GaN基LEDs可靠性分析#優(yōu)選、

1、BlueLEDchipLead,1GaN基LEDs可靠性分析（一）引言由于GaN基LEDs的高效率（對于白光LEDs光功率可達150lm/W）,長壽命（在實驗條件下壽命可達10萬小時）1,低成本，以及對于擊穿和靜電放電高的忍耐力，它代表了下一代光源幾乎所有的理想特性，是半導體照明中的明星產(chǎn)業(yè)。隨著對GaN材料的深入研究以及半導體工藝的新進展，目前半導體發(fā)光二極管已經(jīng)向高效率高亮度方向迅速發(fā)展，其應用領域也越來越廣，包括指示燈、交通信號燈、液晶背光源、顯示屏、半導體照明等。由于其應用領域日趨廣泛，發(fā)光管的可靠性研究顯得日趨重要。白光LEDs主要由五部分構成：如圖（一）所示：（1）有量子阱的半導體

2、芯片；（2）封裝材料確保其有高的機械強度和低的熱阻；（3）為了達到最佳光提取效果的透鏡；（4）把LEDs芯片發(fā)出的藍光轉化成白光的磷層；（5）為了獲得有效熱傳輸?shù)你~構架。Bondw怕YellowphosphorsTransparentlensCopperframe圖（一）白光LEDs的結構簡圖以上所有的部分都會隨著LEDs壽命出現(xiàn)不同程度的退化，潛在的限制了器件的壽命。在過去的幾年里已經(jīng)有不少人提出GaN基LEDs的光輸出會隨著使用時間出現(xiàn)很大的退化。210；大量的機理被證明會減低LEDs的光輸出，例如：（1）由于器件有源區(qū)中非輻射復合的增加，使得內量子效率減低（2）注入載流子在有源區(qū)中的反向

3、隧穿電流4；ESD使得p-n結變短;（4）由于塑料透鏡與LEDs發(fā)出的短波相互作用，達到一定高溫，使透鏡性能退化;（5）在一定的高溫條件下，磷層的棕變。ESD條當電流流過LEDs器件有源區(qū)，或者達到一定的高溫操作，或是置于反偏電流及件下都可能使退化機理被激發(fā)或加劇，并且所有這些因素在LEDs的正常操作過程中都有可能發(fā)生。在正常操作條件下，LEDs能夠達到相對高的能量擴散（1mm2的LEDs能夠耗散2-4W的電功率），進而達到相對高的結溫（80C100C）。在高溫下能夠強有力的影響LEDS的壽命，因為以上所列的許多衰減機理都是由熱激發(fā)的。當GaN基LEDs用于需要嚴格控制電流的情況下時，必須確保

4、它有很強的防靜電放電能力。本文在目前的研究基礎上，綜述研究了GaN基LEDs的衰退及失效機理。在大量的加速壽命試驗的基礎上，對LEDs不同部分的失效進行了深入的研究。本文給LEDs技術的不足以及設計和評測LEDs提供了重要的信息。該實驗的測試樣品是商業(yè)上用的多量子阱GaN基LEDs.我主要從兩個方面介紹影響LEDs可靠性的機理，一個是直流正向偏置下有源區(qū)非輻射復合的增加，另一個是反向偏置下LEDs的衰減機理。在這之前先介紹一點基本概念及LEDs的基本結構。第一個壽命測試-加速壽命試驗（ALT）:加速壽命試驗就是使產(chǎn)品的壽命縮短，其主要機理就是讓器件所工作的應力水平比實際正常使用中經(jīng)歷的應力要高

5、，有效地激發(fā)產(chǎn)品暴露故障，從而縮短由特定失效機理所引起的器件失效的正常時間，再根據(jù)外推公式，推算器件在正常使用條件下的壽命。發(fā)光二極管是在正向偏置下使用，功耗低，它的失效主要是表現(xiàn)在性能的退化，特別是光輸出的退化。大部分采用電流、溫度作為LEDs加速壽命試驗的加速應力，來評估LEDs的壽命，研究LEDs的可靠性。LEDs的基本結構如下圖（二）所示，GaN基LEDs常用藍寶石作為基片，然后長一層無殘摻雜的GaN主要是為了降低外延層的位錯密度及使熱膨脹系數(shù)。有源區(qū)是InGaN/GaN的多量子阱結構。Ni/AuOhmicContactIT。1XLSi;N/Si:GaN(XjQpairs)Ti/AI/

6、Ti/AuOhmkContactInGahMtiaNMQWQaN/SrN(x上。pairs)"Nucleationlayer圖（二）LED的基本結構如下圖（二）GaN基LEDs的失效機理以下主要從兩個對LEDs可靠性的進行了分析，一個是正向直流偏置下有源區(qū)非輻射復合的增加，另一個是反向偏置下LEDs的衰減機理。每一種失效機理都是在大量實驗的基礎上得來的。樣品是商業(yè)上的可見的LEDs,對有源區(qū)退化的研究是在裸芯片上進行的，并安裝在T018的金屬插件上。實際應用中利用環(huán)氧封裝的燈由于環(huán)氧材料以及封裝所引入的損傷使得器件的壽命要比此值低。對在反向偏置電流下LEDs的衰退是在裸芯片和封裝下都

7、進行的。每一種衰減機理都是在特殊的應力條件下進行的。電壓應力就是你應用中的電壓與零件規(guī)格值的比值。電流應力就是應用中的電流與零件規(guī)格值的比值。A非輻射復合的增加在LED發(fā)展的早期，就有作者提及LEDs隨直流電應力的衰減是由于增加了器件有源層中的缺陷，這些缺陷導致非輻射復合率的增加，從而使光功率下降26。這一過程典型的特點是I-V特性曲線中缺陷相關的電流成分的增加210。在沒有很強自加熱的LEDs中，即使在低電流下這種衰減也會發(fā)生6,10。為達到器件的最佳可靠性，了解這一現(xiàn)象的物理起源尤為重要。QPMeasuredal0.1A/cm3OPMeasuredal10A/cin?PMeasuredal

8、6DA/cm2Stress2t85A/cm2,RT5o66JIJI(邑BMOd一£Q.。O5m959085807570501Stressal85A/cm3,RT1,8,640.0,o.(PBN一EE口=Kuucv芍it山Enlumn。而LU6X山Oh16h64h256h1000h101001000Stresstime(h)020.010.1110CurrentDensity(A/cm2)圖（三）a在不同的電流密度下，光功率隨著樣品老化時間的增加而出現(xiàn)不同程度的降低；b在老化試驗中，外量子效率隨電流密度的變化曲線。（電流應力85A/cm2,室溫）為了達到這一目的，我們在持續(xù)電流下進行了

9、一系列應力測試。該分析是在大量的，不同參數(shù)的藍綠LEDs的裸芯片上進行，這些芯片被安裝在T018插件上。然后，我們得到了一組綠光LEDs上的結果，該組LEDs是有多量子阱（發(fā)光區(qū)532nm,有GaN勢壘）。然后在室溫條件下器件被置于持續(xù)的電流應力下（電流密度為35-85A/cm2）:在電流應力下，結溫不超過100oC。因此溫度應力符合LEDs的正常操作范圍（最大結溫不得超過125°C）。所以以下描述的衰退機理都代表正常操作條件下LEDs的衰退機理。在電流應力在85A/cm2室溫條件下，對LEDs進行加速壽命實3缸通過測量I-V,C-V及光功率隨電流的變化（LT）,我們分析了LEDs的

10、光電特性。圖（三）a是在電流應力為85A/cm2,壽命測試時間為1000小時，光功率隨電流的變化即（LT）。圖（三）b是同一個LED在不同測試階段，內量子效率隨電流的變化曲線。如圖1（a）所示再在低的電流應力下，LED發(fā)出的光功率顯著減少。另一方面，對于高的測試電流（60A/cm2）,隨著老化時間的增加，LED的光功率并沒有探測出明顯的變化。這一結果顯示應力導致了LED有源區(qū)非輻射復合中心的產(chǎn)生1213,再低的測試電流下，這些復合中心能夠俘獲注入的載流子并使其通過非輻射復合中心復合。另一方面，在高的測試電流下，復合中心會因為高密度的注入載流子而飽和，這樣他就不能有效地限制LED的內量子效率。這

11、一結果使得刀4特性曲線在低電流下發(fā)生了偏移，并且由于增加了非輻射復合，使得器件的最大外量子效率減小。相似的衰退機理已經(jīng)在文獻中被報道過了69,并被解釋成如下機理：（1）通過光電分光技術和噪聲測試分析得出靠近有源區(qū)的非輻射缺陷增加9（2）Mg相關的絡合物通過分解擴撒到器件的有源區(qū)。（3）器件的有源區(qū)產(chǎn)生了氮空位6。所有這些機理都會增加非輻射復合率，因此引起LEDs光譜的衰減。圖（3）對于樣品的I-V特性曲線進行細致的分析可以看出直流應力也能夠使得反向電流和（V<2V）的正向偏置電流增加。圖三的結果支持了假說即：應力能夠增加樣品中有源區(qū)缺陷的增殖9。圖（四）同一樣品，加應力前后的I-V特性曲

12、線。電流應力為85A/cm2o為了進一步了解該衰退過程的起源，通過C-V測量，我們有分析了帶電載流子在LEDs有源區(qū)的空間分布。圖五是在電流應力為85A/cm2,室溫條件下，其中一只LED的C-V曲線變化。黑色的線代表應力之前的特性曲線。插入的圖是由C-V曲線外推出的可視電荷(ACD)的分布簡圖14。由于P型區(qū)相對于N型區(qū)是重摻雜的，且空間電荷區(qū)的寬度與摻雜濃度成反比，所以在該圖中只涉及了無摻雜的量子阱區(qū)和二極管N型區(qū)。顯而易見，隨著電壓從2V減小到-2V,空間電荷區(qū)的邊界從A區(qū)偏移到了B區(qū)，A,B代表電荷的積累點即器件有源區(qū)的量子阱區(qū)14。當達到更高的反向偏置電流(V<-6V)器件有源

13、區(qū)完全耗盡，空間電荷區(qū)(SCR)進入了N型區(qū)，即圖中所示區(qū)域C,電荷濃度為351017cm3如圖(五)所示，電壓產(chǎn)生了結電容的增加，尤其當電壓為-2V<V<2V時。如以上所論述，當電壓在-2V和2V變化時，空間電荷區(qū)的邊界在有源區(qū)內，因此圖四的C-V曲線證明了應力產(chǎn)生了LEDs有源區(qū)內電荷濃度的變化。604000BeforestressiAfter16hAfter64hAfter256h*iAfter1000h-12JO-8-6-4-202Voltage(V)圖(五)在電流應力為85A/cm2室溫下，樣品的C-V特性曲線。頻率為1MHZ。插入的圖是由C-V特性曲線外推出的ACD簡圖

14、。通過計算LEDs有源區(qū)內增加的電荷濃度，這一影響的定量描述如下式所示：Vf_1_-Qt(Ct(V)C0(V)dVqA%q是電子電量，A是結面積，Ct(V)是應力時間為t時的結電容，C0(V)是t=0時的結電容，V1,Vf是測量前后的電壓。在圖六中我們得到結論：由于應力，有源區(qū)的空間電荷濃度顯著增加，很好的吻合了光功率的減低。這就很好的支持了假說：應力產(chǎn)生樣品有源區(qū)空間電荷的變化。001(%)&M0CL而.yK。4，QO2o8010(-EE,E01p(dz=bequ)StressTime（h）（六）黑線代表在電流應力為85A/cm2,電流密度為10A/cm2,光功率隨老化時間的變化;紅

15、色的圈代表電流應力為85A/cm2室溫時，電荷濃度隨老化時間的變化。有報道表明LEDs有源區(qū)空間電荷的變化與以下相關：1）缺陷濃度的增加9;2）空間電荷區(qū)（SCR）電荷的重新分配，可能與雜質及摻雜相關。這些在直流電操作過程中都有可能發(fā)生，即使在相對低的結溫下。事實上，在閾值條件下注入樣品中的高能載流子也會在有源區(qū)內產(chǎn)生缺陷。另一方面，目前有報道證明雜質和摻雜劑可以向有源區(qū)擴散，并表明螺位錯在雜質和摻雜劑的擴散過程中起著重要的作用。有源區(qū)中雜質的存在能夠增加非輻射復合率，使得LEDs光功率降低，如Mg在有源區(qū)中時會成為非輻射復合中心。B反向偏置電流下的衰減GaN基LEDs的可靠性研究常常在正向偏

16、置電流下做進行，然而置于反向電流下也能使LEDs產(chǎn)生量的或者災難性的損壞。反向偏置能夠使GaN基LEDs發(fā)生量或者徹底的失效。在反向偏壓下，最主要的失效模式是漏電流增加，進而使擊穿電壓下降4。在這一節(jié)中我們將研究InGaN-based基LEDs在反偏壓下的失效機理。在反向偏壓下主要的傳導機理是是隧穿電流4,電流通過大量的局域點流動，這些泄露路徑與結構缺陷相關（如螺位錯和V字形缺陷）。路徑通過場發(fā)射顯微鏡很容易被定位，事實上，反向偏置下，注入LEDs有源層的載流子能產(chǎn)生像點狀的輻射發(fā)射。在反向偏置下GaN基LEDs泄漏電流增加，同時擊穿電壓下降。漏電流的增加使LEDs光強度增加，即發(fā)光點的光強度

17、在應力后出現(xiàn)了增加。這些結果表明應力導致了LEDs有源區(qū)缺陷的增加，同時使得寄生漏電流增加，并且這種衰退發(fā)生在預成缺陷點處。另一方面，反偏應力對LEDs正向光強的影響卻是有限的。在反向電流應力為1.2A/cm2,老化時間為1024分鐘時，正向光輸出只減少了原來的2%。2圖（七）a反偏光在測試LED樣品上上的分布（反向偏置電流I120A/cm）,發(fā)光點代表反向泄漏電流的優(yōu)先傳導路徑，這些點與結構缺陷的位置相關。B圖LED靜電放電失效后的顯微鏡照片，此時器件相當于一個短路環(huán)路。失效點與圖a的發(fā)光點相關。-a-a-87654321(-EWEo-»,PN=mEou)蛆5世而一心甘正canY8

18、23AdB0opgN-mLUJOc)msanG隼J仁心nu<u<ns>(usStresscurrentdensity(A/cm圖（八）反向應力下，退化率隨電流電壓應力的變化為了更好的理解反向偏置下的衰退機制，我們在不同的反向電流應力下進行了一系列測試：對同一基片的樣品進行了老化試驗。為了達到這一目的，我們在不同的電流應力和電壓應力下進行了加速老化試驗。如圖八所示，應力測試結果表明：在反向偏置下，LEDs的反向電流隨著電流密度的增加而線性增加，隨電壓應力的增加而非線性增加。衰減率隨電流應力的線性變化表明：反下應力下的衰減是由于注入有源區(qū)的載流子。這些注入的載流子在電場下被加速，

19、具有很高的能量。他們與晶格結構相互作用，導致了有源區(qū)內缺陷的產(chǎn)生和增值，并且逐漸的惡化了器件的電學特性4。參考文獻：1 R.D.DupuisandM.R.Krames,“History,development,andapplicatio-nbsrigohfthniegshsvisiblelight-emittingdiodes,J.Lightw.Technol.,vol.26,no.9,pp.1154T171,May2008.2 T.YanagisawaandT.Kojima,“DegradationofInGaN-belmueittliingghtdiodesundercontinuousa

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