不同基板1 W 硅衬底蓝光LED 老化性能研究

　　1 引 言

　　GaN 材料自20 世纪90 年代以来逐渐在显示、指示、背光和固态照明等领域广泛应用, 已形成巨大的市场。到目前为止, 三种衬底( 蓝宝石、碳化硅和硅) 上制备的氮化镓(GaN) 基发光二极管(LED) 均已实现商品化。近几年来, 硅衬底GaN 基LED 技术备受关注。因为硅( Si) 衬底具有成本低、晶体尺寸大、易加工和易实现外延膜的转移等优点, 在功率型LED器件应用方面具有优良的性能价格比。

　　很多研究组在Si 衬底上生长了GaN 外延膜并且有些获得了器件或者对Si 基GaN 相关性能进行了研究。在LED 的制备过程中, 将GaN 薄膜转移到新的支撑基板上制备垂直结构的器件, 获得了比同侧结构器件更优良的光电性能。

　　本文将Si 衬底上生长的GaN 外延膜通过电镀的方法转移到了铜支撑基板、铜铬支撑基板以及通过压焊的方法转移到Si 支撑基板上, 获得了垂直结构发光器件, 并对三种样品进行了老化对比研究。

　　2 实 验

　　实验用的外延片是在硅( 111) 衬底上用MOCVD方法生长的2 in( 50. 8 mm) 的蓝光InGaN/ GaN 多量子阱外延片, 其芯片尺寸为1000 Lm@1000 Lm, 生长方法已有报道。实验准备同炉生长的外延片三片,其中一片用压焊的技术及化学腐蚀的方法将GaN 外延膜转移至Si 基板上并获得发光器件, 称为样品A,另外两片用电镀及化学腐蚀的方法将GaN 外延膜分别转移到电镀的铜基板和电镀的铜铬基板上并获得发光器件, 分别称为样品B、样品C。三种样品除了外延膜转移方式及支撑基板不一样外, 其他器件制作工艺都是一致的。

　　由于同类样品个体之间稍有差异, 因此对样品A, B, C 进行初测, 分别选出有代表性的芯片进行实验及测试。每种芯片都为裸芯封装。通常尺寸为1000 Lm@1000 Lm的芯片工作电流为350 mA, 为了加速老化, 对样品A, B, C 常温下通直流电流900 mA。用电源KEITHLEY 2635 和光谱仪Compact Array Spectrometer (CAS) 140 CT 测试了各样品老化前后的电流- 电压( I - V) 特性曲线、电致发光(EL) 光谱、各样品在各电流下的相对光强等。

　　3 结果与讨论

　　3. 1 I - V 特性分析

　　表1 为三种样品老化前、老化80, 150 和200 h的Vf 和I r 值, 老化条件为常温900 mA, 其中Vf 为350 mA 下的电压值, I r 为反向10 V 下的漏电流值, 通常反向漏电流I r 在反向5 V 下测量, 为比较结果, 选择更苛刻的条件, 在反向10 V 下测量。图1是三种样品老化前、老化80, 150 和200 h 后的I - V特性曲线, 分别为图1( a) ~ ( d) 。图1( a) 显示了A, B, C 三种样品在老化前都有较好的I - V 特性, 其开启电压在2. 5 V 左右, 反向10 V 下电流都在10- 9 A 数量级。老化200 h 后三种样品在反向10 V下其漏电流I r 都比老化前明显增加。表1 说明了经大电流200 h 老化后相同反压( - 10 V) 下B样品的漏电流最小, A 样品次之, C 样品最大, 而且随着老化时间的推移, 三种样品在相同反压下的漏电流差别越来越大。InGaN MQW LED 在老化后正向电压稍有升高, 是因为大电流长时间老化使得裸露的n 电极( 铝) 局部氧化从而导致接触电阻变大造成。老化后漏电变大的原因为: InGaN LEDpn 结耗尽层的宽度主要由p 型层载流子浓度决定,芯片经过大电流长时间老化后, 由于Mg- H 复合体的分解, 受主Mg 被重激活, 使得p 型载流子浓度升高, 导致耗尽层变窄, 反向偏置时势垒区变薄, 隧道击穿成分增多, 反向电流增加; 另外, 芯片经过大电流长时间老化后, 量子阱区缺陷密度增加, 反向偏置时有缺陷和陷阱辅助隧穿引起漏电流, B, A, C 三种样品热导率依次降低, 所以在老化时产生的缺陷和陷阱密度依次降低, 因此在相同反压下三种样品漏电流依次增大( 如表1 和图1 所示) 。

　　图1 三种样品老化前后I - V 特性曲线

　　表1 老化前后三种样品的Vf 值和I r 值

　　3. 2 EL 光谱分析

　　图2 是三种样品常温下900 mA 持续老化168 h前后的1, 10, 100, 500, 800, 1000 和1200 mA下的电致发光( EL) 光谱图[ 图2( a1) ~ ( a3) ] 以及三种样品老化前后的EL 波长随电流的变化关系图[ 图2( b1) ~ ( b3) ] , 图中实线表示老化前的光谱, 虚线表示老化后的光谱。图2( a1) ~ ( a3) 展示了经过归一化处理老化前后的EL 光谱, 三种样品老化前后各电流下的EL 谱波形除了大电流下峰值波长有所红移外都没有明显变化。图2( b1) ~ ( b3) 展示了老化前后三种样品的波长随电流的变化有明显差别, 其中B 样品老化前后的波长随电流的变化关系几乎一致, 只是老化后同等电流下其波长稍有增加。A, B, C 三种样品由于基板热导率有差别, 在老化时各样品的结温不一样, 所以老化后相同电流下的波长漂移C 样品最大, A 样品次之, B 样品最小。另外, 由于三种样品基板材质以及芯片转移方法不一样, 使得GaN 外延膜转移后在新的基板上受到的应力状况不一样。文献研究表明, GaN 从硅衬底上通过压焊和化学腐蚀转移到新的硅基板上后整个GaN 层受到的张应力减小, 量子阱InGaN 层受到的压应力增大。用电镀的方法实现薄膜转移的GaN应力松弛更加彻底, 使得量子阱受到的压应力更大, 所产生的极化电场更大, 从而导致能带倾斜更大, 因此载流子复合时释放光子的能量降低, 表现为EL 波长更长。因此, 老化前后EL 谱中压焊在硅基板上的A 样品波长最短, C 样品次之, B 样品最长, 且B 样品和C 样品非常接近。图2 还反映了老化前后从小电流到大电流下B 样品的波长红移最大, 这可能与以下几个方面有关, 一方面结温升高使得GaN 禁带宽度变小引起波长红移, 另一方面由于B 样品应力松弛最彻底, 因此B 样品量子阱受到的压应力最大, 所以B 样品多量子阱区的极化效应最强, 极化效应产生强的内建电场, 此电场导致显著的量子限制斯塔克( Stark ) 效应, 引起发光波长的红移。

　　图2 三种样品900 mA 常温老化168 h 前后的EL 谱图[ ( a1)~ ( a3) ] 及老化前后三种样品波长随电流的变化关系[ ( b1)~ ( b3) ]

　　3. 3 功率- 电流(L- I ) 关系分析

　　图3 是350 mA 电流下各样品相对光强随老化时间的变化关系, 三种样品都以老化前的光强为100% 。从图3 中可以看到, A, B, C 三种样品光强都随老化时间的增加而先增大后减小, 其中以A 样品在老化2 h 后光强增加最多, 随后随着老化的进行光强就开始减小了, 而B, C 样品分别在老化了32 h, 10 h 光强才开始下降, 并且下降的趋势比A样品慢。而且可看出在常温900 mA 老化后A, B,C 三种样品350 mA 下光强都经过一个最大值然后减小, C 样品减小最多, A 次之, B 样品的光强值虽在减小, 但仍然比老化前的值大。此现象的原因为:MOCVD 方法生长的GaN 有部分受主Mg 由于与H 形成Mg- H 复合体而钝化, Mg 的激活率很低, 导致空穴浓度较低, 在大电流老化中, 有部分Mg- H 键被打断而使受主Mg 被激活, 从而空穴浓度增加, 可能载流子浓度变得更加匹配, 发光效率变高。另一方面, 老化使GaN 材料中位错、缺陷等非辐射复合中心密度升高, 从而发光效率降低, 光强下降。这两种机制相互竞争, 在老化初期, Mg 受主激活机制占主导, 因此同等电流下三种样品光强都增加, 随着老化的进行, 位错、缺陷等非辐射复合中心增生机制逐渐占主导, 因此大电流老化一段时间后三种样品光强都减小。三种样品光衰的快慢不同可能是因为三种样品量子阱的应力状态及支撑基板热导率不一样造成非辐射复合中心增生的程度不一样引起的。

　　图3 350 mA 电流下相对光强随常温900 mA 老化后随时间的变化关系( 以老化前光强为100%)

　　4 结 论

　　通过对硅衬底上外延生长的、转移到硅基板、铜基板和铜铬基板GaN 基蓝光LED 进行对比老化研究, 研究结果表明, 在同等电流下铜基板的器件EL波长最长, 是因为电镀转移到铜基板后GaN 外延膜的应力松弛更彻底。通过对三种不同基板LED 器件的老化可知影响LED 可靠性的主要因素可能是其应力状态。研究了三种基板LED 老化前后的I - V特性、L- I 特性以及EL 光谱, 对比得知铜基板器件具有更好的老化性能。

编辑：Cedar