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 芯片为基础光源制备了大功率蓝光L ED ,并通过荧光粉转换
的方法制备了白光L ED。对大功率蓝光和白光L ED 进行了寿命试验,并对其失效机理进行了分
析。结果表明,大功率L ED 的光输出随时间的衰减呈指数规律,缺陷的生长和无辐射复合中心的
形成,荧光粉量子效率的降低,静电的冲击,电极性能不稳定,以及封装体中各成分之间热膨胀系数
失配引起的机械应力都可能导致大功率L ED 的失效。
关键词: 　大功率; 蓝光L ED ; 白光L ED ; 寿命试验; 失效机理
中图分类号: TN312. 8 　文献标识码: A 　文章编号: 1001 - 5868 (2005) 02 - 0087 - 05
Life Test and Failure Mechanism Analyses for High2power LED
ZHEN G Dai2shun1 , QIAN Ke2yuan1 , LUO Yi1 ,2
( 1. Laboratory on Semiconductor Lighting , Graduate School at Shenzhen ,Tsinghua University ,Shenzhen 518055 ,CHN;
2. State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics ,College of Electronic Engineering ,Tsinghua University,Beijing 100084 ,CHN)
Abstract : 　High2power blue light2emitting diodes were fabricated with t he blue L ED chip s as
primary light source ,and high2power white L EDs were fabricated by p hosp hor conver sion. Life of
high2power blue and white L EDs was measured , and the 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 growth of
defect s and formation of nonradiative recombination center s , quantum efficiency reduction of
p hosp hor , t he dest roy of static elect ricity , breakage of metallization layer and solder instability
for flip2chip , and mechanical st ress wit hin t he L ED package caused by the variations in ambient
temperat ure and self2heating ,and so on ,will result in the failure for high2power L EDs.
Key words : 　high2power ; blue L ED ; white L ED ; life test ; failure mechanism
1 　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1 lm/ 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1 cd[1 ] 。20
世纪90 年代初对于InGaAlP 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[2～4 ] 。90 年代中
期,Nakamura 等[5 ,6 ] 采用MOCVD 方法成功地制备
出高亮度InGaN/ Al GaN 双异质结蓝光L ED 和
InGaN 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[ 7～11 ] 。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
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《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
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。
2 　实验
采用荧光粉转换实现白光的方法,以峰值波长
为450～470 nm 的GaN 基L ED 发射的蓝光为基础
光源,其中一部分蓝光透过荧光粉发射出来,另一部
分激发荧光粉,使荧光粉发出峰值为560～580 nm
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。
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。最后采用防静电保护措施对
大功率L ED 的寿命试验进行了改进。表1 给出了
大功率L ED 的寿命试验条件。
大功率L ED 的电学和光学特性测试是通过
L ED 专用测试系统———PMS - 50 紫外2可见2近红
外光谱分析系统进行的,该分析系统的光度测试准
确度为一级,色温误差为±0. 3 %。
表1 　大功率LED 寿命试验条件及预期平均寿命
样品编组L ED 类别样品数驱动电流/ mA 老化测试铝基板温度/ ℃ 衰减系数平均寿命/ h
1 白光6 350 48 ±2 1. 2 ×10 - 3 578
2 白光6 350 48 ±2 5. 0 ×10 - 4 1386
3
白光12 350 48 ±2 2. 0 ×10 - 4 3366
蓝光10 350 48 ±2 1. 1 ×10 - 4 6301
4
白光4 350 48 ±2 2. 5 ×10 - 5 27726
蓝光3 350 48 ±2 2. 2 ×10 - 5 31506
5 蓝光9 350 48 ±2 7. 7 ×10 - 5 9001
3 　结果与讨论
3. 1 　大功率LED 的光输出衰减特性
图1 和图2 分别给出了大功率白光和蓝光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1 　大功率白光L ED 相对光通量Φr 随时间的变化
　
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
为如下的指数形式[12 ] :
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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800 h 的老化时间,其
光通量衰减了约62 %。但在第1 组白光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 材料本身的
退化引起的。第4 组大功率白光L ED 的光输出保
持特性相对较好,经过近2 500 h ,其光通量衰减约
6 %。
与同批次白光L ED 试样相比,蓝光L ED 的光
输出随时间的衰减速率相对较慢。在L ED 芯片制
备工艺条件相同的情况下,排除荧光粉的影响之后,
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 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 、1 386 、3 366 和
27 726 h ,而三组大功率蓝光L ED 试样的预期平均
寿命分别为6 301 、31 506 和9 001 h 。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LED 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. 1 　L 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
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,缺陷的生长尤其是暗
线缺陷的生长导致了L ED 光输出的急剧衰减。
3. 2. 2 　电极引线断裂导致器件灾变性失效
在第2 组大功率白光L ED 的老化过程中,发生
了两例灾变性失效。经过仔细观察和分析,发现器
件的失效是由于电极引线的断裂引起的。除去封装
透镜和荧光粉并重新超声焊接电极引线,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350 mA 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300 m/ s2 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。
　图3 　大功率L ED 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800 mA 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. 5 A 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
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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,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。
　
　
图4 　漏电流增大前后大功率L ED 的I2V 特性及光输出随
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
6 000～35 000 V ,即使在相对湿度为65 %～90 %的
环境中,最低静电也可达到100 V ,远远高于大功率
L ED 的正常工作电压3～4 V[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。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 ,
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,并伴随着光输出。
表2 　人体动作引起的静电电压
人体动作
产生的静电电压/ V
相对湿度相对湿度
10 %～20 % 65 %～90 %
人在合成地毯上行走35 000 1 500
人在塑料地板上行走12 000 250～750
在地毯上滑动塑料盒18 000 15 000
在塑料泡沫椅垫上坐一下18 000 15 000
坐在椅子上工作6 000 100
从印制板上撕下胶带12 000 1 500
拿起塑料袋7 000 600
启动吸锡器8 000 1 000
用橡皮擦印制电路板12 000 1 000
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,甚至个别L ED 的漏电流超过了100 mA。
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
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LED 的漏电流的影响
有无静电保护措施L ED 器件漏电流/ mA
无静电保护措施
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. 0 ,7. 3 ,
2. 6 ,10. 0 ,2. 1 ,42. 0
有静电保护措施
3. 3 ,0. 1 ,2. 5 ,0. 5 ,2. 4 ,2. 4 ,3. 6 ,
0. 6 ,0. 3
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
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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,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。
　
图5 　电极部分区域失效前后大功率L ED 的I2V 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Ir随时间的变化
　　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、稳定性更好的荧光材料,对于提高大
功率白光L ED 的发光性能及工作寿命十分重要。
4 　结论
对大功率白光和蓝光L ED 的寿命试验表明,
L ED 的光输出表现为随时间的指数衰减规律。四
组大功率白光L ED 试样的平均寿命分别为578 、
1 386 、3 366 和27 726 h 。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6 301 和31 056 h 。
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,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。
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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L2I2V 特性图。
　
图8 　VCSEL 的L2I2V 特性图
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作者简介:
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E2mail : caxhr @126. com
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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
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《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