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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(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(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，極化效應(yīng)產(chǎn)生強的內(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隨老化時間的變化關(guān)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(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(dǎo)，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(fù)合中心增生機制逐漸占主導(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電流下相對光強隨常溫900mA老化后隨時間的變化關(guān)系(以老化前光強為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基藍光LED進行對比老化研究，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。
