lòng biết ơn đến Bộ Khoa học và Công nghệ đã hỗ

trợ và cấp kinh phí thực hiện đề tài này

Nhóm nghiên cứu xin chân thành ghi nhận sự đóng góp hữu hiệu của các đối tác nước ngoài và trong nước:

- Trung tâm Quang điện tử (COE) thuộc Đại học Quốc gia Singapore

(NUS) đã hợp tác đào tạo cán bộ và hỗ trợ thiết bị MOCVD cho phần thực nghiệm chế tạo cấu trúc LED,

- Viện Nghiên cứu Vật liệu và Công nghệ (IMRE), Singapore đã hỗ trợ

thử nghiệm và đánh giá cấu trúc, chíp và bóng LED chế tạo,

- Công ty Cổ phần Năng lượng Mặt Trời Đỏ (RSE – JSC) và Công ty Cổ

phần Xuất nhập khẩu Điện tử Việt (Viettronimex) đã phối hợp ứng dụng kết quả nghiên cứu và nhận xét đánh giá chất lượng các sản phẩm chiếu sáng,

và mong muốn được tiếp tục cộng tác trong tương lai

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn:

- Vụ Khoa học Xã hội và Tự nhiên – Bộ KH&CN,

- Ban Giám đốc Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh,

- Ban Khoa học Công nghệ - ĐHQG TP HCM,

- Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano,

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 6 Danh mục các bảng 7

1.3 Ứng dụng của bóng LED trong công nghiệp chiếu sáng 41 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ

TẠO CẤU TRÚC LED, CHÍP LED VÀ BÓNG LED 43 2.1 Phương pháp chế tạo các màng bán dẫn bằng công nghệ MOCVD

(Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 43

2.2 Chíp LED (LED chip) 52

2.3 Lý thuyết chế tạo vi điện cực cho wafer LED 55

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CẤU TRÚC

LED 77

3.2 Chế tạo cấu trúc LED trên đế sapphire – cấu trúc dạng 1 79 3.3 Chế tạo cấu trúc LED trên đế sapphire – cấu trúc dạng 2 83

3.4 Nghiên cứu đánh giá bề mặt các màng bán dẫn chế tạo 88

3.4.1 Kết quả đánh giá bề mặt mẫu bằng kính hiển vi lực nguyên tử

3.4.2 Kết quả đánh giá bề mặt mẫu bằng kính hiển vi điện tử quét

3.5 Nghiên cứu đánh giá cấu trúc các màng bán dẫn chế tạo 95

3.5.1 Kết quả đánh giá cấu trúc mẫu bằng nhiễu xạ tia X độ phân giải

3.6 Nghiên cứu đánh giá tính chất quang của mẫu bằng phương pháp

đo phát xạ quang học (photoluminescence) ở nhiệt độ phòng

(RT-PL) 102 3.7 Nghiên cứu tính chất điện của các màng bán dẫn chế tạo 107

3.7.1 Kết quả đánh giá độ linh động của hạt tải bằng phương pháp đo

Hall 107

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHÍP LED ÁNH SÁNG

XANH 112 4.1 Thiết kế bộ mặt nạ (mask) cho các công đoạn quang khắc bằng

4.2 Quy trình công nghệ chế tạo chíp LED ánh sáng xanh 116

4.2.6 Nung ủ nhiệt các màng kim loại 148

4.3 Đánh giá các tính chất điện-quang của chíp LED chế tạo 150

4.3.1 Đánh giá đặc tuyến I-V và đặc tuyến quang - điện của chíp LED 152

CHƯƠNG 5: QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO BÓNG LED

ÁNH SÁNG TRẮNG 159 5.1 Công nghệ chế tạo bóng LED ánh sáng trắng 159

5.2 Kiểm tra tính chất điện - quang và thử nghiệm bóng LED chế tạo 177

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC SẢN PHẨM CHIẾU

6.1 Đèn sạc điện xách tay sử dụng 24 và 28 bóng LED (model:

6.2 Đèn sạc điện sử dụng 60 bóng LED (model: LNT-SLL04) 208

6.2.1 Thiết kế và các chi tiết được chế tạo 208

6.4 Đèn dài tiết kiệm năng lượng sử dụng 108 bóng LED (model: LNT-LLL01) 221

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

AFM Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscopy)

ccm Đơn vị đo lưu lượng: centimét khối trên phút (Cubic

centimeter per minute)

cd Đơn vị đo cường độ sáng (candela)

CIE Ủy ban quốc tế về chiếu sáng (tiếng Pháp: Commission

International de l’Eclaire, tiếng Anh: International Commssion

on Illumination) COE Trung tâm Quang Điện Tử (Center for Optoelectronics) - Đại

học Quốc Gia Singapore (National University of Singpore - NUS)

FWHM Độ bán rộng (Full Width at Half Maximum)

HR-XRD Nhiễu xạ tia X độ phân giải cao (high-resolution X-ray

diffraction) ICP Khắc plasma cao tần cảm ứng (Inductively Coupled Plasma) IMRE Viện Nghiên cứu Vật liệu và Công nghệ (Institute of Materials

Research and Engineering) - Singapore LED Điôt phát quang (Light Emitting Diode)

Nanotechnology) – Đại học Quốc gia TP HCM

LPE Liquid Phase Epitaxy

MFC Bộ điều khiển theo khối lượng dòng (Mass Flow Controller) MOCVD Phủ màng vật liệu bằng thể hóa kim cơ (Metal Organic

Chemical Vapor Deposition) MQW Cấu trúc đa giếng lượng tử (Multiple-Quantum Well)

PC Chuyển đổi huỳnh quang (Phosphor Converter)

PL Phổ phát quang (Photoluminescence)

PRS LED Phương pháp Schuber (Photon-recycling Semiconductor LED) RT-PL Phổ phát quang ở nhiệt độ phòng (Room Temparature –

Photoluminescence) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope )

TMIn TrimethylIndium

UV Cực tím (Ultra Violet)

áp suất khí quyển và áp suất yếu hơn 50

Bảng 3.1 Các thông số công nghệ chế tạo cấu trúc LED dạng 1 82 Bảng 3.2 Các thông số công nghệ chế tạo màng GaN không pha tạp 84 Bảng 3.3 Các thông số công nghệ chế tạo màng GaN pha tạp loại n 84 Bảng 3.4 Các thông số công nghệ chế tạo màng InGaN 85 Bảng 3.5 Các thông số công nghệ chế tạo cấu trúc đa giếng lượng tử

InGaN/GaN 86 Bảng 3.6 Các thông số công nghệ chế tạo màng AlGaN 86 Bảng 3.7 Các thông số công nghệ chế tạo màng GaN pha tạp loại p 87 Bảng 3.8 Các thông số công nghệ chế tạo cấu trúc LED dạng 2 88

Bảng 4.1 Các đặc tính vật lý và hóa học của photoresist dương AZ

5214E 120 Bảng 4.2 Độ dày tương ứng với tốc độ quay phủ 121 Bảng 4.3 Thông số công nghệ của quá trình quang khắc n-contact 131 Bảng 4.4 Tính chất vật lý của các vật liệu bốc bay 133 Bảng 4.5 Thông số công nghệ sử dụng cho quá trình quang khắc p-

contact 138

Bảng 4.6 Thông số công nghệ cho quá trình quang khắc cho p-bond

pad 143 Bảng 4.7 Bảng so sánh các thông số điện - quang của 2 loại chíp LED

(LNT-C6, LNT-C3) với chỉ tiêu đăng ký 158 Bảng 5.1 Tính chất cơ bản của epoxy LE-1201 172 Bảng 5.2 Tỉ lệ khối lượng phốtpho trong epoxy của các bóng LED 173 Bảng 5.3 Điện áp thuận của các bóng LED khi cấp dòng 20 mA 180 Bảng 5.4 Cường độ sáng, góc quan sát, quang thông và hiệu suất

quang điện của các bóng LED tại dòng 20 mA 182 Bảng 5.5 Độ tinh khiết của màu và tọa độ màu của các bóng LED chế

tạo 184 Bảng 5.6 Bảng so sánh các tính chất điện - quang của 2 loại bóng LED

(LNT-L6, LNT-L3) và bóng LED trên thị trường 186 Bảng 5.7 Kết quả đánh giá tính chất điện - quang của 2 loại bóng LED

ánh sáng trắng tại Viện IMRE – Singapore 187 Bảng 5.8 Các thông số ban đầu của 15 bóng LED và giá trị của biến trở

trong mạch thực tế 191

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.2 Lớp chuyển tiếp p – n khi hai bán dẫn chưa tiếp xúc (trái) và

khi hai bán dẫn tiếp xúc ở trạng thái cân bằng (phải) 27 Hình 1.3 Lớp chuyển tiếp p – n với điện áp thuận 32 Hình 1.4 Lớp chuyển tiếp p – n với điện áp ngược 34 Hình 1.5 Đặc tuyến I-V của lớp chuyển tiếp p – n 34

Hình 1.7 Quá trình đưa các hạt thiểu số vào lớp p – n phân cực thuận,

hạt tải bị giam trong giếng dẫn đến phát ra các bức xạ tự phát

mạnh hơn 38 Hình 1.8 Quá trình giam hãm các điện tử và lỗ trống bên trong giếng 38 Hình 1.9 Cấu trúc giếng lượng tử và các mức năng lượng 39

Hình 2.2 Sơ đồ của hệ thống điều khiển khí của MOCVD 44 Hình 2.3 Sơ đồ minh họa của quá trình vận chuyển các tiền chất dạng

Hình 2.5 Cấu trúc mạng của shappire Các mặt mạng của nhôm với sự

sắp xếp của các vị trí bị khuyết được minh họa ở hình bên trái

Những mặt này được xen vào bởi các lớp oxygen có cấu trúc

sáu phương xếp chặt 51

Hình 2.7 Quá trình kết hợp lỗ trống và điện tử phát ra photon 53

Hình 2.8 Chu trình trong chế tạo vi điện cực cho chíp LED 55

Hình 2.11 Cấu trúc hình học của màng tạo thành bởi (a) những đám

phân tử mật độ thấp và (b) những đám phân từ mật độ cao 62

Hình 2.14 LED (a) không có, (b) có chất đóng nắp dạng vòm Góc thoát

sáng lớn hơn khi LED có vòm epoxy, (c) Tỉ số tính toán của

hiệu suất thoát sáng phát ra qua bề mặt của LED phẳng khi

có và không có epoxy dạng vòm Chiết suất epoxy điển hình từ

Hình 2.15 Cấu trúc hóa học của polymer: nhựa epoxy, polymer silicon,

và poly methyl methacrylate (PMMA) được dùng đóng nắp

LED Trong cấu trúc silicon, X và Y đại diện cho các nguyên

tố hoặc phân tử: H, CH 3 (methyl), C 6 H 5 (phenyl) 67 Hình 2.16 (a) Cơ chế tạo LED ánh sáng trắng bằng cách phủ phốtpho

ánh sáng vàng lên chíp LED xanh dương; (b) Quang phổ của

LED ánh sáng trắng theo cơ chế ở hình a [20] 69

Hình 2.18 Độ nhạy tương đối của mắt theo bước sóng - nguồn

www.sisl.ch 71 Hình 2.19 Các hàm độ nhạy của 3 loại tế bào hình nón theo bước sóng 72

Hình 2.21 Biểu đồ màu xác định độ tinh khiết từ tọa độ màu (x; y) và

điểm cân bằng năng lượng (xee; yee), các vị trí đặc trưng của

LED màu xanh lá, xanh dương và đỏ 74 Hình 2.22 Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ mối nối đến tuổi thọ bóng

LED 76 Hình 2.23 Đồ thị ảnh hưởng của cường độ dòng thuận I f đến tuổi thọ

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo buồng phản ứng MOCVD Emcore D125 77 Hình 3.3 Ảnh chụp thiết bị đo tốc độ tráng phủ màng Filmetrics 78 Hình 3.4 Các máy tính điều khiển hệ thống MOCVD 78

Hình 3.6 Cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử 89 Hình 3.7 Thiết bị AFM (NanoTec Electronica S.L) – tại LNT 89 Hình 3.8 Ảnh chụp AFM của màng GaN không pha tạp 90 Hình 3.9 Ảnh chụp AFM của màng GaN pha tạp loại n 90 Hình 3.10 Ảnh chụp AFM của mẫu InGaN/GaN MQW 91

Hình 3.12 Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử quét 93 Hình 3.13 Ảnh chụp SEM của mẫu màng GaN không pha tạp 94 Hình 3.14 Ảnh chụp SEM của mẫu màng GaN pha tạp loại n 94 Hình 3.15 Nguyên lý phương pháp đánh giá bằng tia X 95 Hình 3.16 Thiết bị HR-XRD X’Pert (Philips) – tại COE (NUS) 95 Hình 3.17 Kết quả XRD quét Omega-2Theta mặt (0002) mẫu GaN

không pha tạp 96 Hình 3.18 Ảnh nhiễu xạ tia X quét Omega-2Theta mặt (0002) mẫu

InGaN 97 Hình 3.19 Ảnh nhiễu xạ tia X quét Omega-2Theta mặt (0002) của mẫu

Hình 3.20 Mô phỏng dữ liệu nhiễu xạ mặt (0002) 98 Hình 3.21 Thiết lập các thông số của màng MQW trên phần mềm mô

Hình 3.23 Ảnh chụp thiết bị Raman Labram 300 (Jobin Yvon) – tại LNT 100

Hình 3.25 Phổ Raman của lớp đa giếng lượng tử 101

Hình 3.27 Sơ đồ nguyên lý phương pháp PL (Photoluminescence) 103 Hình 3.28 Ảnh chụp thiết bị Rpm 2000 (Accent) – tại IMRE 103 Hình 3.29 Đồ thị PL và PL mapping của mẫu AlGaN 104 Hình 3.30 Đồ thị PL và PL mapping của mẫu InGaN/GaN MQW (3

period) 105 Hình 3.31 Đồ thị PL và PL mapping của mẫu cấu trúc LED 106

Hình 3.33 Ảnh chụp thiết bị HL 5500 – tại IMRE 108

Hình 3.35 Thiết bị đo điện trở mặt bốn đầu dò QuadProS302-8 (Lucas

Hình 3.36 Mô hình đo điện trở mặt bằng phương pháp bốn đầu dò 110 Hình 3.37 Kết quả đo điện trở màng mỏng p-GaN 111 Hình 4.1 Hình dạng (hình trái) và thông số kỹ thuật (hình phải) của

Hình 4.10 Thiết bị Spinner DELTA 6RC (SUSS Microtec) – tại LNT 122 Hình 4.11 Thiết bị Hot Plate 6 HP (SUSS Microtec) – tại LNT 123 Hình 4.12 Thiết bị Mask Aligner MJB4 (SUSS Microtec) - tại LNT 124 Hình 4.13 Quá trình chiếu tia UV ứng với Mask 1 trên thiết bị Mask

Hình 4.14 Cấu trúc LED sau khi quang khắc tạo phần mesa cho

n-contact 126 Hình 4.15 Thiết bị Dektak 6M (Veeco) – tại LNT 126 Hình 4.16 Hình ảnh bề mặt cấu trúc LED sau khi quang khắc tạo phần

mesa 127

Hình 4.18 Thiết bị ICP - Unaxis SLR-7701-8R – tại IMRE 128 Hình 4.19 Phần n-contact được khắc bởi thiết bị khắc khô ICP 129 Hình 4.20 Hình dạng cấu trúc LED sau quá trình ăn mòn 129 Hình 4.21 Ảnh SEM phần n-contact được khắc bởi thiết bị khắc khô

ICP 130 Hình 4.22 Cấu trúc LED sau khi khắc mesa cho phần n-contact 130 Hình 4.23 Quá trình chiếu tia UV ứng với Mask 2 trên thiết bị Mask

Hình 4.24 Cấu trúc LED sau khi quang khắc cho n-contact 132 Hình 4.25 Hình ảnh bề mặt cấu trúc LED sau khi quang khắc cho n-

contact 132 Hình 4.26 Hệ bốc bay E-beam evaporator EB-4P (Torrs International) –

Hình 4.27 Wafer LED 2 inch sau khi phủ các màng kim loại cho

n-contact 135 Hình 4.28 Cấu trúc LED sau khi được tráng phủ các màng kim loại cho

n-contact 136 Hình 4.29 Cấu trúc LED sau khi lift-off tạo n-contact 137

Hình 4.30 Hình ảnh điện cực n-contact sau quá trình lift-off 137 Hình 4.31 Quá trình chiếu tia UV ứng với Mask 3 trên thiết bị Mask

Hình 4.32 Cấu trúc LED sau khi quang khắc cho p-contact 139 Hình 4.33 Ảnh chụp bề mặt cấu trúc LED sau khi quang khắc cho p-

contact 139 Hình 4.34 Wafer LED 2 inch sau khi phủ các màng kim loại cho p-

contact 141 Hình 4.35 Cấu trúc LED sau khi tráng phủ màng kim loại cho p-contact 141 Hình 4.36 Cấu trúc LED sau khi lift-off tạo p-contact 142 Hình 4.37 Hình ảnh điện cực p-contact sau quá trình lift-off 143 Hình 4.38 Quá trình chiếu tia UV ứng với Mask 4 trên thiết bị Mask

Hình 4.39 Cấu trúc LED sau khi quang khắc cho p-bond bad 144 Hình 4.40 Bề mặt cấu trúc LED sau khi quang khắc cho p-bond pad 145 Hình 4.41 Wafer LED 2 inch sau khi tráng phủ màng Au cho p-bond

pad 146 Hình 4.42 Cấu trúc LED sau khi được tráng phủ kim loại vàng cho p-

Hình 4.43 Cấu trúc LED sau khi lift-off tạo p-bond pad 147 Hình 4.44 Hình ảnh điện cực p-bond pad sau quá trình lift-off 147 Hình 4.45 Thiết bị nung ủ JEFIRST 150 - tại IMRE 148 Hình 4.46 Cấu tạo thiết bị xử lý nhiệt nhanh (RTP) 149 Hình 4.47 Hình ảnh bề mặt wafer LED (a) trước và (b) sau khi nung ủ 149 Hình 4.48 Hệ LED chip Tester ELT 1000 (Ecopia) – tại LNT 150 Hình 4.49 Các bước thao tác đo đặc trưng I-V của chíp LED 151 Hình 4.50 Đóng cửa buồng tối tránh ánh sáng nhiễu từ bên ngoài 152

Hình 4.52 Đặc tuyến I-V của một số điôt làm từ những vật liệu bán dẫn

thông dụng 153 Hình 4.53 Đặc tuyến I-V (hình trái) và đặc tuyến quang - điện (hình

Hình 4.54 Đặc tuyến I-V (hình trái) và đặc tuyến quang - điện (hình

Hình 4.55 Kết quả đo các thông số đặc trưng V f, I v, λd, λP, I r, P e của chíp

trắng 159 Hình 5.2 Quy trình công nghệ chế tạo bóng LED ánh sáng trắng 160

Hình 5.9 Thành phẩm chíp LED sau khi được cắt 165 Hình 5.10 Ảnh chụp khung dẫn diện sử dụng chế tạo bóng LED 166

Hình 5.12 Khung dẫn điện đã được cố định nhờ hai bản kẹp 167 Hình 5.13 Thiết bị Dispenser OKI/DX350 (Techcon Systems) – tại LNT 167 Hình 5.14 Sử dụng thiết bị Dispenser nhỏ keo vào cốc (cup) phản xạ của

khung dẫn điện 168

Hình 5.15 Thiết bị gắp chíp Die bonder 7316C (Westbond) - tại LNT 168 Hình 5.16 (a) Giai đoạn gắp chíp đặt vào cốc phản xạ, (b) chíp LED sau

khi dán vào cốc 169 Hình 5.17 Thiết bị hàn dây Wire Bonding 4524AD (K&S) - tại LNT 169

Hình 5.19 Các bước hàn dây vào hai điện cực của chíp LED: (a) tạo mối

hàn tại cực âm của chíp LED; (b) hàn dây vàng vào catốt của

khung dẫn điện; (c) hoàn chỉnh bước hàn dây 171 Hình 5.20 Khuấy hỗn hợp phốtpho-epoxy bằng thiết bị khuấy từ L-81

Hình 5.21 Phủ hỗn hợp phốtpho-epoxy lên chíp LED 174 Hình 5.22 Trộn hỗn hợp keo epoxy sử dụng máy khuấy từ L-81 (Velp/

Hình 5.23 Sử dụng thiết bị Dispenser để đóng nắp bóng LED 176 Hình 5.24 Các mẫu sau khi đã đóng nắp bóng LED 176 Hình 5.25 Sản phẩm LED (a) hoàn chỉnh, (b) nhìn từ bên cạnh, (c)

nhìn từ trên xuống 177 Hình 5.26 Ánh sáng phát ra từ bóng LED khi áp dòng 20 mA 177 Hình 5.27 Hệ LED chip tester ELT 1000 (Ecopia) – tại LNT 178 Hình 5.28 Thiết bị FL-200 LED (Hopu Optoelectronics) – tại LNT 179 Hình 5.29 Các khoảng cách chuẩn đo cường độ sáng của LED (CIE) 180 Hình 5.30 Đặc tuyến dòng – áp của (a) bóng LED LNT-L6 và các bóng

LED LNT-L3: (b) P0; (c) P1; (d) P2; (e) P3; (f) P4; (g) P5 181 Hình 5.31 Phổ phát xạ của (a) bóng LED LNT-L6 và các bóng LED

LNT-L3: (b) P0; (c) P1; (d) P2; (e) P3; (f) P4; (g) P5 183 Hình 5.32 Biểu đồ màu của (a) bóng LED LNT-L6 và các bóng LED

LNT-L3: (b) P0; (c) P1; (d) P2; (e) P3; (f) P4; (g) P5 186 Hình 5.33 Mô hình mạch dùng trong phép đo tuổi thọ bóng LED 189

Hình 5.34 Ảnh chụp mạch thực tế dùng trong phép đo tuổi thọ bóng

LED 190 Hình 5.35 Đồng hồ vạn năng VOAm Wellink-HL 3000 190 Hình 5.36 Quang thông tương đối theo thời gian ứng với cường độ dòng

Hình 6.4 Ảnh mạch điện và tấm phản quang đèn 24 LED (bên trái) và

đèn 28 LED (bên phải) 204 Hình 6.5 Ảnh thể hiện kết nối các linh kiện điện tử cho đèn LNT-

Hình 6.6 Logo “LNT” và “Laboratory for Nanotechnology” được gắn

trên các mạch điện chế tạo 205 Hình 6.7 Đèn sạc tiết kiệm năng lượng sử dụng bóng LED được Cục

Sở hữu Trí tuệ cấp Bằng độc quyền 206 Hình 6.8 Brochure giới thiệu sản phẩm đèn chiếu sáng sử dụng bóng

Hình 6.9 Bao bì đóng gói cho các đèn chiếu sáng được thiết kế chuyên

nghiệp nhằm mục đích đưa sản phẩm ra thị trường người tiêu

dùng 207 Hình 6.10 Lễ chuyển giao công nghệ sản xuất đèn sạc điện sử dụng

Hình 6.11 Ảnh 3 tấm mạch điện bóng LED (bên trái) và hai tấm gá

phản quang (bên phải) 208 Hình 6.12 Mạch đèn 60 bóng LED được lắp ráp vào 2 tấm gá phản

Hình 6.13 Đèn sạc điện xách tay LNT-SLL04 đã được chế tạo LNT 209 Hình 6.14 Thí nghiệm so sánh độ sáng đèn SLL04 (bên trái) với đèn

huỳnh quang thị trường 12 W (ở giữa) 209 Hình 6.15 Sơ đồ cấu tạo của đèn chiếu sáng tự động sử dụng 56 bóng

Hình 6.16 Sơ đồ cung cấp nguồn điện và nguyên lý hoạt động của đèn 213 Hình 6.17 Sơ đồ nguyên lý họat động của cảm biến quang và mạch điều

Hình 6.18 Đế đèn, chụp đèn và mặt bích của model LNT-LAL01 215 Hình 6.19 Mạch bóng LED và tấm mặt nạ phản quang (bên trên), mạch

điều khiển và mạch điện bóng LED được gắn logo LNT (bên

dưới) 216 Hình 6.20 Ảnh thể hiện kết nối các linh kiện của đèn LNT-LAL01 217 Hình 6.21 Đèn chiếu sáng tự động LNT-LAL01: dạng 1 gắn trực tiếp

trên tường (hình trên) và dạng 2 lắp trên giá đỡ (hình dưới) 218 Hình 6.22 Logo LNT được chế tạo trên chụp đèn LNT-LAL01 219 Hình 6.23 Sơ đồ cấu tạo của đèn dài tiết kiệm năng lượng sử dụng 108

Hình 6.26 Ảnh thể hiện kết nối các linh kiện của đèn LNT-LLL01 224 Hình 6.27 Đèn dài tiết kiệm năng lượng sử dụng 108 bóng LED 225 Hình 6.28 Logo LNT được thiết kế trên trên mạch điện bóng LED (hình

trên) và chụp bóng đèn (hình dưới) 225

MỞ ĐẦU

A Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước

• Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Với sự gia tăng nhanh chóng nhu cầu sử dụng năng lượng và sự cạn kiệt dần các nguồn nhiên liệu không thể tái tạo được thì vấn đề năng lượng đang là một trong những thách thức của thế giới hiện nay Khoa học công nghệ cũng không thể đứng ngoài quy luật đó, để tạo ra các thiết bị có khả năng cạnh tranh trên thị trường thì một trong những tiêu chí quan trọng nhất đó chính là khả năng tiết kiệm năng lượng của sản phẩm đó, các nghiên cứu ứng dụng tiết kiệm năng lượng đang trở thành xu hướng của thế giới hiện nay

Trong công nghiệp chiếu sáng, việc thay thế các bóng đèn điện trở Tungsten bằng đèn huỳnh quang cách đây vài thập niên là một bước phát triển công nghệ lớn, ít nhất là trên khía cạnh tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, nếu nói bóng đèn điện trở là quá khứ thì bóng đèn huỳnh quang chỉ là hiện tại, còn tương lai mới thuộc về một thiết bị dựa trên hiệu ứng phát quang của bán dẫn,

đó chính là điôt bán dẫn phát sáng hay thường được gọi là LED (Light Emitting Diode)

Trước đây phương pháp LPE (Liquid Phase Epitaxy) được sử dụng để chế tạo LED Công nghệ này có nhược điểm cơ bản là độ dày không đồng đều, khó tạo màng mỏng nhỏ hơn 5 μm, và bề mặt màng mỏng không láng Vào thập niên năm 80 với sự ra đời của thiết bị phủ màng vật liệu bằng thể hóa hơi kim

cơ (Metal Organic Chemical Vapor Deposition - MOCVD), phương pháp tạo màng bằng thể hóa kim cơ hiện đại được phát triển mạnh và đã khắc phục được các nhược điểm của phương pháp LPE Tại Nhật, Công ty Nichia đã và đang đi đầu trong lĩnh vực thương mại hóa sản phẩm điôt phát sáng LED

xuất LED Các công ty Nhật sử dụng công nghệ sản xuất LED trên tấm đế sapphire Tại Hoa Kỳ, Công ty Cree Research sử dụng công nghệ sản xuất LED trên tấm đế SiC, và cường độ sáng của LED loại này kém hơn sản phẩm LED trên tấm đế sapphire của các công ty Nhật

Ngoài các quốc gia có nền công nghệ phát triển cao như Mỹ, Nhật thì các quốc gia Châu Á khác như Đài Loan, Hàn Quốc, Trung Quốc, cũng có một nền công nghiệp sản xuất LED phát triển ở mức độ rất cao Trong phạm vi khu vực Đông Nam Á, với việc trang bị các hệ thống MOCVD phục vụ cho các nghiên cứu điôt bán dẫn phát sáng, Singapore trở thành nước đi đầu khu vực trong nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực này

• Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay trong nước chưa có ngành công nghiệp vi điện tử, và cũng chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực vật liệu và linh kiện bán dẫn nói chung và đề tài này nói riêng Với mong muốn làm chủ công nghệ, các nhà khoa học Việt Nam từ lâu đã bắt tay vào nghiên cứu chế tạo loại sản phẩm này, tuy nhiên đến nay kết quả đạt được vẫn chưa cao, chưa thể triển khai ứng dụng vào cuộc sống Nguyên nhân của kết quả trên phần lớn là do các hạn chế nhất định về thiết bị chế tạo, đánh giá trong lĩnh vực bán dẫn

Từ năm 2005, Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano đã khởi động dự án nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo điôt bán dẫn phát sáng giai đoạn 1, chế tạo wafer LED, bước đầu đã đạt được những kết quả khả quan Do công nghệ chế tạo MOCVD là một công nghệ mới, hiện đại trên thế giới nên nhóm nghiên cứu đã gửi cán bộ nghiên cứu đi đào tạo chuyên sâu tại nước ngoài (Singapore) về công nghệ MOCVD Nhóm nghiên cứu đã bước đầu nắm vững quy trình công nghệ MOCVD để chế tạo cấu trúc bán dẫn phát sáng, đánh giá cấu trúc và tính chất điện - quang của vật liệu và cấu trúc bán dẫn phát sáng được chế tạo, bước đầu chế tạo thử nghiệm chíp LED ánh sáng

xanh dương. Việc thực hiện đề tài này sẽ hoàn thiện quy trình chế tạo điôt bán dẫn phát sáng bắt đầu từ nguyên liệu đầu vào và kết thúc là sản phẩm chiếu sáng sử dụng bóng LED hoàn chỉnh

Hiện nay, sử dụng các thiết bị tiết kiệm năng lượng là xu hướng của thế giới

và là một trong những yếu tố cho sự phát triển bền vững, Việt Nam với vai trò

là một thành viên trong một cộng đồng quốc tế cũng không nằm ngoài xu hướng đó Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, sự khuyến khích của chính phủ và việc cải thiện đáng kể các cơ sở vật chất, thiết bị nghiên cứu thì việc nghiên cứu chế tạo và triển khai ứng dụng điôt bán dẫn phát sáng tiết kiệm năng lượng trở nên khả thi hơn bao giờ hết

Hiện tại trong nước vẫn chưa có công trình nghiên cứu nào về chế tạo vật liệu

và cấu trúc bán dẫn phát sáng trên đế sapphire (wafer LED) bằng phương pháp MOCVD trên hệ thống MOCVD hiện đại, cũng như chế tạo chíp LED, bóng LED và đèn LED ứng dụng Do đó, đây là đề tài đầu tiên nghiên cứu về vấn đề này tại Việt Nam, giúp các cán bộ trong nước làm chủ công nghệ MOCVD để chế tạo cấu trúc bán dẫn phát sáng, các phương pháp đánh giá cấu trúc và các tính chất điện của vật liệu và cấu trúc bán dẫn phát sáng, nắm vững quy trình công nghệ chế tạo chíp LED và công đoạn chế tạo đèn LED ứng dụng

Đề tài này tập trung nghiên cứu sử dụng hệ thống MOCVD để chế tạo wafer LED, sử dụng các thiết bị hiện đại trong môi trường phòng sạch để chế tạo chíp LED, chế tạo bóng LED, đèn LED ứng dụng và đánh giá chất lượng của đèn LED chế tạo

B Mục tiêu đề tài

Quy trình chế tạo đèn LED bao gồm bốn công đoạn:

sử dụng phương pháp phủ màng vật liệu bằng thể hóa kim cơ hiện đại trên hệ thống MOCVD,

b) Chế tạo chíp LED ánh sáng xanh bằng phương pháp quang khắc, phương pháp phủ kim loại, lift-off, và nung ủ;

c) Chế tạo bóng LED ánh sáng trắng theo phương pháp phủ phốtpho (LED packaging),

d) Chế tạo sản phẩm đèn chiếu sáng sử dụng bóng LED

Đề tài này hướng đến các mục tiêu chế tạo cấu trúc bán dẫn phát sáng trên cơ

sở vật liệu GaN (với cấu trúc đa giếng lượng tử InGaN/GaN) trên tấm đế sapphire, chế tạo chíp LED, chế tạo bóng LED và ứng dụng bóng LED làm đèn chiếu sáng:

- Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo cấu trúc bán dẫn phát sáng trên tấm đế sapphire (wafer LED),

- Đánh giá các tính chất điện - quang của vật liệu để tối ưu hóa cấu trúc bán dẫn phát sáng chế tạo,

- Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo chíp LED,

- Đánh giá các tính chất điện - quang và chất lượng của chíp LED được chế tạo,

- Nghiên cứu quy trình công nghệ chế tạo bóng LED,

- Kiểm tra và đánh giá các đặc tính điện - quang của bóng LED chế tạo,

- Nghiên cứu chế tạo sản phẩm chiếu sáng sử dụng bóng LED

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Điôt phát sáng (LED) và lịch sử phát triển

LED đơn giản là một loại điôt bán dẫn tương tự như những loại điôt khác, gồm hai lớp bán dẫn ghép lại tạo thành mối nối p – n Tùy vào bước sóng của photon phát ra, ánh sáng sẽ có màu sắc khác nhau, phụ thuộc vào năng lượng

vùng cấm (E g) của mỗi loại vật liệu

Một vài mốc lịch sử của LED [15]:

• Năm 1907, nhà thực nghiệm người Anh - Henry Joseph Round làm việc ở phòng thí nghiệm Marconi Khi sử dụng tinh thể SiC (Silicon Carbide) để hiệu chỉnh đầu dò cat’s whisker thì ông đã ghi nhận rằng nếu áp một hiệu điện thế vào hai đầu tinh thể SiC thì nó phát ra ánh sáng màu vàng Khi ông thay đổi các loại tinh thể khác thì nó phát ra các màu sắc khác: xanh lá, cam, xanh dương Sau này hiện tượng này được biết đến là hiện tượng điện phát quang Thời gian này Henry đã

sử dụng SiC để tạo ra LED phát ánh sáng màu vàng có cường độ sáng rất kém Và LED đầu tiên này là một điôt Schottky, không phải là một điôt mối nối p-n

• Năm 1962, LED phát ánh sáng đỏ đầu tiên đã được tạo ra bởi Holonyak

và Bevacqua Mặc dù sự phát sáng chỉ quan sát được tại nhiệt độ thấp nhưng nó đã đánh dấu sự khởi đầu của điôt phát quang mối nối p-n phát sáng trong vùng bức xạ khả kiến Holoyak được xem là cha đẻ của điôt phát quang

• Năm 1993, nhóm nghiên cứu Shuji Nakamura cùng cộng sự tại công ty Nichia đã chế tạo thành công cấu trúc LED InGaN màu xanh dương và xanh lá có hiệu suất đạt được trên 10% Công trình nghiên cứu này đem

sự phát triển của điôt phát quang ánh sáng trắng đầu tiên Năm 2006, giáo sư Nakamura đã được nhận giải thưởng Công nghệ thiên niên kỷ (Millennium Technology) cho phát minh này

Ngày nay, theo cùng nhịp độ phát triển của khoa học, các cuộc nghiên cứu về LED và các ứng dụng của nó cũng đạt được những tiến bộ rõ rệt Xu thế nổi bật nhất hiện nay là nghiên cứu chế tạo LED trắng để ứng dụng vào lĩnh vực chiếu sáng, dần dần sẽ thay thế các bóng đèn huỳnh quang truyền thống vừa tiêu hao điện năng lớn, vừa có thời gian sử dụng ngắnhơn LED

1.2 Cấu trúc LED

1.2.1 Cấu trúc p-n

Điôt bán dẫn là các linh kiện điện tử thụ động và phi tuyến, cho phép dòng điện đi qua theo một chiều mà không theo chiều ngược lại [16], sử dụng các tính chất của các chất bán dẫn Có nhiều loại điôt bán dẫn, như điôt chỉnh lưu thông thường, điôt Zener, LED Chúng đều có nguyên lý cấu tạo chung là một

khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n (Hình 1.1)

Hình 1.1 : Cấu trúc cơ bản của điôt

Trong thực tế chế tạo các linh kiện bán dẫn như điôt bán dẫn được chế tạo theo quy trình sau: lấy một mẫu bán dẫn pha tạp chất loại p với mật độ

acceptor bằng N a, sau đó cho khuếch tán vào mẫu bán dẫn này tạp chất donor

với mật độ N d > N a từ một phía bề mặt mẫu Như vậy trên bề mặt mẫu này với độ sâu phụ thuộc vào quá trình khuếch tán ta có một lớp bán dẫn loại n, phía còn lại là lớp bán dẫn loại p Giữa hai lớp bán dẫn loại n và loại p hình thành một lớp chuyển tiếp p – n Sự phân bố tạp chất tại lớp chuyển tiếp rất phức tạp Để đơn giản bài toán, ta xét một chuyển tiếp lý tưởng khi ta cho hai khối bán dẫn tạp chất loại n và loại p tiếp xúc với nhau

Trong bán dẫn loại n, hạt dẫn cơ bản là các điện tử; trong bán dẫn loại p, hạt dẫn cơ bản là các lỗ trống [16] Ở nhiệt độ ion hóa, các hạt dẫn cơ bản này đều xuất hiện do sự ion hóa tạp chất Vì vậy có thể coi như mật độ điện tử trong bán dẫn loại n bằng mật độ tạp chất donor, mật độ lỗ trống trong bán dẫn loại p bằng mật độ tạp chất acceptor [16]:

Ngoài các hạt dẫn cơ bản trong bán dẫn tạp chất còn chứa các hạt dẫn thiểu số

(không cơ bản) Trong bán dẫn loại n có chứa một số lỗ trống với mật độ p n,

trong bán dẫn loại p có chứa một số điện tử với mật độ n p Mật độ hạt dẫn trong một chất bán dẫn bất kỳ có thể được xác định từ định luật khối lượng hiệu dụng [16]:

n.p n = p.n p = 2

i n

Với n i là mật độ trong bán dẫn thuần tương ứng được xác định ở cùng một điều kiện nhiệt độ

Ví dụ, nếu N a = Nd = 1022 m-3 và n i = 1019 m-3 thì n = p = 1022 m-3 và p n = n p =

1016 m-3 Như vậy mật độ của hạt dẫn cơ bản lớn hơn mật độ hạt dẫn không cơ bản trong mỗi bán dẫn tạp chất hàng triệu lần

Khi cho hai khối bán dẫn loại n và p tiếp xúc nhau [16], do có sự khác nhau

về mật độ hạt dẫn nên sẽ có sự khuếch tán của điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p và sự khuếch tán của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Trong quá trình khuếch tán, chúng sẽ tái hợp với các hạt dẫn cơ bản tại miền chúng vừa tới Kết quả là trong bán dẫn loại n, tại vùng gần mặt tiếp xúc

sẽ hình thành một miền điện tích dương, chủ yếu do các hạt ion donor tạo nên Tương tự trong bán dẫn loại p, tại vùng gần mặt tiếp xúc xuất hiện một

Nếu mật độ tạp chất N d = N a trong hai bán dẫn thì hai miền điện tích này có

độ dày bằng nhau dn = da, có trị số điện tích bằng nhau và chúng tạo thành một lớp khóa (miền nghèo) thường được gọi là lớp chuyển tiếp (hay lớp tiếp xúc) p – n với điện trở rất lớn Khi trạng thái cân bằng được thiết lập, giữa hai miền điện tích trái dấu ở hai phía của lớp chuyển tiếp p – n hình thành một

hiệu điện thế tiếp xúc U K và tương ứng với nó là một hàng rào thếϕ0 Hàng rào thếϕ0cản sự khuếch tán của điện tử từ bán dẫn loại n sang bán dẫn loại p

và sự khuếch tán của lỗ trống từ bán dẫn loại p sang bán dẫn loại n Hình 1.2

mô tả giản đồ năng lượng và sự hình thành lớp chuyển tiếp p – n

Giống như trường hợp tiếp xúc kim loại – kim loại, kim loại – bán dẫn, khi hai khối bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, dưới tác dụng của điện trường lớp chuyển tiếp, các mức năng lượng của bán dẫn n tụt xuống, các mức năng lượng của bán dẫn p dịch lên phía trên Quá trình dịch chuyển các mức năng

lượng sẽ ngừng khi các mức Fermi của hai bán dẫn trùng nhau Hình 1.2 cho

thấy độ cao của hàng rào thế tại lớp chuyển tiếp p – n:

0

ϕ = E Fn – E Fp = e.U K (1.1)

Hình 1.2 : Lớp chuyển tiếp p – n khi hai bán dẫn chưa tiếp xúc (trái) và

khi hai bán dẫn tiếp xúc ở trạng thái cân bằng (phải)

Trong vùng nhiệt độ ion hóa, mức Fermi của bán dẫn n được xác định bởi biểu thức:

E Fn = E c + kT ln

c

d N

N (1.2) Mức Fermi của bán dẫn p được xác định bởi biểu thức:

E Fp = E v + kT ln

v

a N

N + kT ln

v

a N

N = ΔE g - kT ln

a d

c v N N

n

e kT h

m

m

2 2

ΔE g = kT ln 2

i

c v n

N

N - kT ln

a d

c v N N

N

i

a d n

N

N (1.8)

Trong vùng nhiệt độ ion hóa tạp chất, N d = n, N c = p

np = kT ln

p n

n = kT ln

n p

p (1.9)

Từ (1.9) cho thấy hàng rào thế tại lớp chuyển tiếp p – n càng lớn nếu tỉ số giữa mật độ hạt dẫn cơ bản của một miền nào đó với mật độ hạt dẫn không cơ

bản của miền kia càng lớn Ví dụ trong bán dẫn loại n có mật độ điện tử n =

1022 m-3, trong bán dẫn loại p có mật độ điện tử (hạt dẫn không cơ bản của bán

Chiều dày của lớp chuyển tiếp phụ thuộc vào chiều cao của hàng rào thế ϕ0,

mật độ hạt dẫn cơ bản n và p và được xác định bằng công thức tương tự như

công thức của chiều dày miền nghèo trong tiếp xúc kim loại – bán dẫn:

d = d n + d p =

p n e

p n

.

) ( 2

2 0

0 εϕ +

p n e

p n

U K

.

) (

0 εϕ ε

Dòng điện tử đi từ bán dẫn n sang bán dẫn p qua lớp tiếp giáp phải bằng dòng điện tử đi từ bán dẫn p sang bán dẫn n Và dòng lỗ trống đi từ bán dẫn p sang bán dẫn n qua lớp tiếp giáp phải bằng dòng lỗ trống đi từ bán dẫn n sang bán dẫn p

n np = n pn

p pn = p np

Nói cách khác, ở trạng thái cân bằng dòng hạt cơ bản đi qua lớp chuyển tiếp cân bằng với dòng hạt không cơ bản qua lớp tiếp xúc theo chiều ngược lại

Nếu gọi mật độ dòng điện ứng với dòng điện tử đi từ bán dẫn n sang p là

j n = e.n np, mật độ dòng điện ứng với dòng điện tử đi từ bán dẫn p sang n là

j ns = e.n pn , mật độ dòng lỗ trống đi từ bán dẫn p sang n là j p = e.p np, mật độ

dòng điện ứng với dòng lỗ trống đi từ bán dẫn n sang p là j ps = e.p pn ở trạng thái cân bằng, ta có:

j n + j p = j ns + j ps (1.13)

Vế trái của (1.13) là mật độ dòng điện tổng hợp j bởi các hạt dẫn cơ bản gọi là

dòng khuếch tán Vế phải của (1.13) biểu diễn mật độ dòng điện tạo bởi các

hạt dẫn không cơ bản, gọi là dòng cuốn hay dòng trôi Rõ ràng mật độ dòng điện tổng hợp qua tiếp xúc p – n cân bằng luôn bằng 0:

j = (j n + j p)– (j ns + j ps) = 0

Các đại lượng được j n , j p , j ns , j ps xác định từ các công thức:

j n = j ns = e

n n L

τ n p (1.14)

j p = j ps = e

p p L

τ p n (1.15)

L n và L p là độ dài khuếch tán của điện tử trong khối bán dẫn p và độ dài

cách trung bình mà hạt dẫn đi được trong thời gian sống), τnvàτ plà thời gian

Khi đó hiệu điện thế ngoài V sẽ làm giảm chiều cao của hàng rào thế đối với

các hạt dẫn cơ bản (Hình 1.3) một đại lượng bằng eV Vì vậy dòng của các

hạt cơ bản qua lớp chuyển tiếp tăng lên exp ⎟

Hình 1.3 : Lớp chuyển tiếp p – n với điện áp thuận

Khi đó dòng các hạt dẫn không cơ bản qua tiếp xúc p – n không phụ thuộc

vào độ lớn của hàng rào thế (giới hạn trong điều kiện V<U K ), do đó dòng điện trôi hình thành bởi các hạt dẫn không cơ bản vẫn có giá trị xác định bởi (1.14) và (1.15)

Dòng điện tổng hợp qua tiếp xúc p – n khi có điện áp thuận bằng:

L

D n L

lớp chuyển tiếp tăng lên, do đó chiều cao của hàng rào thế đối với các hạt dẫn

cơ bản tăng (Hình 1.4) một lượng bằng eV Đồng thời độ dày d của lớp tiếp

xúc tăng lên Khi đó dòng các hạt dẫn cơ bản giảm exp ⎟

j n = e

n n L

τ p n kT

eV

e− (1.20)

Dòng các hạt dẫn không cơ bản không phụ thuộc vào hàng rào thế, do đó mật

độ dòng điện bão hòa được xác định với dòng các hạt dẫn không cơ bản qua

lớp chuyển tiếp có giá trị được xác định bởi j ns và j ps:

n n L p

L

τ

τ (1.21) Dòng điện tổng hợp qua tiếp xúc p – n khi có điện áp ngược:

e (1.22)

Hình 1.4 : Lớp chuyển tiếp p – n với điện áp ngược

Kết hợp các biểu thức (1.18) và (1.22) ta có phương trình đặc tuyến I – V của chuyển tiếp p – n:

e (1.23)

Đồ thị của đặc tuyến I – V của chuyển tiếp p – n có dạng giống như đặc tuyến

I – V của lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn (Hình 1.5)

Hệ số chỉnh lưu của lớp chuyển tiếp p – n được định nghĩa:

K =

ng

th j

n

e kT h

m

m

2 2 3

Khi đó mật độ các hạt dẫn không cơ bản sẽ bằng mật độ hạt dẫn cơ bản:

độ rộng vùng cấm của bán dẫn càng lớn Ví dụ đối với lớp chuyển tiếp p – n

Cần lưu ý trên thực tế đặc tuyến I – V của tiếp xúc p – n không hoàn toàn giống đường cong của tiếp giáp kim loại – bán dẫn, nhất là phần đặc tính

áp đánh thủng hay điện áp ngược cực đại Tùy theo bản chất của sự đánh thủng tiếp xúc p – n, ta chia làm ba loại chính: đánh thủng nhiệt, đánh thủng thác lũ, và đánh thủng xuyên hầm [16]

n khi nhiệt lượng tỏa ra tại tiếp xúc quá lớn không phân tán kịp, làm nóng và dẫn đến phá hủy chuyển tiếp p – n

dẫn không cơ bản chuyển động trôi trong vùng điện tích địa phương của lớp chuyển tiếp dưới tác dụng của điện trường cao có thể có được một năng lượng đủ lớn, có khả năng gây ra hiện tượng ion hóa vì va chạm làm phát sinh các hạt dẫn mới Hiện tượng ion hóa này tăng theo thời gian với cơ chế dây chuyền làm cho mật độ các hạt dẫn tăng mạnh

và được gọi là hiện tượng thác lũ

trường trong lớp chuyển tiếp p – n đạt đến giá trị cực đại

1.2.2 Cấu trúc tinh thể GaN

Cấu trúc tinh thể của vật liệu GaN thường có dạng Zinc-blend hay Wurtzite

Ở đó, pha tinh thể có cấu trúc Zinc-blend kém bền hơn pha tinh thể có cấu

trúc Wurtzite Do đó, trong hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm, chỉ chú ý

số cấu trúc và tính chất vật lý của tinh thể GaN

Hình 1.6 : Cấu trúc Wurtzite của tinh thể GaN Bảng 1.1 : Thông số cấu trúc và tính chất vật lý của tinh thể GaN cấu trúc Wurtzite [1]

Hệ số dãn nở nhiệt tại 300K Dọc theo aDọc theo c0: 5,59x10-6 K-1

0: 7,75x10-6 K-1

1.2.3 Giếng lượng tử trong cấu trúc LED

Một cấu trúc LED được pha tạp p – n (không phải cấu trúc dị chất), khi áp vào hai lớp một điện áp thuận thì các eletron từ lớp n và lỗ trống từ lớp p sẽ di chuyển qua mối nối (junction) Những hạt tải điện thiểu số sẽ tái hợp với những hạt tải điện đa số bằng cách dịch chuyển tự phát ngang qua vùng cấm như Hình 1.7