準(zhǔn)備層溫度對(duì)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(dá)， 潘 拴

(南昌大學(xué) 國(guó)家硅基LED工程技術(shù)研究中心， 江西 南昌 330047)

1 引 言

近年來(lái)，由于GaN基發(fā)光二極管具有較高的發(fā)光效率和獨(dú)特的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，InGaN基LEDs在固體照明、顯示技術(shù)等方面有了廣泛的應(yīng)用，已開(kāi)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(jìn)入真正的固態(tài)照明時(shí)代[1]。然而，目前LED的發(fā)展仍不夠完美?，F(xiàn)有的白光LED是通過(guò)藍(lán)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(diào)發(fā)展，因此，有必要發(fā)展一種新的高品質(zhì)LED照明技術(shù)，即采用多色高效率LED(如紅、黃、綠、青、藍(lán)光)合成全光譜白光[2]。藍(lán)光和綠光LED的外部量子效率(EQE)分別達(dá)到80%[3]和55%[4]以上，而黃光則相對(duì)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(yīng)用。一般情況下，GaN基黃光發(fā)光二極管的低效率主要是因?yàn)辄S光LED很難獲得高質(zhì)量的高In組分量子阱和量子斯塔克效應(yīng)(QCSE效應(yīng))嚴(yán)重。在InGaN/GaN多量子阱(MQWs)中由壓電場(chǎng)引起的QCSE導(dǎo)致電子和空穴的空間分離，從而導(dǎo)致器件發(fā)光效率下降[5]；同時(shí)獲得高In組分量子阱需要較低的生長(zhǎng)溫度，且容易導(dǎo)致相分離，使得量子阱的晶體質(zhì)量惡化[6]。這些因素不但會(huì)制約黃光LED的光電性能，而且對(duì)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(huì)在n-GaN層與量子阱有源區(qū)之間插入InGaN/GaN超晶格準(zhǔn)備層，以此來(lái)釋放量子阱所受應(yīng)力，提升量子阱有源區(qū)的晶體質(zhì)量，減少量子阱中的缺陷及位錯(cuò)密度，從而獲得較高的發(fā)光效率[7-8]。此外，超晶格準(zhǔn)備層具有釋放量子阱應(yīng)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(qiáng)阱中“局域態(tài)效應(yīng)”，從而極大地提高M(jìn)QWs的輻射復(fù)合率，進(jìn)而提升了發(fā)光效率[9]。研究超晶格準(zhǔn)備層的生長(zhǎng)條件對(duì)LED的光電性能影響的文獻(xiàn)較多，隨著超晶格厚度的增加，InGaN/GaN量子阱中的應(yīng)力減小，從而LED發(fā)光光譜峰值的藍(lán)移量減少[10]。通過(guò)改變準(zhǔn)備層結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)速率、銦鎵比等方法，發(fā)現(xiàn)高銦鎵比、低速生長(zhǎng)且采用InGaN/GaN多層結(jié)構(gòu)形式是獲得高質(zhì)量高In組分準(zhǔn)備層的優(yōu)化方法[11]。但是超晶格準(zhǔn)備層的生長(zhǎng)溫度等對(duì)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(zhǔn)備層生長(zhǎng)溫度對(duì)黃光LED器件性能以及器件可靠性的影響。對(duì)比了老化前后兩個(gè)樣品的外量子效率、內(nèi)量子效率、FL、XRD等數(shù)據(jù)，并對(duì)其中的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了研究和分析。

2 實(shí) 驗(yàn)

設(shè)計(jì)了兩組不同超晶格生長(zhǎng)溫度的黃光LED樣品，采用本單位自制的金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備進(jìn)行外延生長(zhǎng)，在圖形化處理后的Si(111)襯底上沉積生長(zhǎng)LED外延結(jié)構(gòu)。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(gè)外延薄膜的結(jié)構(gòu)如下：首先在襯底上生長(zhǎng)120 nm的AlN緩沖層，之后生長(zhǎng)3.3 μm 的n型GaN，然后生長(zhǎng)32個(gè)周期三段式的InGaN(5 nm)/GaN(2 nm)超晶格準(zhǔn)備層(SL),緊接著依次生長(zhǎng)9個(gè)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(zhǔn)備層溫度分別設(shè)為900， 875，850 ℃，樣品B為920，895，870 ℃。詳細(xì)的外延結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 外延結(jié)構(gòu)示意圖

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

3 結(jié)果與討論

3.1 InGaN/GaN準(zhǔn)備層溫度對(duì)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(jí)衍射峰更靠近GaN主峰，說(shuō)明其準(zhǔn)備層中的In組分更少[13]。隨著超晶格生長(zhǎng)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(zhǎng)溫度的升高，MQW各級(jí)衛(wèi)星峰的ω掃描半峰寬減小，說(shuō)明其外延層晶體質(zhì)量更高[14]。用熒光顯微鏡(FL)觀察了A和B兩個(gè)樣品外延片的MQW發(fā)光圖像。圖3為室溫下兩個(gè)樣品的FL形貌圖?？梢钥闯鰞蓚€(gè)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(diǎn)，而樣品B的暗點(diǎn)顏色更深，微觀均勻性比樣品A更好。樣品A的散布紅點(diǎn)可能是高In組分的InGaN偏析，而樣品B的黑點(diǎn)則可能是單質(zhì)In或者是GaN。

圖2 A和B樣品GaN(002)對(duì)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(fù)一級(jí)衛(wèi)星峰的半峰寬(002)面中MQW負(fù)二級(jí)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(shí)最高點(diǎn)的EQE值進(jìn)行歸一化處理后的EQE隨電流密度的變化曲線，其中橫坐標(biāo)是對(duì)數(shù)刻度。如圖中淡藍(lán)色指示線所示，在溫度300 K、電流密度為5.5 A/cm2時(shí)，樣品B的EQE比樣品A高。隨著溫度的升高，兩個(gè)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(guān)的非輻射復(fù)合中心被凍結(jié)[15]，導(dǎo)致Shockley-Read-Hall (SRH)非輻射復(fù)合減少，從而使得IQE增加。圖5是兩個(gè)樣品在電流密度為0.18 A/cm2時(shí)其EQE隨溫度的變化曲線，當(dāng)溫度為300 K、電流密度為0.18 A/cm2時(shí)，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(zhì)量更高。該結(jié)果與XRD結(jié)果一致，從而表現(xiàn)為其內(nèi)量子效率高于樣品A。

3.2 超晶格生長(zhǎng)溫度對(duì)GaN基黃光LED老化性能的影響

圖6給出了兩個(gè)樣品不同老化時(shí)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(shí)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(gè)樣品的EQE隨著老化時(shí)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(fù)合常數(shù)A以及注入效率的下降有關(guān)[16]。

圖7為A和B樣品在不同測(cè)試電流下的歸一化光功率隨老化時(shí)間的變化曲線?？梢钥闯鰳悠稡的光衰比樣品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(dāng)測(cè)試電流密度為0.18 A/cm2時(shí)，樣品A的LOP下降了38%,而樣品B下降了48%；當(dāng)測(cè)試電流密度為35 A/cm2時(shí)，樣品A的LOP下降5%,而樣品B下降了6.7%。也就是說(shuō)，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(gè)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(dāng)注入電流密度為0.18 A/cm2時(shí)，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(zhǎng)溫度的升高，晶體質(zhì)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(shí)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(cè)試電流下的歸一化光功率隨老化時(shí)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(dá)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(fù)合常數(shù)、輻射復(fù)合常數(shù)和俄歇復(fù)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(shuō)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(fù)合，即有更少比例的空穴注入到量子阱中，導(dǎo)致ηinj下降，進(jìn)一步導(dǎo)致EQE下降[18]。如圖10所示， I1為空穴直接從平臺(tái)量子阱注入c面MQWs， I2為空穴通過(guò)側(cè)壁量子阱注入到超晶格中發(fā)生輻射復(fù)合。其中P3峰對(duì)應(yīng)于I2的注入途徑。樣品A老化前后的EL光譜并沒(méi)有明顯變化。

另外，根據(jù)ABC模型進(jìn)行模擬可計(jì)算出兩個(gè)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(fù)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(gè)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(méi)有明顯差異。而樣品B老化1 000 h后非輻射復(fù)合系數(shù)A的增幅比樣品A大，說(shuō)明樣品B在老化過(guò)程中產(chǎn)生了更多的與SRH非輻射復(fù)合相關(guān)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(fù)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(duì)兩個(gè)樣品老化前后的芯片進(jìn)行觀察,如圖11所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樣品A老化前后的“黑點(diǎn)”數(shù)量和大小沒(méi)有明顯差異，而樣品B老化后的“黑點(diǎn)”明顯增多且變大，在形成大尺度In團(tuán)簇的過(guò)程中，在合并區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生額外的能量臺(tái)階，并且包含更多的非輻射復(fù)合中心，例如位錯(cuò)等。因此，載流子將會(huì)有更大的幾率被非輻射中心捕獲，導(dǎo)致發(fā)光效率下降[19]。

4 結(jié) 論

本文研究了InGaN/GaN超晶格溫度對(duì)GaN基黃光LED器件性能和老化特性的影響。結(jié)果表明，超晶格生長(zhǎng)溫度更高，器件發(fā)光效率增加。其原因歸結(jié)為：準(zhǔn)備層溫度升高，晶體質(zhì)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?yàn)闇?zhǔn)備層生長(zhǎng)溫度不同導(dǎo)致的超晶格內(nèi)In組分不同，進(jìn)而對(duì)其后生長(zhǎng)的量子阱區(qū)引入的應(yīng)力大小不同，從而導(dǎo)致In偏析狀態(tài)不一致。經(jīng)過(guò)40 ℃、500 mA電流、1 000 h老化后，兩個(gè)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(guò)比較老化前后兩個(gè)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(guò)用ABC模型對(duì)兩個(gè)樣品老化前后EQE隨電流密度的變化曲線進(jìn)行擬合計(jì)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(shuō)明隨著老化時(shí)間的增加，超晶格溫度高的樣品中非輻射復(fù)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(guò)熒光顯微鏡對(duì)比兩個(gè)樣品管芯老化前后的形貌，也證實(shí)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(guò)程中非輻射復(fù)合中心增加得更多，與A系數(shù)的變化得到了相同的結(jié)論。