GaN基LEDs可靠性分析#优选、.doc

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150 Im/W），长寿命（在实验 条件下寿命可达10万小时）H，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） 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「10】；（2） 注入载流子在有源区中的反向隧穿电流皿；（3） ESD使得p-n结变短；（4） 由于塑料透镜与LEDs发出的短波相互作用，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（1-mm2的LEDs能够耗散 2-4W的电功率），进而达到相对高的结温（＞80°C - 100°C ）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In GaN/Ga N的 多量子阱结构Ni/Au Ohmic ContactTi/Al/Ti/AuOhmic ContactITO TCLP-GaN(— 0.3Si:N/Si:GaN(X20 pairs) fInGaN/GaNMQWUndoped Bum)SapphireGaN/Si:N{x 10 psirs) *Nucleation layer图（二 EDWB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「6］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^10］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W to］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5050505050500099887766551 1(％)」eMod &0K0■ OP Measured at 0.1 A/cm2▲ OP Measured at 10 A/cm2 • OP Measured at 60 A/cm2Stress at 85 A/cm2, RT1 10 100 1000Stress time (h)1 8 6 4 2 (P ①z=elu」ou) AOU ①ofc山 Emueno -eu」①$<山图（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85 A / cm2，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T018插件上然后，我们得到了 一组绿光LEDs上的结果，该组LEDs是有多量子阱（发光区532nm,有GaN势垒）然 后在室温条件下器件被置于持续的电流应力下（电流密度为35-85 A/cm2）:在电流应力 下，结温不超过100oC因此温度应力符合LEDs的正常操作范围（最大结温不得超过 125oC ） ki］所以以下描述的衰退机理都代表正常操作条件下LEDs的衰退机理在电流 应力在85A/ cm2室温条件下，对LEDs进行加速寿命实验通过测量l-V,C-V及光功率随 电流的变化（L-I）,我们分析了 LEDs的光电特性图（三）a是在电流应力为85A/cm2，寿命测试时间为1000小时，光功率随电流的 变化即（L-I）图（三）b是同一个LED在不同测试阶段，内量子效率随电流的变化曲线 如图1 （a）所示再在低的电流应力下，LED发出的光功率显著减少另一方面，对于高的 测试电流（60A/cm2 ），随着老化时间的增加，LED的光功率并没有探测出明显的变化。

这一结果显示应力导致了 LED有源区非辐射复合中心的产生^］“］，再低的测试电流下， 这些复合中心能够俘获注入的载流子并使其通过非辐射复合中心复合另一方面，在高的测 试电流下，复合中心会因为高密度的注入载流子而饱和，这样他就不能有效地限制LED的 内量子效率这一结果使得n-i特性曲线在低电流下发生了偏移，并且由于增加了非辐射复 合，使得器件的最大外量子效率减小相似的衰退机理已经在文献中被报道过了 k］b］，并 被解释成如下机理：（1）通过光电分光技术和噪声测试分析得出靠近有源区的非辐射缺陷 增加b］（2）Mg相关的络合物通过分解扩撒到器件的有源区3）器件的有源区产生了氮 空位厨所有这些机理都会增加非辐射复合率，因此引起LEDs光谱的衰减图（3）对于 样品的I-V特性曲线进行细致的分析可以看出直流应力也能够使得反向电流和（V <2 V）的正 向偏置电流增加图三的结果支持了假说即：应力能够增加样品中有源区缺陷的增殖b］Voltage (V)Gluo/V) >1 一su①CHU①」」no图（四）同一样品，加应力前后的I-V特性曲线电流应力为85A/cm2为了进一步了解该衰退过程的起源，通过 C-V 测量，我们有分析了带电载流子在LEDs有源区的空间分布。

图五是在电流应力为85 A / cm2,室温条件下，其中一只LED的Voltage (V)9E0 80L X) UO 一ro」ceouooo O4 21. T—C-V曲线变化黑色的线代表应力之前的特性曲线插入的图是由C-V曲线外推出的可视 电荷(ACD)的分布简图血］由于P型区相对于N型区是重掺杂的，且空间电荷区的宽度 与掺杂浓度成反比，所以在该图中只涉及了无掺杂的量子阱区和二极管N型区显而易见, 随着电压从2V减小到-2V,空间电荷区的边界从A区偏移到了 B区，A,B代表电荷的积累 点即器件有源区的量子阱区血］当达到更高的反向偏置电流(Vv-6V)器件有源区完全耗 尽,空间电荷区(SCR)进入了 N型区，即图中所示区域C，电荷浓度为3 — 5 x 1017cm-3 如图(五)所示，电压产生了结电容的增加，尤其当电压为2VvVv2V时如以上所论述， 当电压在-2V和2V变化时，空间电荷区的边界在有源区内，因此图四的C-V曲线证明了应 力产生了 LEDs有源区内电荷浓度的变化Before stress After 16 h-—After 256 h After 1000 h-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2Voltage (V)图(五)在电流应力为85A/cm2室温下，样品的C-V特性曲线。

频率为1MHZ插入的图 是由C-V特性曲线外推出的ACD简图通过计算LEDs有源区内增加的电荷浓度，这一影响的定量描述如下式所示：1 v fAQ =—『(C (V) — C (V))dVt qA t 0v1q是电子电量，A是结面积，C(V)是应力时间为t时的结电容，C(V)是t=0时的结电容，V ,V 是测量前后的电压在图六中我们得到结论：由于应力，有源区的空间电荷浓度显著 1f增加，很好的吻合了光功率的减低这就很好的支持了假说：应力产生样品有源区空间电荷 的变化75—•— Charge Concentration in the active regionI 1 I 1 I 1 I 1 I 1 I0 200 400 600 800 1000Stress Time (h)(-Q119 P①z=Elu」ou) U0E1UQ0U0 w 8 6 4 2 o00(％)」®ModrooKo59o95880图（六）黑线代表在电流应力为85A/cm2，电流密度为10A/cm2，光功率随老化时间的 变化;红色的圈代表电流应力为85 A / cm2室温时，电荷浓度随老化时间的变化有报道表明LEDs有源区空间电荷的变化与以下相关：1）缺陷浓度的增加b ］ ;2）空间电 荷区（SCR ）电荷的重新分配，可能与杂质及掺杂相关。

这些在直流电操作过程中都有可 能发生，即使在相对低的结温下事实上，在阈值条件下注入样品中的高能载流子也会在有 源区内产生缺陷另一方面，目前有报道证明杂质和掺杂剂可以向有源区扩散,并表明螺位 错在杂质和掺杂剂的扩散过程中起着重要的作用有源区中杂质的存在能够增加非辐射复合 率，使得LEDs光功率降低，如Mg在有源区中时会成为非辐射复合中心B反向偏置电流下的衰减GaN基LEDs的可靠性研究常常在正向偏置电流下做进行,然而置于反向电流下也能使 LEDs。