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 lm/W），长寿命（在实验条件下寿命可达10万小时）[]1，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：2-;(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[]4;(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（21mm -的LEDs 能够耗散2-4W 的电功率），进而达到相对高的结温（＞C C ︒-︒10080）。

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[]62-。

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[]102-。

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[][]10,6。

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2/85cm A ，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35-852/cm A ）：在电流应力下，结温不超过C o 100。

因此温度应力符合LEDs 的正常操作范围（最大结温不得超过C o 125）[]11。

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2/85cm A 室温条件下，对LEDs 进行加速寿命实验。

通过测量I-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2/85cm A ，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（2/60cm A ），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[]12[]13，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η−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[]6[]9，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[]9（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[]6。

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[]9。

图（四）同一样品，加应力前后的I-V 特性曲线。

电流应力为2/85cm A 。

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2/85cm A ，室温条件下，其中一只LED 的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[]14。

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[]14。

当达到更高的反向偏置电流（V<-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3171053-⨯-cm 。

如图（五）所示，电压产生了结电容的增加，尤其当电压为-2V<V<2V 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。

图（五）在电流应力为2/85cm A 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：dV V C V C qA Q fv v t t ⎰-=∆1))()((10 q 是电子电量，A 是结面积，)(V C t 是应力时间为t 时的结电容，)(0V C 是t=0时的结电容，f V V ,1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。

图（六）黑线代表在电流应力为2/85cm A ，电流密度为2/10cm A ，光功率随老化时间的变化;红色的圈代表电流应力为2/85cm A 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[]9;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 产生量的或者灾难性的损坏。

反向偏置能够使GaN 基 LEDs 发生量或者彻底的失效。

在反向偏压下，最主要的失效模式是漏电流增加，进而使击穿电压下降[]4。

在这一节中我们将研究InGaN-based 基LEDs 在反偏压下的失效机理。

在反向偏压下主要的传导机理是是隧穿电流[]4，电流通过大量的局域点流动，这些泄露路径与结构缺陷相关（如螺位错和V 字形缺陷）。

路径通过场发射显微镜很容易被定位，事实上，反向偏置下，注入LEDs 有源层的载流子能产生像点状的辐射发射。