（材料物理与化学专业论文）si衬底gan基蓝光led器件性能研究.pdf

s i 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 摘要 g a n 半导体材料为直接带隙材料，在信息显示和固态照明等领域具有广阔的应用 前景。相对于蓝宝石衬底而言，s i 作为g a n 蓝光l e d 衬底有许多优点，如：良好的导 电、导热性、晶体质量高、尺寸大、成本低、容易加工等。然而由于s i 衬底与g a n 外 延层之间巨大的晶格失配和热失配，这使s i 衬底上的g a n 材料产生大量的位错及裂纹， 为s i 衬底上g a n 材料生长设置了障碍。近几年来，在s i 衬底上生长g a n 取得了很大 的进展，有少数几家研究组报道在s i 衬底上制备出了g a n 基发光器件。但对其l e d 器 件的性能的研究并未深入，本论文主要研究了s i 衬底g a n 蓝光l e d 器件的一些性能： 可靠性，结温特性，l 矿曲线与其结晶性能关系。得到了如下一些有意义和部分有创新 性的研究结果： 1 将s i 衬底g a n 蓝光l e d 与蓝宝石衬底g a n 蓝光l e d 样品在工作电流为2 0 m a 时，放在1 2 0 高温环境中加速老化3 个小时，未见s i 衬底g a i n 蓝光l e d 光强发生衰 减，而蓝宝石衬底g a n 蓝光l e d 光强有少许衰减，这间接证明了s i 衬底g a n 蓝光l e d 有良好可靠性。 2 本文首次报道s i 衬底g a n 基l e d 的结温特性，分析指出：和结温与电流的对 应关系相比，用结温与电流密度更能够反映器件性能。通过与蓝宝石衬底上g a n 蓝光 l e d 的结温比较，发现s i 衬底g a n 蓝光l e d 有更低的结温，原因归结为s i 有更好的 导热性。 3 首次报道s i 衬底g a n 蓝光l e d 的理想因子。 首次发现了理想因子和x 射线斜对称衍射( 1 0 2 ) 半峰宽有很好的对应关系，理 想因子大的样管，其外延材料( 1 0 2 ) 衍射半峰宽大，反之亦然。这表明g a n 蓝光l e d 大的理想因子主要是由于外延材料高缺陷密度所致。 研究了s i 衬底g a n 蓝光l e d 的二矿特性曲线随温度变化关系，结果表明曲线的 ( 西z ，) 。矿的斜率变化不大，但理想因子随温度变化显著减少。 本论文得到了国家8 6 3 纳米专项( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 1 6 0 ) 和电子发展基金资助 关键词：s i 衬底；g a n ；l e d ；结温；理想因子 s i 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 a b s t r a c t g a nb a s e ds e m i c o n d u c t o r sm a n i f e s taw i d ed i r e c tb a n dg a p ，a n dh a v eb e e n d e m o n s t r a t e dal a r g ep o t e n t i a lf o ra p p l i c a t i o n si no p t o - e l e c t r o n i cd e v i c e s f o ra l lt h e s e a p p l i c a t i o n s ，t h ei i i vn i t r i d el a y e r sa r eu s u a l l yg r o w no ns a p p h i r eo ro ns i l i c o nc a r b i d e s u b s t r a t e s h o w e v e rt h ed e v e l o p m e n to fs o m eo ft h e s ea p p l i c a t i o n so ns i l i c o n ( s i ) s u b s t r a t e s h a so b v i o u st e c h n o l o g i c a la d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gt h el o wc o s t ，l a r g e - s c a l ea v a i l a b i l i t y , g o o d t h e r m a la n de l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t i e sa n dt h ef e a s i b i l i t yo fr e m o v i n gt h es is u b s t r a t e sw i t h w e te t c h i n g s i g n i f i c a n tm i s m a t c h e si nl a t t i c ec o n s t a n t sa n dt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n t so f s i l i c o na n dg a ni ng r o w t hp r o c e s si se x i s t e d s n c hd i f f e r e n c e sc a u s ec r a c kf o r m a t i o nw h e n t h et h i c k n e s so ft h eg r o w nf i l me x c e e d sac r i t i c a lt h i c k n e s s ，w h i c hw i l lb r i n gi ns o m e q u e s t i o n sa b o u tr e l i a b i l i t i e so fl e dd e v i c e s 。c o n s e q u e n t l y , i ti se s s e n t i a lt os t u d yt h e r e l i 曲i l i t i e so f b l u eg a n l e do ns is u b s t r a t e i n t h i sp a p e r , s o m ed e v i c ep r o p e r t i e so fg a nl e do i ls is u b s t r a t e si ss t u d i e d ， i n c l u d i n g ：r e l i a b i l i t i e s ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，i - vc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e c o r r e s p o n d i n gi d e a l i t yf a c t o r s o m es i g n i f i c a n ta n di n n o v a t i v er e s u l t s i s a c h i e v i n ga s f o l l o w i n g ： 1 t h el i g h ti n t e n s i t yo fb l u eg a n l e do ns is u b s t r a t ed o e s n td e c r e a s ef o rt h r e e h o u r sw h e nt h el e d sw e r ea g e di n1 2 0 * ca m b i e n c ea n dd c2 0 m ao p e r a t e dc u r r e n t i 1 1 c o n t r a s t ，t h a to fb l u eg a nl e do ns a p p h i r el e dd e r e a s el i g h t l yi nt h es a m ec o n d i t o n ，w h i c h s u g g e s t st h eg o o dr e l i a b i l i t i e so f g a nl e do ns is u b s t r a t ei n d i r e c t l y 2 t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co fg a nl e do ns is u b s t r a t ei sf i r s t r e p o r t e d i ti ss u g g e s t e dt h a tc n r r e n td e n s i t yh a s t e a do fc l l r r e n tc a nb eu s e dt oe x p r e s st h e r e l a t i o nw i t ht h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ew e l l c o m p a r e dt ot h eg a nl e do ns a p p h i r e ，i ti s f o u n dt h a tt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ei sl o w e rf o ral e do ns is u b s t m t e ，w h i c hi sc o n t r i b u t e d t ot h eg o o dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo fs is u b s t r a t e 3 t h ei d e a l i t yf a c t o ro fg a n l e do ns is u b s t r a t ew a sf i r s t l yr e p o r t e d s t u d y i n gt h e r e l a t i o nb e t w e e nt h ei - vc h a r a c t e r i s t i c so f d i f f e r e n ts a m p l e sa n dt h e i rc r y s t a lp r o p e r t y , w h i c h c a l lb ed e c i d e db yt h ef u l l w i d t ha th a l f - m a x i m u m ( f w h m 、o ft h e r o c k i n gc u r v ef o r s j 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 g a n ( 10 2 ) d o u b l ec r y s t a lx r a yd i f f r a c t i o np e a k ，w ec a l lf o u n dt h a tt h e r ei sd i r e c tr e l a t i o n b e t w e e nt h ei d e a l i t yf a c t o ra n dt h ec r y s t a lp r o p e r t y ：t h ei d e a l i t yf a c t o r sf o rd i f f e r e n ts a m p l e s i s6 6 ，4 5 ，3 0 r e s p e c t i v e l y ，w h i c hi sc o r r e s p o n d i n gt ot h ef w h mo fe a c hs a m p l e ：7 0 7 ， 5 3 0 ，4 0 1a r c s e c w ec o n t r i b u t e dt h ea n o m a l o u s l yh i g hi d e a l i t yf a c t o r s ( n 2 0 ) t ot h eh i g h d e f e c td e n s i t y ，w h i c hm a k et u n n e l i n gc u r r e n tt a k ep l a c em o r ee a s i l y t h i sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a n o n a l8 6 3n a n o m e t e rp r o j e c t ( n o 2 0 0 3 a a 3 0 216 0 ) a n d e l e c t r o nd e v e l o p m e n tf u n di nc h i n a 。 l i uw e i h u a ( m a t e r i a lp h y s i c sa n dc h e m i s l r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rj i a n gf e n g y i k e y w o r d sg a n ；s is u b s t r a t e ；l e d ；j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ：i d e a l i t yf a c t o r i i i 附件一： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得南昌太学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者躲纠卫年签字吼坷年少月夕日 、学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹量叁堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌大学可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 卫孑 导师签名 签字日期：硝年巧月f 7 日 | 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 勤鹊 签字日期：加拆锄日 电话 邮编 si 衬底l a a l , l 基蓝光l e d 器件性能研究 1 1前言 第一章综述 族氮化物半导体由于其广泛的商业应用使其成为全球研究的热点。在短短的几 年内，高亮度的蓝光、绿光发光二极管( l e d s ) ，高频场效应管，紫外和蓝色激光器二极 管( l d s ) 都已成为可能。在1 9 8 9 年之前，很少人对i i i 族氮化物材料体系( a 1 g a i n n ) 进行研究，这主要原因一是p 型g a n 难以获得，二是i 1 型g a i n 的缺陷密度太高( 由于 没有合适的衬底材料) 。没有p 型g a n 材料，也就不能制备蓝色发光二极管( l e d s ) 、 蓝色激光n ：- - 极管( l d s ) 和u v 探测器。1 9 8 9 年，a m a n o 等人首次得到p 型g a n ，并 制备出了第一支p n 结l e d “，1 9 9 2 年，s n a k a m u r a 2 1 宣布制作出他的第一支蓝色l e d s ， 这就使g a i n 成为上世纪9 0 年代研究的热点。蓝色l d s 也很快研制成功。族氮化物 生长工艺的改进使其材料生长及器件制备迅速进入了规模化生产。 从第一支p n 结l e d 的研发到第一支连续波激光器二极管的生产不到十年的时间， 虽然g a n 器件与市场发展迅速，但g a n 材料中还存在较多的问题：如发光机制、如何 提高发光效率、高的缺陷浓度及衬底的选择等。 1 1 1g a n 材料的发展 g a n 材料最早由j o h n s o n 等【3 】人于1 9 2 8 年用n h 3 和金属g a 合成的g a n 粉末。此 后几十年又有人陆续合成g a n ，并对其晶体结构、晶格常数和光谱进行了研究【4 ，5 。g a n 单晶材料最早由p a n k o v e 的两个助手m a r u k a 和t i e t j e n 用h v p e 方法在蓝宝石衬底上生 长的旧。但由于蓝宝石衬底与g a n 之间巨大的晶格失配和热失配，g a n 外延膜通常处 于高应力状态下，这会使g a n 外延膜龟裂严重。随后他们对g a l l 材料进行掺杂与光学 性能的研究，并制备出第一支m i s 结构的蓝色发光二极管r ”。他们的成功激起了人们对 g a n 材料研究的极大兴趣，但由于当时生长技术的限制，制备的材料质量很差( 高的n 型背景载流子浓度) ，主要是没能实现g a n 的p 型化，阻挡了g a n 器件化的进程，所 以大家逐渐对g a n 失去了兴趣。在上世纪八十年代只有极少数的研究组还在对它进行 研究。 上世纪八十年代末，由于a k a s a k i 峭的努力，g a n 的研究取得了突破性的进展。他 s j 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 意识到g a n 的p 型化与g a n 的质量有很大的关系，要降低n 型背景载流子浓度，及得 到无龟裂的表面。为了克服蓝宝石衬底与g a n 之间的晶格失配，他发明了低温缓冲层 技术，在5 0 0 。c 左右在蓝宝石衬底上沉积一层约3 0 n m 厚的a 1 n 缓冲层，使生长在蓝宝 石衬底上g a n 单晶质量大大提高，表面无龟裂，背景载流子浓度下降，载流子迁移率 提高，发光性能也大大改善。a k a s a k i 非常成功得获得了p 型g a n 材料，这重新引起了 人们对p 型g a n 研究的兴趣。a k a s a k i 和a n l a n o 用m o v p e 方法对g a n 进行掺m g ， 并用低能电子束辐照( l e e b i ) ，发现g a n ：m g 实现了p 型电导。接着a m a n o 制备出世 界上第一支g a n 基p n 结发光二极管【9 。接着，日亚公司的n a k a m u r a 改用g a n 作缓冲 层，他获得了如镜面的表面和更优越的电学性能 1 0 j ，并制各出了他的第一支g a n 蓝色 l e d l l l 】。接下来，n a k a m u r a 在氮化物研究领域一路丰收，1 9 9 2 年，在n 2 气氛下对掺 m g 的g a n 膜进行退火处理，获得了很好的p 型g a n 材料 1 翔。同年又在g a n 单晶膜上 生长出高质量的i n g a n 1 3 1 。1 9 9 3 年制作出亮度超过1 0 0 0 m c d ，以i n g a n 为有源层的双 异质结的蓝色l e d s 。到2 0 0 1 年，日亚公司的蓝色l e d s 输出功率超过6 r n w ( i f = 2 0 m a ) ， 亮度超过3 c d 。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 通过控制i n g a n 中的i n 组份，获得了发光波长从5 0 0 n m 到5 9 0 n m 的蓝绿，纯绿和黄绿l e d s ，其中绿光l e d s 亮度达1 2 c d 。利用蓝色发光芯片 涂覆黄色荧光粉技术，得到了白光l e d s 1 4 。2 0 0 2 年，l u m i l e d s 宣布其获得了5 w1 2 0 1 m 的白光光源。最近有传闻说c r e e 的白光l e d s 达7 4 1 m w 。 g a n 因其为宽禁带半导体，在制作短波长器件方面有广泛的应用。在发展蓝色发光 器件的同时，大家对紫色和近紫外g a n 基发光器件进行了大量的研究。1 9 9 3 年， n a k a m u r a 用掺s i 的i n g a n 用作有源层，制作出双异结紫色发光二极管，发光波长为 4 2 5 n m ，量子效率为0 1 5 。1 9 9 5 年，他用i n g a n a i g a n 双异质结，把紫色发光二极管 的量子效率提高到9 2 ，光功率达5 6 r o w 。 除日亚外，还有很多研究组对u v l e d s 进行了研究。1 9 9 7 年，p h i l i p s 公司的 p m m e n s z 【i 副报道了3 8 5 n m 和4 1 2 n m 的u vl e d ，光功率为1 5 m w 。用6 h s i c 衬底制 备的u vl e d s 也表现了良好的光电性能，2 0 0 1 年，c r e e 的s i c 衬底u vl e d s 商品光 功率为1 2 m w ，而根据最近的报道，其u v l e d 功率已达2 1 m w 。s a n d i a 的j h a n 则用 a i g a n g a n 多量子阱结构制造出3 5 3 6 n m 的u vl e d 【16 。h h i r a y a m a 在6 h s i c 衬底上 用a l o h g a o8 9 n a l o2 4 g a o7 6 n 多量子阱结构制备出了一种更短波长的紫外发光二极管，发 光波长为3 3 0 n m ”】。 s i 衬底g a n 基蓝光l e d 器件| 生能研究 氮化物的研究之所以吸引全世界众多单位的关注，一个重要的原因是在于它们能够 用于制造蓝光甚至更短波长的半导体激光器。所以自从蓝光l e d 研制成功后，许多公 司和研究组都投入大量的资金进行g a n 基半导体激光器的研究。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 率 先研制出第一支电注入i n g a n 多量子阱紫色激光器。1 9 9 8 年，日亚的紫色激光器室温 工作寿命超过1 0 ，0 0 0 小时，达到商业化水平。2 0 0 0 年，他们又研制出4 5 0 r i m 的蓝色激 光器。2 0 0 1 年6 月，日亚宣布他们开始量产3 0 r o w 的紫光l d ，这将取代现有的红光 l d 作为下一代d v d 光盘的光源。1 9 9 9 年，f u j i t s u 紫色激光器室温l m w 工作寿命达 5 7 小时。2 0 0 0 年3 月s o n y 的紫色激光器5 m w 工作寿命超过1 0 0 0 小时。 在探测器和高温大功率电子器件领域，近年来也取得了很大的进展，1 9 9 1 年，k h a n 就研制出了商品化的g a n 基紫外探测器 1 8 】。1 9 9 3 年，k h a n 等人研制成功g a n 基 m e s f e t 1 9 】。1 9 9 6 年，w u 等人又报道了了调制掺杂f e t 2 0 。在高频器件方面，也取得 了一些进展，已报导的有h e m t l 2 1 】和h f e t 2 2 1 。 1 1 2 g a n 发光器件的的应用 蓝色l d s 和l e d s 具有巨大的商业应用市场，氮化物器件的最大市场是照明( 替代 白炽灯和日光灯) 、显示( l e d 在广告牌和投影电视方面的应用) 和数据存储( 4 7 g b d v d h i ) ) 。 1 1 2 1l e d s 目前氮化物器件的最大市场是用于大面积显示、交通信号灯和室内照明的蓝色、绿 色和白色l e d 。目亚公司在1 9 9 5 年以来就开拓了蓝色l e d 在户外显示的市场。这些蓝 s i 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 色l e d 与绿色、红色l e d 三基色实现全色显示。这三种颜色的l e d s 用来匹配人眼的 灵敏度。人眼的视网膜上有三种接受视锥体，这些视锥体对颜色起探测器的作用，每种 2 o 羞 嚣 p 0 蠹 5 朝07 瑚a l 舻札n “ 图1 人眼中三种不同接受视锥体对光谱的灵敏度 视锥体对光的响应不同，如图l 所示。 使用l e d ，投影电视的显色指数可显著提高。价廉的蓝色l e d 的使用，使大面积 l e d 广告牌成为现在非常流行一种广告形式。l e d 由于其耗电量低、寿命长等特点现 在的交通信号灯基本用红、绿、黄u m 替代了传统的白炽灯泡。 蓝色l e d 的另一个应用是在家庭和商业照明方面替代低效的白炽灯和目光灯。目 光灯照明虽然效率比白炽灯高许多，但由于其发出的光闪烁和色调不柔和，在许多家庭 中不受欢迎。而用红、绿、蓝三基色l e d 组合，可以获得更有效、更令人满意的光源。 一种方法是把荧光粉涂覆在i n g a n 基l e d 上，荧光粉受激发射出更长的波长与l e d 本 身发出的光复合成白光，使用这种技术已获得效率高达7 4 1 r r d w 的光源。 1 1 2 2 激光器二极管( l d s ) 虽然l e d 市场是i i i 族氮化物市场的主体，但是许多应用需要特殊的器件特征，如： 高的电光转换效率、稳定光输出、高输出功率和窄的发光光谱，能满足这些要求那就只 有激光器二极管( l d s ) 。这些包括医疗、高档d v d 播放器、基因重组、投影显示、激 光打印机和生化反应传感和激活作用。 4 s i 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 对于不同的应用，对l d 的波长和输出功率的要求有点不同。投影显示需要人眼敏 感的特定的颜色是高输出功率，如需波长为4 5 0 r i m 功率达2 0 0 m w 的l d 。生化反应传 感需要波长为4 7 0 4 9 0 n m 的l d ，这种波长相对长一点的l d ，目前用m o c v d 方法还 没获得。 目前i i i 族氮化物l d 用的多的领域是高质量的激光打印机和新一代的d v d 播放器 f 现已命名为d v d i - m ) 。这两种应用都需要连续稳定的光源，这样光就能聚焦为一个很 小的衍射斑点。衍射斑点面积的大小与波长的平方成正比。c d 播放器中用的是波长为 8 6 0 r i m 的a 1 g a l n a sl d 。d v d 播放器用的是6 5 0 n m 的红色l d ，它把波长降低1 3 倍， 也即斑点面积的大小降低1 3 2 ( - 1 7 ) 倍。用4 1 0 r i m 的i n g a n 基l d ，其斑点面积大小可 以缩小4 倍。斑点面积越小，同一大小的光盘上就可以存储更多的信息。对于激光打印 机，光斑面积越小，打印机的清晰度越高。 1 2 g a n 的基本结构 图2 g a n 纤锌矿结构 图3g a n 纤锌矿型原子密排方式 i 蝴| 台 b 日 1 j s j 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 g a n 及其化合物可能具有的结构有六方对称性的纤锌矿结构、n a c l 结构和立方对 称的闪锌矿结构。g a n 及其化合物晶体的稳定结构是具有六方对称性的纤锌矿结构，基 本参数见表1 。纤锌矿结构是由六角单胞组成，因而具有两个晶格常数a 和c ，如图 2 所示。每个单胞由两套沿c 轴方向错位( 3 8c ) 的六角密堆积( h c p ) 的子晶格构成， 图4g a n 闪锌矿结构图5g a n 闪锌矿型原子密排方式 。一g a - - n 每个子晶格由一种原子组成，即( h 和n 双原子面沿 0 0 0 h 方向交替堆垛而成，如图3 所 示。闪锌矿结构由立方单胞构成，单胞中的原子位置与金刚石晶体结构相似，这两种结 构的单胞都是由沿体对角线方向错位l 4 体对角线距离的两个面心立方子晶格镶嵌而 成，如图4 所示，它们的密排面是( 1 1 1 ) 面，每个密排面由g a 和n 双原子面构成，如图5 所示。闪锌矿结构与纤锌矿结构相似，在这两种结构中，每个i i i 族原子连接四个n 原 子，同样，每个n 原子与四个i i i 族原子相连接。这两种结构的最大不同是原子层的堆 积顺序不同。 对闪锌矿结构，沿 1 1 1 1 方向原子堆捌顷序为：g a a n 。g 啦k g a 毋k g a 。n 魄蚰g a 毋k 对纤锌矿结构，沿 0 0 0 1 方向原子堆积顺序为：g a 抖、g a 日g a 龇啡桷、n i g 矾 n a c l 结构是氮化物在高压下的存在相，g a n 从纤锌矿结构转变n a c i 结构的压力约 为5 0 g p a 【23 1 ，a 1 n 的食盐相被预言在1 2g p a 2 4 或2 3g p a 2 5 1 时出现，并被u e n o 等人观 察到。 纤锌矿结构的g a n 生长方向一般在 0 0 0 1 基面，在那里原子被排列在由两个很接 近的六角形层构成的双层内，一层由阳离子占据，另一层由阴离子构成，因此双层具有 两个极性面。极性面只是体效应的结果，和最外层是什么原子并无关系。这样g a n 的 基面可能由g a 占据，也可能由n 占据。g a 极性原子面通常光亮如镜，相反，n 极性面 却很粗糙。这是由于不同的极性面具有不同的化学特性。这种不同的化学特性还使它们 c 8 c 鲁 s i 衬底g a n 基蓝光l e d 器件性能研究 具有不同的表面重构，甚至影响它们的掺杂，发光等行为。 表1 13 0 0 k g a n 的基本参数 纤锌矿结构 闪锌矿结构 对称群 c 6 v 4 p 6 3 m c t d 2 - f 4 3 m 1 c m 3 中的原子数 8 9 x l o “ 8 9 x l o “ 德拜温度 密度( g c m 。3 ) 静态的介电常数 高频的介电常数 有效电子质量( m o 为单位) 有效空穴质量( m o 为单位) 重空穴 轻空穴 能带带劈裂 电子亲和势e v 晶格常数r i m 光学光子能量m e v 莆隙斓 导带有效态密度c m 。3 价带有效态密度c m 。 击穿电场似c m _ 1 ) 电子迁移率( c m 2 v s 1 ) 空穴迁移率( c m 2 v s 1 ) 电子扩散系数( c m 2 v - i s 1 ) 空穴扩散系数( c m 2 v s 1 ) 电子热速度( m s 。1 ) 空穴热速度( m s “) 辐射复合系数( c m 3 ，s 。1 ) 6 0 0 6 1 5 8 9 5 _ 3 5 o 2 0 1 4 o 3 0 6 4 1 a = 0 3 1 8 9 c = 0 5 1 8 6 9 1 2 3 3 9 2 3 1 0 1 8 4 6 x 1 0 博 n 5 1 0 0 1 0 0 0 1 丑0 0 2 5 2 6 x 1 0 9 4 1 0 4 1 0 8 9 3 2 1 0 5 9 5 1 0 4 6 0 0 6 1 5 9 7 5 _ 3 0 1 3 1 3 o 2 o 3 4 1 0 4 5 2 8 7 3 3 2 1 2 x 1 0 1 8 4 1 1 0 t 9 5 1 0 6 1 0 0 0 _ 1 ，上式可以简化为 0 = 1 0e x p ( q n k t ) ( 2 ) l e d 工作时的额定电流往往达到十几m a 甚至几百m a ( 功率型) ，在这种情况下， 欧姆接触引起的压降也不能忽略，因此上式变为 ：塑l n 车) + 尺。k ( 3 ) q o0 其中r s 是l e d 的内阻。 在恒流驱动时，温度升高对电压的影响主要由上式右边第一项决定，内部电阻变化 产生的电压变化可以忽略。在第一项中，反向饱和电流随温度升高增加速度很快，是导 致输入电压随温度升高降低的主要原因。 3 3 实验 本实验用的g a n 基l e d 为本研究组在s i ( 1 1 1 ) 衬底上m o c v d 外延生长的i n g a n g a n 多量子阱蓝光l e d 结构，其生长方法已有报道同，采用巾5 封装。发光二极管的 结温采用电压降法来测量，测试由二个部分组成。一是电压温度系数的测量，二是结温 的计算。 3 3 1 电压温度系数的测量 测量电压温度系数常采用脉冲电流消除热效应的方法脚。本文采用微小电流恒流源 的方法而不是脉冲电流来消除热效应测量电压温度系数，如图2 所示。恒温箱温度在 3 0 l o o 可控，电压表精度为l m v ，恒流源精度为0 1 心。对于固定的器件散热结构 和电器连接，芯片到环境的热阻是恒定的，这样，在输入功率恒定的情况下，可以近似 ! i 挝塞g 型基醢迸l 婴嚣鲑蛙自l 壁窒 认为环境温度的改变量等于管芯温度的改变值i _ ”。调节不同的恒温箱温度( 环境温度) 值，在每个温度恒定半小时以上，使结温与恒温箱温度达到相同( 前提是消除了l e d 本身的热效应) ，记录此时恒流条件下此温度对应电压值；然后依次调节恒温箱温度， 3 0 。c 、4 0 。c 、5 0 。c 、6 0 。c 、7 0 、8 0o c 干n9 0 ，分别记录此时l e d 的正向电压值，其 结电压与恒温箱温度关系如图3 所示：( a ) s i 衬底g a n 蓝光l e d 的正向电压与恒温箱 温度的关系，( b ) 是蓝宝石衬底g a n 蓝光l e d 的正向电压与恒温箱温度的关系，( c ) s i c 衬底g a n 蓝光l e d ( d ) 某日本公司的蓝宝石衬底g a n 蓝光l e d 。 恒温箱 图2 本实验装置输入电压随温度的变化系数测试原理图 在输入电流恒定的情况下，许多半导体器件的结电压与温度具有良好的线性关系【引。 在输入电流恒定的情况下，随着环境温度的升高，l e d 两端输入电压值单调减小，二者 可以近似用下式表示： = a + b ( t t o ) ( 4 ) 其中v f t 是环境温度为t 时l e d 两端的正向电压，a 是环境温度为t 0 时l e d 两端 的正向电压v f 0 ，b 是电压随温度变化系数。 l 挝厦趔垂壅连业器鲑性能堑窟 卯m c n 伯叩e 嘣u et o ( ) 帕力茁 o 目打唧e w ) ( a ) 本实验室研制的s i 衬底g a n 蓝光l e d ( b ) 本实验室研制的蓝宝石村底g a n 蓝光l e d r 、_ 、 二3 3 0口5 0日0t 口5 00 0 o v e n t e m p e r a t u r et o c cl 40 5 0 7 d 0 t e m p e r a t u r e t o t el ( c ) 市场买来的s i c 衬底g a n 蓝光l e d ( d ) 市场买来的某日本公司的蓝宝石村底g a n 蓝光l e d 图3 不同衬底上g a n 蓝光l e d 正向电压与恒温箱温度的关系 3 , 3 2 结温的计算 在l e d 充电瞬间，p - n 结的热效应很少，此时记录其结电压值v f o jl e d 恒流一 段时间后，使其结电压达到稳定，再记录其值v f t 。数据如表4 所示。 jo要2 p j g c o l 一)功霉石鼍口兰。止 妻8922l ，ooggelu i 挝庭鱼m 差蓝迸l 婴器鲑性能堑窒 表4 不同电流密度条件下充电瞬间与恒定时结电压值 、 1 9 33 8 65 7 97 7 29 6 5 ( a e r a 。) ( a c m 2 ) ( a c m z )( a c m 2 )( a c m 2 ) b l u eg a nl e d s i v f o 3 1 7 7 3 4 0 63 5 9 2 3 7 6 5 3 9 1 5 v f t 3 1 6 03 3 6 43 5 3 03 6 8 2 3 8 2 5 b l u eg a n l e d a 1 2 0 3v f 0 3 0 6 73 3 1 03 5 0 73 7 0 53 8 6 2 v 丌 3 0 3 93 2 3 93 4 0 83 5 6 8 3 6 9 5 将表中数据代入下式，便可得到结温t j ： t j 却掣 其中v f 0 为充电瞬间电压值，v f t 为结温与环境温度达到平衡时电压值 t o 为环境温度，b 为电压温度敏感系数 器 耋： 芒2 4 l 杀 ) 1 2 - ； 一j i一 2 0 - 1 8 - 1 6 j 一诮一j j 再 246 ，l 七 懈m , - 1 6 1 2 - 一 山 图4 ：本实验室研制的s i 衬底g a n 蓝光l e d 的i _ v 曲线 3 4 结果与讨论 图4 为s i 衬底g a n 蓝光l e d 的i v 曲线，2 0 m a 时正向电压为3 6 v ，1 0 t - 1 a 反向 电压为1 5 v ，在5 v 反向电压时，反向漏电流小于0 1 t t a 墨i 挝庭垒垡基蓝盘l 盹噩鲑性能班盔一 已7 0 ， 坐 皇6 0 g 5 0 旦 暑4 0 1 0 2 0 3 f l4 05 06 07 0 8 d 1 0 0 d cf o r w ) r dc u r r e n td e n s i t yt ( a c r n 2 ) 图5 不同衬底上g a n 蓝光l e d 结温与电流密度关系 图3 为正向电压与恒温箱温度的关系，可以看出在微小恒定电流下，电压与温度都 呈很好的线形关系。电流从2 0 心到1 0 0 9 a ，其斜率( 电压温度系数) 几乎完全相等， 为3 o m v k 。在文献 2 1 a ，选用大的占空比( 1 ：1 0 0 0 ) 脉冲电源消除热效应时，在电流 1 0 一l o o m a ，其电压随温度敏感系数也都不变。由此可以看出，我们选用微安级电流也 能够很好地消除p - n 结自身热效应。而且恒流电源比脉冲电源( 占空比为1 ：1 0 0 0 ) 结 构简单，更方便测量l e d 的电压温度系数。测结温时，以充电瞬间l e d 正向电压值作 为初始值v f o ( 我们认为充电瞬间其热效应可以忽略不计) ，持续充电一段时间结温达到 稳定后，再记录其电压值v f r ，表一为v f o 和v f r 的关系。由表一的数据和公式( 5 ) 即可 计算出l e d 的结温，见图5 所示。该图为不同衬底上结温与电流密度的关系。文献中 2 1 1 9 1 测量结温，均是测量正向电流与结温的对应关系。我们认为，用电流密度更能直接反映 结温，不同厂家生产的l e d 芯片的面积不一样，同样的电流，芯片面积不同，其电流 密度不一样。为使比较更具合理性，我们在同等电流密度条件下，比较s i 衬底与蓝宝石 衬底g a n 蓝光l e d 的结温，从图5 中可以看出：在同样电流密度条件下，s i 衬底l e d 结温要低于蓝宝石衬底l e d ：随着电流密度的增加，s i 衬底g a i n 蓝光l e d 结温的上升 速度小于蓝宝石衬底g a n 蓝光l e d ，这在大电流密度时更明显。我们认为其原因主要 是s i 衬底有更好的导热性。蓝宝石热导率为0 4 6 w c m k ，s i 为1 5 w c m k ，s i 的热导 率为蓝宝石的3 倍，所以有更好的散热性。本文关于硅衬底l e d 在大电流密度下结温 仍然较低的实验结果表明：用s i 作g a n 蓝光l e d 的衬底在大功率l e d 方面具有更大 一扑 广 磊 一 赢 一7 一 o 1 凸 一 r 卜 e ， 一 u ， r n 一 一 a r r 1 g 一 一 e ， 一 u ， 一 的应用潜力。 3 5 结论 报道了s i 衬底上g a n 基l e d 的结温特性，指出了用电流密度而不是用电流来反 映与l e d 结温的关系。通过与蓝宝石衬底上g a n 蓝光l e d 的结温比较，发现s i 衬底 g a i n 蓝光l e d 有更低的结温，n n n n ns i 有更好的导热性。 参考文献 1 - 冯士维，谢雪松，吕长治等，半导体器件热特性的电学法测量与分析，半导体学报1 9 9 9 ，2 0 ( 5 ) ：3 5 8 3 6 4 f 。n gs h i “e i ，x i ex u e s o n g ，l uc h a n g z h i ，e ta 1 c h i n e s ej o u r n a lo fs e m i c o n d u c l o r s ，1 9 9 9 ，2 0 ( 5 ) ：3 5 8 3 6 4 2 y x ia n de f s c h u b e r t , j u n c t i o r 卜t e r o p e r a t u r em e a s l j , r e m e n ti ng a n u l t r a v i o l e tl i g h t - e l n i t c i n gd j o d e s 凇j n g d i o d ef o r w a r dv o l t a g e m e t h o d a p p l p h y s l e t t 8 5 2 1 6 3 ( 2 0 0 4 ) 3 y _ x t h g e s s m a r i l l ，j - q x j ，j k k i m ，j m s h a h ，e f s c h u b e r t , a j f j s c h e m h c r a w f o r d k ha b o g a r t , a n d a a a l l e r m a n ，s u b m i t t e dt o 伽，a p p l , p h y s ( 2 0 0 5 ) 4 y x i , j 。q x i ，t h g e s s m a n n ，j m s h a h ，j k k i m ，e f s c h u b e r t , a j f i s c h e r ，m h c r a v 临r d k h a - b o g