造成高亮度LED褪色的原因是什么

高亮度LED不會快速燒壞。相反，他們慢慢消失。經(jīng)過精心設(shè)計的LED照明系統(tǒng)可以在光照不足以完成預(yù)定工作之前將光源持續(xù)長達50，000或甚至70，000小時。

是什么導(dǎo)致芯片失去光度，是否可以做任何事情來阻止衰退?本文回顧了LED光子生成背后的物理特性，以探討當設(shè)備是新產(chǎn)品時會發(fā)生什么，以及隨著芯片老化，性能不可避免地惡化的原因。

作者還將討論設(shè)計工程師可以做些什么來最大限度地延長LED在下一個設(shè)計中的使用壽命，并關(guān)注Cree，OSRAM和首爾半導(dǎo)體等主要LED供應(yīng)商為改善下一代產(chǎn)品而采取的措施。商業(yè)產(chǎn)品。

基本屬性

構(gòu)建LED相對簡單;選擇合適的n型和p型半導(dǎo)體，將它們組合在一起形成pn結(jié)或二極管，將n型連接到電源的負極端子，將p型連接到正極，等待事物開始發(fā)光。

n型半導(dǎo)體包含自由電子，而p型具有電子空位或“空穴”。電子和空穴攜帶相反的電荷，在偏置電壓下，遷移到兩種材料之間的連接處重組。該重組(有時)在稱為電致發(fā)光的物理現(xiàn)象中在光譜的可見部分釋放光。

這是一個簡單的解釋，但是，當然，現(xiàn)實有點復(fù)雜。為了理解LED的光輸出隨著時間的推移而減少的原因，有必要深入研究物理學(xué)。

半導(dǎo)體的特點是導(dǎo)電率水平介于金屬和絕緣體之間。材料中的電導(dǎo)率由“帶隙”決定。帶隙是限制在母體原子(價帶)的外殼(或外部“軌道”)上的電子與已經(jīng)獲得足夠的電子能量之間的能量差。能量(通常通過熱激發(fā))逃離母原子變得可移動并因此自由地充當電荷載流子(導(dǎo)帶)。

金屬幾乎沒有帶隙，因此有許多自由電子，材料是良導(dǎo)體。絕緣體具有寬帶隙，嚴重限制了電荷載流子。半導(dǎo)體介于兩者之間。例如，硅在室溫下是相對較差的導(dǎo)體，但隨著溫度升高，足夠的電子獲得跳躍帶隙所需的能量，事情會迅速改善。通常修改各種類型的半導(dǎo)體的電特性，以通過“摻雜”其他元素使其更適用于電子元件，從而將更多的自由電子(或可選擇的孔)引入基材。與未摻雜的所謂的本征半導(dǎo)體相比，這提高了給定溫度下的導(dǎo)電率。¹在LED中，在pn結(jié)附近，n型材料導(dǎo)帶中的電子可以“下降”到孔中。通過發(fā)射與帶隙上的能量差相對應(yīng)的能量來實現(xiàn)p型價帶。如果能量作為光子釋放，其能量(以及因此在電磁波譜的可見部分中的波長和顏色)對應(yīng)于帶隙(圖1)。

圖1：在LED的pn結(jié)附近，電子可以通過在該過程中發(fā)射光子的帶隙下降而與空穴結(jié)合。 (由英國華威大學(xué)提供。)現(xiàn)代白光LED基于氮化銦鎵(InGaN)，沉積在透明基板上，如藍寶石或碳化硅(SiC)?？梢酝ㄟ^改變GaN與InN的比率來控制InGaN的帶隙，使得發(fā)射的光子在光譜的390至440nm部分(紫外，紫藍色和藍色)中。發(fā)出“白色”光是因為一些藍色光子被LED的熒光粉涂層吸收并重新發(fā)射為黃色。藍色和寬帶黃色的組合產(chǎn)生白光(參見TechZone文章“更白，更亮的LED”)。

不完美

晶圓制造是一項棘手的工作，無論制造商如何熟練，都不可能生產(chǎn)出大塊晶格中無缺陷的LED晶粒。在制造過程中，發(fā)生所謂的穿透位錯 - 這些是在其他常規(guī)晶體結(jié)構(gòu)中的微小不連續(xù)性。穿線位錯是由InGaN和藍寶石或SiC晶格中的不匹配產(chǎn)生的應(yīng)變引起的垂直微裂紋(圖2)。

圖2：InGaN襯底中的穿線位錯

穿線位錯是設(shè)計具有高效率的LED的主要問題，因為在這些位置發(fā)生的電子和空穴之間的重組主要是“非輻射的”。換句話說，沒有發(fā)射光子。這是因為位錯引入了超出設(shè)計者預(yù)期的帶隙的額外帶隙，因此不對應(yīng)于產(chǎn)生可見光子的能量差。在這種情況下，能量通過“聲子”的發(fā)射傳遞，“聲子”是引入晶格的振動，不會增加芯片的發(fā)光度。不幸的是，InGaN比大多數(shù)其他半導(dǎo)體更容易受到穿透位錯的影響，表現(xiàn)出典型的密度超過每平方厘米10個字母尺寸：10px;》 。

芯片制造商遭遇InGaN的穿線錯位缺陷，因為它具有許多其他特性，使其成為LED的理想選擇。該材料實際上通過形成富銦區(qū)域來彌補其自身的不足 - 這些區(qū)域具有比周圍區(qū)域略低的帶隙 - 這傾向于防止電子 - 空穴對向位錯的擴散。在這些區(qū)域中重新組合的電子 - 空穴對產(chǎn)生的光子遠多于在位錯附近發(fā)生的光子。盡管如此，穿透位錯的總體影響是降低給定LED的光輸出。²

為什么設(shè)計工程師過度擔(dān)心LED在制造過程中引入的缺陷?畢竟，雖然接受“量子效率”(產(chǎn)生光子的電子 - 空穴復(fù)合百分比的度量)略微降低，但交付的器件仍然符合制造商的規(guī)格。答案是因為隨著時間的推移情況變得更糟，并且退化速率與穿透位錯的初始密度和LED所經(jīng)受的熱量直接相關(guān)。

失敗的主要原因

LED是一種電子設(shè)備，因此有很多方法可能會出錯。 然而，在實踐中，LED非?？煽?，“失敗”最有可能是光的結(jié)果輸出低于可接受的閾值觸發(fā)的主要原因(或“流明故障”)被觸發(fā)(最多在晶圓制造過程中引入芯片的微小穿透位錯。

穿線位錯作為晶體較大位錯的成核位置。這些由于加熱過程中的自然形成，當LED開啟時熱膨脹和收縮隨著時間的推移，隨著越來越多的位錯發(fā)生，非輻射復(fù)合的位點數(shù)量增加，量子也隨之增加。 (一些其他因素，例如金屬從連接引線擴散到半導(dǎo)體中也會導(dǎo)致流明失效，但位錯是主要機制。)

LED所承受的溫度是導(dǎo)致的溫度的主要原因。錯位率。更熱的芯片將更快地形成位錯，因此更快地褪色。這是制造商建議保持芯片結(jié)溫降低的關(guān)鍵原因。圖3顯示了工作壽命如何受溫度影響。

圖3：LED壽命與結(jié)溫的關(guān)系。

更糟糕的是，引起晶格振動的非輻射復(fù)合會增加整體溫度。換句話說，隨著芯片老化，由于聲子數(shù)量的增加，對于給定的正向電壓，它會更熱和更熱，加速位錯的形成和器件的最終消亡。

還假設(shè)更多的位錯有助于更快速的效率下降，這種現(xiàn)象通過增加正向電流來提高效率(參見TechZone文章“確定LED效率下降的原因”)。然而，最近的研究表明，情況并非如此。雖然位錯肯定會降低峰值效率，但它們實際上可以在峰值效率點之后降低效率下垂曲線的梯度。

更多工作未來

現(xiàn)代LED在制造商建議的正向電壓和結(jié)點運行時提供令人印象深刻的壽命溫度。

芯片如Cree的XT-E和XM-L高壓白光LED(圖4)，OSRAM的OSLON SSL器件(例如參見LA CP7P-JXKX-24)，Lumex的TitanBrite產(chǎn)品以及Seoul Semiconductor的Acriche芯片都可以超過50，000小時的使用壽命，之后光度下降到新的時間的70%以下。然而，盡管表現(xiàn)良好，但LED公司并沒有停滯不前。

圖4：Cree XT-E LED在碳化硅襯底上使用InGaN。例如，歐司朗在德國弗勞恩霍夫應(yīng)用固態(tài)物理研究所贊助了一些研究，用于替代制造技術(shù)，這些技術(shù)有望降低InGaN晶圓中穿透位錯的密度。這項工作表明，藍寶石上的“超低”位錯GaN表現(xiàn)出大大降低的位錯密度，每平方厘米8 x 10 7 ，而獨立式GaN材料與藍寶石分離的GaN襯底的穿透位錯密度為每平方厘米4×10 。

就其本身而言，Cree剛剛宣布增加其XLamp系列XB-D。與該公司的其他XLamp產(chǎn)品一樣，該器件基于Cree的SiC技術(shù)。雖然該公司本身并沒有對此事做太多的大驚小怪，但其他研究人員已經(jīng)表明沉積在SiC上的InGaN LED的螺紋位錯密度要比用藍寶石制造的低得多。

首爾半導(dǎo)體表示，它將其收入的10%至20%用于研發(fā)，最近已獲得超過10，000項LED技術(shù)專利。該公司的Acriche系列產(chǎn)品使用InGaN LED，采用稱為金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)的新工藝制造。這項專利技術(shù)是在首爾半導(dǎo)體(以及其他公司)的贊助下開發(fā)的，它允許在藍寶石上制造具有比其他制造技術(shù)更低缺陷密度的InGaN器件。

總結(jié)

高亮度LED發(fā)生故障的最常見原因是長時間變暗，使光線不再足以達到預(yù)期目的。這種輸出損失的主要原因是量子效率降低，因為芯片晶體結(jié)構(gòu)中的位錯增加，增加了可能發(fā)生非輻射復(fù)合的位點數(shù)量。

LED芯片制造商正在努力減少新設(shè)備中的缺陷數(shù)量，但半導(dǎo)體制造工藝并不完美，總會出現(xiàn)一些故障。影響壽命的設(shè)計工程師控制下最重要的因素是結(jié)溫。根據(jù)制造商的熱指南操作LED將降低晶體退化速率并確保長而明亮的使用壽命。