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GaN基发光二极管寿命测试及失效分析

摘 要: 将来自相同外延片和相同制作工艺的30只GaN基绿色发光二极管管芯分成3组,分别加30、40和60mA电流进行不同时间的老化试验。在老化之前和老化期间测量了器件的光输出功率和I-V特性。将测得的光输出功率数据对时间进行指数函数拟合,得到了每一组器件的退化率及寿命,并推出器件在正常使用条件下的寿命。实验数据分析表明在电流应力作用下,GaN基绿色发光二极管的正向电压随着老化时间的增加单调上升,同时光功率下降。在60mA下老化的管芯的串联电阻退化严重。对失效器件进行了失效机理分析。

关键词: 发光二极管;电压降;退化;寿命测试;失效

1  引言

GaN基发光二极管在平板显示及固体光源等领域得到了越来越广泛的应用。来自LawrenceBerkeleyNationalLaboratory(LBNL)的最新研究结果表明,利用MBE生长的InN的禁带宽度为0.7eV,而不是以前所认为的2.0eV。故此,化合物InGaN的禁带宽度从0.7eV到3.4eV,其光谱非常接近于太阳光谱。通过控制InGaN化合物中的In组分可以获得蓝光波段、绿光波段等不同波段的可见光。GaN外延片生长中的一个难题是GaN材料缺乏与其晶格常数和热膨胀系数匹配的衬底,晶格失配所造成的线性缺陷,会沿缓冲层向外延层延伸。目前商用的GaN基发光二极管外延生长所采用的衬底主要有蓝宝石和SiC。SiC在晶格常数匹配上比较占优势,但制作费用偏高,蓝宝石是大多数厂家采用的衬底,但是存在较高密度的缺陷。D.L.Barton等人曾在其可靠性研究报告中指出,尽管GaN基器件本身有高密度缺陷,但是却有着相当长的寿命。早期的可靠性研究认为,封装材料的退化是器件退化的主要因素。但随着封装工艺的进步,人们逐渐开始研究器件本身的退化机理。

GaN基发光二极管有相当长的寿命,日亚公司报道其蓝色发光管的正常使用寿命是100000h。在如此长的使用寿命基础上研究退化是不可行的。通常在不改变内部退化机理的条件下采用加速应力的办法来加速其内部各种退化机制的产生。加速应力一般包括热应力和电流应力。本文在对器件施 加加速电应力下,在不同的时间观察其光输出功率的变化及正向电压的改变,电应力选择了正常工作电流(20mA)的1.5倍、2倍和3倍。对所得数据按照适当的模型进行拟合,计算每组器件的光输出功率的衰减率,并推算器件在正常工作条件下的半衰期。为了研究器件的退化,在不同的老化阶段测量了器件的I-V曲线,并分析了其反向漏电和低正向漏电的变化,在I-V曲线的高正向偏压下,研究串联电阻随着老化时间的增加而变化的情况。

2  试验及数据分析 


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本试验所采用的外延片是以蓝宝石为衬底的GaN/InGaN/GaN结构,器件采用典型的正装结构。为了不用考虑塑封材料的退化对出光性能的影响,试验中把来自同一个外延片、相同工艺的管芯裸封在金属管座上。取其中30只并分成3组加不同的电流应力(30mA,40mA,60mA)在室温下进行不同周期的加速寿命试验。各组器件试验的详细信息见表1。表1中的器件的寿命是指在该电流下光输出功率下降到初始光输出功率的50%所经历的加速老化时间。在实验中,由于光输出功率是器件的退化参数,我们按照一定的时间间隔对被老化的器件测量其变化情况。-5V下的反向漏电流也作为重要的参数加以研究。同时,观察了器件老化过程中电流2电压(I-V)特性,尤其是串联电阻的变化情况。在本试验中器件的光学特性由20mA固定电流的电致发光谱测得,光谱测量范围380~800nm;I-V特性是在电压为-5V~+5V之间以0.1V的间隔进行扫描得到的。

以初始光输出功率和正向电压为参考,对每次测量的数据进行归一化处理,每一组实验数据其相对光输出功率是时间的指数函数,可表示为:

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式中,L0为归一化初始光功率,A是光输出功率的衰减率。

图1示出了3组器件的归一化光输出功率对时间拟合后的曲线。从图1中可以看到,器件在不同的电流下,其光输出功率按照各自的衰减率递减。


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表1中的器件的寿命由图1得到。器件寿命与电流的关系可由公式(2)表达。式中t0和t2分别 是器件工作在电流为I0和I2(室温)条件下的寿命。n是经验常数,为焦尔热的函数。在低电流工作、忽略焦耳热的情况下,n值大约为2。

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根据前面所得的器件在不同电流下的寿命我们可以推导出n值为1.85,3.23,4.21,在大电流工作条件下,焦耳热的存在使得n值偏高。我们取n=1.85。可以推出在正常使用条件(室温,20mA)下的器件的寿命为32015h。图 2是3组器件在不同的老化电流下的正向电压的变化曲线。从图2我们可以看出,这3组器件的正向电压都随着时间的增加而增加,尤其是60mA下正向增长迅速。


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图3是在60mA电流下老化的器件的I-V特性曲线随时间的变化情况。由I-V特性曲线的高正向电压区近似得到器件的串联电阻。串联电阻(Rs)产生于有源区和欧姆接触层之间,当器件加正向电压后,Rs上会有电压降,使得加在p-n结两端的电压低于加在器件的p电极和n电极两端的电压。


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在老化过程中,Rs会随着老化时间的增加而增加。图4示出了每组器件Rs(统计平均值)在老化期间的退化(增长)曲线。从图4可以看出,器件未老化前,3组器件的串联电阻分布在20~25Ω之间,随着老化时间的增加,各组器件的串联电阻都在上升,尤其60mA老化器件的上升的幅度剧烈,在不到400h时串联电阻已由22Ω经上升到100Ω;40mA老化器件的上升缓和,在1600h串联电阻由23Ω上升到32Ω;30mA老化器件的上升幅度最小,在老化3270h后,串联电阻由18Ω上升到19Ω。对比图4和图2,我们可以看到,老化器件的正向电压和串联电阻Rs增长曲线极其相似,说明在老化过程中器件的串联电阻的增加是器件电学特性下降的主要原因。引起串联电阻的增加有许多因素,例如引线键合的退化、欧姆接触的退化、Mg掺杂剂的钝化或者半导体缺陷等等。由于60mA是正常工作电流的3倍,器件在此条件下老化时所产生的焦尔热比较多,加速了各种引起串联电阻增加的因素的反应速度,故此,60mA下的器件的电学参数和光学参数下降的比较快,这是加速寿命试验的前提。


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图3中由反向电压区至正向低偏压区的曲线的变化情况反映出漏电流随着老化时间的增加而增加。图5是在30mA电流老化条件下的器件的-5V下的反向漏电流的变化曲线。从图5可以看出,随着老化时间的增加,反向漏电流总体呈上升趋势,但最后稳定在10-5 A数量级。反向漏电流的增加 可能是因为器件的/自身发热0提高了结区退化的速 度或者是产生了通向结区的另一条电流通路,这条通路可能是由于器件本身的台式结构的侧壁上的表面漏电引起的,或者是由于金属电极的向内扩散引起的,尤其是金属电极沿着缺陷的电极扩散。文献研究结果表明线性位错(TD)引起的电流通路是室温下漏电流的主要来源。漏电流的增加,将会使驱动器件发光的电压增加,使得在相同电流下的光输出功率下降。

3 器件失效分析

器件失效包括灾变性失效和参数失效。灾变性失效主要是指由于某种原因引起的器件电路的开路和短路而导致器件不发光。参数失效是指随着时间的增加,由内部或外部因素引起的器件的重要参数的退化。对该试验过程中的失效器件进行分析,总结出以下几种引起器件失效的机理。

(1)封装工艺引起的器件早期失效。这种失效主要是由于金属引线翘离电极焊点或金属丝断裂而造成电路开路。这种失效属于灾变性失效。

(2)热过载。在两个电极处,金属材料与器件体材料的热膨胀系数不同。加电工作后器件会自身发热,自身发热会引起两种故障的产生:a.金丝熔断而造成器件开路。在加电时,如果瞬间电流很大,其自身发热的热量达到足以熔断金丝的时候,金属丝会从焊点位置脱落;b.周期性的自身发热使得两种材料产生缝隙,长时间工作会导致器件串联电阻升高,进而使得该处的温度升高,加剧串联电阻的恶化(如图4所示),形成恶性循环,引起器件的光输出功率的永久性衰减。另外对于裸装管芯,由于其暴露于空气中,器件与空气中的氧气、水蒸汽和金属接触的机会增加,有可能导致金属的氧化等反应,更加剧了串联电阻的升高。这种情况引起的失效属于参数失效。


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(3)缺陷的存在使得漏电流增加甚至在结区形成欧姆通道,使器件短路。图6是60mA下老化的器件中的一只在老化510h后的I-V曲线。从图6中看出在结区出现了欧姆通道,相应地器件的光输出功率为零。在衬底与GaN的接触面上由于两种材料的晶格常数不匹配(+16%),热膨胀系数不匹配(-3.5%),出现高密度位错和线性位错,在老化过程中,线性位错会沿体材料向结区延伸, 同时作为电极用的金属会沿缺陷由电极向结区扩散,严重地引起欧姆通道。另外TD会形成非辐射复合中心,降低出光效率。

4 结论

本工作对GaN基绿色发光管进行了加速电应力试验,得到了光输出功率对时间的指数函数拟合曲线、各个电流应力下的退化率,得到了正常使用条件下的器件的寿命约为32015h。对参数的下降原因进行了分析,得到了串联电阻随时间的增加,引起器件正向电压的升高,导致器件光输出功率下降。另外漏电流随老化时间的增加也是器件参数下降的原因。对试验中失效的器件进行了分析,得出相应几个失效机理:(1)工艺缺陷导致器件早期灾变性失效;(2)热过载使得器件的金属丝从焊点脱落,引起器件的参数的永久性下降;(3)由于缺陷引起的欧姆通道使得器件在老化过程中结特性退化,引起器件失效。








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