GaN基LED外延材料缺陷对其器件可靠性的影响_图文

1、封装、测试与设备Package , T est and Equipment GaN 基L ED 外延材料缺陷对其器件可靠性的影响蔡伟智(厦门三安光电科技有限公司, 福建厦门361009摘要:采用X 光双晶衍射仪分析了G aN G aN 2LE D 芯片, 对分组抽取特定区域芯片封装成的G 2LE ,LE D器件的可靠性。法, 为G aN 2, 达到预测和提高器件可靠性的目的。; ; 回摆曲线; 缺陷; 可靠性:T 14; T N304文献标识码:A 文章编号:10032353X (2009 0320270205Material Defects and R eliability of G a N

2、 2Light Emitting DiodeCai Weizhi(Xiamen San an Optoelectronics Technology Co. , Ltd. , Xiamen 361009, China Abstract :The structural quality of selected G aN 2LE D wafers was analyzed by using double 2crystal X 2ray diffraction , the LE D chips were fabricated , and the LE D devices were packaged fo

3、r reliability tests. The com paris on results show that a close relationship between micro 2defects and device reliability exists , and the reliability im provement is available by reducing the micro 2defect density. The method established from structural quality and optoelectronics parameter mappin

4、g to the reliability provides basis for im provement of LE D , and achieve the target of both forecast and advance reliability.K ey w ords :light emitting diode (LE D ; MOC VD ; rocking curves ; defect ; reliabilityEEACC :2560H ; 0170N0引言G aN LE D 自1995年日本中村先生成功研制以1试验概述试验晶片为采用金属有机化学气相淀积(MOC VD 方法, 在

5、2英寸(50mm 蓝宝石衬底上生长的G aN 基LE D 外延结构122。外延生长完成后, 首先通过高倍金相显微镜检查外延层表面形貌, 再用Bede 2Q2000双晶X 光衍射(DCXRD 仪对选定外延片晶格结构特性进行分析测试。然后采用常规的G aN 2LE D 芯片工艺, 将外延片制成330300m ×m 的LE D 芯片, 其典型的外延材料和芯片结构如图1。采用LE D 2617型光电参数测试仪, 进行芯片光电参数测试。用环氧树脂将管芯封装成蘑菇状5mm 的LE D 单灯器件供可靠性试验。LE D 器件参数采用SPC 24000LE D 光电参数测试仪测量, ES D 试验则采

6、用ETS910静电模拟发生2009年3月来, 近几年其技术以惊人的速度迅猛发展。在可靠性方面, 虽然在上、中、下游研发和生产等各个环节中备受重视, 但是外延材料对器件可靠性和性能的影响研究, 受上游至下游产业学科跨度大的限制, 分析实验难度较高; 与其他半导体器件一样的有些理念虽为业内人士所知晓, 因缺少对应的分析实验和规范的试验方法, 故在G aN 2LE D 方面无明确的对应关系。本文通过试验并分析G aN 2LE D 外延片晶体质量对其LE D 芯片光电参数分布及器件性能的影响, 提出较系统的实验方法, 验证了LE D 外延晶体缺陷对器件可靠性的基础作用, 为外延材料结构与生长工艺的优化

7、和改善提供依据。半导体技术第34卷第3期270蔡伟智:G aN 基LE D 外延材料缺陷对其器件可靠性的影响器考核器件抗静电能力, 而样品电老化试验则在自己研制的恒流老化仪上进行 。图3E 21Fig 132图1G aN 2LE D Fig 11G aN 2LE D epitaxial 衍射主峰半峰宽的差异1。缺陷附近半峰宽明显大于远离缺陷区域和正常晶片, 晶格失配较正常严重, 表明缺陷不只影响观察到如图2所示的1mm 大小区域, 它将导致其附近区域晶格的畸变。表1X RD 测试结果T ab 11X RD test results样品E p121E p122E p2E p32, 选取较为典型的

8、外观作为样片进行跟踪对比分析:外延片样品(E p1 表面存在明显缺陷(图2 , 同时在(E p1 这一炉次中和其他正常炉次中各选取一片表面无明显缺陷样品(E p2和E p3 , 以便跟踪对比分析 。检测区域说明外观缺陷片缺陷附近区域外观缺陷片远离缺陷区域缺陷批外观正常片外观正常批片2/arcsec 28312262162661625513图2外延片样品E p1表面缺陷Fig 12E pitaxial chip sam ple E p1sur face defect212芯片光参数分布图211X 射线双晶衍射(X RD 分析将外延样片按常规的G aN 2LE D 芯片工艺, 同批生产制成330m

9、 ×300m 的芯片管芯, 采用LE D 2617型光电参数测试仪进行光电参数测试, 输对于外延材料质量的评估, 除检查表观特征外, 可用X 射线双晶衍射方法、光致发光谱(P L 、霍尔效应测试等对外延片晶体质量进行检测。其中X 射线双晶衍射方法具有独特的优点, 即可以无损伤、准确、制样简单地进行材料检测, 可精确地确定晶格结构参数, 尤其是晶格应变, 特别适合测量外延晶片的结构特性。因此, 本文选择了缺陷附近和远离缺陷两类区域, 通过测量其双晶回摆曲线, 以了解外延层晶格常数的微小差异、晶格扭曲、微小应变、缺陷附近的应力场情况以及晶片的弹性或范性弯曲等特征3。图3为E p121缺陷

10、附近的回摆曲线。其中主峰为G aN 外延层的(0002 衍射峰, 其左右两侧InG aN 多量子阱的衍射峰依然清晰, 可见双晶回摆曲线是缺陷附近晶格结构参数的整体效果 。March 2009出相应参数分布图。其中E p2、E p3对应的电致发光(E L 分布未见异常, 而样片E p1的(E L 分布如图4所示。从图4(a 清晰显示, 发光强度随离开样片中心区域而减弱, 多数不发光区域位于样片边沿; 最为显著的不发光区域与样片制成管芯前缺陷区域一致, 如图中所标, 不发光区域尺度明显大于外延层缺陷的表观尺度, 可见外延片中的缺陷将直接导致周边区域管芯的失效。而其他区域管芯波长分布较均匀, 如图4

11、(b 所示。由于发光波长取决于外延层中多量子阱宽度和势垒的高度, 管芯波长分布的均匀性反应了外延工艺过程的精确性。综合上述两方面的结果, 可以认为, 外延层的缺陷起始于衬底, 如果外延过程未能得到抑制, 它造成缺陷及附近外延层所制成的LE D 芯片丧失发Semiconductor Technology Vol. 34No. 3271蔡伟智:G aN 基LE D 外延材料缺陷对其器件可靠性的影响光特性; 此外区域虽然失配严重, 但芯片光电参数未见异常 。E p122外观缺陷片远离缺陷区域的上下左右四个区域; 样品组C p2和C p3分别抽自E p2和E p3的上下左右四个区域。同时封装成器件后,

12、 进行可靠性试验, 其中一组进行抗静电能力试验, 两组做电老化加速寿命试验。311(ES pn 图4E p1对应的Fig 14E p1D L 3按照设定的试验分析比较方案, 分别从三片对应外延片中抽取合格芯片样品, 进行可靠性分析试验。芯片样品组C p121抽自E p121外观缺陷片缺陷附近区域的参数正常芯片; 样品组C p122分别抽自。采用晶体管图示, ETS910静电模拟发生器对待测样品进行放电, 条件为标准人体模型, 正反向连续放电3次, 间隙为1s , 测试结果(表2 表明, 当静电电压较低时, 所有样品的抗静电能力未见差别, 但随着电压的上升, 差别明显加大。取自E p121外观缺

13、陷片缺陷附近区域的样品C p121组的抗静电能力最差, 而其他三组差别不明显。表2E SD 测试结果T ab 12E SD test results样品组C p121C p122C p2C p3ES D 通过率/%100VE p121外观缺陷片缺陷附近区域E p122外观缺陷片远离缺陷区域E p2缺陷批外观正常片E p3外观正常批片20804040100100100100500V 6591138592151000V 60858215902000V 6073187715854000V 2566137580芯片取样说明数量在外延材料结构中, InG aN 有源层的势阱、势垒的宽度窄, 器件ES D

14、 失效机理相对复杂5, 试验结果统计显示, 晶体质量较差、失配严重所对应的器件被静电击穿而失效的概率较其他器件要大得多。可见当器件受到静电冲击时, 外延结构晶体中的缺陷及其附近晶格畸变严重和位错密度高的薄弱位置将容易被击穿。312电老化试验6温度60, 时间96h , 其试验结果见表3; 采用高恒定电流应力加速老化试验, 试验条件为正向电流30mA , 环境温度25, 时间1008h , 结果见表4。光通量退化曲线如图5所示。表3高恒定热电应力寿命试验结果T ab 13H igh invariableness thermoelectricity stress life test results

15、 样品组C p121C p122C p2C p3发光二极管的退化主要包括管芯和环氧树脂等缓慢退化。在本文的试验中, 环氧树脂退化的影响将尽可能降低。由于G aN 基LE D 可靠性水平的不断提高, 其超长的工作寿命, 已不可能通过正常应力条件下的寿命试验来验证, 故采用两种加速条件进行老化试验:采用高温恒流的高恒定热电应力加速老化试验, 试验条件为正向电流40mA , 环境半导体技术第34卷第3期272数量试验前/m lm1616161675315764167151572511光通量退化试验后/m lm58016677106441464717退化剩余/%77112881549010389155

16、2009年3月蔡伟智:G aN 基LE D 外延材料缺陷对其器件可靠性的影响表4高恒定电应力寿命试验结果T ab 14H igh invariableness electricity stress life test results 样品组C p121C p1 22C p2C p3芯片图形、器件结构决定的静电电荷分布有关。所有样品的芯片图形和器件结构是相同的, 则其抗静电能力的差别主要由外延材料质量所决定。外延结1008h 611686815469177731数量16161616100100100100光通量退化剩余/%(归一化试验前96h 921599514897137101113360h

17、75158791458318685187528h 70186751307818880183构晶体中的缺陷及其附近晶体畸变(XRD 严重和, 导致器件直接失效。当, 器件的两极、, 导致器件失, 发生无辐射复合, 造成器件没有光输出。C p121样品晶格质量差、失配严重, 故抗静电能力最差。在老化试验中, 材料缺陷从两方面造成器件出光的下降:一方面是有源区内缺陷和位错的繁殖增生, 以及有源区外面缺陷和位错的移动8, 本来异质外延方法就存在较大晶格失配和热失配, 外延生长的G aN 薄膜中的失配位错大量存在, 这些缺陷图51000h 寿命曲线Fig 151000h life curve起非辐射复合

18、中心和载流子隧穿通道的作用, 造成了器件的光衰减; 另一方面, 对于蓝宝石绝缘衬底上的G aN 基LE D , 芯片p 型电极和n 型电极只能在外延表面的同一侧, 这种特殊的器件结构使得靠近n 型电极处电流密度很大, 所以在正常工作条件下试验结果表明, 四组样品光输出退化趋势基本相似, 体现样品器件的电老化总体综合情况, 其之间的差异是由芯片造成的。无论是高温恒流加速老化或者是高恒定电流老化试验, 取自E p121外观缺陷片缺陷附近区域的样品C p121组的光衰都最大, 因所有样品的封装条件一样, 故器件光输出退化速率的差别应为管芯所造成。由于缺陷对载流子具有较强的俘获作用, 在有源层中形成无

19、辐射复合中心, 使光效降低, 而注入载流子的无辐射复合又使能量转化为晶格振动, 导致缺陷和位错等造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多, 使得器件内量子效率下降速率加快7。313试验结果分析也存在金属电迁移的可能性。可以推知, 材料缺陷密度越大, 电流拥挤越严重, 缺陷附近电流密度大, 将加剧位错、无辐射中心等缺陷的移动和增生, 使这种失效模式发生的概率越大9。随着老化时间的增加, 缺陷和位错的繁殖增生和移动, 使得LE D 寿命逐渐衰减。因此, 外延层质量较差、失配度较大的C p121样品的衰减速率最大。4结语本文充分利用半导体照明产业链中LE D 外延、芯片和封装应用等环节, 从外延典型缺陷

20、分析入手, 建立了从G aN 2LE D 外延片晶体结构质量、芯片光电参数分布到器件可靠性的分析实验方法。正如业内人士所知, 存在一定晶格失配的G aN 外延片, 对制成LE D 芯片器件的参数影响并不明显。实验结果表明, 失配程度的大小是影响器件抗静电能力和使用寿命下降的主要原因。总之, 提高外延晶格质量和降低材料缺陷, 是生产出高性能及高可Semiconductor Technology Vol. 34No. 3273双晶X 光衍射仪(DCXRD 测量外延材料双晶回摆曲线结果, 说明样品E p1外观缺陷片缺陷附近区域的晶体质量最差; 制成芯片后的光参数分布图也同样体现该区域材料缺陷密度最大

21、。从试验结果可明显看出, 缺陷附近区域材料制成的LE D 器件C p121样品不但抗静电能力差, 且在加速老化试验中光衰减也最大, 总体可靠性明显不如正常芯片。LE D 器件抗静电能力除外延材料质量外, 还与March 2009蔡伟智:G aN 基LE D 外延材料缺陷对其器件可靠性的影响靠性LE D 器件的前提, 否则通过其他途径是难以弥补的。明确了LE D 外延材料晶体质量对器件可靠性的影响, 通过对外延材料的质量控制, 以期减少材料缺陷密度, 提高外延层晶体质量和有效提高LE D 器件的可靠性。for general lighting :definitionof lifeM.ASSIST

22、 ,2005. 7J I ANG Y, LOU Y, X UE X L , et al. Dislocation generationmechanism analysis of G aN grown on patterned sapphire substrate J.Journal of Optoelectronic Laser ,2008,19(4 :4782481.8AI W W , G UO X ,LI U B , et al. and progress inG aN 2T echnology , (2A power and reliable operation ofdiodes on

23、bulk G aNJ.AP L ,2004,85(18 :397123973.(收稿日期:2008212216 参考文献:1G RAND J E AN J , M ASSIES Y, M ARTI NEZ P V , et al. G aNepitaxial growth on sapphire (0001 the role of the nitridatinJ.JCryst G rowth 2LAI W C ,CH S LE DsJ.T ,13(6 :5592561. 3M AI Z H C UI F. Theoretical calculation of therocking curve

24、for X 2ray double crystal diffraction J .Acta Physica S inica ,1990(5 :7822787.4G JB548A 296, 微电子器件试验方法和程序S.5K ANGJ Y,OG AW A T. M is fit dislocations and stresses in G aNepilayersJ.AP L ,1997,71(16 :230422306.6LIG HTI NG RESE ARCH CETER TECH NIC A L ST AFF. LE D life作者简介:, 男, 半导体物理专业, 现蔡伟智(1960任厦门市

25、三安光电科技有限公司副总工、高级工程师, 主要从事LE D 及相关产品的研发、可靠性工程和品质管理。(上接第261页 5ZH U L R ,FE NGQ Y. Design of PW M controller for m onolithicboost converter CThe 7th Int C on f on ASIC. G uilin ,China , 2007:6602663.6T ANG Y, FE NG Q Y. A high per formance Bicm os currentsensing circuit C8th Int C on f on S olid 2S tate and Integrated Circuit T echnology. Shanghai ,China ,2006:206722069.(收稿日期:2008210215 3结语在电流控制模式的DC 2DC 系统中, 电流环路中的电流检测模块的噪声会给系统带来较大的影响, 如何让电流环路中各个模块减小电流