大功率發(fā)光二極管的壽命試驗及其失效分析_圖文

1、半導體光電2005年4月第26卷第2期鄭代順等: 大功率發(fā)光二極管的壽命試驗及其失效分析光電器件大功率發(fā)光二極管的壽命試驗及其失效分析鄭代順1, 錢可元1, 羅毅1,2(1. 清華大學深圳研究生院半導體照明實驗室, 廣東深圳518055; 2. 清華大學電子工程系集成光電子學國家重點實驗室, 北京100084摘要:以GaN 基藍光L ED ED 的方法制備了白光L ED 。析。結果表明, 大功率L ED , 缺陷的生長和無輻射復合中心的形成, , , 以及封裝體中各成分之間熱膨脹系數(shù)L ED 的失效。; L ED ; 白光L ED ; 壽命試驗; 失效機理:TN312. 8文獻標識碼:A 文章

2、編號:1001-5868(2005 02-0087-05Life T est and F ailure Mechanism Analyses for High 2pow er L EDZH EN G Dai 2shun 1, Q IAN Ke 2yuan 1, L UO Y i 1,2(1. Laboratory on Semiconductor Lighting , G radu ate School at Shenzhen , Tsinghu a U niversity ,Shenzhen 518055,CHN; 2. State K ey Laboratory on I ntegrate

3、d Optoelectronics ,C ollege of E lectronic E ngineering , T singhu a U niversity, B eijing 100084,CHN Abstract :High 2power blue light 2emitting diodes were fabricated wit h t he blue L ED chip s as primary light source ,and high 2power white L EDs were fabricated by p hosp hor conversion. Life of h

4、igh 2power blue and white L EDs was measured , and t he failure mechanism was investigated. Result s show t hat t he light outp ut of L EDs degrades exponentially wit h t he time ,t he growt h of defect s and formation of nonradiative recombinatio n centers , quant um efficiency reduction of p ho sp

5、 hor , t he dest roy of static electricity , breakage of metallization layer and solder instability for flip 2chip , and mechanical st ress wit hin t he L ED package caused by t he variations in ambient temperat ure and self 2heating ,and so on ,will result in t he failure for high 2power L EDs.K ey

6、 w ords :high 2power ; blue L ED ; white L ED ; life test ; failure mechanism1引言自1968年利用氮摻雜工藝使GaAsP 紅色發(fā)光二極管(L ED 的發(fā)光效率達到1lm/W 以來,L ED 的研究得到迅速發(fā)展。1985年, 采用液相外延法, 使得Al GaAs L ED 的發(fā)光強度首次突破1cd 1。20世紀90年代初對于In GaAl P 四元系材料的研究, 不僅大大提高了L ED 的效率, 還將高亮度L ED 的光譜從紅光擴展到黃光和黃綠光24。90年代中期,Nakamura 等5,6采用MOCVD 方法成功地制

7、備收稿日期:2004-09-17.出高亮度In GaN/Al GaN 雙異質(zhì)結藍光L ED 和In GaN 量子阱結構紫外L ED 。GaN 基藍光L ED 的出現(xiàn)及其效率的迅速提高, 使L ED 得以形成三基色完備的發(fā)光體系, 并使白光L ED 的研制成為可能。實現(xiàn)白光L ED 的技術途徑主要有兩條:一是采用紅、綠、藍三基色混合生成白光, 二是通過熒光粉轉換的方法實現(xiàn)白光, 目前以后者居多711。隨著白光L ED 的功率和效率的不斷提高,L ED 正在從指示和顯示領域向照明領域邁進, 并將成為繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源。雖然大功率白光L ED 是當前的研究熱點, 但用87SEMIC

8、ON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 26No. 2Apr. 2005于照明還存在發(fā)光效率不夠高, 空間色度均勻性較差, 以及成本高等問題。此外, 雖然L ED 是公認的高可靠性半導體產(chǎn)品, 但是關于大功率發(fā)光二極管的壽命測試數(shù)據(jù)的報道仍顯不足。本文研究了熒光粉轉換GaN 基大功率白光L ED 的光輸出隨時間的衰減特性, 并對老化過程中L ED 的失效情況進行了初步分析。另外, 為了避免熒光粉對L ED 光輸出衰減特性的影響, 對大功率藍光L ED 進行了老化試驗, 分析了大功率藍光L ED 的失效機理。的黃綠色光, 透出的藍光與熒光粉發(fā)出的黃綠色光組成白光。

9、采用不同廠家制造的商用 GaN 基大功率藍色發(fā)光芯片分別制備了四組大功率白光L ED , 用自己設計制作的老化試驗裝置對其進行了壽命試驗。為了排除熒光粉對 L ED 光輸出衰減特性的影響, 分別采用與第三、四組白光L ED 同批次的芯片制備了大功率藍色發(fā)光二極管。大功率L ED 。表1給出了L ED L PMS -50紫外2可見2近紅, 該分析系統(tǒng)的光度測試準確度為一級, 色溫誤差為±0. 3%。2實驗采用熒光粉轉換實現(xiàn)白光的方法, 為450470nm 的GaN 基L ED 光源, , , 560580nm樣品編組123L ED 類別表1大功率LE D 壽命試驗條件及預期平均壽命樣品

10、數(shù)661210439驅(qū)動電流/mA350350350350350350350老化測試鋁基板溫度/48±248±248±248±248±248±248±2衰減系數(shù)1. 2×10-35. 0×10-42. 0×10-41. 1×10-42. 5×10-52. 2×10-57. 7×10-5平均壽命/h57813863366630127726315069001白光白光白光藍光白光45藍光藍光3結果與討論3. 1大功率L ED 的光輸出衰減特性圖1和圖2分別給出了

11、大功率白光和藍光L ED 的相對光輸出隨時間的衰減曲線, 每組L ED 采用的是同一廠家的同一批次芯片。其中第2、3組同時包括白光和藍光L ED , 第5組藍光L ED 采用了防靜電保護措施。所有L ED 的光通量都用開始老化時圖2大功率藍光L ED 相對光通量隨時間的變化的初始值進行了歸一化。對于每組試樣, 圖中所示衰減趨勢表示的是該組試樣測量值的平均結果。對于大功率L ED 的相對光輸出隨時間的變化, 一般的趨勢是其光輸出在開始的一段時間內(nèi)衰減較快, 在隨后的一段時間內(nèi)衰減較慢, 但在即將耗盡或發(fā)生災變性失效階段, 其光輸出又急劇衰減。在前兩個階段,L ED 的光輸出隨時間的衰減曲線可近似

12、為如下的指數(shù)形式12:圖1大功率白光L ED 相對光通量r 隨時間的變化88半導體光電2005年4月第26卷第2期鄭代順等: 大功率發(fā)光二極管的壽命試驗及其失效分析y =exp (-at (1式中:y 表示相對光輸出, a 表示衰減系數(shù), t 為以小時為單位的點燈時間。顯然a 越大, y 值衰減越快。在發(fā)光二極管不發(fā)生嚴重的顏色漂移的情況下, 通常人眼對小于50%的光輸出變化難以察覺。因此, 本文把光輸出衰減50%所經(jīng)歷的時間定義為發(fā)光二極管的壽命12。由圖1可見, 第1、2組白光L ED 試樣的光輸出衰減很快, 尤其是第1組, 經(jīng)過800h 的老化時間, 其光通量衰減了約62%。但在第1組白

13、光L ED 的壽命試驗過程中未觀察到災變性失效現(xiàn)象。我們認為該組試樣光輸出的迅速衰減是由L ED 退化引起的。第4L 持特性相對較好, 6%。作用, 在發(fā)光二極管制備過程中引入的缺陷將在有源層中形成無輻射復合中心, 增加了光吸收, 使得器件發(fā)光效率降低。而注入載流子的無輻射復合又使能量轉化為晶格振動, 導致了缺陷的運動和增殖。第1組大功率白光L ED 的光輸出衰減很快, 但并未出現(xiàn)災變性失效現(xiàn)象, 這與L ED 芯片自身的性能較差是分不開的。由于工藝控制不嚴格, 在L ED 的制備過程中引入了太多的缺陷, L 。3. 22的老化過程中, 發(fā)生, 發(fā)現(xiàn)器。除去封裝透鏡和熒光粉并重新超聲焊接電極引

14、線, 這兩個試樣參與了藍光L ED 的老化試驗。為了尋求導致電極引線斷裂的原因, 我們對圖3所示倒裝焊結構的大功率L ED 進行了正弦振動試驗, 以檢驗L ED 所用鋁絲電極引線的耐振動能力。先是讓大功率L ED 沿z 方向振動, 然后在垂直于z 軸的平面內(nèi)振動, 并且可以繞z 軸轉動。結果表明, 對任意抽取的大功率L ED , 在350mA 工作電流下, 在z 軸和垂直于z 軸的兩個方向都能夠經(jīng)受超過300m/s 2的振動加速度, 說明L ED 耐振動沖擊的能力較強。這也正是將固體光源應用于照明的優(yōu)點之一 。ED , 藍光L ED 的光。在L ED 芯片制備工藝條件相同的情況下, 排除熒光粉

15、的影響之后, L ED 的光輸出衰減特性僅取決于芯片本身的品質(zhì)和封裝工藝中所用導熱材料及包封材料的性能。在芯片一致性較好的情況下, 白光L ED 的光輸出衰減相對藍光L ED 要快一些, 這也表明白光L ED 的后期工藝還有待進一步改善。用式(1 分別對大功率白光和藍光L ED 試樣的光輸出衰減曲線進行了擬合, 所取衰減系數(shù)列于表1中。圖1和圖2中的實線為數(shù)值擬合結果。由圖1、圖2可見, 測試結果與擬合結果比較吻合。這表明大功率L ED 的壽命試驗不一定要進行到所有L ED 的光輸出都衰減到50%以下, 只要能夠通過早期失效階段,L ED 將進入一個比較穩(wěn)定且相對緩慢的衰減過程, 并可據(jù)此對L

16、 ED 的壽命進行估計。由指數(shù)衰減規(guī)律推得四組大功率白光L ED 光輸出衰減50%的平均壽命分別為578、1386、3366和27726h , 而三組大功率藍光L ED 試樣的預期平均壽命分別為6301、31506和9001h ?？梢姴煌瑥S家生產(chǎn)的大功率L ED 芯片的性能差距比較大。3. 2大功率L ED 的失效分析發(fā)光二極管的失效一般可分為緩慢退化、快速退化和突發(fā)失效三種。下面主要對大功率L ED 壽命試驗過程中的一些失效情況進行分析。3. 2. 1L ED 材料中的缺陷引起器件光輸出的衰減半導體薄膜材料中的晶格缺陷包括點缺陷、線缺陷和面缺陷。由于缺陷對載流子具有較強的俘獲圖3大功率L E

17、D 的振動示意圖此外, 對我們所用鋁絲引線進行了電過應力試驗, 發(fā)現(xiàn)單條鋁絲要在約800mA 的穩(wěn)態(tài)直流下持續(xù)一定時間才慢慢熔斷。在老化試驗中, 我們采用穩(wěn)壓穩(wěn)流電源對試驗樣品供電, 且大功率L ED 一般超聲焊接兩條引線, 至少可以承受1. 5A 的穩(wěn)態(tài)電流。因此, 基本上可以排除振動因素和電過應力導致電極引線斷裂的可能性。我們認為, 由于L ED 封裝中所用環(huán)氧樹脂與電89SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 26No. 2Apr. 2005極引線及L ED 芯片材料的熱膨脹系數(shù)不同, 溫度的變化會產(chǎn)生機械應力并施加在電極引線和L ED 芯片上,

18、 并最終導致了電極引線的斷裂。3. 2. 3靜電導致器件災變性失效在大功率藍光L ED 的光輸出衰減過程中, 觀察到如下兩種失效現(xiàn)象: 一種是器件啟亮之前的漏電流有所增大, 但其工作電壓無明顯變化; 另一種則是器件的工作電壓顯著升高。圖4給出了漏電流增大前后器件的電流2電壓特性和光輸出隨電流的變化曲線。由圖4可見, 在L ED 發(fā)生漏電后, 其電流隨外加電壓的升高而增大, 但在一個相當寬的電流范圍內(nèi)并沒有光輸出。這些載流子被L ED 中的雜質(zhì)和結構缺陷所俘獲, 或者發(fā)生無輻射復合, 因此沒有光輸出。直到注入電流足夠大, 注入載流子填充了所有的缺陷, 剩下的載流子部分發(fā)生輻射復合, 并伴隨著光輸

19、出。表2人體動作引起的靜電電壓產(chǎn)生的靜電電壓/V人體動作從印制板上撕下膠帶拿起塑料袋啟動吸錫器用橡皮擦印制電路板相對濕度10%1218000180006000120007000800012000相對濕度65%90%150025075015 00015000100150060010001000在第5組大功率L ED 的老化試驗過程中, 我們通過給L ED 并聯(lián)一個較大的電阻來消除靜電的影響。表3給出了采取靜電保護措施前后部分大功率L ED 的漏電流(漏電較小的L ED 沒有全部列出 。由該表可以發(fā)現(xiàn), 對于沒有采取靜電保護措施的大功率L ED , 經(jīng)過壽命試驗后有相當一部分L ED 漏電流增大,

20、 甚至個別L ED 的漏電流超過了100mA 。而采取靜電保護措施后, 在壽命試驗過程中基本上沒有漏電流增大的現(xiàn)象。這表明靜電保護對于抑制L ED 漏電流增大是非常有效的。在我國北方干燥地區(qū), 靜電的影響比較突出, 采取靜電保護措施對于圖4漏電流增大前后大功率L ED 的I 2V 特性及光輸出隨提高大功率L ED 的使用壽命就顯得更為重要。表3靜電對大功率LE D 的漏電流的影響有無靜電保護措施L ED 器件漏電流/mA 38. 0,1. 3,89. 0,53. 0,110. 0, 103. 0,50. 0,83. 0,4. 0,71. 0, 55. 0,2. 6,27. 0,68. 0,22

21、. 0,7. 3, 3. 3,0. 1,2. 5,0. 5,2. 4,2. 4,3. 6, 電流的變化曲線我們認為, 導致L ED 漏電流增大的主要因素是靜電的破壞。在無靜電防護的情況下, 人體的簡單活動就可能產(chǎn)生很高的靜電電位。表2為人體在操作過程中不同的動作引起的靜電大小, 通常高達600035000V , 即使在相對濕度為65%90%的環(huán)境中, 最低靜電也可達到100V , 遠遠高于大功率L ED 的正常工作電壓34V 13。由于大功率L ED 芯片的內(nèi)部串聯(lián)電阻較低, 在沒有靜電保護的情況下, 當人體接觸L ED 時, 人體所帶靜電通過L ED 放電, 導致大功率L ED 的局部擊穿。

22、在局部擊穿的情況下, 將在L ED 的兩個電極、有源層/電極界面和有源層體內(nèi)形成結構缺陷。即使有載流子注入L ED ,90無靜電保護措施有靜電保護措施3. 2. 4電極性能不穩(wěn)定導致器件災變性失效在L ED 工作過程中, 由于電極材料不均勻, 導致電極微區(qū)溫度分布不均, 一方面, 當施加在L ED 上的電流過大時, 會導致L ED 電極局部區(qū)域的灼傷或斷裂; 另一方面, 由于局部區(qū)域溫度過高, 引起倒半導體光電2005年4月第26卷第2期鄭代順等: 大功率發(fā)光二極管的壽命試驗及其失效分析裝焊結構中的焊料流動, 焊接不良, 致使電極局部區(qū)域起翹。這兩方面的因素導致了L ED 器件中的部分電路開路

23、, 使得器件電阻增大, 達到正常工作電流所需的電壓明顯升高, 個別器件同時出現(xiàn)部分區(qū)域不發(fā)光的現(xiàn)象, 導致L ED 光輸出的嚴重衰減。圖5給出了大功率L ED 電極部分區(qū)域失效前后的電流2電壓特性曲線。當大功率L ED 的熱阻較大時,L ED 芯片產(chǎn)生的熱量不能及時散發(fā)出去, 使得L ED 結溫升高。過高的結溫將導致覆蓋在L ED 芯片上的熒光粉發(fā)生降解, 使得熒光粉的量子效率降低, 由熒光粉轉換得到的黃光成分減少, 并最終導致了大功率白光L ED 光輸出的減少和顏色的漂移。因此, 尋求高熱導率材料并改進封裝工藝以降低器件熱阻, 同時選取光轉換效率更高、, 對于提高大功率白光L 。4L ED

24、的壽命試驗表明, 。四組大功率白光L ED 試樣的平均壽命分別為578、1386、3366和27726h 。大功率藍光L ED 的光輸出衰減相對較慢, 與第2、3組同批次芯片的藍光L ED , 其平均壽命分別達到6301和31056h 。在大功率L ED 的工作過程中存在如下幾種失效機制:(1 在制備過程中引入的缺陷, 將在L ED 有源層中形成無輻射復合中心。缺陷(尤其是暗線缺陷 的生長將導致L ED 發(fā)光特性的嚴重退化;(2 由于L ED 電極材料不均勻, 電極微區(qū)溫度存在差異, 電流過大將導致電極部分區(qū)域的灼傷或斷裂; 而局部溫度過高會導致倒裝焊結構的損傷。這兩者導致了器件電路部分開路,

25、 使得L ED 正向壓降升高和光輸出降低, 嚴重者將發(fā)生災變性失效;(3 由于靜電的破壞作用, 在發(fā)光器件的兩個電極、有源層/電極界面和有源層體內(nèi)形成結構缺陷, 增大了載流子被俘獲或者發(fā)生無輻射復合的幾率, 因此使得器件的漏電流增大;(4 由于封裝體中各成分之間存在熱膨脹系數(shù)失配, 溫度的變化產(chǎn)生機械應力并施加在電極引線和L ED 芯片上, 可能引起電極引線的斷裂;(5 在通過熒光粉轉換方法得到的白光L ED 的工作過程中, 熒光粉量子效率降低將導致寬譜帶黃光相對峰值藍光衰減更快的趨勢, 并使得器件色溫升高。參考文獻:1Nishizawa J ,Itoh K ,Okuno Y ,et al.

26、L PE Al G aAs andred L ED (candela classs J.J. Appl. Phys. ,1985,57:圖5L ED 的I 2V 特性在器件未經(jīng)包封的情況下, 更容易觀察到發(fā)光二極管正向電壓升高的現(xiàn)象, 個別器件甚至難以實現(xiàn)電流的注入。這是由于L ED 的電極材料暴露在空氣中, 環(huán)境溫度或者器件自身產(chǎn)生的熱量, 以及空氣中的氧和水蒸汽加速了電極材料的氧化及電化腐蝕。因此, 電極性能和封裝質(zhì)量的優(yōu)劣, 較大程度地影響著大功率L ED 的工作壽命。3. 2. 5熒光粉引起白光L ED 光輸出的衰減實驗發(fā)現(xiàn), 在大功率白光L ED 的老化過程中, 存在熒光粉引起器件發(fā)

27、光特性劣化的現(xiàn)象, 圖6為該種情況下大功率白光L ED 的相對光譜隨時間的變化。相對光譜表示的是L ED 在不同波長處的發(fā)光強度相對于峰值波長處的發(fā)光強度的比值。由圖6不難看出, 隨著時間的推移, 由熒光粉轉換得到的寬譜帶黃光在整個大功率白光L ED 光譜中所占的比例逐漸減小, 同時L ED 的色溫升高。這可以歸因于熒光粉量子效率的降低 。圖6大功率白光L ED 的相對光強I r 隨時間的變化221022214.(下轉第127頁91半導體光電 2005 年 4 月第 26 卷第 2 期 謝浩銳 等 : 垂直腔面發(fā)射激光器的氧化工藝研究 學報 ,1996 ,17 ( 11 :8732874 .

28、degradation of Al x Ga 1 x 的圖形尺寸對選擇氧化的最終質(zhì)量都非常關鍵 。 用在此 最 佳 氧 化 條 件 下 氧 化 的 外 延 片 制 成 VCSEL 器件 ,室溫下閾值電流大約為 1. 8 mA ,當驅(qū) 動電流為 20 mA ,驅(qū)動電壓為 2. 68 V 時 , 輸出功率 為 7. 96 mW , 功率轉換效率為 14. 85 % , 斜效率為 0. 441 3 mW/ mA , 微分量子效率為 31. 08 % 。圖 8 為 VCSEL 的 L2 I2V 特性圖 。 參考文獻 : 1 康學軍 , 林世鳴 . 由選擇腐蝕和選擇氧化法相結合研 制的 GaAs/ Al

29、 GaAs 垂直腔面發(fā)射激光器 J . 半導體 ( 上接第 91 頁 2 Huang K H , Yu J G , Kuo C P ,et al. Twofold efficiency imp rovement in high performance Al GalnP light2 emitting diodes in t he 555 620 nm spect ral regio n using a t hick Ga P window layerJ . Appl. Phys. Lett . , 1992 ,61 ( 9 :1 04521 047. 2 83922 841. high2eff

30、iciency ( 13 :1 68721 689. ( 13 :1 86821 870. parent2subst rate emitting diodes J . Appl. Phys. Lett . , 1994 , 64 ( 21 : light2emitting diodes J . Appl. Phys. Lett . , 1994 , 64 light emitting diodes J . Appl. Phys. Lett . , 1995 , 67 conversion of blue light emitting diodes J . Appl. In GaN single

31、2quant um2well2st ruct ure blue and violet bright ness In GaN/ Al GaN double2hetero st ruct ure blue2 In GaAl P green light2emitting diodes J . Appl. Phys. semico nductor wafer2bonded ( Al x Ga 1 - x 0. 5 In0. 5 P/ Ga P light2 t rans2 3 Sugawara H ,Itaya K ,Nozaki H ,et al. High2bright ness 5 Nakamu

32、ra S , Mukai T , Senoh M. Candela2class high 6 Nakamura S , Seno h M , Iwasa N , et al. High2power 7 Schlotter P , Schmidt R , Schneider J . L uminescence Lett . ,1992 ,61 ( 15 :1 77521 777. 4 Kish F A , Steranka F M , De Fevere D C , et al. Very 圖8 VCSEL 的 L2 I2V 特性圖 作者簡介 : 謝浩銳 ( 1979 - ,男 ,碩士研究生 ,

33、研究方向 : 垂 直腔面發(fā)射激光器的工藝 。 E2mail : caxhr 126. co m Phys. A ,1997 ,64 :4172418. ( 5 :6832685. 390. 作者簡介 : 鄭代順 ( 1973 - ,男 ,四川平昌人 ,2003 年畢業(yè) 于蘭州大學物理科學與技術學院 ,獲理學博士學位 , 同年進入清華大學深圳研究生院從事博士后研究工 作 。現(xiàn)主要從事大功率 L ED 及其照明系統(tǒng)研究 。 E2mail : zhengds szt singhua. edu. cn 1 2 7 2 Dallesasse J M , EI2Zein N , Holonyak N. Enviro nmental As/ GaAs hetero st ruct ures J . J . Appl. Phys. , 1990 , 68 ( 5 :