準備層溫度對黃光LED光電特性和老化性能的影響

孫文文， 方 芳， 王小蘭， 鄭暢達， 潘 拴

(南昌大學 國家硅基LED工程技術研究中心， 江西 南昌 330047)

1 引 言

近年來，由于GaN基發(fā)光二極管具有較高的發(fā)光效率和獨特的節(jié)能優(yōu)勢，InGaN基LEDs在固體照明、顯示技術等方面有了廣泛的應用，已開始大范圍代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明成為新一代照明光源，使我們進入真正的固態(tài)照明時代[1]。然而，目前LED的發(fā)展仍不夠完美。現(xiàn)有的白光LED是通過藍光LED激發(fā)黃色熒光粉獲得的，其顯色指數(shù)、色溫和光效之間難以協(xié)調發(fā)展，因此，有必要發(fā)展一種新的高品質LED照明技術，即采用多色高效率LED(如紅、黃、綠、青、藍光)合成全光譜白光[2]。藍光和綠光LED的外部量子效率(EQE)分別達到80%[3]和55%[4]以上，而黃光則相對很低，這一現(xiàn)象被稱為“黃綠鴻溝”，大大限制了全光譜白光的應用。一般情況下，GaN基黃光發(fā)光二極管的低效率主要是因為黃光LED很難獲得高質量的高In組分量子阱和量子斯塔克效應(QCSE效應)嚴重。在InGaN/GaN多量子阱(MQWs)中由壓電場引起的QCSE導致電子和空穴的空間分離，從而導致器件發(fā)光效率下降[5]；同時獲得高In組分量子阱需要較低的生長溫度，且容易導致相分離，使得量子阱的晶體質量惡化[6]。這些因素不但會制約黃光LED的光電性能，而且對黃光LED的可靠性有一定影響。為了獲得高光效的黃光LED，通常會在n-GaN層與量子阱有源區(qū)之間插入InGaN/GaN超晶格準備層，以此來釋放量子阱所受應力，提升量子阱有源區(qū)的晶體質量，減少量子阱中的缺陷及位錯密度，從而獲得較高的發(fā)光效率[7-8]。此外，超晶格準備層具有釋放量子阱應力、弱化In相偏析的作用，而量子阱中In偏析現(xiàn)象減輕，將加強阱中“局域態(tài)效應”，從而極大地提高MQWs的輻射復合率，進而提升了發(fā)光效率[9]。研究超晶格準備層的生長條件對LED的光電性能影響的文獻較多，隨著超晶格厚度的增加，InGaN/GaN量子阱中的應力減小，從而LED發(fā)光光譜峰值的藍移量減少[10]。通過改變準備層結構、生長速率、銦鎵比等方法，發(fā)現(xiàn)高銦鎵比、低速生長且采用InGaN/GaN多層結構形式是獲得高質量高In組分準備層的優(yōu)化方法[11]。但是超晶格準備層的生長溫度等對黃光LED的光電性能和可靠性的影響研究甚少。

本文主要研究樣品的準備層生長溫度對黃光LED器件性能以及器件可靠性的影響。對比了老化前后兩個樣品的外量子效率、內量子效率、FL、XRD等數(shù)據(jù)，并對其中的內在機理進行了研究和分析。

2 實 驗

設計了兩組不同超晶格生長溫度的黃光LED樣品，采用本單位自制的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)設備進行外延生長，在圖形化處理后的Si(111)襯底上沉積生長LED外延結構。襯底直徑為5.08 cm(2 in)，厚度約1 030 μm，圖形化單元面積為1.2 mm×1.2 mm。整個外延薄膜的結構如下：首先在襯底上生長120 nm的AlN緩沖層，之后生長3.3 μm 的n型GaN，然后生長32個周期三段式的InGaN(5 nm)/GaN(2 nm)超晶格準備層(SL),緊接著依次生長9個周期的黃光InGaN/GaN多量子阱(MQWs)、p-AlGaN電子阻擋層(EBL)和p-GaN接觸層。將樣品A的三段準備層溫度分別設為900， 875，850 ℃，樣品B為920，895，870 ℃。詳細的外延結構如圖1所示。

圖1 外延結構示意圖

LED外延片經芯片制造工藝流程被制備成尺寸為1 mm×1 mm的垂直結構的薄膜LED芯片。具體的芯片制備過程詳見參考文獻[12]。從兩個樣品中各挑選10顆主波長為560 nm(在35 A/cm2下測試)的芯片，封裝成仿流明結構LED燈珠。每顆燈珠均焊接在老化板上，并置于40 ℃的老化臺中，通500 mA的直流電流進行加速老化試驗，并分別在老化前老化24，168，500，1 000 h后進行相應的測試表征。

3 結果與討論

3.1 InGaN/GaN準備層溫度對GaN基黃光LED光電性能的影響

圖2為樣品A和B 外延片GaN(002)面的XRDω-2θ掃描曲線。可以看出樣品B的零級衍射峰更靠近GaN主峰，說明其準備層中的In組分更少[13]。隨著超晶格生長溫度的升高，超晶格中的平均In組分減少。表1給出了(002)面MQW中-1和-2衛(wèi)星峰的半峰寬，可以看出，隨著超晶格生長溫度的升高，MQW各級衛(wèi)星峰的ω掃描半峰寬減小，說明其外延層晶體質量更高[14]。用熒光顯微鏡(FL)觀察了A和B兩個樣品外延片的MQW發(fā)光圖像。圖3為室溫下兩個樣品的FL形貌圖。可以看出兩個樣品的FL形貌圖中都存在暗斑，其中樣品A的暗斑更淺，并散布紅點，而樣品B的暗點顏色更深，微觀均勻性比樣品A更好。樣品A的散布紅點可能是高In組分的InGaN偏析，而樣品B的黑點則可能是單質In或者是GaN。

圖2 A和B樣品GaN(002)對稱面ω-2θ掃描曲線

Fig.2 Scanning curve ofω-2θof GaN(002) symmetry plane of A and B samples

表1 A和B樣品(002)面MQW衛(wèi)星峰的半峰寬

Tab.1 Half width of MQW satellite peaks on the (002) side of samples A and B

(002)面中MQW負一級衛(wèi)星峰的半峰寬(002)面中MQW負二級衛(wèi)星峰的半峰寬樣品A355338樣品B350312

圖4為樣品A和B在不同溫度下 EQE 以100 K時最高點的EQE值進行歸一化處理后的EQE隨電流密度的變化曲線，其中橫坐標是對數(shù)刻度。如圖中淡藍色指示線所示，在溫度300 K、電流密度為5.5 A/cm2時，樣品B的EQE比樣品A高。隨著溫度的升高，兩個樣品的EQE均逐漸下降。該現(xiàn)象可解釋為：隨著溫度的降低，MQW

圖3 A(a)和B(b)兩樣品外延片常溫下MQW FL表面形貌

Fig.3 Surface morphology of MQW FL on epitaxial wafers of A(a) and B(b) samples at room temperature

圖4 A(a)和B(b)兩樣品在不同溫度下 EQE 隨電流密度的變化曲線

Fig.4 EQE curvesvs. current density of samples A(a) and B(b) at different temperature

有源區(qū)中缺陷相關的非輻射復合中心被凍結[15]，導致Shockley-Read-Hall (SRH)非輻射復合減少，從而使得IQE增加。圖5是兩個樣品在電流密度為0.18 A/cm2時其EQE隨溫度的變化曲線，當溫度為300 K、電流密度為0.18 A/cm2時，樣品A和B的EQE下降分別為90.3%和81.6%。

圖5 A和B樣品其EQE隨溫度的變化曲線

Fig.5 Curves of EQE of A and B samples with temperature

因此，樣品B較樣品A的EQE下降更小，表明樣品B的量子阱區(qū)缺陷更少，晶體質量更高。該結果與XRD結果一致，從而表現(xiàn)為其內量子效率高于樣品A。

3.2 超晶格生長溫度對GaN基黃光LED老化性能的影響

圖6給出了兩個樣品不同老化時間下的EQE歸一化后隨電流密度的變化曲線。老化1 000 h后，樣品A的EQEJmax(EQE最大時的電流密度)從3 A/cm2右移到5.5 A/cm2，樣品B的EQE 的Jmax從2 A/cm2右移到5.5 A/cm2。兩個樣品的EQE隨著老化時間增加而減小。已有研究表明，老化后的EQE下降主要與非輻射復合常數(shù)A以及注入效率的下降有關[16]。

圖7為A和B樣品在不同測試電流下的歸一化光功率隨老化時間的變化曲線。可以看出樣品B的光衰比樣品A更大，且在小電流的下降更為明顯。老化1 000 h后， 在300 K下，當測試電流密度為0.18 A/cm2時，樣品A的LOP下降了38%,而樣品B下降了48%；當測試電流密度為35 A/cm2時，樣品A的LOP下降5%,而樣品B下降了6.7%。也就是說，樣品B老化后光衰比樣品A要大。

為了能更直觀地觀察兩個樣品老化前后EQE的變化，圖8給出了A和B樣品老化前后EQE隨電流密度的變化曲線。在老化前，和樣品A相比，樣品B擁有較高的EQE，在小電流下更為明顯。例如，當注入電流密度為0.18 A/cm2時，樣品A、B的EQE分別為11%和15%。該現(xiàn)象可解釋為：隨著超晶格生長溫度的升高，晶體質量提高，缺陷減少，使LED發(fā)光效率提高。老化1 000 h后，兩樣品的EQE均下降但最終二者相差不大，從而也證明了樣品B的光衰更大，在小電流下更明顯。

圖6 A(a)和B(b)樣品不同老化時間下歸一化的EQE隨電流密度的變化曲線

Fig.6 Curves of normalized EQE with current density for A(a) and B(b) samples under different aging time

圖7 A(a)和B(b)樣品在不同測試電流下的歸一化光功率隨老化時間的變化曲線

Fig.7 Curve of normalized optical power of A(a) and B(b) samples with aging time under different test current

圖8 A和B樣品老化前(a)、后(b)EQE隨電流密度的變化曲線。

Fig.8 Curve of EQE with current density before(a) and after(b) aging of A and B samples

根據(jù)ABC模型可知EQE的表達式為：

(1)

其中N為載流子濃度，ηextr為提取效率，ηinj為注入效率。A、B和C分別為SRH復合常數(shù)、輻射復合常數(shù)和俄歇復合常數(shù)[17]。圖9為100 K下樣品A老化前(a)、后(b)和樣品B老化前(a)、后(b)不同電流密度下的EL光譜。樣品B在老化1 000 h后，EL光譜中的P3峰比老化前更為明顯，說明在老化后有更多比例的空穴注入到超晶格中并發(fā)生輻射復合，即有更少比例的空穴注入到量子阱中，導致ηinj下降，進一步導致EQE下降[18]。如圖10所示， I1為空穴直接從平臺量子阱注入c面MQWs， I2為空穴通過側壁量子阱注入到超晶格中發(fā)生輻射復合。其中P3峰對應于I2的注入途徑。樣品A老化前后的EL光譜并沒有明顯變化。

另外，根據(jù)ABC模型進行模擬可計算出兩個樣品老化前后的系數(shù)A、B和C。表2為樣品A和B老化前后的SRH復合常數(shù)A的值，其中ΔA表示樣品老化后A的值減去老化前的值。

兩個樣品老化前后的B、C系數(shù)不變，樣品A老化前后的B、C系數(shù)分別為5.5E-13和 2.5E-31；樣品B為5.5E-13和2.8E-31。二者并沒有明顯差異。而樣品B老化1 000 h后非輻射復合系數(shù)A的增幅比樣品A大，說明樣品B在老化過程中產生了更多的與SRH非輻射復合相關的缺陷，使發(fā)光效率下降。

圖9 100 K下樣品A老化前(a)、后(b)和樣品B老化前(c)、后(d)不同電流密度下的EL光譜。

圖10 V坑附近不同注入方式

Fig.10 Image of different ways of holes injectionviaV-pits

表2 兩樣品老化前后SRH復合系數(shù)A

Tab.2 SRH composite coefficientAof two samples before and after aging

老化前A老化后AΔA樣品A3.05E+64.95E+61.9E+6樣品B2.3E+64.5E+62.2E+6

圖11 熒光顯微鏡下樣品A老化前(a)、后(c)和樣品B老化前(b)、后(d)的芯片形貌。

Fig.11 Chip morphology of sample A((a)， (c)) and sample B((b)， (d)) before and after aging under fluorescence microscope

用熒光顯微鏡對兩個樣品老化前后的芯片進行觀察,如圖11所示。對比發(fā)現(xiàn)，樣品A老化前后的“黑點”數(shù)量和大小沒有明顯差異，而樣品B老化后的“黑點”明顯增多且變大，在形成大尺度In團簇的過程中，在合并區(qū)域內會產生額外的能量臺階，并且包含更多的非輻射復合中心，例如位錯等。因此，載流子將會有更大的幾率被非輻射中心捕獲，導致發(fā)光效率下降[19]。

4 結 論

本文研究了InGaN/GaN超晶格溫度對GaN基黃光LED器件性能和老化特性的影響。結果表明，超晶格生長溫度更高，器件發(fā)光效率增加。其原因歸結為：準備層溫度升高，晶體質量提升，MQW有源區(qū)的缺陷減少，器件的發(fā)光效率得到提升。FL形貌的差別主要是因為準備層生長溫度不同導致的超晶格內In組分不同，進而對其后生長的量子阱區(qū)引入的應力大小不同，從而導致In偏析狀態(tài)不一致。經過40 ℃、500 mA電流、1 000 h老化后，兩個樣品的EQE均出現(xiàn)下降，且超晶格溫度更高的樣品的光衰更大。通過比較老化前后兩個樣品100 K下的EL光譜，發(fā)現(xiàn)超晶格溫度更高的樣品老化后的空穴注入途徑發(fā)生變化，使注入效率下降，是造成樣品光衰大的原因之一；通過用ABC模型對兩個樣品老化前后EQE隨電流密度的變化曲線進行擬合計算，發(fā)現(xiàn)超晶格溫度更高樣品的A系數(shù)的增幅比超晶格溫度低的樣品大，說明隨著老化時間的增加，超晶格溫度高的樣品中非輻射復合增加的程度更大，也是該樣品光衰更大的原因之一。此外，通過熒光顯微鏡對比兩個樣品管芯老化前后的形貌，也證實了超晶格溫度更高的樣品的光衰比溫度低的樣品大，在老化過程中非輻射復合中心增加得更多，與A系數(shù)的變化得到了相同的結論。