窗口层生长工艺与LED可靠性关系研究

   摘要：本文采用不同的窗口层生长工艺生长了LED外延片，并详细研究了不同生长工艺对LED可靠性的影响。
    关键词：MOCVD、AlGaInP、高亮度LED、LED可靠性

1 引言

    随着外延技术的发展，特别是金属有机气相外延技术（MOCVD）的日臻完善和技术应用，以及半导体异质结材料和量子阱结构在发光器件中的应用，高亮度LED外延材料AlGaInP在九十年代有了突破性的进展，日本东芝公司以及美国HP公司先后研制成坎德拉级AlGaInP高亮度LED，我国在1998年研制成功第一只坎德拉级高亮度橙色LED，河北汇能公司于1999年研制出坎德拉级高亮度红、橙、黄LED，并首先在国内开始产业化生产，2004年OSRAM的发光二极管的效率达到108lm/W(614nm)。

    尽管LED的寿命很长，但是还没有达到专家预测的10万小时，因而研究LED寿命与外延材料结构设计、外延材料生长工艺、与器件制作以及LED封装的关系尤为重要。我们通过对外延材料的生长工艺的优化改进、以及对LED可靠性的测试，进一步分析了LED可靠性与生长工艺的关系。

2 试验设备与测试仪器

    外延材料的生长是在AIXTRON－2600G3设备上进行的，典型的LED生长结构如表1。衬底采用3英寸N+－GaAs衬底，晶向(100)偏(111)15°，生长材料采用常规的LED器件工艺，制成230μm×230μm的管芯，最后用环氧树脂封装成Φ5mm的LED，采用自己研制的老化台老化试验。功率测试计采用杭州远方公司生产的LED测试仪器。

3 寿命试验结果与分析

3.1 外延片测试

    我们进行了三批外延材料的生长分析，三批外延材料采用相同的结构，为了进行外延材料的生长工艺与LED可靠性的关系研究，三批外延材料采用了不同的窗口层生长工艺，外延片编号分别为ACE－1、ACE－2和ACE－3，三批外延材料的GaP厚度一样，ACE－1采用低温生长GaP籽晶层，正常生长速率生长GaP；ACE－2同ACE-1的工艺条件基本相同，只是GaP生长速率加倍；ACE－3则采用优化的GaP生长工艺，该外延片的室温PL光谱为633.5nm，波长的平均半高宽为13.3 nm，典型的PL－Mapping测试曲线如图1。

3.2 寿命试验结果
    我们的试验共选取了三批外延工艺不同的材料，分别封装成Φ5mm的LED灯，进行老化试验，老化条件为室温下、直流50mA，分别编号为ACE－1、ACE－2和ACE－3三组，测试样管的寿命测试曲线如下所示：

    由图中可以看出，样管ACE-1中的功率在短暂的功率上升后，功率开始缓慢下降；而ACE-2寿命曲线比较奇特，分为三个阶段，开始阶段增长较快，然后功率急速下降，最后功率开始上升，在我们老化的一千多小时内，功率还在增加，这种奇特的功率老化曲线，还未见文献报道；ACE-3则是比较典型发光二极管测试曲线。
3.3 结果分析
    发光二极管的退化主要是缓慢退化，包括管芯退化以及环氧树脂的退化，我们的讨论不考虑封装管芯的环氧树脂的退化。管芯的退化主要是有源区内缺陷和位错的繁殖增生，以及有源区外面缺陷和位错的移动。我们的管芯由于有源区的工艺相同，因此影响寿命曲线的主要是有源区外的缺陷和位错的移动。
    在老化初期，三个样品管芯的功率均有不同程度的增加，主要是由于退火效应造成的发光区非辐射复合中心减少。ACE-1的窗口层采用低温生长籽晶层工艺，由于GaP和AlInP的晶格失配，因此在籽晶层会产生大量缺陷，随着老化时间的增加，缺陷和位错的移动，使得LED寿命逐渐衰减。而ACE-2的窗口层由于提高了生长速率，因此在GaP和AlInP异质结的界面缺陷和位错产生的量会更多，由于退火效应对发光区非辐射复合中心的影响，出光功率增加。随着老化时间增加，异质结界面的缺陷移动至发光区，因此辐射复合中心减少，出光功率下降。由于ACE-2的窗口层中生长工艺没有优化，产生较多的Ⅲ族空位点缺陷，而点缺陷在LED中成为深能级非辐射复合中心，随着退火效应的增加，点缺陷数量减少，因此出光功率开始线性增加。优化窗口层生长工艺后，异质结界面缺陷减少，窗口层中生长缺陷减少，我们采用特殊的生长工艺，使缺陷运动方向向窗口层表面运动，因此ACE-3老化曲线相对比较平缓。
4 结论
    发光二极管的老化主要是由于发光区中缺陷的产生与位错的运动造成的，而对于AlGaInP系列的发光二极管，GaP与AlInP异质结界面的缺陷与位错的运动，以及窗口层中的缺陷和位错的运动，对二极管的寿命产生一定的影响。因此优化LED以及窗口层的生长工艺，对LED的可靠性会产生重要影响。