Si衬底GaN基蓝光LED老化性能
第31卷第3期
2010年6月发光学报
CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCE
Vol.31No.3
Jun.，2010
文章编号：1000-
7032（2010）03-0364-05Si 衬底GaN 基蓝光LED 老化性能
肖友鹏1，莫春兰1，2
，邱
冲1，2，江风益
1，2*（1.南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心，江西南昌330047；
2.晶能光电（江西）有限公司，江西南昌330029）
摘要：报道了芯片尺寸为500μm ?500μm 硅衬底GaN 基蓝光LED 在常温下经1000h 加速老化后的电学
和发光性能，其光功率随老化时间的变化分先升后降两个阶段；老化后的反向漏电流和正向小电压下的电流均有明显的增加；老化后器件的外量子效率（EQE ）比老化前低；老化前后EQE 衰减幅度在不同的注入电流下存在明显差异，衰减幅度最小处出现在发光效率最高时对应的电流密度区间。关
键
词：硅衬底；GaN ；蓝光LED ；老化；光衰
中图分类号：O482.31；TN383.1
PACS ：78.60.Fi
PACC ：7860F
文献标识码：A
收稿日期：2009-10-09；修订日期：2009-11-24基金项目：国家
“863”计划（2003AA302160，2005AA311010）资助项目作者简介：肖友鹏（1979－），男，江西萍乡人，主要从事Si 衬底GaN 基LED 的研究。
E-mail ：lantianshang@https://www.wendangku.net/doc/ba11136957.html, *：通讯联系人；E-mail ：jiangfy@https://www.wendangku.net/doc/ba11136957.html,
1引言
近几年来，
InGaN /GaN 发光二极管（LEDs ）的研发与生产取得了飞速发展。文献中已经报道了蓝光LEDs 的光功率达到643mW （440nm /3.24V /350mA /WPE ：57%），白光的光通量达到155lm （350mA /3.24V /136lm /W /5000K ）［1］
。这表明，
GaN 基蓝光LEDs 已经具备了进入通用照明所需的发光效率
［2］
。但是，目前产品市场中不
同厂家生产的器件的可靠性良莠不齐，在一定程度上影响了用户的信心，对大面积推广使用不利，因而提高器件的可靠性成为目前研究的重点之一。
LEDs 的制作要依次经过外延生长、芯片制作、器件封装等主要环节
［3］
，每个环节都会对
LEDs 器件的可靠性和寿命产生影响。外延材料中非辐射复合缺陷的生成、载流子注入活性区机制的变化，芯片制造中欧姆接触电学性能的变化、反射镜制作的质量、器件封装中散热工艺、各界面连接质量等等都会影响GaN 基LED 的可靠性［4 7］。温度和电流对LED 的发光效率产生影
响
［8］
，研究LED 的可靠性通常采取电流加速方法
和温度加速方法，
在LEDs 芯片中注入高电流密度会导致热化和强电场现象。持续的高温和强电
场可能会增强原子的扩散和造成电极的意外熔合，与此同时也有可能增加断层密度和点缺陷
［9］
。本实验室已经分别对Si 衬底GaN 基大功
率蓝光LED 和Si 衬底GaN 基绿光LED 进行90mA 大电流125?高温老化，结果显示器件无光衰，
电学性能非常稳定［10，11］
。而对LED 进行SiN
膜钝化也会改善器件的可靠性［12］
。本文在常温
下对500μm ?500μm 的GaN 基蓝光LED 芯片注入200mA 的电流持续老化1000h ，报道了加速老化前后相关光电性能。
2实验
GaN 基蓝光LED 芯片样品尺寸为500μm ?500μm ，设计工作电流为60mA 。外延片是本实验室Thomas Swan MOCVD 外延系统上生长的，衬底是Si （111）
［13］
；经过基板转移、腐蚀衬底等步骤
制成垂直结构芯片［14］
；划片后将芯片固定于封装
支架上，为避免因封装不良带来的可靠性问题而影响对老化机理的判断，
本样品不灌胶，目的是仅仅研究芯片本身的可靠性。加速电流老化实验在室温下进行，选择5只LED 进行裸芯老化，老化电流是200mA ，持续老化1000h 。在老化24，72，240，576，1000h 时从老化台上取下样品，分别用积分球测试系统在工作电流60mA 时测量
第3期肖友鹏，等：Si 衬底GaN 基蓝光LED 老化性能365
LED 的光功率，用KEITHLEY2400测试系统测量I-V 曲线。
3结果与讨论
我们选取了5只具有相同外延条件的LED
老化实验数据，列于表1。
表1
硅衬底蓝光LED 经老化后在不同时间点的光衰Table 1Luminous decay of LED after aging
编号
不同老化时间的光衰
24h
72h
576h
1000h
10.6%－1.4%－3.0%－4.2%2 1.9%－0.2%－2.7%－3.9%3 1.0%0.5%－0.8%－4.4%4 1.3%－0.7%－3.1%－1.6%5 1.1%－0.8%－2.9%－4.6%平均
1.2%
－0.5%
－2.5%
－3.8%
图1显示了光衰演进过程。光功率的衰减经过了两个阶段，首先老化一段时间后光功率有所增加，而后随着老化的继续进行，光功率逐渐衰减，这与Narendran 等
［15］
的实验结果相一致。这
一现象可作如下解释：开始老化阶段，消极因素是缺陷有所增加，积极因素是这一相当于退火的过程使p 型受主进一步被激活提高了空穴浓度，积极因素战胜消极因素，光功率会有所上升
［16］
。后
一阶段，
缺陷进一步增加，使得光功率衰减。由于衬底与外延薄膜之间存在较大的晶格失配和热失配，异质外延生长时GaN 外延薄膜中存在大量失配位错，这些缺陷起非辐射复合中心和载流子隧穿通道的作用。在LED 的老化过程中，有源区内
Aging time /h
N o r m a l i z e d l i g h t -o u t p u t p o w e r
200
400600
1.021.011.000.990.980.970.96
800
1000
图1200mA 、常温老化下LED 的光衰与老化时间的关系曲线
Fig.1
Luminous decay of LEDs after aging under 200mA ，at RT for 1000h condition.
缺陷和位错的增加，有源区外缺陷和位错移动，造成了器件的光衰减
［17，18］
。
图2是老化进行过程中的I-V 曲线的变化情况。在10V 的反向电压下，随着老化时间的增加，常温老化24，72，240，576，1000h 后反向漏电流逐渐增大。反向漏电流的增加可归结为隧穿电流的增加［19］
，杂质能级和缺陷能级是产生隧穿电流的原因
［20］
。
I /A
1E
图2老化后测得的蓝光LED 的I-
V 曲线Fig.2I-V curves measured in blue LED submitted to DC aging test.The inset shows relationship between for-ward voltage and aging time.
在正向小电压下，载流子注入到活性区主要是隧穿机制，隧穿主要通过位于空间电荷区的缺陷，
空间电荷区由非辐射复合占主导。在电压超过2.5V 后，注入载流子扩散经过整个活性区，辐射复合优于非辐射复合。而在电压更高的情况下，I-V 曲线几乎成线性，串联电阻高，理想因子在6 7之间（数学分析未显示），如此高的理想
因子说明pn 结中存在着隧穿电流［21］
。硅衬底
GaN 基LED 理想因子大的原因被认为是高缺陷密度所致，高缺陷密度使电流隧穿更容易进行
［22］
。
反向偏压和正向偏压下都观察到了漏电流也就是隧穿电流的增加，缺陷的生成增加了活性区中的非辐射复合率，形成附加的隧穿电流。漏电流随老化时间的增加而增加，对应了图1所示的光功率随老化时间的延续持续衰减
［23］
。
图2中的插图显示了不同老化时间下60mA 正向电流时的正向电压。开始电压降低是由于欧姆接触的改善和芯片电导率的增加，而后随着老化的进行电极接触性能退化且可能引起电流拥挤，
正向电压有所上升。正向电压的变化趋势和光功率的变化趋势没有必然的联系。
366发光学报第31卷
图3是老化1000h 后外量子效率的变化情况，与其对应的是老化1000h 后不同电流密度下的光衰情况。在每个电流水平下，老化后的外量子效率（EQE ，
External Quantum Efficiency ）都比老化前低。LED 的外量子效率：
EQE =IQE ?ηextraction =ηinjection ?ηradiative ?ηextraction ，式中EQE 指的是外量子效率，
IQE 是内量子效率，ηextraction 是出光效率，ηinjection 是载流子注入效率，ηradiative 是辐射效率。注入效率ηinjection 是活性区总的复合电流（I active ）与外部施加总的电流（I F ）的比值，其在小电流水平下通常较高
［24］
。辐射效
率ηradiative 是活性区中辐射复合率与辐射复合率加非辐射复合率总和的比值。由于老化后缺陷增殖，非辐射复合中心和漏电流增加，降低了注入效率和辐射效率，使得老化后的外量子效率低于老化前。
0.241100
J /(A ·cm -2)
E Q E
10
0.22
0.300.340.38before aging
aging for 1000h
0.4221
100
J /(A ·cm -2)
L u m i n o u s d e c a y /%
10
46810(a)(b)图3老化前后LED 外量子效率EQE （a ）和光衰（b ）与电流密度之间的关系
Fig.3
EQE （a ）and luminous decay （b ）of LED as a func-tion of current density before and after aging
老化前后的EQE 随电流密度的增加均存在先升后降的过程。这一现象可作借助活性区载流子匹配状况来解释：在InGaN /GaN 多量子阱中，导带中阻挡电子的势垒高度比价带中阻挡空穴的势垒高度高出许多；在低电流密度区域，导带中较高的电子势垒限制了电子于MQW 活性区内参与辐射复合，而价带中较低的空穴势垒有助于空穴于MQW 活性区内参与辐射复合，此时电子密度少于空穴密度的
［25］
，发光效率较低；随着注入电
流密度的增加，越来越多的电子参与活性区辐射复合，电子与空穴这两种载流子逐渐匹配，从而效率增加；在更大注入电流密度的情况下，导带中的电子势垒不能有效阻止电子的逸出，活性区电子密度不能与空穴密度相匹配，发光效率将下降。
非常有意义的是在电流密度为2.0A ·cm
－2
（即正向电流为4mA ）处有最大的EQE ，且老化前后此处EQE 最接近，即光衰最小，不到1.0%。
随着电流密度逐渐远离2.0A ·cm －2
，无论小于
还是大于此值，光衰越来越大。这一现象对设计外延结构中p 层和n 层载流子浓度和一定电流工
作下芯片的尺寸大小有参考价值。
4
结论
对Si 衬底GaN 基蓝光LED 芯片在常温下经1000h 老化的电学和发光性能进行了研究。老化后的光功率随时间的变化分先升后降两个阶段，光功率升高的原因归结为老化后更高的受主激活率，光功率下降的原因归结为老化后缺陷增加所带来的负面影响。老化前后I-V 曲线结果显示，反向漏电流和正向小电压下的电流都有明显的增加，归结为老化后杂质缺陷能级带来的隧穿电流所致。老化后的器件外量子效率比老化前低，老化前后EQE 衰减幅度与注入电流密度关系密切；电
流密度为2.0A ·cm －2
处对应EQE 最高点，同时也
是老化前后光衰最小处。60mA 工作的芯片在200mA 加速老化1000h 后光功率下降仅3.8%，说明硅衬底LED 芯片具有较高的可靠性。
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368发光学报第31卷
The Aging Characteristics of
GaN-based Blue LED on Si Substrate
XIAO You-peng1，MO Chun-lan1，2，QIU Chong1，2，JIANG Feng-yi1，2
（1.Engineering Research Center for Luminescence Materials and Devices of the Education Ministry，
Nanchang Uerversity，Nanchang330047，China；
https://www.wendangku.net/doc/ba11136957.html,tticepower（Jiangxi）Co.Ltd.，Nanchang330029，China）
Abstract：The electrical and optical aging characteristics of GaN-based light-emitting diodes on Si substrate were studied.The LED samples were stressed at room temperature with an injection current of200mA.Light-output power increases in the first stage and decreases with aging time.The current-voltage characteristics were also analyzed.Reverse current and forward current at low bias were increased significantly.The external quan-tum efficiency（EQE）of device after aging is lower than the pre-aging one.The EQE attenuation before and after aging are significantly different at different injection currents.The smallest attenuation occurs in the cur-rent density range corresponding to the highest efficiency.
Key words：Si substrate；GaN；blue LED；aging test；luminous decay
CLC number：O482.31；TN383.1PACS：78.60.Fi PACC：7860F Document code：A Received date：2009-10-09