准备层温度对黄光LED光电特性和老化性能的影响

孙文文， 方 芳， 王小兰， 郑畅达， 潘 拴

(南昌大学 国家硅基LED工程技术研究中心， 江西 南昌 330047)

1 引 言

近年来，由于GaN基发光二极管具有较高的发光效率和独特的节能优势，InGaN基LEDs在固体照明、显示技术等方面有了广泛的应用，已开始大范围代替传统照明成为新一代照明光源，使我们进入真正的固态照明时代[1]。然而，目前LED的发展仍不够完美。现有的白光LED是通过蓝光LED激发黄色荧光粉获得的，其显色指数、色温和光效之间难以协调发展，因此，有必要发展一种新的高品质LED照明技术，即采用多色高效率LED(如红、黄、绿、青、蓝光)合成全光谱白光[2]。蓝光和绿光LED的外部量子效率(EQE)分别达到80%[3]和55%[4]以上，而黄光则相对很低，这一现象被称为“黄绿鸿沟”，大大限制了全光谱白光的应用。一般情况下，GaN基黄光发光二极管的低效率主要是因为黄光LED很难获得高质量的高In组分量子阱和量子斯塔克效应(QCSE效应)严重。在InGaN/GaN多量子阱(MQWs)中由压电场引起的QCSE导致电子和空穴的空间分离，从而导致器件发光效率下降[5]；同时获得高In组分量子阱需要较低的生长温度，且容易导致相分离，使得量子阱的晶体质量恶化[6]。这些因素不但会制约黄光LED的光电性能，而且对黄光LED的可靠性有一定影响。为了获得高光效的黄光LED，通常会在n-GaN层与量子阱有源区之间插入InGaN/GaN超晶格准备层，以此来释放量子阱所受应力，提升量子阱有源区的晶体质量，减少量子阱中的缺陷及位错密度，从而获得较高的发光效率[7-8]。此外，超晶格准备层具有释放量子阱应力、弱化In相偏析的作用，而量子阱中In偏析现象减轻，将加强阱中“局域态效应”，从而极大地提高MQWs的辐射复合率，进而提升了发光效率[9]。研究超晶格准备层的生长条件对LED的光电性能影响的文献较多，随着超晶格厚度的增加，InGaN/GaN量子阱中的应力减小，从而LED发光光谱峰值的蓝移量减少[10]。通过改变准备层结构、生长速率、铟镓比等方法，发现高铟镓比、低速生长且采用InGaN/GaN多层结构形式是获得高质量高In组分准备层的优化方法[11]。但是超晶格准备层的生长温度等对黄光LED的光电性能和可靠性的影响研究甚少。

本文主要研究样品的准备层生长温度对黄光LED器件性能以及器件可靠性的影响。对比了老化前后两个样品的外量子效率、内量子效率、FL、XRD等数据，并对其中的内在机理进行了研究和分析。

2 实 验

设计了两组不同超晶格生长温度的黄光LED样品，采用本单位自制的金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备进行外延生长，在图形化处理后的Si(111)衬底上沉积生长LED外延结构。衬底直径为5.08 cm(2 in)，厚度约1 030 μm，图形化单元面积为1.2 mm×1.2 mm。整个外延薄膜的结构如下：首先在衬底上生长120 nm的AlN缓冲层，之后生长3.3 μm 的n型GaN，然后生长32个周期三段式的InGaN(5 nm)/GaN(2 nm)超晶格准备层(SL),紧接着依次生长9个周期的黄光InGaN/GaN多量子阱(MQWs)、p-AlGaN电子阻挡层(EBL)和p-GaN接触层。将样品A的三段准备层温度分别设为900， 875，850 ℃，样品B为920，895，870 ℃。详细的外延结构如图1所示。

图1 外延结构示意图

LED外延片经芯片制造工艺流程被制备成尺寸为1 mm×1 mm的垂直结构的薄膜LED芯片。具体的芯片制备过程详见参考文献[12]。从两个样品中各挑选10颗主波长为560 nm(在35 A/cm2下测试)的芯片，封装成仿流明结构LED灯珠。每颗灯珠均焊接在老化板上，并置于40 ℃的老化台中，通500 mA的直流电流进行加速老化试验，并分别在老化前老化24，168，500，1 000 h后进行相应的测试表征。

3 结果与讨论

3.1 InGaN/GaN准备层温度对GaN基黄光LED光电性能的影响

图2为样品A和B 外延片GaN(002)面的XRDω-2θ扫描曲线。可以看出样品B的零级衍射峰更靠近GaN主峰，说明其准备层中的In组分更少[13]。随着超晶格生长温度的升高，超晶格中的平均In组分减少。表1给出了(002)面MQW中-1和-2卫星峰的半峰宽，可以看出，随着超晶格生长温度的升高，MQW各级卫星峰的ω扫描半峰宽减小，说明其外延层晶体质量更高[14]。用荧光显微镜(FL)观察了A和B两个样品外延片的MQW发光图像。图3为室温下两个样品的FL形貌图。可以看出两个样品的FL形貌图中都存在暗斑，其中样品A的暗斑更浅，并散布红点，而样品B的暗点颜色更深，微观均匀性比样品A更好。样品A的散布红点可能是高In组分的InGaN偏析，而样品B的黑点则可能是单质In或者是GaN。

图2 A和B样品GaN(002)对称面ω-2θ扫描曲线

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

表1 A和B样品(002)面MQW卫星峰的半峰宽

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

(002)面中MQW负一级卫星峰的半峰宽(002)面中MQW负二级卫星峰的半峰宽样品A355338样品B350312

图4为样品A和B在不同温度下 EQE 以100 K时最高点的EQE值进行归一化处理后的EQE随电流密度的变化曲线，其中横坐标是对数刻度。如图中淡蓝色指示线所示，在温度300 K、电流密度为5.5 A/cm2时，样品B的EQE比样品A高。随着温度的升高，两个样品的EQE均逐渐下降。该现象可解释为：随着温度的降低，MQW

图3 A(a)和B(b)两样品外延片常温下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

图4 A(a)和B(b)两样品在不同温度下 EQE 随电流密度的变化曲线

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

有源区中缺陷相关的非辐射复合中心被冻结[15]，导致Shockley-Read-Hall (SRH)非辐射复合减少，从而使得IQE增加。图5是两个样品在电流密度为0.18 A/cm2时其EQE随温度的变化曲线，当温度为300 K、电流密度为0.18 A/cm2时，样品A和B的EQE下降分别为90.3%和81.6%。

图5 A和B样品其EQE随温度的变化曲线

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

因此，样品B较样品A的EQE下降更小，表明样品B的量子阱区缺陷更少，晶体质量更高。该结果与XRD结果一致，从而表现为其内量子效率高于样品A。

3.2 超晶格生长温度对GaN基黄光LED老化性能的影响

图6给出了两个样品不同老化时间下的EQE归一化后随电流密度的变化曲线。老化1 000 h后，样品A的EQEJmax(EQE最大时的电流密度)从3 A/cm2右移到5.5 A/cm2，样品B的EQE 的Jmax从2 A/cm2右移到5.5 A/cm2。两个样品的EQE随着老化时间增加而减小。已有研究表明，老化后的EQE下降主要与非辐射复合常数A以及注入效率的下降有关[16]。

图7为A和B样品在不同测试电流下的归一化光功率随老化时间的变化曲线。可以看出样品B的光衰比样品A更大，且在小电流的下降更为明显。老化1 000 h后， 在300 K下，当测试电流密度为0.18 A/cm2时，样品A的LOP下降了38%,而样品B下降了48%；当测试电流密度为35 A/cm2时，样品A的LOP下降5%,而样品B下降了6.7%。也就是说，样品B老化后光衰比样品A要大。

为了能更直观地观察两个样品老化前后EQE的变化，图8给出了A和B样品老化前后EQE随电流密度的变化曲线。在老化前，和样品A相比，样品B拥有较高的EQE，在小电流下更为明显。例如，当注入电流密度为0.18 A/cm2时，样品A、B的EQE分别为11%和15%。该现象可解释为：随着超晶格生长温度的升高，晶体质量提高，缺陷减少，使LED发光效率提高。老化1 000 h后，两样品的EQE均下降但最终二者相差不大，从而也证明了样品B的光衰更大，在小电流下更明显。

图6 A(a)和B(b)样品不同老化时间下归一化的EQE随电流密度的变化曲线

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

图7 A(a)和B(b)样品在不同测试电流下的归一化光功率随老化时间的变化曲线

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

图8 A和B样品老化前(a)、后(b)EQE随电流密度的变化曲线。

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

根据ABC模型可知EQE的表达式为：

(1)

其中N为载流子浓度，ηextr为提取效率，ηinj为注入效率。A、B和C分别为SRH复合常数、辐射复合常数和俄歇复合常数[17]。图9为100 K下样品A老化前(a)、后(b)和样品B老化前(a)、后(b)不同电流密度下的EL光谱。样品B在老化1 000 h后，EL光谱中的P3峰比老化前更为明显，说明在老化后有更多比例的空穴注入到超晶格中并发生辐射复合，即有更少比例的空穴注入到量子阱中，导致ηinj下降，进一步导致EQE下降[18]。如图10所示， I1为空穴直接从平台量子阱注入c面MQWs， I2为空穴通过侧壁量子阱注入到超晶格中发生辐射复合。其中P3峰对应于I2的注入途径。样品A老化前后的EL光谱并没有明显变化。

另外，根据ABC模型进行模拟可计算出两个样品老化前后的系数A、B和C。表2为样品A和B老化前后的SRH复合常数A的值，其中ΔA表示样品老化后A的值减去老化前的值。

两个样品老化前后的B、C系数不变，样品A老化前后的B、C系数分别为5.5E-13和 2.5E-31；样品B为5.5E-13和2.8E-31。二者并没有明显差异。而样品B老化1 000 h后非辐射复合系数A的增幅比样品A大，说明样品B在老化过程中产生了更多的与SRH非辐射复合相关的缺陷，使发光效率下降。

图9 100 K下样品A老化前(a)、后(b)和样品B老化前(c)、后(d)不同电流密度下的EL光谱。

图10 V坑附近不同注入方式

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

表2 两样品老化前后SRH复合系数A

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

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

图11 荧光显微镜下样品A老化前(a)、后(c)和样品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

用荧光显微镜对两个样品老化前后的芯片进行观察,如图11所示。对比发现，样品A老化前后的“黑点”数量和大小没有明显差异，而样品B老化后的“黑点”明显增多且变大，在形成大尺度In团簇的过程中，在合并区域内会产生额外的能量台阶，并且包含更多的非辐射复合中心，例如位错等。因此，载流子将会有更大的几率被非辐射中心捕获，导致发光效率下降[19]。

4 结 论

本文研究了InGaN/GaN超晶格温度对GaN基黄光LED器件性能和老化特性的影响。结果表明，超晶格生长温度更高，器件发光效率增加。其原因归结为：准备层温度升高，晶体质量提升，MQW有源区的缺陷减少，器件的发光效率得到提升。FL形貌的差别主要是因为准备层生长温度不同导致的超晶格内In组分不同，进而对其后生长的量子阱区引入的应力大小不同，从而导致In偏析状态不一致。经过40 ℃、500 mA电流、1 000 h老化后，两个样品的EQE均出现下降，且超晶格温度更高的样品的光衰更大。通过比较老化前后两个样品100 K下的EL光谱，发现超晶格温度更高的样品老化后的空穴注入途径发生变化，使注入效率下降，是造成样品光衰大的原因之一；通过用ABC模型对两个样品老化前后EQE随电流密度的变化曲线进行拟合计算，发现超晶格温度更高样品的A系数的增幅比超晶格温度低的样品大，说明随着老化时间的增加，超晶格温度高的样品中非辐射复合增加的程度更大，也是该样品光衰更大的原因之一。此外，通过荧光显微镜对比两个样品管芯老化前后的形貌，也证实了超晶格温度更高的样品的光衰比温度低的样品大，在老化过程中非辐射复合中心增加得更多，与A系数的变化得到了相同的结论。