基于不同基板1W硅衬底蓝光LED老化性能研究

By | 2020年7月24日

  媒介


  GaN资料自20世纪90年月以来逐步正在显示、批示、背光以及固态照明等畛域宽泛使用,已构成微小的市场。到今朝为止,三种衬底(蓝宝石、碳化硅以及硅)上制备的氮化镓(GaN)基发光二极管(LED)均已完成商品化。近几年来,硅衬底GaN基LED技巧备受存眷。由于硅(Si)衬底具备老本低、晶体尺寸年夜、易加工以及易完成内涵膜的转移等优点,正在功率型LED器件使用方面具备优异的功能价钱比。


  不少钻研组正在Si衬底上成长了GaN内涵膜而且有些取得了器件或许对Si基GaN相干功能进行了钻研。正在LED的制备进程中,将GaN薄膜转移到新的撑持基板上制备垂直构造的器件,取得了比同侧构造器件更优异的光电功能。


  1.试验


  试验用的内涵片是正在硅(111)衬底上用MOCVD办法成长的2in(50.8妹妹)的蓝光InGaN/GaN多量子阱内涵片,其芯片尺寸为1000Lm@1000Lm,成长办法已有报导。试验预备同炉成长的内涵片三片,此中一片用压焊的技巧及化学侵蚀的办法将GaN内涵膜转移至Si基板上并取得发光器件,称为样品A,另外两片用电镀及化学侵蚀的办法将GaN内涵膜辨别转移到电镀的铜基板以及电镀的铜铬基板上并取得发光器件,辨别称为样品B、样品C。三种样品除了了内涵膜转移形式及撑持基板纷歧样外,其余器件制造工艺都是分歧的。


  因为同类样品个别之间稍有差别,因而对样品A,B,C进行初测,辨别选出有代表性的芯片进行试验及测试。每一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,为了减速老化,对样品A,B,C常温下通直流电流900mA。用电源KEITHLEY2635以及光谱仪CompactArraySpectrometer(CAS)140CT测试了百般品老化先后的电流-电压(I-V)特点曲线、电致发光(EL)光谱、百般品正在各电流下的绝对光强等。


  2.后果与探讨


  2.1I-V特点剖析


  表1为三种样品老化前、老化80,150以及200h的Vf以及Ir值,老化前提为常温900mA,此中Vf为350mA下的电压值,Ir为反向10V下的泄电流值,通常反向泄电流Ir正在反向5V下丈量,为比拟后果,抉择更刻薄的前提,正在反向10V下丈量。图1是三种样品老化前、老化80,150以及200h后的I-V特点曲线,辨别为图1(a)~(d)。图1(a)显示了A,B,C三种样品正在老化前都有较好的I-V特点,其开启电压正在2.5V阁下,反向10V下电流都正在10-9A数目级。老化200h后三种样品正在反向10V下其泄电流Ir都比老化前显著添加。表1阐明了经年夜电流200h老化后相反反压(-10V)下B样品的泄电流最小,A样品次之,C样品最年夜,并且跟着老化工夫的推移,三种样品正在相反反压下的泄电流差异愈来愈年夜。InGaNMQWLED正在老化后正向电压稍有降低,是由于年夜电流长期老化使患上袒露的n电极(铝)部分氧化从而招致接触电阻变年夜造成。老化后泄电变年夜的缘由为:InGaNLEDpn结耗尽层的宽度次要由p型层载流子浓度决议,芯片通过年夜电流长期老化后,因为Mg-H复合体的合成,受主Mg被重激活,使患上p型载流子浓度降低,招致耗尽层变窄,反向偏偏置时事垒区变薄,地道击穿成份增多,反向电流添加;另外,芯片通过年夜电流长期老化后,量子阱区缺点密度添加,反向偏偏置时出缺陷以及圈套辅佐隧穿惹起泄电流,B,A,C三种样品热导率顺次升高,以是正在老化时孕育发生的缺点以及圈套密度顺次升高,因而正在相反反压下三种样品泄电流顺次增年夜(如表1以及图1所示)。



  图1 三种样品老化先后I-V特点曲线



  表1 老化先后三种样品的Vf值以及Ir值


  2.2EL光谱剖析


  图2是三种样品常温下900mA继续老化168h先后的1,10,100,500,800,1000以及1200mA下的电致发光(EL)光谱图[图2(a1)~(a3)]和三种样品老化先后的EL波长随电流的变动关系图[图2(b1)~(b3)],图中实线示意老化前的光谱,虚线示意老化后的光谱。图2(a1)~(a3)展现了通过归一化解决老化先后的EL光谱,三种样品老化先后各电流下的EL谱波形除了了年夜电流下峰值波长有所红移外都不显著变动。图2(b1)~(b3)展现了老化先后三种样品的波长随电流的变动有显著差异,此中B样品老化先后的波长随电流的变动关系简直分歧,只是老化后等同电流下其波长稍有添加。A,B,C三种样品因为基板热导率有差异,正在老化时百般品的结温纷歧样,以是老化后相反电流下的波长漂移C样品最年夜,A样品次之,B样品最小。另外,因为三种样品基板材质和芯片转移办法纷歧样,使患上GaN内涵膜转移后正在新的基板上遭到的应力情况纷歧样。文献钻研标明,GaN从硅衬底上经过压焊以及化学侵蚀转移到新的硅基板上后整个GaN层遭到的张应力减小,量子阱InGaN层遭到的压应力增年夜。用电镀的办法完成薄膜转移的GaN应力败坏愈加彻底,使患上量子阱遭到的压应力更年夜,所孕育发生的极化电场更年夜,从而招致能带歪斜更年夜,因而载流子复应时开释光子的能量升高,体现为EL波长更长。因而,老化先后EL谱中压焊正在硅基板上的A样品波长最短,C样品次之,B样品最长,且B样品以及C样品十分靠近。图2还反映了老化先后从小电流到年夜电流下B样品的波长红移最年夜,这可能与如下几个方面无关,一方面结温降低使患上GaN禁带宽度变短序起波长红移,另外一方面因为B样品应力败坏最彻底,因而B样品量子阱遭到的压应力最年夜,以是B样品多量子阱区的极化效应最强,极化效应孕育发生强的内建电场,此电场招致明显的量子限度斯塔克(Stark)效应,惹起发光波长的红移。



  图2 三种样品900mA常温老化168h先后的EL谱图[(a1)~(a3)]及老化先后三种样品波长随电流的变动关系[(b1)~(b3)]


  2.3功率-电流(L-I)关系剖析


  图3是350mA电流下百般品绝对光强随老化工夫的变动关系,三种样品都以老化前的光强为100%。从图3中能够看到,A,B,C三种样品光强都随老化工夫的添加而先增年夜后减小,此中以A样品正在老化2h后光强添加最多,随后跟着老化的进行光强就开端减小了,而B,C样品辨别正在老化了32h,10h光强才开端降落,而且降落的趋向比A样品慢。并且可看出正在常温900mA老化后A,B,C三种样品350mA下光强都通过一个最年夜值而后减小,C样品减小最多,A次之,B样品的光强值虽正在减小,但依然比老化前的值年夜。此景象的缘由为:MOCVD办法成长的GaN有局部受主Mg因为与H构成Mg-H复合体而钝化,Mg的激活率很低,招致空穴浓度较低,正在年夜电流老化中,有局部Mg-H键被打断而使受主Mg被激活,从而空穴浓度添加,可能载流子浓度变患上愈加婚配,发光效率变高。另外一方面,老化使GaN资料中位错、缺点等非辐射复合中心密度降低,从而发光效率升高,光强降落。这两种机制互相竞争,正在老化初期,Mg受主激活机制占主导,因而等同电流下三种样品光强都添加,跟着老化的进行,位错、缺点等非辐射复合中心增活力制逐步占主导,因而年夜电流老化一段工夫后三种样品光强都减小。三种样品光衰的快慢没有同多是由于三种样品量子阱的应力状态及撑持基板热导率纷歧样造成非辐射复合中心增生的水平纷歧样惹起的。



  图3 350mA电流下绝对光强随常温900mA老化后随工夫的变动关系(以老化前光强为100%)


  3.论断


  经过对硅衬底上内涵成长的、转移到硅基板、铜基板以及铜铬基板GaN基蓝光LED进行比照老化钻研,钻研后果标明,正在等同电流下铜基板的器件EL波长最长,是由于电镀转移到铜基板后GaN内涵膜的应力败坏更彻底。经过对三种没有同基板LED器件的老化可知影响LED牢靠性的次要要素多是其应力状态。钻研了三种基板LED老化先后的I-V特点、L-I特点和EL光谱,比照患上知铜基板器件具备更好的老化功能。


 


编纂:Cedar