白光LED老化机理研究进展

1、国外电子元器件年第期年月应用与设计引言目前的白光技术在发光强度、发光效率、寿命等方面都得到了巨大提高，并迅速商业化，在图像显示、信号指示和照明领域得到了广泛的应用，成为当今半导体技术的发展热点。白光照明被公认为是第三代照明光源，具有广阔的应用前景和巨大的经济效益。为保障白光的广泛应用，需要提高其可靠性。国内外对白光的老化机理进行了一系列研究，取得了一定的成果。本文介绍了国内外在研究老化机理时采用的加速老化方法，主要包括电流应力加速方法和温度应力加速方法。对于白光老化机理的研究表明，影响白光老化失效的原因主要分为深能级和非复合辐射中心的产生、接触电极金属的电迁移、散热不良导致的缓慢或灾变性失效、

2、封装材料的老化、荧光粉的劣变、静电等。本文总结了这几方面的主要研究成果，并介绍了针对这些方面提出的改善措施。研究方法随着生产技术水平的提高，其理论寿命已达到万小时，而常规应力下的寿命试验很难对它的寿命和可靠性及时地做出客观的评价，因此研究时通常采用加速寿命实验方法。加速实验是在加大应力情况下加快内部物理化学的变化，能够在较短时间内暴露出器件结构设计和材料的缺陷，为结构设计和材料选择提供依据和参考。由于是功率型器件，受电流和温度影响较大，因此采用加大工作电流应力和环境温度应力的方法。常用的加速寿命实验分为恒定应力加速实验白光老化机理研究进展陈宇彬，李炳乾，范广涵（华南师范大学光电学院，广东广州；

3、佛山科学技术学院物理系，广东佛山）摘要：介绍了国内外在老化机理研究方面采用的加速老化方法，主要从深能级和非辐射复合中心的增加、接触电极金属的电迁移和退化、散热不良导致的电极缓慢或灾变性失效、封装材料的老化、荧光粉的劣变、静电的影响等方面来分析老化机理。同时介绍了根据这些研究而采取的各种改善措施。关键词：白光；老化；失效中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；基金项目：广东省自然科学基金项目（）；佛山市科技发展专项资金项目（）和步进应力加速实验。恒定应力寿命实验的实验方法是将样品在分别选定的大应力下进行实验，方法简单易行，数据外推的准确性好，但是实验周期较长。步进应力加速实验的

4、实验方法则是将某个应力水平按时间间隔逐步提高，直到大量器件失效为止，实验结果准确性较差，但实验时间较短。国内外众多科研机构利用这些实验方法老化，并采用光谱波长分析系统、电流电压测试仪器、等仪器观察白光在老化过程中光电参数和芯片形貌的变化，并以此为依据对老化机理进行了多方面的深入研究。失效机理分析及改善措施芯片材料缺陷引起器件光输出的衰减国内外学者研究了芯片结构和材料，认为芯片中的深能级缺陷和非辐射复合中心的增加对的老化具有重要的影响。等在电流加速寿命试验中采用技术，发现在退化前后距导带处的深能级缺陷密度从上升到，异质结分界面因晶格失配产生的缺陷密度增加。这些缺陷被认为是老化过程中由化合物分解形

5、成的和化合物。等对化合物在老化中的作用进行了详细解释，认为是以为主的不稳定化合物分解成浅层受主，构成了新的能级，使发光效率降低，并提出造成芯片失效的缺陷包括线位错和点位错以及纯退火产生的缺陷。等分析了基在电流加速寿命试验中光电参数的变化及空间电荷层离化受主的分布，解释了发光强度在老化过程中的变化原因，认为在老化过程中的第一阶段，以有源层中的化合物受热电子迁移影响分解形成为主，使型层的离化受主浓度增加，复合几率增大从而增强了发光强度；在第二阶段，施主缺陷空位形成增多，而浓度较低制约受主浓度的增加，从而使非辐射复合中心增加，降低了发光强度。郑代顺等认为这些深能级缺陷由于对载流子有较强俘获作用而降低

6、了器件的发光效率，而注入载流子的非辐射复合造成的晶格振动又导致了缺陷的运动和增加，从而使发光效率在老化过程中持续降低。等用显微镜观察了未老化样品和在直流下老化小时后的芯片形貌，发现了老化后产生的缺陷（见图中的黑圈区域），认为老化后光通量的减少主要是由于老化造成的非辐射复合中心的增加。根据研究结果，科学家致力于改善芯片的衬底材料和外延制作工艺，减少缺陷和位错。采用失配度更小的衬底材料能减少生长带来的缺陷，有效改善芯片质量。目前普遍采用失配度较小的衬底，取得了不错的效果。干法刻蚀工艺对可靠性有很大影响，刻蚀对芯片上侧壁的损伤会产生缺陷，使器件反向漏电流增加，降低发光效率和可靠性，常采用退火处理、化

7、学溶剂处理和等离子体钝化处理的方法来减少损伤。薛松等的试验证明，经过等离子体钝化处理后的的反向漏电流明显减少。基白光相比基工作电压更低，发光波长更集中，因此具有更高的发光效率，但是寿命太短，制约了实际应用。微观的点缺陷被认为是导致基白光快速老化的主要原因。这些缺陷主要是存在于型层的覆层中的能级（）。等通过试验发现能级的浓度对寿命有重要影响，认为能级在电应力作用下非常活泼，不断扩散和增长，最终形成可见的黑色缺陷，导致失效。等通过在芯片引入双层结构来取代常规的单层结构，极大地改善了基白光的寿命。型欧姆接触的金属电迁移和退化研究表明在老化过程中，大电流下型欧姆接触的金属会沿着缺陷通道电迁移到达结区造

8、成短路，从而导致了器件失效。这些缺陷通常是在用技术外延生长薄膜时，由于衬底材料失配度过大而形成的，以线位错为主。在电应力和图观察未老化样品与老化后 的芯片形貌白光老化机理研究进展国外电子元器件年第期年月热应力作用下接触金属沿位错线迁移到达结区，形成低阻抗的欧姆通道，增加晶格缺陷，造成结特性退化，光功率下降，主要表现为漏电流增加。 目前大部分生长在不导电的蓝宝石衬底上，采用型和型电极制作在芯片同一侧外延层的侧面结构，靠近型电极的电流密度非常大，导致在正常工作情况的小电流下也会发生接触金属电迁移。材料的缺陷密度和电流密度与发生电迁移的可能性成正比。对比了老化前后的电压随电流变化特性可发现老化后器件

9、的寄生串联电阻增加，在相同的正向电压下正向电流减小。欧姆接触和型层的表面在热应力和电应力作用下退化，缺陷增多，会导致寄生串联电阻增加，使通过发光区的电流密度减小，光通量降低。因此，人们在满足发光要求的情况下改变电极的厚度和几何尺寸，设计了多种新型的电极，使电流分布更均匀。等考虑了增大电流密度的同时减小正负电极间有效距离的情况，通过计算设计了优化的型电极的几何形状，使电流扩展更加均匀，发热量更低，通过试验比较可看到其可靠性得到了很大提高。而用激光剥离技术生产的垂直结构氮化镓基可以大幅度改善电流均匀扩展问题。采用从背面出光的大芯片倒装结构，不仅没有不透明电极的阻挡，还可以淀积较厚欧姆接触层，有利于

10、注入电流的测向扩展，提高发光效率。散热不良导致电极缓慢或灾变性失效电极引线一般具有较强的承受电流冲击和震动能力，但是由于环氧树脂、电极引线与芯片材料的热膨胀系数有差异，在高温下产生的不同形变会导致引线断裂，造成灾变性失效。因此采用热系数接近的材料是有效提高使用寿命的方法。在封装过程中，材料不均匀或焊接质量不好都会造成电极通电不均，导致局部过热和接触断裂，加速器件失效。而芯片通电产生的高温会造成的发光效率急剧降低，电极损坏，环氧树脂老化加快。因此改善散热能力是目前提高可靠性最关键的问题。和等在制作基白光时，用激光剥离掉散热性不好的蓝宝石衬底，而用散热性更好的衬底代替，散热性能得到了改善，电退火作

11、用也改善了材料质量，从而提高光通量，明显增强了可靠性，如图所示。硅衬底虽然失配度较大，但具有低成本、大面积、高质量、导电导热性能好等优点，普遍认为使用片作薄膜衬底有可能实现光电子和微电子的集成，因此基的研究受到了广泛关注。封装材料热退化造成失效温度升高及蓝光和紫外线照射会使环氧树脂的透明度严重下降。等研究发现左右环氧树脂的透明度降低，光输出减弱，在范围内还会引起树脂严重退化，对寿命有重要的影响。在大电流情况下，封装材料甚至会碳化，在器件表面形成导电通道，使器件失效。目前已推出了一种新型封装材料硅树脂。这种材料抗热和抗紫外线能力更强，不会产生采用环氧材料导致的感光层变黄和分层问题，并且具有良好的

12、机械特性，发光效率更高，使用寿命更长。荧光粉的退化造成失效结高温会造成光谱波长的红移，而荧光粉在热效应下也会产生退化，从而导致荧光粉的受激发光光谱区跟芯片的发光光谱区不匹配，荧光粉吸收光而不发光的部分增加，荧光粉激发的光减少，从而导致失效。荧光粉的不透明性会造成光的大量散射，还会对光产生阻隔作用。现在采用的新技术可以制备实心球形荧光粉。首先，球形荧光粉具有更高的堆积密度，不仅可以减少光的散射，获得较高的发光效率，还能显著降低荧光胶体的厚度，提高的亮度；其次，球形荧光粉具有最小的受逆面积，使不规则发光层最小化，因此具有较长的使用寿命。静电导致器件灾变性失效由于大功率白光芯片内部串联电阻较低，在无

13、静电防护情况下，人体等产生的静电通过放电，会导致局部击穿。特别是在生产过程图衬底与蓝宝石衬底的光输出随时间变化曲线中，灯需要经过多次的检测和运送，在这一过程中容易产生静电损坏。因此在生产过程、驱动电路和芯片中增加静电保护措施有利于提高大功率的使用寿命。公司和丰田公司在其所生产的倒装型的芯片结构中加入二极管，从而基本上消除了静电的影响，如图所示。结束语国内外研究者进行了众多的白光加速寿命试验，观察白光在老化过程中光电参数和芯片形貌的变化，认为芯片材料中的缺陷引起器件光输出的衰减、型欧姆接触的金属电迁移和退化、电极不良导致器件灾变性失效、封装材料热退化造成失效、静电导致器件灾变性失效等是造成白光老

14、化和失效的主要原因，并根据研究结果对白光的设计、材料、制作工艺进行有针对性的改进，在提高白光可靠性方面取得较好的成果。参考文献：，（）：，：，（）：，（）：，（），（）：，（）：，（），（）：，（），（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，图系列大功率 的封装截面图白光老化机理研究进展国外电子元器件年第期年月：，：刘洁，孙家跃与匹配的白光发射荧光体的研究进展化学通报，（）：戚发金，朱宪忠，王苏，等气相法制备优质白光用荧光粉中国照明电器，（）：作者简介：陈宇彬（），男，广东梅州人，主要从事半导体光电器件研究，参与了广州市产业基地建设项目。收稿日期：咨询编号：引言众所周知，在复杂背景条件下，要对弱小目标进行准确有效地红外跟踪、探测是一个难题。这种情况下，由于目标与背景的对比度较小、信噪比较低，若直接进行跟踪、探测往往比较困难，所以必须应用与设计基于的改进中值滤波器的设计及实现石婷，张红雨，黄自立（电子科技大学电子工程学院，四川成都；