本文圖片參考led路燈廠家漢鼎能源的產(chǎn)品老化實圖,，文字來源：南昌大學(xué)教育部發(fā)光材料與器件工程研究中心

GaN材料自20世紀(jì)90年代以來逐漸在顯示,、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,。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)均已實現(xiàn)商品化,。近幾年來,，硅襯底GaN基LED技術(shù)備受關(guān)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(zhuǎn)移等優(yōu)點，在功率型LED器件應(yīng)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(guān)性能進(jìn)行了研究,。在LED的制備過程中，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襯底上生長的GaN外延膜通過電鍍的方法轉(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,，并對三種樣品進(jìn)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(lán)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(zhǔn)備同爐生長的外延片三片,，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,。

　　由于同類樣品個體之間稍有差異,，因此對樣品A，B,，C進(jìn)行初測,，分別選出有代表性的芯片進(jìn)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(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下測量,，為比較結(jié)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(dǎo)致接觸電阻變大造成,。老化后漏電變大的原 因為：InGaNLEDpn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)過大電流長時間老化后,，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(dǎo)率依次降低,，所以在老化時產(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)。

圖1三種樣品老化前后I-V特性曲線

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波長隨電流的變化關(guān)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(guān) 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(dǎo)率有差別,，在老化時各樣品的結(jié)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(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從硅襯底上通過壓焊和化學(xué)腐蝕轉(zhuǎn)移到新的硅基板上后整個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)生的極化電場更大,，從而導(dǎo)致能帶傾斜更大,，因此載流子復(fù)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(guān),，一方面結(jié)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(yīng)力松 弛最徹底,，因此B樣品量子阱受到的壓應(yīng)力最大,，所以B樣品多量子阱區(qū)的極化效應(yīng)最強(qiáng)，極化效應(yīng)產(chǎn)生強(qiáng)的內(nèi)建電場,，此電場導(dǎo)致顯著的量子限制斯塔克 (Stark)效應(yīng),，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(guān)系[(b1)~(b3)]

　　功率-電流(L-I)關(guān)系分析

　　圖3是350mA電流下各樣品相對光強(qiáng)隨老化時間的變化關(guān)系,，三種樣品都以老化前的光強(qiáng)為100%,。從圖3中可以看 到，A,，B,，C三種樣品光強(qiáng)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(qiáng)增加最多,，隨后隨著老化的進(jìn)行光強(qiáng)就開始減小了,，而B，C樣 品分別在老化了32h,，10h光強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)合體而鈍化,，Mg的激活率很低,，導(dǎo)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(fù)合中心密度升高,，從而發(fā)光效率降低，光強(qiáng)下降,。這兩種 機(jī)制相互競爭，在老化初期,，Mg受主激活機(jī)制占主導(dǎo),，因此同等電流下三種樣品光強(qiáng)都增加，隨著老化的進(jìn)行,，位錯,、缺陷等非輻射復(fù)合中心增生機(jī)制逐漸占主 導(dǎo)，因此大電流老化一段時間后三種樣品光強(qiáng)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(yīng)力狀態(tài)及支撐基板熱導(dǎo)率不一樣造成非輻射復(fù)合中心 增生的程度不一樣引起的,。

圖3、350mA電流下相對光強(qiáng)隨常溫900mA老化后隨時間的變化關(guān)系(以老化前光強(qiáng)為100%)

　　結(jié)論

　　通過對硅襯底上外延生長的,、轉(zhuǎn)移到硅基板,、銅基板和銅鉻基板GaN基藍(lán)光LED進(jìn)行對比老化研究，研究結(jié)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(zhuǎn)移到銅基板后GaN外延膜的應(yīng)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(yīng)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。

      LED路燈廠家漢鼎能源產(chǎn)品老化實圖