蓝光LED老化性能解析

繁华的城市离不开LED灯的装饰，相信大家都见过LED，它的身影已经出现在了我们的生活的各个地方，也照亮着我们的生活。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。

实验

实验用的外延片是在硅(111)衬底上用MOCVD方法生长的2in(50.8mm)的蓝光InGaN/GaN多量子阱外延片，其芯片尺寸为1000Lm@1000Lm，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1000Lm@1000Lm的芯片工作电流为350mA，为了加速老化，对样品A，B，C常温下通直流电流900mA。用电源KEITHLEY2635和光谱仪CompactArraySpectrometer(CAS)140CT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。

结果与讨论

I-V特性分析

表1为三种样品老化前、老化80，150和200h的Vf和Ir值，老化条件为常温900mA，其中Vf为350mA下的电压值，Ir为反向10V下的漏电流值，通常反向漏电流Ir在反向5V下测量，为比较结果，选择更苛刻的条件，在反向10V下测量。图1是三种样品老化前、老化80，150和200h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2.5V左右，反向10V下电流都在10-9A数量级。老化200h后三种样品在反向10V下其漏电流Ir都比老化前明显增加。表1说明了经大电流200h老化后相同反压(-10V)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。

InGaNMQWLED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：InGaNLEDpn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)。

EL光谱分析

图2是三种样品常温下900mA持续老化168h前后的1，10，100，500，800，1000和1200mA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900mA常温老化168h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)]

功率-电流(L-I)关系分析

图3是350mA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2h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32h，10h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900mA老化后A，B，C三种样品350mA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、350mA电流下相对光强随常温900mA老化后随时间的变化关系(以老化前光强为100%)

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。相信在未来的科学技术更加发达的时候，LED会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便，这就需要我们的科研人员更加努力学习知识，这样才能为科技的发展贡献自己的力量。