GaN基发光二极管的可靠性研究进展

引言

　　自从1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出掺Mg的通质结GaN蓝光LED，GaN基LED得到了迅速的发展。GaN基LED以其寿命长、耐冲击、抗震、高效节能等优异特性在图像显示、信号指示、照明以及基础研究等方面有着极为广泛的应用前景，成为半导体领域的研究热点，国内外很多科研机构和企业先后开展了GaN基材料、器件的相关研究，在材料质量、器件指标等方面取得了重要进展。同时对GaN基LED的可靠性也进行了比较深入的研究。

　　GaN基LED的退化机理主要包括封装材料退化、金属的电迁移、p型欧姆接触退化、深能级与非辐射复合中心增加等，针对这些退化机制，采取了一些改进措施。

　　退化机理

　　封装材料退化

　　早期的GaN基LED可靠性研究观察到光输出迅速降低的一个重要原因是由于蓝光与紫外线辐射和温度升高，封装材料的透明度研究下降[1－4]。众所周知，长时间接受紫外线的辐射会降低许多聚合物的光学透明度，而GaN系统的带间辐射复合会产生紫外线，所以认为紫外辐射引起封装料退化是合理的。

　　对于封装材料的热退化，D.L.Barton等人的研究试验表明[1－4]，塑料在150℃左右会由于单纯的热效应使LED的光输出减弱，尽管在寿命试验中没有发现塑料封装的外观呈褐色，但与LED接触的部分可能发生了变化。进一步研究发现，环境温度为95℃，驱动电流大于等于40mA时，结温超过了145℃，非常接近塑料变色的温度；当驱动电流小于30mA时，结温小于135℃，与之对应LED退化率也很小，所以引起塑料封装材料变化，对LED的寿命有重要的影响的温度范围是135～145℃，另外，在大电流条件下，封装材料甚至会碳化[4－6]，在器件表面生成不透明物质，或者碳化物质在表明形成电导通道[4]，导致器件失效。由于小功率GaN基LED的正常工作电流是20mA，远小于试验电流，封装材料碳化这种比较极端的失效方式只可能出现在加速寿命试验中，在正常工作时，封装材料应该是缓慢退化的。

　　金属的电迁移

　　金属的电迁移是半导体器件和集成电路的电极系统中的最主要的失效机理，在GaN基LED中也存在金属的电迁移的问题，但是与集成电路中互连线金属电迁移有所不同，主要是纵向迁移，即p型欧姆接触金属沿缺陷管道电迁移到达结区造成短路[7－11]，导致器件失效。由于没有匹配的衬底材料，外延生长的GaN薄膜中往往包含有大量的缺陷，其大部分的是线性位错，器件工作时，接触金属的在电应力和热应力的作为下就会沿这些位错线迁移到达结区，从而形成低阻欧姆通道，造成LED结特性退化，光功率迅速下降。失效后器件的电学特性主要表现为结漏电流增加，如图1所示[11]，这一失效机理的发现，是对Nichia公司的GaN基LED施加100mA电流脉冲[7]或70mA恒定电流[11]，远大于实际工作电流。对于蓝宝石绝缘陈衬底上的GaN基LED，p型电极和n型电极只能在外延表面的同一侧，这种特殊的器件结构使得靠近n型电极处电流密度很大，所以在正常工作条件下也存在金属电迁移的可能性，可以推知，材料缺陷密度越大，电流拥挤越严重，这种失效模式发生的几率越大，所以提高外延材料质量，减少缺陷密度，改进器件结构以使电流均匀扩展，可以有效提高器件的可靠性。

　　p型欧姆接触退化

　　在GaN基LED失效分析过程，对比器件退化前后的I－V特性[14]发现，已退化器件的寄生串联电阻增加使得相同电压偏置下的正向电流减小[见图中（Ⅳ）标识处]，普遍的解释是半透明欧姆接触和p型GaN层的上表面受大电流和高温影响而退化，导致串联电阻增加，随之电流拥挤效应使得光功率下降[2，12－14]。寄生串联电阻增加可能与半透明欧姆接触退化有关，但目前对这一推断还缺少明确直观的解释，更深入的物理机制有待进一步研究，也可能与p型层掺杂剂的不稳定有关，Mg络合物对GaN基LED退化所起作用将在下面讨论。

　　深能级与非辐射复合中心增加

　　随着封装技术的提高，与GaN材料本身有关的失效模式和机理逐渐引起人们的兴趣。F.Manyakhin等人通过分析InGaN/AlGaN/GaN发光二极管在大电流老化试验中光电学参数的变化和空间电荷区的离化受主分布[15]，认为在老化试验第一阶段，有源层中剩余的Mg－H络合物分解，p型层有效离化受主浓度增加，LED发光强度增加；在第二阶段，施主缺陷N空位的形成占优势，使得受主浓度降低，而且这种缺陷增加了非辐射复合的可能性，从而解释了器件的光衰减。

　　W.Y.Ho等人[16]通过研究直流大电流条件下退化的异质结LED，发现距导带1.1eV处的深能级陷阱密度从2.7×1013cm－3上升到4.2×1013cm－3，异质界面陷阱在器件光电特性退化中起着重要的作用。

　　G.Meneghesso等人用深能级瞬态谱也探测到深能级分布的变化和潜能级陷阱的产生[12，14]，认为器件老化过程中Mg－H络合物分解，接着形成Mg－H2和Mg－H－N络合物，既能解释有效掺杂降低又能解释深能级的出现[13]。文献[17]对Mg络合物在InGaN基LED退化中的作用有详细介绍。G.Meneghesso还发现大电流密度下器件内有延伸的缺陷产生[12，14]。X.A.Cao等人[18]则认为，正向大注入电流下器件性能缓慢退化是InGaN有源区或AlGaN/GaN限制层产生电缺陷造成的，这些缺陷起非辐射复合中心和载流子隧穿通道的作用。

　　提高器件的可靠性的措施

　　新型封装材料的应用

　　LumiLeds公司的LED产品封装材料采用已获得专利权的硅树脂代替传统的环氧树脂。这种硅树脂具有更好的机械特性，能承受更高的温度，而且对紫外线照射和高强度蓝光辐射引起的褐色化具有更强的抵抗能力。纽约Troy照明研究中心曾对其进行过独立研究测试，室温条件下，5mm传统环氧树脂封装的GaN基白色LED采用20mA驱动电流，硅树脂封装的大功率LED驱动电流为350mA，工作10000h后，5mm的白色LED衰减了65％，而大功率的LED仅衰减了10％左右

　　改善散热条件

　　如前所述，高温使塑料封装的透明度降低[1－4]，影响GaN基LED器件的半透明欧姆接触和p型GaN的上表面，导致串联电阻增加，还会引起缺陷的产生[18]，所以改善散热条件是提高器件可靠性的重要方法。BeeSimTan[19]等人通过激光剥离技术，把GaN基蓝色LED从散热性不好的蓝宝石衬底上转移到Cu衬底上，由于Cu良好的导热性，器件产生的热能有效的消散掉，使得器件在大电流条件下也没有退化，反而由于电退火作用改善了材料质量，使器件光输出功率稳定上升，如图4所示。对LED施加300mA恒定电流，开始Cu衬底上的LED光输出功率（1.9mW）比蓝宝石衬底上的（1.41mW）高出36％，60min后达到87％，（2.73mW对1.46mW）很明显蓝宝石衬底上的LED光输出功率衰减，而Cu衬底上的LED光输出功率提高，可靠性明显改善。

　　改进电流扩展

　　电流拥挤效应使蓝宝石衬底上的GaN基LED器件局部区域温度升高，能直接导致器件失效。为了使电流充分扩展，人们采取了很多办法，比如在器件中外延生长InGaN电流扩展层，优化p型电极的Ni/Au厚度比或几何状态，Kim等人[20]在模型计算的基础上，优化p型电极焊盘的几何形状以使电流均匀扩展，并把电极优化后器件（b）、（c）的累计失效率（应力条件是20℃，460A/cm2）与改进前（a）的相比较，如图5所示，可以看出改进后器件的可靠性得到了提高。

　　实际上，如果把GaN基LED制造成垂直结构，可以从根本上解决电流均匀扩展问题。文献[21]报道，在400mA驱动电流条件下，蓝宝石衬底上横向结构的300μm×300μmLED15h后明显退化，不到24h就完全失效，而在GaN衬底上制造的垂直结构的LED24h后光衰减不超过1％，但目前还不具备生产用的高质量GaN衬底。

　　加强工艺控制

　　GaN基LED的制造工艺对其可靠性的影响也是不可忽视的。Kim等人[22]把p型欧姆接触在O2中退化与在N2中退化相比较，制作的GaN/InGaNLED电学特性得到了改善，但是在0.37kA/cm2的电流应力下，LED的寿命却从1269min下降到了15min。所以加强GaN基LED制作过程中的工艺控制至关重要。

　　除了制作欧姆接触外，对GaN基LED可靠性影响比较大的工艺是干法刻蚀。刻蚀造成的侧壁损伤会使器件漏电流增加。而反向漏电流大的器件往往可好性差，减少损伤常用的方法是退化处理、化学溶剂处理和等离子体钝化处理。用N2O等离子体处理过的InGaN/GaN多量子阱LED，在低压偏置条件下的反向漏电流比没有处理过的样品小3个数量级，可靠性能明显提高[23]。

　　结束语

　　为了深入研究GaN基LED的可靠性，人们设计了很多加速寿命试验，分析出如前所述的潜在退化机理，针对这些退化机理提出了一些可靠性改进的措施，然而在正常工作条件下，Nichia公司商品化的GaN基LED没有任何迅速退化的迹象，与其寿命超过50000h，在半导体照明领域，应用GaN基蓝光LED制造成的白色固态光源体积小、重量轻、寿命长，是节能的新一代光源。专家预测，我国在20005年至2015年间，半导体照明可累计节电4000亿度，2015年后，中国半导体照明每年节约的电能将超过三峡电站全年的发电量。我国相信，GaN基LED在未来生活中会绽放异彩。