基于不同基板1W硅襯底藍光LED老化性能研究

GaN材料自20世紀90年代以來逐漸在顯示、指示、背光和固態(tài)照明等領域廣泛應用，已形成巨大的市場。到目前為止，三種襯底(藍寶石、碳化硅和硅)上制備的氮化鎵(GaN)基發(fā)光二極管(LED)均已實現(xiàn)商品化。近幾年來，硅襯底GaN基LED技術備受關注。因為硅(Si)襯底具有成本低、晶體尺寸大、易加工和易實現(xiàn)外延膜的轉移等優(yōu)點，在功率型LED器件應用方面具有優(yōu)良的性能價格比。 　　很多研究組在Si襯底上生長了GaN外延膜并且有些獲得了器件或者對Si基GaN相關性能進行了研究。在LED的制備過程中，將GaN薄膜轉移到新的支撐基板上制備垂直結構的器件，獲得了比同側結構器件更優(yōu)良的光電性能。 　　本文將Si襯底上生長的GaN外延膜通過電鍍的方法轉移到了銅支撐基板、銅鉻支撐基板以及通過壓焊的方法轉移到Si支撐基板上，獲得了垂直結構發(fā)光器件，并對三種樣品進行了老化對比研究。 　　實驗 　　實驗用的外延片是在硅(111)襯底上用MOCVD方法生長的2in(50.8mm)的藍光InGaN/GaN多量子阱外延片，其芯片尺寸為1000Lm@1000Lm，生長方法已有報道。實驗準備同爐生長的外延片三片，其中一片用壓焊的技術及化學腐蝕的方法將GaN外延膜轉移至Si基板上并獲得發(fā)光器件，稱為樣品A，另外兩片用電鍍及化學腐蝕的方法將GaN外延膜分別轉移到電鍍的銅基板和電鍍的銅鉻基板上并獲得發(fā)光器件，分別稱為樣品B、樣品C。三種樣品除了外延膜轉移方式及支撐基板不一樣外，其他器件制作工藝都是一致的。 　　由于同類樣品個體之間稍有差異，因此對樣品A，B，C進行初測，分別選出有代表性的芯片進行實驗及測試。每種芯片都為裸芯封裝。通常尺寸為1000Lm@1000Lm的芯片工作電流為350mA，為了加速老化，對樣品A，B，C常溫下通直流電流900mA。用電源KEITHLEY2635和光譜儀CompactArraySpectrometer(CAS)140CT測試了各樣品老化前后的電流-電壓(I-V)特性曲線、電致發(fā)光(EL)光譜、各樣品在各電流下的相對光強等。 　　結果與討論 　　I-V特性分析 　　表1為三種樣品老化前、老化80，150和200h的Vf和Ir值，老化條件為常溫900mA，其中Vf為350mA下的電壓值，Ir為反向10V下的漏電流值，通常反向漏電流Ir在反向5V下測量，為比較結果，選擇更苛刻的條件，在反向10V下測量。圖1是三種樣品老化前、老化80，150和200h后的I-V特性曲線，分別為圖1(a)~(d)。圖1(a)顯示了A，B，C三種樣品在老化前都有較好的I-V特性，其開啟電壓在2.5V左右，反向10V下電流都在10-9A數(shù)量級。老化200h后三種樣品在反向10V下其漏電流Ir都比老化前明顯增加。表1說明了經(jīng)大電流200h老化后相同反壓(-10V)下B樣品的漏電流最小，A樣品次之，C樣品最大，而且隨著老化時間的推移，三種樣品在相同反壓下的漏電流差別越來越大。 　　InGaNMQWLED在老化后正向電壓稍有升高，是因為大電流長時間老化使得裸露的n電極(鋁)局部氧化從而導致接觸電阻變大造成。老化后漏電變大的原因為：InGaNLEDpn結耗盡層的寬度主要由p型層載流子濃度決定，芯片經(jīng)過大電流長時間老化后，由于Mg-H復合體的分解，受主Mg被重激活，使得p型載流子濃度升高，導致耗盡層變窄，反向偏置時勢壘區(qū)變薄，隧道擊穿成分增多，反向電流增加;另外，芯片經(jīng)過大電流長時間老化后，量子阱區(qū)缺陷密度增加，反向偏置時有缺陷和陷阱輔助隧穿引起漏電流，B，A，C三種樣品熱導率依次降低，所以在老化時產生的缺陷和陷阱密度依次降低，因此在相同反壓下三種樣品漏電流依次增大(如表1和圖1所示)。 　　EL光譜分析 　　圖2是三種樣品常溫下900mA持續(xù)老化168h前后的1，10，100，500，800，1000和1200mA下的電致發(fā)光(EL)光譜圖[圖2(a1)~(a3)]以及三種樣品老化前后的EL波長隨電流的變化關系圖[圖2(b1)~(b3)]，圖中實線表示老化前的光譜，虛線表示老化后的光譜。圖2(a1)~(a3)展示了經(jīng)過歸一化處理老化前后的EL光譜，三種樣品老化前后各電流下的EL譜波形除了大電流下峰值波長有所紅移外都沒有明顯變化。圖2(b1)~(b3)展示了老化前后三種樣品的波長隨電流的變化有明顯差別，其中B樣品老化前后的波長隨電流的變化關系幾乎一致，只是老化后同等電流下其波長稍有增加。 　　A，B，C三種樣品由于基板熱導率有差別，在老化時各樣品的結溫不一樣，所以老化后相同電流下的波長漂移C樣品最大，A樣品次之，B樣品最小。另外，由于三種樣品基板材質以及芯片轉移方法不一樣，使得GaN外延膜轉移后在新的基板上受到的應力狀況不一樣。文獻研究表明，GaN從硅襯底上通過壓焊和化學腐蝕轉移到新的硅基板上后整個GaN層受到的張應力減小，量子阱InGaN層受到的壓應力增大。用電鍍的方法實現(xiàn)薄膜轉移的GaN應力松弛更加徹底，使得量子阱受到的壓應力更大，所產生的極化電場更大，從而導致能帶傾斜更大，因此載流子復合時釋放光子的能量降低，表現(xiàn)為EL波長更長。 　　因此，老化前后EL譜中壓焊在硅基板上的A樣品波長最短，C樣品次之，B樣品最長，且B樣品和C樣品非常接近。圖2還反映了老化前后從小電流到大電流下B樣品的波長紅移最大，這可能與以下幾個方面有關，一方面結溫升高使得GaN禁帶寬度變小引起波長紅移，另一方面由于B樣品應力松弛最徹底，因此B樣品量子阱受到的壓應力最大，所以B樣品多量子阱區(qū)的極化效應最強，極化效應產生強的內建電場，此電場導致顯著的量子限制斯塔克(Stark)效應，引起發(fā)光波長的紅移。 　　圖2三種樣品900mA常溫老化168h前后的EL譜圖[(a1)~(a3)]及老化前后三種樣品波長隨電流的變化關系[(b1)~(b3)] 　　功率-電流(L-I)關系分析 　　圖3是350mA電流下各樣品相對光強隨老化時間的變化關系，三種樣品都以老化前的光強為100%。從圖3中可以看到，A，B，C三種樣品光強都隨老化時間的增加而先增大后減小，其中以A樣品在老化2h后光強增加最多，隨后隨著老化的進行光強就開始減小了，而B，C樣品分別在老化了32h，10h光強才開始下降，并且下降的趨勢比A樣品慢。而且可看出在常溫900mA老化后A，B，C三種樣品350mA下光強都經(jīng)過一個最大值然后減小，C樣品減小最多，A次之，B樣品的光強值雖在減小，但仍然比老化前的值大。 　　此現(xiàn)象的原因為：MOCVD方法生長的GaN有部分受主Mg由于與H形成Mg-H復合體而鈍化，Mg的激活率很低，導致空穴濃度較低，在大電流老化中，有部分Mg-H鍵被打斷而使受主Mg被激活，從而空穴濃度增加，可能載流子濃度變得更加匹配，發(fā)光效率變高。另一方面，老化使GaN材料中位錯、缺陷等非輻射復合中心密度升高，從而發(fā)光效率降低，光強下降。 　　這兩種機制相互競爭，在老化初期，Mg受主激活機制占主導，因此同等電流下三種樣品光強都增加，隨著老化的進行，位錯、缺陷等非輻射復合中心增生機制逐漸占主導，因此大電流老化一段時間后三種樣品光強都減小。三種樣品光衰的快慢不同可能是因為三種樣品量子阱的應力狀態(tài)及支撐基板熱導率不一樣造成非輻射復合中心增生的程度不一樣引起的。 　　圖3、350mA電流下相對光強隨常溫900mA老化后隨時間的變化關系(以老化前光強為100%) 　　結論 　　通過對硅襯底上外延生長的、轉移到硅基板、銅基板和銅鉻基板GaN基藍光LED進行對比老化研究，研究結果表明，在同等電流下銅基板的器件EL波長最長，是因為電鍍轉移到銅基板后GaN外延膜的應力松弛更徹底。通過對三種不同基板LED器件的老化可知影響LED可靠性的主要因素可能是其應力狀態(tài)。研究了三種基板LED老化前后的I-V特性、L-I特性以及EL光譜，對比得知銅基板器件具有更好的老化性能。