（光学工程专业论文）大功率led可靠性预测机制研究.pdf

浙江人学博士学位论文摘要 摘要 半导体照明是目前国家重点扶持的新兴产业，大功率l e d 是半导体照明 的关键器件，而最终能否实现半导体照明的普及，取决于大功率l e d 光效和 可靠性问题的解决。对l e d 可靠性的研究是提高其可靠性的前提与基础，本 论文研究大功率l e d 可靠性预测机制，尝试一种在无需长期寿命试验条件下 实现对l e d 可靠性量化预测的新方法，它能节省寿命试验成本，为l e d 早 期失效筛选及产品质量管理提供依据，对于l e d 科研与产业都具有重要的学 术价值和实用价值。 论文创造性地提出了基于特性曲线的大功率l e d 可靠性预测机制。在分 析电导数特性曲线、光输出特性曲线、光谱特性曲线及热特性曲线这几条与 l e d 可靠性相关的特性曲线机理与测试原理的基础上，从中分别提取出理想 因子、串联电阻、光输出饱和度、电流温度主波长偏移、电流温度色差、结 温及热阻这几个特性参数，实验证明了这些特性参数与l e d 可靠性之间的相 关性，并用人工神经网络将特性参数与l e d 寿命和颜色退化量之间建立模 型，从而形成了基于特性曲线的大功率l e d 可靠性预测机制。 完成了对大功率l e d 特性曲线测试系统的构架。将电导数特性曲线、光 输出特性曲线、光谱特性曲线测试机构集成为一套系统，热阻测试机构则作 为单独系统，按照不同特性曲线的测试要求，提出了不同的测试方案，分析 了积分球空间响应不均匀性、探头光谱失配、光谱仪杂散光和带宽这些影响 测量精度的问题，并提出了改进方案和校正算法。 首次对各特性参数在测试过程中的不确定度作了系统分析。运用不确定 度理论在对各特性参数的测量不确定度进行分析的过程中发现，多数特性参 数的精确测量对仪器精度和测量过程彳、= 确定度控制的要求都非常高，以这些 分析结果作为对仪器设计和测试过程控制的量化指导。 对大功率g a n 基蓝光及p c 白光l e d 进行了可靠性实验。建立起了基于 特性曲线的大功率l e d 可靠性预测机制，对7 0 0 m a 条件下加速外推寿命的 平均预测误差为：蓝光l e d2 3 6 ，白光l e dl5 9 ，对7 0 0 m a 条件下加速 颜色退化量的平均预测误差为：蓝光l e d 主波长退化1 1 1 ，白光l e d 颜 色退化l7 2 。对预测风险作了分析，表明在实际条件下，外界环境和使用 条件的差异引发的激活能变化，使得排除了时间因子的可靠性预测风险非常 大，失效机理的边界问题也对可靠性预测机制的鲁棒性提出了考验，另外预 测结果的参考意义存在一定局限性，预测机制的适用对象范围也有待进一步 浙江大学博士学位论文 摘要 的检验。提出了一套简化的基于热阻和理想因子的大功率l e d 可靠性筛选机 制，可用于l e d 早期失效筛选，对老炼后的l e d 进行了基于特性曲线的失 效分析，对l e d 进行了静电试验。 对大功率p c 白光l e d 进行了长期寿命试验。设计了一套新型的寿命测 试系统，采用了基于光谱辐射测试的l e d 寿命试验，在比较a r r h e n i u s 模型 和逆幂定律的基础上引入了一个更精确的e y r i n g 模型作为加速寿命试验模 型，寿命试验结果为：5 0 0 m a 条件下平均加速寿命3 8 7 5 小时( u - - 0 6 ，k = 2 ) ， 估算额定条件下平均正常使用寿命1 2 6 2 8 小时( u = 6 3 ，k = 2 ) ，分析了寿命试 验中的外推寿命不确定度和加速寿命不确定度，运用特性曲线分析了l e d 的 颜色失效模式和失效机理。 关键词：发光二极管，可靠性，预测，特性曲线，测量不确定度，人工神 经网络 i i 浙江大学博士论文a b s t r a c t a b s t r a c t s o l i ds t a t el i g h t i n g ( s s l ) i sr e c e n t l yav e r yp r o m i s i n ga n dg o v e r n m e n t s u p p o r t e di n d u s t r y h i g h p o w e rl e d sa r et h ek e yd e v i c e sf o rs s l t h e i m p r o v e m e n to ft h el u m i n o u se f f i c a c ya n dr e l i a b i l i t yo fh i g h p o w e rl e d si s c r i t i c a lf o rs s l s t u d i e so nt h el e d r e l i a b i l i t ya r et h eb a s i so ft h ei m p r o v e m e n t o ft h el e dr e l i a b i l i t y t h i st h e s i sr e s e a r c h e so nt h er e l i a b i l i t y p r e d i c t i o n m e c h a n i s mf o r h i g h p o w e rl e d s an e wm e t h o dt o r e a l i z et h eq u a n t i t i v e p r e d i c t i o nf o rt h el e dr e l i a b i l i t yw i t h o u tl o n g t e r ml i f et e s ti sp r o p o s e d i tc a n b eu s e df o rt h ee a r l yf a i l u r es c r e e n i n ga n dp r o d u c tq u a l i t ym a n a g e m e n to ft h e l e d s ，a n di sa c a d e m i c a l l yv a l u a b l ea n dp r a c t i c a l l yu s e f u lt ot h el e ds c i e n t i f i c r e s e a r c ha n di n d u s t r y ar e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nm e c h a n i s mf o rh i g h p o w e rl e d sb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i cc u r v e si sd e v e l o p e d t h em e c h a n i s m sa n dm e a s u r e m e n tm e t h o d s o ft h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e s 一- e l e c t r i c a ld e r i v a t i v ec u r v e ，l i g h t o u t p u tc u r v e ， s p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o nc u r v ea n dt h e r m a lc u r v e ，w h i c ha r ec o r r e l a t e dt ot h e r e l i a b i l i t yo ft h el e d sa r ei n t r o d u c e d t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s 一一i d e a l f a c t o r ，s e r i e sr e s i s t a n c e ，l i g h to u t p u ts a t u r a t i o n ，c u r r e n tt e m p e r a t u r ed o m i n a n t w a v e l e n g t hs h i f t ，c u r r e n tt e m p e r a t u r ec o l o rd i f f e r e n c e ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n d t h e r m a lr e s i s t a n c ea r ed e r i v e df r o mt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e s ，r e s p e c t i v e l y t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n dt h er e l i a b i l i t y o ft h e l e d sa r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t a na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki se m p l o y e dt o m o d e lt h eq u a n t i t i v er e l a t i o n s h i p s t h em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rt h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fh i g h p o w e rl e d s i ss e t u p t h em e a s u r e m e n ts y s t e m sf o rt h ee l e c t r i c a ld e r i v a t i v ec u r v e ，l i g h t o u t p u tc u r v ea n ds p e c t r a lp o w e rd i s t r i b u t i o nc u r v ea r ei n t e g r a t e di naw h o l e s y s t e m t h et h e r m a lr e s i s t a n c em e a s u r e m e n ts y s t e m i s s e p a r a t e d d i f f e r e n t m e a s u r e m e n tm e t h o d sa r ep r o p o s e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h e m e a s u r e m e n tf o r t h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e s t h ep r o b l e m so ft h en o n u n i f o r m s p a t i a lr e s p o n s eo ft h ei n t e g r a t i n gs p h e r e ，t h es p e c t r a lm i s m a t c ho ft h ed e t e c t o r ， t h es t r a yl i g h ta n db a n d w i d t ho ft h es p e c t r o m e t e ra r ea n a l y s e d i m p r o v e dd e s i g n s a n dc o r r e c t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d i i i 浙江人学博士论文 a b s t r a c t t h eu n c e r t a i n t i e si nt h em e a s u r e m e n tf o rt h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r e a n a l y s e d t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a th i g hp r e c i s i o ni n s t r u m e n t sa n ds t r i c t u n c e r t a i n t yc o n t r o li nt h em e a s u r e m e n ta r er e q u i r e d ，f o rap r e c i s em e a s u r e m e n t f o r t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r s t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r eu s e da st h eg u i d et ot h e i n s t r u m e n td e s i g na n du n c e r t a i n t yc o n t r o li nt h em e a s u r e m e n tp r o c e d u r e r e l i a b i l i t ye x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tf o rb o t hh i g h p o w e rg a n b a s e db l u e a n dp h o s p h o rc o n v e r t e dw h i t el e d s t h er e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nm e c h a n i s mi s s e t u pb a s e do nt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h ea v e r a g ep r e d i c t i o ne r r o r so ft h e 7 0 0 m aa c c e l e r a t e dl i v e sa n dc o l o rd e g r a d a t i o n sa r e ：b l u el e d s l i v e s2 3 6 w h i t el e d s l i v e s15 9 ，b l u el e d s d o m i n a n tw a v e l e n g t hd e g r a d a t i o n11 1 ， w h i t el e d s c o l o rd e g r a d a t i o n17 2 t h e a n a l y s i s f o rt h er i s k so ft h e p r e d i c t i o ns h o w st h a tt h ep r e d i c t i o ne x c l u s i v eo ft h et i m ef a c t o ri so fg r e a tr i s k s ， d u et ot h ec h a n g e so ft h ea c t i v a t i o ne n e r g yc a u s e db yt h ee n v i r o n m e n ta n d a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s t h er o b u s t n e s so ft h er e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nm e c h a n i s mi s c h a l l e n g e db yt h eb o u n d a r yp r o b l e mo ft h ef a i l u r em e c h a n i s m s t h ea p p l i c a t i o n o ft h er e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nm e c h a n i s mi sa l s ol i m i t e d as i m p l i f i e ds c r e e n i n g m e t h o df o rh i g h p o w e rl e d sb a s e do nt h et h e r m a lr e s i s t a n c ea n di d e a lf a c t o ri s p r o p o s e d ，w h i c hc a nb e u s e d f o r t h e e a r l y f a i l u r e s c r e e n i n g i nt h el e d p r o d u c t i o n t h ef a i l u r em e c h a n i s m so ft h ea g e dl e d sa r ea n a l y s e db a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i cc u r v e s e l e c t r o s t a t i ct e s ti sa l s oc a r r i e do u tf o rt h ei e d s l o n g - t e r ml i f et e s ti sc a r r i e do u tf o rh i g h p o w e rp h o s p h o rc o n v e r t e dw h i t e l e d s an e wl i f et e s ts y s t e mb a s e do ns p e c t r o r a d i o m e t r i cm e a s u r e m e n ti s d e s i g n e d am o r ep r e c i s ee y r i n gm o d e li se m p l o y e df o rt h ea c c e l e r a t e dl i f et e s t t h el i f et e s tr e s u l t sa r e ：t h e a v e r a g e a c c e l e r a t e dl i f eu n d e r5 0 0 m ai s 3 8 7 5 h o u r s ( u = 0 6 ，k = 2 ) ，a n dt h ee s t i m a t e da v e r a g en o r m a ll i f eu n d e r3 5 0 m ai s 12 6 2 8h o u r s ( u = 6 3 ，k = 2 ) t h eu n c e r t a i n t i e si nt h el i f ee x t r ai n t e r p o l a t i o na n d a c c e l e r a t i o ni nt h el i f et e s ta r ea n a l y s e d t h ec o l o rf a i l u r em o d e sa n df a i l u r e m e c h a n i s m sa r ea n a l y s e d k e y w o r d s ：l i g h te m i t t i n gd i o d e ，r e l i a b i l i t y ，p r e d i c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ， m e a s u r e m e n tu n c e r t a i n t y ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i v 浙江人学博上学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 半导体发光二极管( 1 i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是新型固态冷光源，其能效 高、寿命长、电压低、结构简单、体积小、重量轻、响应速度快、抗震性能 好和光谱全彩等特点，使得它在各种场合得到了广泛的应用。尤其是在节能 环保方面，l e d 灯比起普通白炽灯和荧光灯具有明显的优势，极有可能通过 技术突破成为未来主流照明光源，是目前学术界、产业界和政府部门关注的 热点，并由此形成了一波l e d 研究的热潮，这其中就包括对l e d 可靠性的 研究。本课题主要研究大功率l e d 可靠性预测机制，研究与l e d 可靠性密 切相关的特性曲线的精确测量，将l e d 特性参数与其可靠性参量之间建立模 型，以期通过初始特性参数对l e d 可靠性作出预测，节省寿命试验成本，为 l e d 快速筛选和质量评估提供依据。本课题属光电测量的研究范畴，涉及光 度色度学、半导体物理学和可靠性工程学的交叉研究领域。本章首先介绍课 题的背景，再对l e d 可靠性研究进行综述，最后介绍本论文的工作。 1 1 课题背景 上世纪九十年代以来，当大街上传统的白炽灯交通信号灯悄悄被新型的 l e d 交通灯取代时，当传统的霓虹灯逐渐被换作绚丽多彩的l e d 装饰灯时， 当单色或全彩的l e d 大屏幕显示、l e d 于机背光、l e d 汽车灯、l e d 路灯、 l e d 射灯及l e d 手电等等逐渐为人们所熟悉的时候，当高效大功率l e d 产 品的发光效率每18 个月被提高一倍的时候，全世界都在关注，并纷纷猜测： 半导体技术是否将又一次改变我们的世界? 1 1 1l e d 历史 早在l9 0 7 年，美国的h e n r yj o s e p hr o u n d 就首次报道了s i c 晶体中的电致 发光现象1 1 】，被认为是世界上第一支l e d ，由于材料的限制，发光非常微弱， 没有太大使用价值，在其后很长一段时间内都未能引起人们重视。19 6 2 年， g e 实验室的h o l o n y a k 用v p e 技术在g a a s 衬底上生长g a a s p ，研制了第一支真 正意义上的可见光( 红光) l e d 【2 1 ，在此之后，可见光l e d 步入商业化阶段，开 始被用作指示灯，如今l e d 仍是指示灯的主要光源。19 6 7 年，b e l l 实验室的 l o g a n 用z n ，o 掺杂g a p 研制红光l e d t3 1 ，以及用n 掺杂g a p 研制绿光l e d t 4 1 ，将 l e d 量子效率提高了近一个数量级：19 7 2 年，m o n s a n t o 实验室的c r a f o r d 用n 掺杂g a a s p 研制黄、橙、红光l e d 引，将l e d 效率进一步提高，在这个时期 浙江大学博上学位论文 第1 章绪论 l e d 的美好应用前景终于为人们所认识，被大量地应用于计算器、数字手表 和测试仪器等场所【6 】。l9 7 2 年，i b m 实验室w o o d a l l 用l p e 技术在g a p 衬底上生 长a 1 g a a s 研制红光l e d t7 1 ，后经过不断改进，a 1 g a a s 材料的橙黄、绿光、红 光l e d 被大量应用于室外信号指示、条形码、医疗器械等领域，a 1 g a a s 仍旧 是目前重要的l e d 原材料之一。1 9 9 0 年，惠普光电实验室的k u o 等人用 a l l n g a p 四元材料研制高亮l e d 引，后来又发展为多量子阱的芯片结构，是目 前大功率黄、橙、红光l e d 的主要材料，被广泛应用于交通信号灯、显示屏、 汽车上面。 1 9 7 1 年普林斯顿r c a 实验室的p a n k o v e 采用m i s 结构研制了第一支g a n 基蓝光l e d t 9 1 ，但是限于当时的外延生长技术以及p s d 掺杂的问题，g a n 蓝光 l e d 的研究陷入了较长时间的停滞期。直到l9 9 3 年，n i c h i a 公司的n a k a m u r a 用m o c v d 技术在蓝宝石衬底上生长得到了高质量的g a n ，并研制成功了第一 支i n g a n 双异质结蓝光l e d t l0 1 ，并在9 4 年将其光强提高到1c d 水平【1 1 1 ，后又研 制了i n g a n 量子阱l e d t l 2 ，13 1 ，使得蓝光l e d 效率不断提高。高亮度的g a n 基 蓝光l e d 填补了三原色l e d 的空缺，使其在全彩大屏幕显示屏、绿色交通信 号灯以及其他很多地方得到应用。 高效蓝光l e d 的研制成功也使得高亮度白光l e d 的研制成为可能，通过 i n g a n 芯片发出蓝光激发钇铝石榴石( y a g ，( y 2 g d ) 3 ( a 1 2 g a ) 5 0 1 2 ) 荧光粉，激 发出的黄光与剩余蓝光混合产生白光【1 4 】，这是目前白光l e d 普遍采用的形 式；通过i n g a n 紫外芯片发出紫外光激发r g b 三色荧光粉从而形成白光【1 5 j ， 也是一种解决方案；另外，n i c h i a 公司的y a m a d a 等人通过在有源区生长复合 量子阱，从而制得单芯片无荧光粉白光l e d t l 6 】。白光l e d 的研制成功使得l e d 的应用渗透到l c d 背光源、手机背光、景观装饰、甚至普通照明等领域。 l e d 的发展历史可以用表1 1 归纳。 表1 1l e d 材料及应用发展历史简表 2 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 综上所述，l e d 的发展历程其实是l e d 发光效率伴随着材料改进不断提 高的历程，同时也是l e d 应用不断得到扩展的历程。l e d 技术发展到今天， 以a i l n g a p 四元材料为主的黄、橙、红光l e d ，以i n g a n 材料为主的紫、蓝、 绿光l e d ，以及a 1 g a a s 材料制造的深红l e d ，构成了可见光波段的全彩l e d 系列，白光l e d 以采用i n g a n 蓝光芯片配合y a g 黄色荧光粉( p h o s p h o r c o n v e r t e d ，p c 白光l e d ) 方案为主。应用方面以手机应用为主( 2 0 0 6 年市场比 例为4 8 ) ，其次是汽车灯及仪表( 1 5 ) ，还有信号灯和显示屏( 1 4 ) ，l e d 在 照明市场目前只占到了5 t 1 7 j 。 l e d 的另外一个发展分枝是有机发光二极管( o l e d ) ，是以有机半导体化 合物制造的二极管，它在显示领域应用前景非常广阔，是今年来比较热门的 研究方向，但其作为普通照明光源在诸多方面受到限制，这里彳、= 予叙述。 1 1 2 国内外技术现状及发展趋势 下面分别从外延片、芯片和封装三方面对g a n 基l e d 技术现状及发展趋 势作综述。 1 1 2 1l e d 外延片技术 目前用于g a n 生长的衬底材料主要有： 1 )蓝宝石( a l ：0 。) ，这是目前g a n 外延的主要衬底材料，具有化学稳 定性好、透射率高、价格适中及技术相对成熟的优点，缺点是导 热性差，与g a n 的晶格失配大； 2 )s i c ，另一种已商用化的g a n 生长衬底，其化学稳定性、导热导电 性都很好，但缺点是价格昂贵，晶体质量相对较差： 3 )g a n ，最理想的衬底自然是g a n 本身，不过目前还没有低成本制备 g a n 体单晶材料的方法； 4 )s i ，与g a n 之间存在巨大的晶格失配和热失配，目前很难制得高 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 质量的g a n 外延，但其成本低、晶体质量高、尺寸大、导热导电 性好等诸多优点，驱使人们不断地进行s i 衬底方面的研究； 5 )z n 0 ，与g a n 晶格失配小，但高质量材料和p 型掺杂问题仍需通过 今后的研究去寻找解决方案。 金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 技术是目前生长i i i - v 族化合物单晶的 主要方法，目前还没有其他方法能与之相比，但适合g a n 材料的m o c v d 设备 仍处于发展和完善之中，目前国内在这一领域还受制于国外。其他生长方法 有分子束外延( m b e ) 、液相外延( l p e ) 、卤化物气相外延等n 引。 外延材料方面g a n 仍是目前蓝白光l e d 的基础材料，a l l n g a p 是生产黄、 橙、红光l e d 的主要材料，z n o 由于其高效、无毒、价廉等优点也引起了半 导体学者的浓厚兴趣，是一种比较有潜力的发光材料，相关研究比较热门； 另外z n s e 材料的研究目前正处于初始阶段。 1 1 2 2l e d 芯片技术 按照目前的技术，l e d 的内量子效率其实已经达到了相当高的水平，如 a i l n g a p 基l e d 的内量子效率最高可达到l0 0 ，i n g a n 基的l e d 相对差些， 但最高也能达到5 0 ，关键的问题在于提高出光效率，这需要在芯片结构的 设计上进行改善，目前主要的方法及研究方向有： 1 )芯片形状优化 2 )改善键合方法 3 ) f l i p c h i p 技术 4 ) d b r 技术 5 )激光衬底剥离 6 )表面粗糙技术 7 )光子晶体技术 这些方法一般都是通过改善芯片散热条件以及出光条件达到提高外量子 效率的目的。 1 1 2 3l e d 封装技术 l e d 封装技术对于提高l e d 发光效率以及可靠性相当重要，封装技术 的关键在于改善散热条件，提高出光效率，提高单灯功率，静电防护等。 目前额定电流为2 0 m a 的小功率l e d 一般都采用支架式的结构，如图1 - 1 所示： 4 浙江人学博上学位论文 第1 誊绪论 图1 1 小功! 簪l e d 支架式封装结构 l e d 芯片通过银胶安装在反射杯中与负极支架相连，p 型电极通过金线与j f 极支架相连，外面用环氧树脂封装固定。采用这种形式封装的l e d 光线多在 i 订端比较集中，热阻存15 0 2 5 0 0 c w ，彳i 适合大功率l e d ：卷片。表面贴装 ( s m d ) 的l e d 在i j 场上也比较多见，但一般也都用于小功率封装。 h p 公司存上世纪9 0 年代初推出的“食人鱼”l e d ，额定电流为7 0 m a ， 19 9 4 年又改进为“s n a pl e d ”，额定电流为l5 0 m a ，l u m i l e d s 公刊在19 9 8 年推m 的l u x e 0 1 1l e d ，额定电流3 5 0 m a ，是最早的商业单芯片1wl e d ，其 封装形式如图1 - 2 所示： h e 如n k 懿吩 r 。n 。l 。( u p 图卜2i 。u x e o n 封装结构【1 9 】 倒装芯片通过焊点连接在散热性能优良的硅基底上，并安装在反射杯中，反 射杯中填充硅树脂，硅基底与热沉通过导热材料粘结，金线将p 极和n 极分 别与l e d 正极和负极相连，外面安装了塑料透镜起改变光输出结构及保护的 作用。采用这种封装形式的大功率l e d 热阻可做到小于5 0 0 c w 。 目前l e d 封装技术的发展趋势主要有： 1 )大尺寸j 卷片封装以提高单灯流明数 浙江大学博士学位论文第1 章绪论 2 )功率型u v 芯片激发r g b 荧光粉 3 )多芯片集成封装技术 4 )新型荧光粉沉积技术 5 )新型封装材料的运用以提高耐热性 作为半导体照明解决方案的大功率白光l e d ，由于采用了大电流驱动， 灯具结构等因素必然降低其散热性能，而且要在严酷的环境条件下使用，所 以对其可靠性提出了非常高的要求，是本文研究的重点。 1 1 3 半导体照明 在l e d 众多应用中，作为普通照明光源是其最具有诱人前景的一项。 l e d 光源高能效的特点，能够在照明节电上发挥巨大作用。美国能源部计划 从2 0 0 5 年到2 0 2 5 照明用电节省2 9 ，约合12 5 0 亿美元，而由此减少的二 氧化碳排量将达到10 。中国每年的照明用电量约占总发电量的l2 ，如果 能通过半导体照明将照明用电量降低3 0 ，每年甚全能为国家节省一个三峡 工程的发电量。在资源日益紧张的2l 世纪，节能减排是保持可持续发展的必 然措施，因此各国政府都纷纷出台相应的半导体照明计划，以推动l e d 在普 通照明领域的应用推广。日本在19 9 8 年最先制定了“2l 世纪光计划”，旨在 2 0 0 5 年生产出第一代普通照明l e d 光源代替白炽灯和荧光灯，美国于2 0 0 0 年启动了“国家半导体照明研究计划”，主要研究如何降低l e d 成本和提升 l e d 转换效率，欧盟也在2 0 0 0 年设立了“彩虹计划 ，还有韩国在2 0 0 2 年 推出了“氮化镓半导体开发计划 p 9 0 我国在2 0 0 3 年正式启动了“国家半导体 照明工程”，在“十五”期间共投入引导经费1 亿元人民币，“十一五”计划 又成立了半导体照明专项，以进一步推动我国半导体照明研究和产业的发展 2 0 1 o 围绕半导体照明的核心问题之一是提高l e d 的发光效率，发光效率是光 源光度输出与注入电功率之比率( 1 m w ) ，是光源最重要的性能之一。l e d 目 前在光效方面只是具有潜在优势，不过随着技术的不断突破，这种优势正在 不断地被发掘出来，从而直接威胁到传统照明光源的地位，很多学者都看好 l e d 替代白炽灯、荧光灯，成为2l 世纪的主流照明光源 2 1 - 2 5 】。从人类近2 0 0 年的照明技术发展史来看( 如图1 3 所示) ，爱迪生发明的白炽灯是照明史上 的第一次革命，2 0 世纪中叶发明的荧光灯将发光效率提高了近一个数量级， 这两种光源仍旧是目前主要的普通照明光源，白炽灯的发光效率一般在 1 5 1 m w ，而荧光灯在8 5 l m w ，而目前大功率白光l e d 的发光效率都已经接 6 浙江人学博上学位论文第1 章绪论 近甚至超过了荧光灯，到2 0 0 7 年门光l e d 的实验室最高光效l 经达剑了 1 l7 l m w 【2 6 1 ，而目纵观l e d 光效的发展史，是符合莫尔定律的，每十年约增 长10 倍。4 i 过，由于在每流明成本、单灯流明数以及显色性等方面，l e d 还与传统照明光源有些差距，因此其在普通照明领域的应用推广还需要时间。 图1 3 传统光源与l e d 发光效率发展历史1 2 7 l 要实现半导体照明另外一个急需解决的问题是提高l e d 的寿命与可靠 性，如果不能实现高可靠性长寿命的l e d 光源，即使光效再好，高昂的维护 成本必然限制其在各个领域的应用。门炽灯的寿命般是10 0 0 小时，而荧光 灯的平均水平衿：10 0 0 0 小时f 28 1 ，根据美同照明研究中心f l r c ) 的n a r e n d r a n 等人对白光l e d 进行的寿命试验【29 1 ，小功率封装的白光l e d 只有几千个小 t 时的寿命，人功率封装的l e d 比小功率l e d 存呵靠性方面提高很多，可以 达到几万个小时。不过g a n 基的蓝光和白光l e d 从商业化到现在小足15 年， 技术仍在吖i 断完善之中，各生厂商在从外延到芯片到封装技术水、严也相差较 大，同一厂一商生产的不同批次l e d 质量也参差不齐，再加上应川，妞品的设计 以及使用方法的差别，l e d 的寿命完伞刁i 像很多厂商乐观估计的那样能达到 10 万小时。凶此，提高l e d 的可靠性是l e d 研究的重中之重，而对l e d 可 靠性的研究是其前提与基础。 人功率蓝、白光l e d 是实现半导体照明的关键器件，鉴于半导体照明的 重大意义，本课题的研究对象限于大功率g a n 基蓝光及p c 白光l e d 。 1 2l e d 可靠性研究综述 l e d 可靠性研究按其方法大致可以分为两个方向，基于半导体物理学的 失效机理分析，和基于可靠性i _ = 程学的可靠性预测。 浙江大学博上学位论文第l 章绪论 1 2 1 失效机理分析 1 2 1 1 失效分析技术 目前l e d 失效机理分析技术主要有【3 0 】： 1 )伏安特性( i v ) 分析技术 2 )电流光输出( i 巾) 分析技术 3 ) 电致光谱( e l ) 分析技术 4 ) 扫描电境( s e m ) 分析技术，根据成像原理不同又分为：二次电子 成像、背散射电子像、电子束感生电流像( e b i c ) 、阴极荧光( c l ) 5 ) 透射电镜f t e m ) 分析技术 6 ) 深能级瞬态谱( d l t s ) 分析技术 7 ) 光热偏转光谱( p d s ) 分析技术 8 )导纳谱分析技术 9 ) 荧光微热成像( f m i ) 技术 1 0 ) 热诱发电压调变s e e b e c k 效应图像( t i v a s e i ) 3 1 】、扫描光学显微 镜( s o m ) 3 2 1 “)其他 1 2 1 2l e d 失效机理 在半导体激光器及其他材料的l e d 可靠性研究的基础上【3 3 ，3 4 1 ，人们对 g a n 基l e d 的可靠性进行了一些研究，从已取得的成果看，其失效机理主要 有以下几个方面： 1 ) 封装材料退化：用于封装l e d 的聚合物材料其透射率会由于温度 升高产生热退化，由于短波辐射产生光生退化，这是目前l e d 光 衰的主要原因。美国新墨西哥州大学的b a r t o n 与其导师o s i n s k i 用p d s 分析了环氧树脂的短波辐射退化现象，并用实验发现环氧 树脂的褐化温度在15 0 。c 【3 5 羽】，意大利帕多瓦大学的m e n e g h e s s o 等人观察到了大电流条件下封装材料的碳化现象【4 0 1 。 2 ) 荧光粉退化：p c 白光l e d 中的y a g 荧光粉由于热效应以及三价 铈离子的氧化【4 1 1 而发生退化，有关p c 白光l e d 中荧光粉衰退现 象的研究报道不多，l u m i l e d s 公司的m u e l l e r m a t h 认为y a g 荧 光粉非常稳定不容易失效【4 2 1 ，但在本文的实验中出现了荧光粉失 效的例子。 8 浙江大学博士学位论文第l 章绪论 3 ) 金属电迁移：p 型电极金属会沿着缺陷到达p n 结区形成欧姆通路， 造成结区特性退化。b a r t o n 等人通过分析双异质结g a n 基l e d 在大脉冲电流实验后的i v 特性曲线观察到了这一现象，并用 e b i c 、t e m 图像予以证明【4 3 ，4 4 】；k i m 等人则分析了多量子阱g a n 基l e d 的金属电迁移现象【45 1 。 4 1 欧姆接触退化：m e n e g h e s s o 等人对l e d 进行大d c 电流条件老化， 观察到i v 特性的退化，认为这是由于p 型欧姆接触在大电流和高 温下退化，使得串联电阻增加所致f 4 6 。48 1 。 5 ) 能级缺陷增长：g e 半导体技术实验室的c a o 通过分析电老炼后的 l e d 的i 由特性曲线认为，l e d 有源区或限制层产生的点缺陷起到 了非复合辐射中心的作用，从而降低了光输出 4 9 - 5 1 】；香港理工大 学的h o 等人通过d l t s 分析发现老炼后的l e d 深能级陷阱和界 面陷阱密度均明显增加【5 2 】；日本名古屋工业大学的e g a w a 则观察 到了暗点及暗斑作为非辐射复合中心【53 j ；i m e m c n r 研究所的 r o s s i 等人则通过对短期小电流老炼l e d 的分析认为缺陷的传播 与产生形成了非辐射路径【”】；而东芝实验室的s u g i u r a 则从位错 迁移率的角度解释了为什么g a n 基l e d 虽然具有很高的位错密度 却依然能保持相当高的可靠性【5 5 ，5 6 1 。 6 ) p 型掺杂层不稳定性：莫斯科钢铁与冶金学院的m a n y a k h i n 等人 发现l e d 在老炼前期一段时间内光输出增加，而后减少，他认为 这是由于在老炼前期m g h 络合物的分解产生激活的m g ，受主 浓度的增加增强了光输出，而后施主空位n 的形成又降低了受主 浓度；而r o s s i 等人则认为m g h 络合物分解后形成了亚稳态的 m g - - h 2 络合物，从而导致光衰减【5 7 ，5 引。 7 ) 静电：静电会引起p n 结区短路、短路，或在结区形成结构缺陷， 使得漏电流增大【5 9 j 。 8 ) 其他失效机理：由于局部温度过高导致金线与电极开路；由于各 材料之间热膨胀系数之间存在差异，温度的变化造成的应力使得 金线断裂；芯片键合老化；倒装芯片中焊球的脱落等等【6 们。 1 2 2 可靠性预测 l e d 可靠性研究的另一个方向是可靠性工程学中的可靠性预测，对于一 般微电子器件及系统的可靠性预测方法的研究相对来讲已经比较成熟，并已 9 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 形成了一些标准【6 1 。6 3 】，对于l e d 的可靠性预测大多也只是沿用了这些方法 与标准。 1 2 2 1 基本概念 按照i e e es t d14 13 19 9 8 的定义，可靠性是指产品在规定条件下和规定 的时间内完成要求功能的能力。对于l e d 的要求就是能发射出一定量的光， 一般定义光输出量衰减到初始值5 0 或7 0 时的时问为l e d 的寿命。 m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) ：平均失效时间，即一批产品寿命的统计平均值。 失效率是指产品工作到某时刻，在该时刻后单位时间内发生失效的概率， 其单位常用菲特( f i t ，1