基于不同基板1W硅襯底藍(lán)光LED老化性能研究

GaN材料自20世紀(jì)90年代以來(lái)逐漸在顯示、指示、背光和固態(tài)照明等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，已形成巨大的市場(chǎng)。到目前為止，三種襯底(藍(lán)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(shí)現(xiàn)商品化。近幾年來(lái)，硅襯底GaN基LED技術(shù)備受關(guān)注。因?yàn)楣?Si)襯底具有成本低、晶體尺寸大、易加工和易實(shí)現(xiàn)外延膜的轉(zhuǎn)移等優(yōu)點(diǎn)，在功率型LED器件應(yīng)用方面具有優(yōu)良的性能價(jià)格比。

很多研究組在Si襯底上生長(zhǎng)了GaN外延膜并且有些獲得了器件或者對(duì)Si基GaN相關(guān)性能進(jìn)行了研究。在LED的制備過(guò)程中，將GaN薄膜轉(zhuǎn)移到新的支撐基板上制備垂直結(jié)構(gòu)的器件，獲得了比同側(cè)結(jié)構(gòu)器件更優(yōu)良的光電性能。

本文將Si襯底上生長(zhǎng)的GaN外延膜通過(guò)電鍍的方法轉(zhuǎn)移到了銅支撐基板、銅鉻支撐基板以及通過(guò)壓焊的方法轉(zhuǎn)移到Si支撐基板上，獲得了垂直結(jié)構(gòu)發(fā)光器件，并對(duì)三種樣品進(jìn)行了老化對(duì)比研究。

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用的外延片是在硅(111)襯底上用MOCVD方法生長(zhǎng)的2in(50.8mm)的藍(lán)光InGaN/GaN多量子阱外延片，其芯片尺寸為1000Lm@1000Lm，生長(zhǎng)方法已有報(bào)道。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備同爐生長(zhǎng)的外延片三片，其中一片用壓焊的技術(shù)及化學(xué)腐蝕的方法將GaN外延膜轉(zhuǎn)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(xué)腐蝕的方法將GaN外延膜分別轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lèi)樣品個(gè)體之間稍有差異，因此對(duì)樣品A，B，C進(jìn)行初測(cè)，分別選出有代表性的芯片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)光強(qiáng)等。

結(jié)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(cè)量，為比較結(jié)果，選擇更苛刻的條件，在反向10V下測(cè)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(kāi)啟電壓在2.5V左右，反向10V下電流都在10-9A數(shù)量級(jí)。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(shuō)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(shí)間的推移，三種樣品在相同反壓下的漏電流差別越來(lái)越大。InGaNMQWLED在老化后正向電壓稍有升高，是因?yàn)榇箅娏鏖L(zhǎng)時(shí)間老化使得裸露的n電極(鋁)局部氧化從而導(dǎo)致接觸電阻變大造成。老化后漏電變大的原因?yàn)椋篒nGaNLEDpn結(jié)耗盡層的寬度主要由p型層載流子濃度決定，芯片經(jīng)過(guò)大電流長(zhǎng)時(shí)間老化后，由于Mg-H復(fù)合體的分解，受主Mg被重激活，使得p型載流子濃度升高，導(dǎo)致耗盡層變窄，反向偏置時(shí)勢(shì)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(guò)大電流長(zhǎng)時(shí)間老化后，量子阱區(qū)缺陷密度增加，反向偏置時(shí)有缺陷和陷阱輔助隧穿引起漏電流，B，A，C三種樣品熱導(dǎo)率依次降低，所以在老化時(shí)產(chǎn)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)。

表1老化前后三種樣品的Vf值和Ir值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(zhǎng)隨電流的變化關(guān)系圖[圖2(b1)~(b3)]，圖中實(shí)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(guò)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(zhǎng)有所紅移外都沒(méi)有明顯變化。圖2(b1)~(b3)展示了老化前后三種樣品的波長(zhǎng)隨電流的變化有明顯差別，其中B樣品老化前后的波長(zhǎng)隨電流的變化關(guān)系幾乎一致，只是老化后同等電流下其波長(zhǎng)稍有增加。A，B，C三種樣品由于基板熱導(dǎo)率有差別，在老化時(shí)各樣品的結(jié)溫不一樣，所以老化后相同電流下的波長(zhǎng)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(zhì)以及芯片轉(zhuǎn)移方法不一樣，使得GaN外延膜轉(zhuǎn)移后在新的基板上受到的應(yīng)力狀況不一樣。文獻(xiàn)研究表明，GaN從硅襯底上通過(guò)壓焊和化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)移到新的硅基板上后整個(gè)GaN層受到的張應(yīng)力減小，量子阱InGaN層受到的壓應(yīng)力增大。用電鍍的方法實(shí)現(xiàn)薄膜轉(zhuǎn)移的GaN應(yīng)力松弛更加徹底，使得量子阱受到的壓應(yīng)力更大，所產(chǎn)生的極化電場(chǎng)更