大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析_图文

1、半导体光电2005年4月第26卷第2期郑代顺等: 大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析光电器件大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析郑代顺1, 钱可元1, 罗毅1,2(1. 清华大学深圳研究生院半导体照明实验室, 广东深圳518055; 2. 清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室, 北京100084摘要:以GaN 基蓝光L ED ED 的方法制备了白光L ED 。析。结果表明, 大功率L ED , 缺陷的生长和无辐射复合中心的形成, , , 以及封装体中各成分之间热膨胀系数L ED 的失效。; L ED ; 白光L ED ; 寿命试验; 失效机理:TN312. 8文献标识码:A 文章

2、编号: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年利用氮掺杂工艺使GaAsP 红色发光二极管(L ED 的发光效率达到1lm/W 以来,L ED 的研究得到迅速发展。1985年, 采用液相外延法, 使得Al GaAs L ED 的发光强度首次突破1cd 1。20世纪90年代初对于In GaAl P 四元系材料的研究, 不仅大大提高了L ED 的效率, 还将高亮度L ED 的光谱从红光扩展到黄光和黄绿光24。90年代中期,Nakamura 等5,6采用MOCVD 方法成功地制

7、备收稿日期:2004-09-17.出高亮度In GaN/Al GaN 双异质结蓝光L ED 和In GaN 量子阱结构紫外L ED 。GaN 基蓝光L ED 的出现及其效率的迅速提高, 使L ED 得以形成三基色完备的发光体系, 并使白光L ED 的研制成为可能。实现白光L ED 的技术途径主要有两条:一是采用红、绿、蓝三基色混合生成白光, 二是通过荧光粉转换的方法实现白光, 目前以后者居多711。随着白光L ED 的功率和效率的不断提高,L ED 正在从指示和显示领域向照明领域迈进, 并将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。虽然大功率白光L ED 是当前的研究热点, 但用87SEMIC

8、ON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 26No. 2Apr. 2005于照明还存在发光效率不够高, 空间色度均匀性较差, 以及成本高等问题。此外, 虽然L ED 是公认的高可靠性半导体产品, 但是关于大功率发光二极管的寿命测试数据的报道仍显不足。本文研究了荧光粉转换GaN 基大功率白光L ED 的光输出随时间的衰减特性, 并对老化过程中L ED 的失效情况进行了初步分析。另外, 为了避免荧光粉对L ED 光输出衰减特性的影响, 对大功率蓝光L ED 进行了老化试验, 分析了大功率蓝光L ED 的失效机理。的黄绿色光, 透出的蓝光与荧光粉发出的黄绿色光组成白光。

9、采用不同厂家制造的商用 GaN 基大功率蓝色发光芯片分别制备了四组大功率白光L ED , 用自己设计制作的老化试验装置对其进行了寿命试验。为了排除荧光粉对 L ED 光输出衰减特性的影响, 分别采用与第三、四组白光L ED 同批次的芯片制备了大功率蓝色发光二极管。大功率L ED 。表1给出了L ED L PMS -50紫外2可见2近红, 该分析系统的光度测试准确度为一级, 色温误差为±0. 3%。2实验采用荧光粉转换实现白光的方法, 为450470nm 的GaN 基L ED 光源, , , 560580nm样品编组123L ED 类别表1大功率LE D 寿命试验条件及预期平均寿命样品

10、数661210439驱动电流/mA350350350350350350350老化测试铝基板温度/48±248±248±248±248±248±248±2衰减系数1. 2×10-35. 0×10-42. 0×10-41. 1×10-42. 5×10-52. 2×10-57. 7×10-5平均寿命/h57813863366630127726315069001白光白光白光蓝光白光45蓝光蓝光3结果与讨论3. 1大功率L ED 的光输出衰减特性图1和图2分别给出了

11、大功率白光和蓝光L ED 的相对光输出随时间的衰减曲线, 每组L ED 采用的是同一厂家的同一批次芯片。其中第2、3组同时包括白光和蓝光L ED , 第5组蓝光L ED 采用了防静电保护措施。所有L ED 的光通量都用开始老化时图2大功率蓝光L ED 相对光通量随时间的变化的初始值进行了归一化。对于每组试样, 图中所示衰减趋势表示的是该组试样测量值的平均结果。对于大功率L ED 的相对光输出随时间的变化, 一般的趋势是其光输出在开始的一段时间内衰减较快, 在随后的一段时间内衰减较慢, 但在即将耗尽或发生灾变性失效阶段, 其光输出又急剧衰减。在前两个阶段,L ED 的光输出随时间的衰减曲线可近似

12、为如下的指数形式12:图1大功率白光L ED 相对光通量r 随时间的变化88半导体光电2005年4月第26卷第2期郑代顺等: 大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析y =exp (-at (1式中:y 表示相对光输出, a 表示衰减系数, t 为以小时为单位的点灯时间。显然a 越大, y 值衰减越快。在发光二极管不发生严重的颜色漂移的情况下, 通常人眼对小于50%的光输出变化难以察觉。因此, 本文把光输出衰减50%所经历的时间定义为发光二极管的寿命12。由图1可见, 第1、2组白光L ED 试样的光输出衰减很快, 尤其是第1组, 经过800h 的老化时间, 其光通量衰减了约62%。但在第1组白

13、光L ED 的寿命试验过程中未观察到灾变性失效现象。我们认为该组试样光输出的迅速衰减是由L ED 退化引起的。第4L 持特性相对较好, 6%。作用, 在发光二极管制备过程中引入的缺陷将在有源层中形成无辐射复合中心, 增加了光吸收, 使得器件发光效率降低。而注入载流子的无辐射复合又使能量转化为晶格振动, 导致了缺陷的运动和增殖。第1组大功率白光L ED 的光输出衰减很快, 但并未出现灾变性失效现象, 这与L ED 芯片自身的性能较差是分不开的。由于工艺控制不严格, 在L ED 的制备过程中引入了太多的缺陷, L 。3. 22的老化过程中, 发生, 发现器。除去封装透镜和荧光粉并重新超声焊接电极引

14、线, 这两个试样参与了蓝光L ED 的老化试验。为了寻求导致电极引线断裂的原因, 我们对图3所示倒装焊结构的大功率L ED 进行了正弦振动试验, 以检验L ED 所用铝丝电极引线的耐振动能力。先是让大功率L ED 沿z 方向振动, 然后在垂直于z 轴的平面内振动, 并且可以绕z 轴转动。结果表明, 对任意抽取的大功率L ED , 在350mA 工作电流下, 在z 轴和垂直于z 轴的两个方向都能够经受超过300m/s 2的振动加速度, 说明L ED 耐振动冲击的能力较强。这也正是将固体光源应用于照明的优点之一 。ED , 蓝光L ED 的光。在L ED 芯片制备工艺条件相同的情况下, 排除荧光粉

15、的影响之后, L ED 的光输出衰减特性仅取决于芯片本身的品质和封装工艺中所用导热材料及包封材料的性能。在芯片一致性较好的情况下, 白光L ED 的光输出衰减相对蓝光L ED 要快一些, 这也表明白光L ED 的后期工艺还有待进一步改善。用式(1 分别对大功率白光和蓝光L ED 试样的光输出衰减曲线进行了拟合, 所取衰减系数列于表1中。图1和图2中的实线为数值拟合结果。由图1、图2可见, 测试结果与拟合结果比较吻合。这表明大功率L ED 的寿命试验不一定要进行到所有L ED 的光输出都衰减到50%以下, 只要能够通过早期失效阶段,L ED 将进入一个比较稳定且相对缓慢的衰减过程, 并可据此对L

16、 ED 的寿命进行估计。由指数衰减规律推得四组大功率白光L ED 光输出衰减50%的平均寿命分别为578、1386、3366和27726h , 而三组大功率蓝光L ED 试样的预期平均寿命分别为6301、31506和9001h 。可见不同厂家生产的大功率L ED 芯片的性能差距比较大。3. 2大功率L ED 的失效分析发光二极管的失效一般可分为缓慢退化、快速退化和突发失效三种。下面主要对大功率L ED 寿命试验过程中的一些失效情况进行分析。3. 2. 1L ED 材料中的缺陷引起器件光输出的衰减半导体薄膜材料中的晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。由于缺陷对载流子具有较强的俘获图3大功率L E

17、D 的振动示意图此外, 对我们所用铝丝引线进行了电过应力试验, 发现单条铝丝要在约800mA 的稳态直流下持续一定时间才慢慢熔断。在老化试验中, 我们采用稳压稳流电源对试验样品供电, 且大功率L ED 一般超声焊接两条引线, 至少可以承受1. 5A 的稳态电流。因此, 基本上可以排除振动因素和电过应力导致电极引线断裂的可能性。我们认为, 由于L ED 封装中所用环氧树脂与电89SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 26No. 2Apr. 2005极引线及L ED 芯片材料的热膨胀系数不同, 温度的变化会产生机械应力并施加在电极引线和L ED 芯片上,

18、 并最终导致了电极引线的断裂。3. 2. 3静电导致器件灾变性失效在大功率蓝光L ED 的光输出衰减过程中, 观察到如下两种失效现象: 一种是器件启亮之前的漏电流有所增大, 但其工作电压无明显变化; 另一种则是器件的工作电压显著升高。图4给出了漏电流增大前后器件的电流2电压特性和光输出随电流的变化曲线。由图4可见, 在L ED 发生漏电后, 其电流随外加电压的升高而增大, 但在一个相当宽的电流范围内并没有光输出。这些载流子被L ED 中的杂质和结构缺陷所俘获, 或者发生无辐射复合, 因此没有光输出。直到注入电流足够大, 注入载流子填充了所有的缺陷, 剩下的载流子部分发生辐射复合, 并伴随着光输

19、出。表2人体动作引起的静电电压产生的静电电压/V人体动作从印制板上撕下胶带拿起塑料袋启动吸锡器用橡皮擦印制电路板相对湿度10%1218000180006000120007000800012000相对湿度65%90%150025075015 00015000100150060010001000在第5组大功率L ED 的老化试验过程中, 我们通过给L ED 并联一个较大的电阻来消除静电的影响。表3给出了采取静电保护措施前后部分大功率L ED 的漏电流(漏电较小的L ED 没有全部列出 。由该表可以发现, 对于没有采取静电保护措施的大功率L ED , 经过寿命试验后有相当一部分L ED 漏电流增大,

20、 甚至个别L ED 的漏电流超过了100mA 。而采取静电保护措施后, 在寿命试验过程中基本上没有漏电流增大的现象。这表明静电保护对于抑制L ED 漏电流增大是非常有效的。在我国北方干燥地区, 静电的影响比较突出, 采取静电保护措施对于图4漏电流增大前后大功率L ED 的I 2V 特性及光输出随提高大功率L ED 的使用寿命就显得更为重要。表3静电对大功率LE D 的漏电流的影响有无静电保护措施L ED 器件漏电流/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, 电流的变化曲线我们认为, 导致L ED 漏电流增大的主要因素是静电的破坏。在无静电防护的情况下, 人体的简单活动就可能产生很高的静电电位。表2为人体在操作过程中不同的动作引起的静电大小, 通常高达600035000V , 即使在相对湿度为65%90%的环境中, 最低静电也可达到100V , 远远高于大功率L ED 的正常工作电压34V 13。由于大功率L ED 芯片的内部串联电阻较低, 在没有静电保护的情况下, 当人体接触L ED 时, 人体所带静电通过L ED 放电, 导致大功率L ED 的局部击穿。

22、在局部击穿的情况下, 将在L ED 的两个电极、有源层/电极界面和有源层体内形成结构缺陷。即使有载流子注入L ED ,90无静电保护措施有静电保护措施3. 2. 4电极性能不稳定导致器件灾变性失效在L ED 工作过程中, 由于电极材料不均匀, 导致电极微区温度分布不均, 一方面, 当施加在L ED 上的电流过大时, 会导致L ED 电极局部区域的灼伤或断裂; 另一方面, 由于局部区域温度过高, 引起倒半导体光电2005年4月第26卷第2期郑代顺等: 大功率发光二极管的寿命试验及其失效分析装焊结构中的焊料流动, 焊接不良, 致使电极局部区域起翘。这两方面的因素导致了L ED 器件中的部分电路开路

23、, 使得器件电阻增大, 达到正常工作电流所需的电压明显升高, 个别器件同时出现部分区域不发光的现象, 导致L ED 光输出的严重衰减。图5给出了大功率L ED 电极部分区域失效前后的电流2电压特性曲线。当大功率L ED 的热阻较大时,L ED 芯片产生的热量不能及时散发出去, 使得L ED 结温升高。过高的结温将导致覆盖在L ED 芯片上的荧光粉发生降解, 使得荧光粉的量子效率降低, 由荧光粉转换得到的黄光成分减少, 并最终导致了大功率白光L ED 光输出的减少和颜色的漂移。因此, 寻求高热导率材料并改进封装工艺以降低器件热阻, 同时选取光转换效率更高、, 对于提高大功率白光L 。4L ED

24、的寿命试验表明, 。四组大功率白光L ED 试样的平均寿命分别为578、1386、3366和27726h 。大功率蓝光L ED 的光输出衰减相对较慢, 与第2、3组同批次芯片的蓝光L ED , 其平均寿命分别达到6301和31056h 。在大功率L ED 的工作过程中存在如下几种失效机制:(1 在制备过程中引入的缺陷, 将在L ED 有源层中形成无辐射复合中心。缺陷(尤其是暗线缺陷 的生长将导致L ED 发光特性的严重退化;(2 由于L ED 电极材料不均匀, 电极微区温度存在差异, 电流过大将导致电极部分区域的灼伤或断裂; 而局部温度过高会导致倒装焊结构的损伤。这两者导致了器件电路部分开路,

25、 使得L ED 正向压降升高和光输出降低, 严重者将发生灾变性失效;(3 由于静电的破坏作用, 在发光器件的两个电极、有源层/电极界面和有源层体内形成结构缺陷, 增大了载流子被俘获或者发生无辐射复合的几率, 因此使得器件的漏电流增大;(4 由于封装体中各成分之间存在热膨胀系数失配, 温度的变化产生机械应力并施加在电极引线和L ED 芯片上, 可能引起电极引线的断裂;(5 在通过荧光粉转换方法得到的白光L ED 的工作过程中, 荧光粉量子效率降低将导致宽谱带黄光相对峰值蓝光衰减更快的趋势, 并使得器件色温升高。参考文献: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:图5L ED 的I 2V 特性在器件未经包封的情况下, 更容易观察到发光二极管正向电压升高的现象, 个别器件甚至难以实现电流的注入。这是由于L ED 的电极材料暴露在空气中, 环境温度或者器件自身产生的热量, 以及空气中的氧和水蒸汽加速了电极材料的氧化及电化腐蚀。因此, 电极性能和封装质量的优劣, 较大程度地影响着大功率L ED 的工作寿命。3. 2. 5荧光粉引起白光L ED 光输出的衰减实验发现, 在大功率白光L ED 的老化过程中, 存在荧光粉引起器件发

27、光特性劣化的现象, 图6为该种情况下大功率白光L ED 的相对光谱随时间的变化。相对光谱表示的是L ED 在不同波长处的发光强度相对于峰值波长处的发光强度的比值。由图6不难看出, 随着时间的推移, 由荧光粉转换得到的宽谱带黄光在整个大功率白光L ED 光谱中所占的比例逐渐减小, 同时L ED 的色温升高。这可以归因于荧光粉量子效率的降低 。图6大功率白光L ED 的相对光强I r 随时间的变化221022214.(下转第127页91半导体光电 2005 年 4 月第 26 卷第 2 期 谢浩锐 等 : 垂直腔面发射激光器的氧化工艺研究 学报 ,1996 ,17 ( 11 :8732874 .

28、degradation of Al x Ga 1 x 的图形尺寸对选择氧化的最终质量都非常关键 。 用在此 最 佳 氧 化 条 件 下 氧 化 的 外 延 片 制 成 VCSEL 器件 ,室温下阈值电流大约为 1. 8 mA ,当驱 动电流为 20 mA ,驱动电压为 2. 68 V 时 , 输出功率 为 7. 96 mW , 功率转换效率为 14. 85 % , 斜效率为 0. 441 3 mW/ mA , 微分量子效率为 31. 08 % 。图 8 为 VCSEL 的 L2 I2V 特性图 。 参考文献 : 1 康学军 , 林世鸣 . 由选择腐蚀和选择氧化法相结合研 制的 GaAs/ Al

29、 GaAs 垂直腔面发射激光器 J . 半导体 ( 上接第 91 页 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 图8 VCSEL 的 L2 I2V 特性图 作者简介 : 谢浩锐 ( 1979 - ,男 ,硕士研究生 ,

33、研究方向 : 垂 直腔面发射激光器的工艺 。 E2mail : caxhr 126. co m Phys. A ,1997 ,64 :4172418. ( 5 :6832685. 390. 作者简介 : 郑代顺 ( 1973 - ,男 ,四川平昌人 ,2003 年毕业 于兰州大学物理科学与技术学院 ,获理学博士学位 , 同年进入清华大学深圳研究生院从事博士后研究工 作 。现主要从事大功率 L ED 及其照明系统研究 。 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 :