硅衬底蓝光LED技术 LED蓝宝石衬底基片

GaN材料在1990年代以后，在表示、指示、背光以及固态照明等领域逐渐被广泛应用，成为巨大的市场。到目前为止，在3个基板（蓝宝石、碳化硅以及硅）上制备的氮化镓GaN基发光二极管LED都被商品化了。近年来，硅基板GaN基LED技术受到关注。硅（Si基板具有成本低、结晶尺寸大、加工容易、外延膜的移动容易等优点，因此在功率型LED装置应用中优秀性能价格比。

许多研究小组在Si基板上生长GaN外延膜，研究了获得元件和Si基GaN相关特性。在LED的制备过程中，GaN将薄膜移动到新的支撑基板上以制备垂直结构的元件，获得比同侧结构元件更好的光电特性。

在本文中，通过电镀法将Si在基板上生长的GaN外延膜转移到铜支撑基板，铜铬支撑基板和Si支撑基板，获得垂直结构发光元件，对3种样品进行老化比较研究。

实证

实验外延片是通过MOCVD方法在硅（111）基板上生长的2in（50.8mm）的蓝光InGaN/GaN多量子阱外延片，其芯片尺寸为1000Lm@1000Lm，报告了生长方法。试验性地准备在该炉中生长的外延片3张，通过压接技术及化学腐蚀法将其中一张GaN外延膜转移到Si基板上，将发光元件称为样品A，通过电镀及化学腐蚀法将其他2张GaN转移到镀层了外延膜的铜基板和镀层的铜铬基板上，得到发光元件分别称为样品B、样品C。除了外延膜迁移方式和支撑基板不同之外，三个样品的其他元件制造过程是一致的。

由于同种样品个体之间存在一些差异，所以首次测量样品A、B、C，分别选择代表性芯片进行实验和测试。每个芯片都是裸芯包装。普通尺寸1000Lm@1000Lm的芯片工作电流为350mA，为了加速老化，在常温下将直流电流900mA通电到样品A、B、C上。各样品老化前后的电流？用电源KEITHLEY2635和光谱仪CompactArraySpectrometerCAS140CT测试电压（I‐V）特性曲线、电致发光（EL）光谱、各样品各电流的相对光强等。

结果和讨论

I-V特性分析

表1是三种样品的老化前、老化80150及200h的Vf及Ir值，老化条件为常温900mA，其中Vf为350mA的电压值，Ir为反向10V的泄漏电流值，通常逆泄露电流Ir为逆5V测量，作为比较结果选择更严格的条件在反向10V中测量。3种样品老化前，老化80150和200h后的I？是V特性曲线，分别是（a）～（d）。（a）A、B、C三种样品在老化前都是良好的I腐蚀63？具有V特性，其导通电压为2.5V左右，反向10V电流均为10？是9A位。在200h老化后的三个样品中，泄漏电流Ir比老化前显著增加反向10V。表1示出了在大电流200h下老化后，B样品的泄漏电流在相同的反压（-10V）下最小，C样品在A样品之后最大，随着老化时间的推移，3个样品在相同反压下的泄漏电流差变大。InGaNMQWLED老化后正向电压稍微上升是因为大电流长时间老化而露出的n电极（铝）局部氧化，接触电阻变大。老化后漏电变大的原因是InGaNLEDpn结耗尽层的宽度主要由p型层载波浓度决定，芯片在大电流下长时间老化后，Mg串行63？通过H复合物的分解使受主Mg重新活性化，p型载波浓度上升，耗尽层变窄，反向偏置时阻挡区域变薄，隧道破坏成分变多，逆电流增加。另外，在芯片被大电流长时间老化后，量子阱区域中缺陷密度增加，在反向偏置中缺陷和陷阱辅助隧穿引起泄漏电流，B、A、C三种样品热导率依次下降，因此老化时产生的缺陷和陷阱密度依次下降在相同的反压下，3种样品的泄漏电流依次增大（表1和表2）。

3种样品老化前后IV特性曲线

表1老化前后3种样品的Vf值和Ir值

EL光谱分析

3种样品在常温下为900mA持续老化168h前后的1010050080性能价格比00及1200mA下的电致发光（EL）光谱图（a1）～（a3）以及3种样品老化前后的EL波长的电流变化关系图（b1）～（b3），实线表示老化前的光谱，虚线表示老化后的光谱。（a1）～（a3）表示通过归一化处理的老化前后的EL光谱，3种样品老化前后的各电流中的EL谱波形除了大电流的峰值波长红移以外没有明显变化。（b1）～（b3）在老化前后的3种样品的波长和电流的变化中观察到明显的差异，其中B样品的老化前后的波长和电流的变化的关系基本上一致，但是在老化后的同等电流中其波长稍微增加。三种类型的A、B、C的样品在基板热导率上有差异，在老化时各样品的结温不同，所以老化后相同电流下的波长漂移C样品成为最大值，B样品继A样品之后最小。另外，由于三个样品基板的材质和芯片传送方法不同，GaN在外延膜传送后在新的基板上受到的应力状况不同。文献研究表明，GaN通过压缩焊接和化学腐蚀从硅基板上移动到新的硅基板上时，GaN层整体受到的张应力减少，量子阱InGaN层受到的压力应力增大。采用电镀法更彻底地实现薄膜转移，量子阱所承受的压力应力变大，所产生的极化电场变大，带倾斜变大，因此在载流子复合时释放的光子能量降低，EL波长表现得更长。因此，在老化前后EL谱，压接在硅基板上的A样品的波长最短，B样品在C样品之后最长，B样品和C样品非常接近。也反映了从老化前后的小电流到大电流的B样品的波长红移最大，这是由于结温上升导致GaN禁止带宽变小而引起的波长红移，另一方面，B样品应力松弛最彻底，因此B样品量子阱受到的压力应力最大，B样品多量子阱区域的极化效应最强，极化效应强内建电场，该电场产生显着的量子限制斯塔克Stark效果，导致发光波长红移。

3种样品900mA的常温老化168h前后的EL谱图（a1）~（a3）以及老化前后的3种样品波长的电流变化关系（b1）~（b3）

功率电流（L-I）关系分析

350mA电流下各样品的相对光强老化时间的变化关系，3个样品在老化前光强均为100%。A、B、C三个样品光强均随着老化时间的增加而先增大后减少，其中A样品在老化2h后光强最大增加，然后随着老化过程光强开始减少，B、C样品分别进行32h老化，开始下降到10h光强发现下降趋势比A样品慢。另外，在常温900mA进行老化后，A、B、C三种样品350mA光强均经过最大值减少，C样品减少最多，B样品的光强值接着A减小，但发现比老化前的值大。这种现象的原因是，MOCVD法使一部分的受主Mg和HMg合并63？形成H复合物钝化，Mg活化率低，空穴浓度低，大电流老化过程中一部分Mg？这是因为H键被切断，使得受主Mg活性化，空穴浓度增加，载流子浓度更匹配，发光效率可能更高。另一方面，老化使GaN材料中的位错、缺陷等非辐射复合中心密度上升，降低发光效率，降低光强。这两个机构相互竞争，在老化初期Mg由于受主活化机构占主导地位，所以在同等电流下增加了3个样品光强，随着老化的进行位错，缺陷等非辐射复合中心增殖机构逐渐占主导地位，大电流老化后，三个样品光强暂时减少。三个样品的光衰减速度的差异可能是由于三个样品量子阱的应力状态和支撑基板热导率的不同导致非辐射复合中心的增生程度不同。

、350mA电流的相对光强常温900mA下老化后的时间变化关系（老化前光强为100%）

结论

通过转移到在硅基板上外延生长的硅基板、铜基板以及铜铬基板GaN基蓝光LED的比较老化研究，铜基板的元件EL波长在相同电流下最长是因为在将镀层转移到铜基板之后GaN外延膜的应力松弛更加彻底。从三个不同的基板LED装置的老化可知，影响LED可靠性的主要因素可能是该应力状态。研究了三种基板LED老化前后的I-V特性，L-I特性和EL光谱，发现铜基板元件具有更好的老化性能。