基于不同基板1W硅衬底蓝光LED老化性能研究

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)。

表1老化前后三种样品的Vf值和Ir值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