GaN基LEDs可靠性分析.doc

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1、GaN基LEDs可靠性分析（一）引言由于GaN基LEDs的高效率（对于白光LEDs光功率可达150lm/W），长寿命（在实验条件下寿命可达10万小时），低成本，以及对于击穿和静电放电高的忍耐力，它代表了下一代光源几乎所有的理想特性，是半导体照明中的明星产业。随着对GaN材料的深入研究以及半导体工艺的新进展，目前半导体发光二极管已经向高效率高亮度方向迅速发展，其应用领域也越来越广，包括指示灯、交通信号灯、液晶背光源、显示屏、半导体照明等。由于其应用领域日趋广泛，发光管的可靠性研究显得日趋重要。白光LEDs主要由五部分构成：如图（一）所示：（1）有量子阱的半导体芯片

2、；（2）封装材料确保其有高的机械强度和低的热阻；（3）为了达到最佳光提取效果的透镜；（4）把LEDs芯片发出的蓝光转化成白光的磷层；（5）为了获得有效热传输的铜构架。图（一）白光LEDs的结构简图以上所有的部分都会随着LEDs寿命出现不同程度的退化，潜在的限制了器件的寿命。在过去的几年里已经有不少人提出GaN基LEDs的光输出会随着使用时间出现很大的退化。大量的机理被证明会减低LEDs的光输出，例如：(1)由于器件有源区中非辐射复合的增加，使得内量子效率减低;(2)注入载流子在有源区中的反向隧穿电流;(3)ESD使得p-n结变短;(4)由于塑料透镜与LEDs发出

3、的短波相互作用，达到一定高温，使透镜性能退化；(5)在一定的高温条件下，磷层的棕变。当电流流过LEDs器件有源区，或者达到一定的高温操作，或是置于反偏电流及ESD条件下都可能使退化机理被激发或加剧，并且所有这些因素在LEDs的正常操作过程中都有可能发生。在正常操作条件下，LEDs能够达到相对高的能量扩散（的LEDs能够耗散2-4W的电功率），进而达到相对高的结温（＞）。在高温下能够强有力的影响LEDS的寿命,因为以上所列的许多衰减机理都是由热激发的。当GaN基LEDs用于需要严格控制电流的情况下时，必须确保它有很强的防静电放电能力。本文在目前的研究基础上，综述研

4、究了GaN基LEDs的衰退及失效机理。在大量的加速寿命试验的基础上，对LEDs不同部分的失效进行了深入的研究。本文给LEDs技术的不足以及设计和评测LEDs提供了重要的信息。该实验的测试样品是商业上用的多量子阱GaN基LEDs.我主要从两个方面介绍影响LEDs可靠性的机理，一个是直流正向偏置下有源区非辐射复合的增加，另一个是反向偏置下LEDs的衰减机理。在这之前先介绍一点基本概念及LEDs的基本结构。第一个寿命测试--加速寿命试验(ALT)：加速寿命试验就是使产品的寿命缩短，其主要机理就是让器件所工作的应力水平比实际正常使用中经历的应力要高，有效地激发产品暴露故

5、障，从而缩短由特定失效杌理所引起的器件失效的正常时间，再根据外推公式，推算器件在正常使用条件下的寿命。发光二极管是在正向偏置下使用，功耗低，它的失效主要是表现在性能的退化，特别是光输出的退化。大部分采用电流、温度作为LEDs加速寿命试验的加速应力，来评估LEDs的寿命，研究LEDs的可靠性。LEDs的基本结构如下图（二）所示，GaN基LEDs常用蓝宝石作为基片，然后长一层无残掺杂的GaN主要是为了降低外延层的位错密度及使热膨胀系数。有源区是InGaN/GaN的多量子阱结构。图（二）LED的基本结构如下图（二）GaN基LEDs的失效机理以下主要从两个对LEDs可靠

6、性的进行了分析，一个是正向直流偏置下有源区非辐射复合的增加，另一个是反向偏置下LEDs的衰减机理。每一种失效机理都是在大量实验的基础上得来的。样品是商业上的可见的LEDs，对有源区退化的研究是在裸芯片上进行的，并安装在T018的金属插件上。实际应用中利用环氧封装的灯由于环氧材料以及封装所引入的损伤使得器件的寿命要比此值低。对在反向偏置电流下LEDs的衰退是在裸芯片和封装下都进行的。每一种衰减机理都是在特殊的应力条件下进行的。电压应力就是你应用中的电压与零件规格值的比值。电流应力就是应用中的电流与零件规格值的比值。A非辐射复合的增加在LED发展的早期，就有作者提及

7、LEDs随直流电应力的衰减是由于增加了器件有源层中的缺陷，这些缺陷导致非辐射复合率的增加，从而使光功率下降。这一过程典型的特点是I-V特性曲线中缺陷相关的电流成分的增加。在没有很强自加热的LEDs中，即使在低电流下这种衰减也会发生。为达到器件的最佳可靠性，了解这一现象的物理起源尤为重要。图(三)a在不同的电流密度下，光功率随着样品老化时间的增加而出现不同程度的降低;b在老化试验中，外量子效率随电流密度的变化曲线。（电流应力，室温）为了达到这一目的，我们在持续电流下进行了一系列应力测试。该分析是在大量的，不同参数的蓝绿LEDs的裸芯片上进行，这些芯片被安装在T01

8、8插件上。然后，我们得到