s i 襯底g a n 基藍光l e d 器件性能研究 摘要 g a n 半導體材料為直接帶隙材料，在信息顯示和固態照明等領域具有廣闊的應用 前景。相對于藍寶石襯底而言，s i 作為g a n 藍光l e d 襯底有許多優點，如：良好的導 電、導熱性、晶體質量高、尺寸大、成本低、容易加工等。然而由于s i 襯底與g a n 外 延層之間巨大的晶格失配和熱失配，這使s i 襯底上的g a n 材料產生大量的位錯及裂紋， 為s i 襯底上g a n 材料生長設置了障礙。近幾年來，在s i 襯底上生長g a n 取得了很大 的進展，有少數幾家研究組報道在s i 襯底上制備出了g a n 基發光器件。但對其l e d 器 件的性能的研究并未深入，本論文主要研究了s i 襯底g a n 藍光l e d 器件的一些性能： 可靠性，結溫特性，l 礦曲線與其結晶性能關系。得到了如下一些有意義和部分有創新 性的研究結果： 1 將s i 襯底g a n 藍光l e d 與藍寶石襯底g a n 藍光l e d 樣品在工作電流為2 0 m a 時，放在1 2 0 高溫環境中加速老化3 個小時，未見s i 襯底g a i n 藍光l e d 光強發生衰 減，而藍寶石襯底g a n 藍光l e d 光強有少許衰減，這間接證明了s i 襯底g a n 藍光l e d 有良好可靠性。 2 本文首次報道s i 襯底g a n 基l e d 的結溫特性，分析指出：和結溫與電流的對 應關系相比，用結溫與電流密度更能夠反映器件性能。通過與藍寶石襯底上g a n 藍光 l e d 的結溫比較，發現s i 襯底g a n 藍光l e d 有更低的結溫，原因歸結為s i 有更好的 導熱性。 3 首次報道s i 襯底g a n 藍光l e d 的理想因子。 首次發現了理想因子和x 射線斜對稱衍射( 1 0 2 ) 半峰寬有很好的對應關系，理 想因子大的樣管，其外延材料( 1 0 2 ) 衍射半峰寬大，反之亦然。這表明g a n 藍光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 襯底g a n 藍光l e d 的二礦特性曲線隨溫度變化關系，結果表明曲線的 ( 西z ，) 。礦的斜率變化不大，但理想因子隨溫度變化顯著減少。 本論文得到了國家8 6 3 納米專項( n o 2 0 0 3 a a 3 0 2 1 6 0 ) 和電子發展基金資助 關鍵詞：s i 襯底；g a n ；l e d ；結溫；理想因子 s i 襯底g a n 基藍光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 襯底g a n 基藍光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： 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。據我所 知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果， 也不包含為獲得南昌太學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同 志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。 學位論文作者躲糾衛年簽字吼坷年少月夕日 、學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解 壹量叁堂 有關保留、使用學位論文的規定，有權保留并向國 家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權南昌大學可以 將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段 保存、匯編學位論文。 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權書) 學位論文作者簽名：1 衛孑 導師簽名 簽字日期：硝年巧月f 7 日 | 學位論文作者畢業后去向 工作單位： 通訊地址： 勤鵲 簽字日期：加拆鋤日 電話 郵編 si 襯底l a a l , l 基藍光l e d 器件性能研究 1 1前言 第一章綜述 族氮化物半導體由于其廣泛的商業應用使其成為全球研究的熱點。在短短的幾 年內，高亮度的藍光、綠光發光二極管( l e d s ) ，高頻場效應管，紫外和藍色激光器二極 管( l d s ) 都已成為可能。在1 9 8 9 年之前，很少人對i i i 族氮化物材料體系( a 1 g a i n n ) 進行研究，這主要原因一是p 型g a n 難以獲得，二是i 1 型g a i n 的缺陷密度太高( 由于 沒有合適的襯底材料) 。沒有p 型g a n 材料，也就不能制備藍色發光二極管( l e d s ) 、 藍色激光n ：- - 極管( l d s ) 和u v 探測器。1 9 8 9 年，a m a n o 等人首次得到p 型g a n ，并 制備出了第一支p n 結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藍色l e d s ， 這就使g a i n 成為上世紀9 0 年代研究的熱點。藍色l d s 也很快研制成功。族氮化物 生長工藝的改進使其材料生長及器件制備迅速進入了規模化生產。 從第一支p n 結l e d 的研發到第一支連續波激光器二極管的生產不到十年的時間， 雖然g a n 器件與市場發展迅速，但g a n 材料中還存在較多的問題：如發光機制、如何 提高發光效率、高的缺陷濃度及襯底的選擇等。 1 1 1g a n 材料的發展 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 和金屬g a 合成的g a n 粉末。此 后幾十年又有人陸續合成g a n ，并對其晶體結構、晶格常數和光譜進行了研究【4 ，5 。g a n 單晶材料最早由p a n k o v e 的兩個助手m a r u k a 和t i e t j e n 用h v p e 方法在藍寶石襯底上生 長的舊。但由于藍寶石襯底與g a n 之間巨大的晶格失配和熱失配，g a n 外延膜通常處 于高應力狀態下，這會使g a n 外延膜龜裂嚴重。隨后他們對g a l l 材料進行摻雜與光學 性能的研究，并制備出第一支m i s 結構的藍色發光二極管r ”。他們的成功激起了人們對 g a n 材料研究的極大興趣，但由于當時生長技術的限制，制備的材料質量很差( 高的n 型背景載流子濃度) ，主要是沒能實現g a n 的p 型化，阻擋了g a n 器件化的進程，所 以大家逐漸對g a n 失去了興趣。在上世紀八十年代只有極少數的研究組還在對它進行 研究。 上世紀八十年代末，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進展。他 s j 襯底g a n 基藍光l e d 器件性能研究 意識到g a n 的p 型化與g a n 的質量有很大的關系，要降低n 型背景載流子濃度，及得 到無龜裂的表面。為了克服藍寶石襯底與g a n 之間的晶格失配，他發明了低溫緩沖層 技術，在5 0 0 。c 左右在藍寶石襯底上沉積一層約3 0 n m 厚的a 1 n 緩沖層，使生長在藍寶 石襯底上g a n 單晶質量大大提高，表面無龜裂，背景載流子濃度下降，載流子遷移率 提高，發光性能也大大改善。a k a s a k i 非常成功得獲得了p 型g a n 材料，這重新引起了 人們對p 型g a n 研究的興趣。a k a s a k i 和a n l a n o 用m o v p e 方法對g a n 進行摻m g ， 并用低能電子束輻照( l e e b i ) ，發現g a n ：m g 實現了p 型電導。接著a m a n o 制備出世 界上第一支g a n 基p n 結發光二極管【9 。接著，日亞公司的n a k a m u r a 改用g a n 作緩沖 層，他獲得了如鏡面的表面和更優越的電學性能 1 0 j ，并制各出了他的第一支g a n 藍色 l e d l l l 】。接下來，n a k a m u r a 在氮化物研究領域一路豐收，1 9 9 2 年，在n 2 氣氛下對摻 m g 的g a n 膜進行退火處理，獲得了很好的p 型g a n 材料 1 翔。同年又在g a n 單晶膜上 生長出高質量的i n g a n 1 3 1 。1 9 9 3 年制作出亮度超過1 0 0 0 m c d ，以i n g a n 為有源層的雙 異質結的藍色l e d s 。到2 0 0 1 年，日亞公司的藍色l e d s 輸出功率超過6 r n w ( i f = 2 0 m a ) ， 亮度超過3 c d 。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 通過控制i n g a n 中的i n 組份，獲得了發光波長從5 0 0 n m 到5 9 0 n m 的藍綠，純綠和黃綠l e d s ，其中綠光l e d s 亮度達1 2 c d 。利用藍色發光芯片 涂覆黃色熒光粉技術，得到了白光l e d s 1 4 。2 0 0 2 年，l u m i l e d s 宣布其獲得了5 w1 2 0 1 m 的白光光源。最近有傳聞說c r e e 的白光l e d s 達7 4 1 m w 。 g a n 因其為寬禁帶半導體，在制作短波長器件方面有廣泛的應用。在發展藍色發光 器件的同時，大家對紫色和近紫外g a n 基發光器件進行了大量的研究。1 9 9 3 年， n a k a m u r a 用摻s i 的i n g a n 用作有源層，制作出雙異結紫色發光二極管，發光波長為 4 2 5 n m ，量子效率為0 1 5 。1 9 9 5 年，他用i n g a n a i g a n 雙異質結，把紫色發光二極管 的量子效率提高到9 2 ，光功率達5 6 r o w 。 除日亞外，還有很多研究組對u v l e d s 進行了研究。1 9 9 7 年，p h i l i p s 公司的 p m m e n s z 【i 副報道了3 8 5 n m 和4 1 2 n m 的u vl e d ，光功率為1 5 m w 。用6 h s i c 襯底制 備的u vl e d s 也表現了良好的光電性能，2 0 0 1 年，c r e e 的s i c 襯底u vl e d s 商品光 功率為1 2 m w ，而根據最近的報道，其u v l e d 功率已達2 1 m w 。s a n d i a 的j h a n 則用 a i g a n g a n 多量子阱結構制造出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 襯底上 用a l o h g a o8 9 n a l o2 4 g a o7 6 n 多量子阱結構制備出了一種更短波長的紫外發光二極管，發 光波長為3 3 0 n m ”】。 s i 襯底g a n 基藍光l e d 器件| 生能研究 氮化物的研究之所以吸引全世界眾多單位的關注，一個重要的原因是在于它們能夠 用于制造藍光甚至更短波長的半導體激光器。所以自從藍光l e d 研制成功后，許多公 司和研究組都投入大量的資金進行g a n 基半導體激光器的研究。1 9 9 5 年，n a k a m u r a 率 先研制出第一支電注入i n g a n 多量子阱紫色激光器。1 9 9 8 年，日亞的紫色激光器室溫 工作壽命超過1 0 ，0 0 0 小時，達到商業化水平。2 0 0 0 年，他們又研制出4 5 0 r i m 的藍色激 光器。2 0 0 1 年6 月，日亞宣布他們開始量產3 0 r o w 的紫光l d ，這將取代現有的紅光 l d 作為下一代d v d 光盤的光源。1 9 9 9 年，f u j i t s u 紫色激光器室溫l m w 工作壽命達 5 7 小時。2 0 0 0 年3 月s o n y 的紫色激光器5 m w 工作壽命超過1 0 0 0 小時。 在探測器和高溫大功率電子器件領域，近年來也取得了很大的進展，1 9 9 1 年，k h a n 就研制出了商品化的g a n 基紫外探測器 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 等人又報道了了調制摻雜f e t 2 0 。在高頻器件方面，也取得 了一些進展，已報導的有h e m t l 2 1 】和h f e t 2 2 1 。 1 1 2 g a n 發光器件的的應用 藍色l d s 和l e d s 具有巨大的商業應用市場，氮化物器件的最大市場是照明( 替代 白熾燈和日光燈) 、顯示( l e d 在廣告牌和投影電視方面的應用) 和數據存儲( 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場是用于大面積顯示、交通信號燈和室內照明的藍色、綠 色和白色l e d 。目亞公司在1 9 9 5 年以來就開拓了藍色l e d 在戶外顯示的市場。這些藍 s i 襯底g a n 基藍光l e d 器件性能研究 色l e d 與綠色、紅色l e d 三基色實現全色顯示。這三種顏色的l e d s 用來匹配人眼的 靈敏度。人眼的視網膜上有三種接受視錐體，這些視錐體對顏色起探測器的作用，每種 2 o 羞 囂 p 0 蠹 5 朝07 瑚a l 艫札n “ 圖1 人眼中三種不同接受視錐體對光譜的靈敏度 視錐體對光的響應不同，如圖l 所示。 使用l e d ，投影電視的顯色指數可顯著提高。價廉的藍色l e d 的使用，使大面積 l e d 廣告牌成為現在非常流行一種廣告形式。l e d 由于其耗電量低、壽命長等特點現 在的交通信號燈基本用紅、綠、黃u m 替代了傳統的白熾燈泡。 藍色l e d 的另一個應用是在家庭和商業照明方面替代低效的白熾燈和目光燈。目 光燈照明雖然效率比白熾燈高許多，但由于其發出的光閃爍和色調不柔和，在許多家庭 中不受歡迎。而用紅、綠、藍三基色l e d 組合，可以獲得更有效、更令人滿意的光源。 一種方法是把熒光粉涂覆在i n g a n 基l e d 上，熒光粉受激發射出更長的波長與l e d 本 身發出的光復合成白光，使用這種技術已獲得效率高達7 4 1 r r d w 的光源。 1 1 2 2 激光器二極管( l d s ) 雖然l e d 市場是i i i 族氮化物市場的主體，但是許多應用需要特殊的器件特征，如： 高的電光轉換效率、穩定光輸出、高輸出功率和窄的發光光譜，能滿足這些要求那就只 有激光器二極管( l d s ) 。這些包括醫療、高檔d v d 播放器、基因重組、投影顯示、激 光打印機和生化反應傳感和激活作用。 4 s i 襯底g a n 基藍光l e d 器件性能研究 對于不同的應用，對l d 的波長和輸出功率的要求有點不同。投影顯示需要人眼敏 感的特定的顏色是高輸出功率，如需波長為4 5 0 r i m 功率達2 0 0 m w 的l d 。生化反應傳 感需要波長為4 7 0 4 9 0 n m 的l d ，這種波長相對長一點的l d ，目前用m o c v d 方法還 沒獲得。 目前i i i 族氮化物l d 用的多的領域是高質量的激光打印機和新一代的d v d 播放器 f 現已命名為d v d i - m ) 。這兩種應用都需要連續穩定的光源，這樣光就能聚焦為一個很 小的衍射斑點。衍射斑點面積的大小與波長的平方成正比。c d 播放器中用的是波長為 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 的紅色l d ，它把波長降低1 3 倍， 也即斑點面積的大小降低1 3 2 ( - 1 7 ) 倍。用4 1 0 r i m 的i n g a n 基l d ，其斑點面積大小可 以縮小4 倍。斑點面積越小，同一大小的光盤上就可以存儲更多的信息。對于激光打印 機，光斑面積越小，打印機的清晰度越高。 1 2 g a n 的基本結構 圖2 g a n 纖鋅礦結構 圖3g a n 纖鋅礦型原子密排方式 i 蝴| 臺 b 日 1 j s j 襯底g a n 基藍光l e d 器件性能研究 g a n 及其化合物可能具有的結構有六方對稱性的纖鋅礦結構、n a c l 結構和立方對 稱的閃鋅礦結構。g a n 及其化合物晶體的穩定結構是具有六方對稱性的纖鋅礦結構，基 本參數見表1 。纖鋅礦結構是由六角單胞組成，因而具有兩個晶格常數a 和c ，如圖 2 所示。每個單胞由兩套沿c 軸方向錯位( 3 8c ) 的六角密堆積( h c p ) 的子晶格構成， 圖4g a n 閃鋅礦結構圖5g a n 閃鋅礦型原子密排方式 。一g a - - n 每個子晶格由一種原子組成，即( h 和n 雙原子面沿 0 0 0 h 方向交替堆垛而成，如圖3 所 示。閃鋅礦結構由立方單胞構成，單胞中的原子位置與金剛石晶體結構相似，這兩種結 構的單胞都是由沿體對角線方向錯位l 4 體對角線距離的兩個面心立方子晶格鑲嵌而 成，如圖4 所示，它們的密排面是( 1 1 1 ) 面，每個密排面由g a 和n 雙原子面構成，如圖5 所示。閃鋅礦結構與纖鋅礦結構相似，在這兩種結構中，每個i i i 族原子連接四個n 原 子，同樣，每個n 原子與四個i i i 族原子相連接。這兩種結構的最大不同是原子層的堆 積順序不同。 對閃鋅礦結構，沿 1 1 1 1 方向原子堆捌頃序為：g a a n 。g 啦k g a 毋k g a 。n 魄蚰g a 毋k 對纖鋅礦結構，沿 0 0 0 1 方向原子堆積順序為：g a 抖、g a 日g a 齜啡桷、n i g 礬 n a c l 結構是氮化物在高壓下的存在相，g a n 從纖鋅礦結構轉變n a c i 結構的壓力約 為5 0 g p a 【23 1 ，a 1 n 的食鹽相被預言在1 2g p a 2 4 或2 3g p a 2 5 1 時出現，并被u e n o 等人觀 察到。 纖鋅礦結構的g a n 生長方向一般在 0 0 0 1 基面，在那里原子被排列在由兩個很接 近的六角形層構成的雙層內，一層由陽離子占據，另一層由陰離子構成，因此雙層具有 兩個極性面。極性面只是體效應的結果，和最外層是什么原子并無關系。這樣g a n 的 基面可能由g a 占據，也可能由n 占據。g a 極性原子面通常光亮如鏡，相反，n 極性面 卻很粗糙。這是由于不同的極性面具有不同的化學特性。這種不同的化學特性還使它們 c 8 c 魯 s i 襯底g a n 基藍光l e d 器件性能研究 具有不同的表面重構，甚至影響它們的摻雜，發光等行為。 表1 13 0 0 k g a n 的基本參數 纖鋅礦結構 閃鋅礦結構 對稱群 c 6 v 4 p 6 3 m c t d 2 - f 4 3 m 1 c m 3 中的原子數 8 9 x l o “ 8 9 x l o “ 德拜溫度 密度( g c m 。3 ) 靜態的介電常數 高頻的介電常數 有效電子質量( m o 為單位) 有效空穴質量( m o 為單位) 重空穴 輕空穴 能帶帶劈裂 電子親和勢e v 晶格常數r i m 光學光子能量m e v 莆隙斕 導帶有效態密度c m 。3 價帶有效態密度c m 。 擊穿電場似c m _ 1 ) 電子遷移率( c m 2 v s 1 ) 空穴遷移率( c m 2 v s 1 ) 電子擴散系數( c m 2 v - i s 1 ) 空穴擴散系數( c m 2 v s 1 ) 電子熱速度( m s 。1 ) 空穴熱速度( m s “) 輻射復合系數( 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 ，上式可以簡化為 0 = 1 0e x p ( q n k t ) ( 2 ) l e d 工作時的額定電流往往達到十幾m a 甚至幾百m a ( 功率型) ，在這種情況下， 歐姆接觸引起的壓降也不能忽略，因此上式變為 ：塑l n 車) + 尺。k ( 3 ) q o0 其中r s 是l e d 的內阻。 在恒流驅動時，溫度升高對電壓的影響主要由上式右邊第一項決定，內部電阻變化 產生的電壓變化可以忽略。在第一項中，反向飽和電流隨溫度升高增加速度很快，是導 致輸入電壓隨溫度升高降低的主要原因。 3 3 實驗 本實驗用的g a n 基l e d 為本研究組在s i ( 1 1 1 ) 襯底上m o c v d 外延生長的i n g a n g a n 多量子阱藍光l e d 結構，其生長方法已有報道同，采用巾5 封裝。發光二極管的 結溫采用電壓降法來測量，測試由二個部分組成。一是電壓溫度系數的測量，二是結溫 的計算。 3 3 1 電壓溫度系數的測量 測量電壓溫度系數常采用脈沖電流消除熱效應的方法腳。本文采用微小電流恒流源 的方法而不是脈沖電流來消除熱效應測量電壓溫度系數，如圖2 所示。恒溫箱溫度在 3 0 l o o 可控，電壓表精度為l m v ，恒流源精度為0 1 心。對于固定的器件散熱結構 和電器連接，芯片到環境的熱阻是恒定的，這樣，在輸入功率恒定的情況下，可以近似 ! i 撾塞g 型基醢迸l 嬰囂鮭蛙自l 壁窒 認為環境溫度的改變量等于管芯溫度的改變值i _ ”。調節不同的恒溫箱溫度( 環境溫度) 值，在每個溫度恒定半小時以上，使結溫與恒溫箱溫度達到相同( 前提是消除了l e d 本身的熱效應) ，記錄此時恒流條件下此溫度對應電壓值；然后依次調節恒溫箱溫度， 3 0 。c 、4 0 。c 、5 0 。c 、6 0 。c 、7 0 、8 0o c 干n9 0 ，分別記錄此時l e d 的正向電壓值，其 結電壓與恒溫箱溫度關系如圖3 所示：( a ) s i 襯底g a n 藍光l e d 的正向電壓與恒溫箱 溫度的關系，( b ) 是藍寶石襯底g a n 藍光l e d 的正向電壓與恒溫箱溫度的關系，( c ) s i c 襯底g a n 藍光l e d ( d ) 某日本公司的藍寶石襯底g a n 藍光l e d 。 恒溫箱 圖2 本實驗裝置輸入電壓隨溫度的變化系數測試原理圖 在輸入電流恒定的情況下，許多半導體器件的結電壓與溫度具有良好的線性關系【引。 在輸入電流恒定的情況下，隨著環境溫度的升高，l e d 兩端輸入電壓值單調減小，二者 可以近似用下式表示： = a + b ( t t o ) ( 4 ) 其中v f t 是環境溫度為t 時l e d 兩端的正向電壓，a 是環境溫度為t 0 時l e d 兩端 的正向電壓v f 0 ，b 是電壓隨溫度變化系數。 l 撾廈趔垂壅連業器鮭性能塹窟 卯m c n 伯叩e 嘣u et o ( ) 帕力茁 o 目打唧e w ) ( a ) 本實驗室研制的s i 襯底g a n 藍光l e d ( b ) 本實驗室研制的藍寶石村底g a n 藍光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 ) 市場買來的s i c 襯底g a n 藍光l e d ( d ) 市場買來的某日本公司的藍寶石村底g a n 藍光l e d 圖3 不同襯底上g a n 藍光l e d 正向電壓與恒溫箱溫度的關系 3 , 3 2 結溫的計算 在l e d 充電瞬間，p - n 結的熱效應很少，此時記錄其結電壓值v f o jl e d 恒流一 段時間后，使其結電壓達到穩定，再記錄其值v f t 。數據如表4 所示。 jo要2 p j g c o l 一)功霉石鼉口蘭。止 妻8922l ，ooggelu i 撾庭魚m 差藍迸l 嬰器鮭性能塹窒 表4 不同電流密度條件下充電瞬間與恒定時結電壓值 、 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 將表中數據代入下式，便可得到結溫t j ： t j 卻掣 其中v f 0 為充電瞬間電壓值，v f t 為結溫與環境溫度達到平衡時電壓值 t o 為環境溫度，b 為電壓溫度敏感系數 器 耋： 芒2 4 l 殺 ) 1 2 - ； 一j i一 2 0 - 1 8 - 1 6 j 一誚一j j 再 246 ，l 七 懈m , - 1 6 1 2 - 一 山 圖4 ：本實驗室研制的s i 襯底g a n 藍光l e d 的i _ v 曲線 3 4 結果與討論 圖4 為s i 襯底g a n 藍光l e d 的i v 曲線，2 0 m a 時正向電壓為3 6 v ，1 0 t - 1 a 反向 電壓為1 5 v ，在5 v 反向電壓時，反向漏電流小于0 1 t t a 墨i 撾庭壘垡基藍盤l 盹噩鮭性能班盔一 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 ) 圖5 不同襯底上g a n 藍光l e d 結溫與電流密度關系 圖3 為正向電壓與恒溫箱溫度的關系，可以看出在微小恒定電流下，電壓與溫度都 呈很好的線形關系。電流從2 0 心到1 0 0 9 a ，其斜率( 電壓溫度系數) 幾乎完全相等， 為3 o m v k 。在文獻 2 1 a ，選用大的占空比( 1 ：1 0 0 0 ) 脈沖電源消除熱效應時，在電流 1 0 一l o o m a ，其電壓隨溫度敏感系數也都不變。由此可以看出，我們選用微安級電流也 能夠很好地消除p - n 結自身熱效應。而且恒流電源比脈沖電源( 占空比為1 ：1 0 0 0 ) 結 構簡單，更方便測量l e d 的電壓溫度系數。測結溫時，以充電瞬間l e d 正向電壓值作 為初始值v f o ( 我們認為充電瞬間其熱效應可以忽略不計) ，持續充電一段時間結溫達到 穩定后，再記錄其電壓值v f r ，表一為v f o 和v f r 的關系。由表一的數據和公式( 5 ) 即可 計算出l e d 的結溫，見圖5 所示。該圖為不同襯底上結溫與電流密度的關系。文獻中 2 1 1 9 1 測量結溫，均是測量正向電流與結溫的對應關系。我們認為，用電流密度更能直接反映 結溫，不同廠家生產的l e d 芯片的面積不一樣，同樣的電流，芯片面積不同，其電流 密度不一樣。為使比較更具合理性，我們在同等電流密度條件下，比較s i 襯底與藍寶石 襯底g a n 藍光l e d 的結溫，從圖5 中可以看出：在同樣電流密度條件下，s i 襯底l e d 結溫要低于藍寶石襯底l e d ：隨著電流密度的增加，s i 襯底g a i n 藍光l e d 結溫的上升 速度小于藍寶石襯底g a n 藍光l e d ，這在大電流密度時更明顯。我們認為其原因主要 是s i 襯底有更好的導熱性。藍寶石熱導率為0 4 6 w c m k ，s i 為1 5 w c m k ，s i 的熱導 率為藍寶石的3 倍，所以有更好的散熱性。本文關于硅襯底l e d 在大電流密度下結溫 仍然較低的實驗結果表明：用s i 作g a n 藍光l e d 的襯底在大功率l e d 方面具有更大 一撲 廣 磊 一 贏 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 的應用潛力。 3 5 結論 報道了s i 襯底上g a n 基l e d 的結溫特性，指出了用電流密度而不是用電流來反 映與l e d 結溫的關系。通過與藍寶石襯底上g a n 藍光l e d 的結溫比較，發現s i 襯底 g a i n 藍光l e d 有更低的結溫，n n n n ns i 有更好的導熱性。 參考文獻 1 - 馮士維，謝雪松，呂長治等，半導體器件熱特性的電學法測量與分析，半導體學報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 臨r d k h a - b o g