引言
自從1991年Nichia公司的Nakamura等人成功地研制出摻Mg的通質(zhì)結(jié)GaN藍(lán)光LED，GaN基LED得到了迅速的發(fā)展。GaN基LED以其壽命長(zhǎng)、耐沖擊、抗震、高效節(jié)能等優(yōu)異特性在圖像顯示、信號(hào)指示、照明以及基礎(chǔ)研究等方面有著極為廣泛的應(yīng)用前景，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)先后開展了GaN基材料、器件的相關(guān)研究，在材料質(zhì)量、器件指標(biāo)等方面取得了重要進(jìn)展。同時(shí)對(duì)GaN基LED的可靠性也進(jìn)行了比較深入的研究。
GaN基LED的退化機(jī)理主要包括封裝材料退化、金屬的電遷移、p型歐姆接觸退化、深能級(jí)與非輻射復(fù)合中心增加等，針對(duì)這些退化機(jī)制，采取了一些改進(jìn)措施。
退化機(jī)理
封裝材料退化
早期的GaN基LED可靠性研究觀察到光輸出迅速降低的一個(gè)重要原因是由于藍(lán)光與紫外線輻射和溫度升高，封裝材料的透明度研究下降[1－4]。眾所周知，長(zhǎng)時(shí)間接受紫外線的輻射會(huì)降低許多聚合物的光學(xué)透明度，而GaN系統(tǒng)的帶間輻射復(fù)合會(huì)產(chǎn)生紫外線，所以認(rèn)為紫外輻射引起封裝料退化是合理的。
對(duì)于封裝材料的熱退化，D.L.Barton等人的研究試驗(yàn)表明[1－4]，塑料在150℃左右會(huì)由于單純的熱效應(yīng)使LED的光輸出減弱，盡管在壽命試驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)塑料封裝的外觀呈褐色，但與LED接觸的部分可能發(fā)生了變化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度為95℃，驅(qū)動(dòng)電流大于等于40mA時(shí)，結(jié)溫超過了145℃，非常接近塑料變色的溫度；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于30mA時(shí)，結(jié)溫小于135℃，與之對(duì)應(yīng)LED退化率也很小，所以引起塑料封裝材料變化，對(duì)LED的壽命有重要的影響的溫度范圍是135～145℃，另外，在大電流條件下，封裝材料甚至?xí)蓟痆4－6]，在器件表面生成不透明物質(zhì)，或者碳化物質(zhì)在表明形成電導(dǎo)通道[4]，導(dǎo)致器件失效。由于小功率GaN基LED的正常工作電流是20mA，遠(yuǎn)小于試驗(yàn)電流，封裝材料碳化這種比較極端的失效方式只可能出現(xiàn)在加速壽命試驗(yàn)中，在正常工作時(shí)，封裝材料應(yīng)該是緩慢退化的。
金屬的電遷移
金屬的電遷移是
半導(dǎo)體器件和集成電路的電極系統(tǒng)中的最主要的失效機(jī)理，在GaN基LED中也存在金屬的電遷移的問題，但是與集成電路中互連線金屬電遷移有所不同，主要是縱向遷移，即p型歐姆接觸金屬沿缺陷管道電遷移到達(dá)結(jié)區(qū)造成短路[7－11]，導(dǎo)致器件失效。由于沒有匹配的襯底材料，外延生長(zhǎng)的GaN薄膜中往往包含有大量的缺陷，其大部分的是線性位錯(cuò)，器件工作時(shí)，接觸金屬的在電應(yīng)力和熱應(yīng)力的作為下就會(huì)沿這些位錯(cuò)線遷移到達(dá)結(jié)區(qū)，從而形成低阻歐姆通道，造成LED結(jié)特性退化，光功率迅速下降。失效后器件的電學(xué)特性主要表現(xiàn)為結(jié)漏電流增加，如圖1所示[11]，這一失效機(jī)理的發(fā)現(xiàn)，是對(duì)Nichia公司的GaN基LED施加100mA電流脈沖[7]或70mA恒定電流[11]，遠(yuǎn)大于實(shí)際工作電流。對(duì)于藍(lán)寶石絕緣陳襯底上的GaN基LED，p型電極和n型電極只能在外延表面的同一側(cè)，這種特殊的器件結(jié)構(gòu)使得靠近n型電極處電流密度很大，所以在正常工作條件下也存在金屬電遷移的可能性，可以推知，材料缺陷密度越大，電流擁擠越嚴(yán)重，這種失效模式發(fā)生的幾率越大，所以提高外延材料質(zhì)量，減少缺陷密度，改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)以使電流均勻擴(kuò)展，可以有效提高器件的可靠性。
p型歐姆接觸退化
在GaN基LED失效分析過程，對(duì)比器件退化前后的I－V特性[14]發(fā)現(xiàn)，已退化器件的寄生串聯(lián)電阻增加使得相同電壓偏置下的正向電流減小[見圖中（Ⅳ）標(biāo)識(shí)處]，普遍的解釋是半透明歐姆接觸和p型GaN層的上表面受大電流和高溫影響而退化，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加，隨之電流擁擠效應(yīng)使得光功率下降[2，12－14]。寄生串聯(lián)電阻增加可能與半透明歐姆接觸退化有關(guān)，但目前對(duì)這一推斷還缺少明確直觀的解釋，更深入的物理機(jī)制有待進(jìn)一步研究，也可能與p型層摻雜劑的不穩(wěn)定有關(guān)，Mg絡(luò)合物對(duì)GaN基LED退化所起作用將在下面討論。
深能級(jí)與非輻射復(fù)合中心增加
隨著封裝技術(shù)的提高，與GaN材料本身有關(guān)的失效模式和機(jī)理逐漸引起人們的興趣。F.Manyakhin等人通過分析InGaN/AlGaN/GaN
發(fā)光二極管在大電流老化試驗(yàn)中光電學(xué)參數(shù)的變化和空間電荷區(qū)的離化受主分布[15]，認(rèn)為在老化試驗(yàn)第一階段，有源層中剩余的Mg－H絡(luò)合物分解，p型層有效離化受主濃度增加，LED發(fā)光強(qiáng)度增加；在第二階段，施主缺陷N空位的形成占優(yōu)勢(shì)，使得受主濃度降低，而且這種缺陷增加了非輻射復(fù)合的可能性，從而解釋了器件的光衰減。
W.Y.Ho等人[16]通過研究直流大電流條件下退化的異質(zhì)結(jié)LED，發(fā)現(xiàn)距導(dǎo)帶1.1eV處的深能級(jí)陷阱密度從2.7×1013cm－3上升到4.2×1013cm－3，異質(zhì)界面陷阱在器件光電特性退化中起著重要的作用。
G.Meneghesso等人用深能級(jí)瞬態(tài)譜也探測(cè)到深能級(jí)分布的變化和潛能級(jí)陷阱的產(chǎn)生[12，14]，認(rèn)為器件老化過程中Mg－H絡(luò)合物分解，接著形成Mg－H2和Mg－H－N絡(luò)合物，既能解釋有效摻雜降低又能解釋深能級(jí)的出現(xiàn)[13]。文獻(xiàn)[17]對(duì)Mg絡(luò)合物在InGaN基LED退化中的作用有詳細(xì)介紹。G.Meneghesso還發(fā)現(xiàn)大電流密度下器件內(nèi)有延伸的缺陷產(chǎn)生[12，14]。X.A.Cao等人[18]則認(rèn)為，正向大注入電流下器件性能緩慢退化是InGaN有源區(qū)或AlGaN/GaN限制層產(chǎn)生電缺陷造成的，這些缺陷起非輻射復(fù)合中心和載流子隧穿通道的作用。
提高器件的可靠性的措施 新型封裝材料的應(yīng)用
LumiLeds公司的
LED產(chǎn)品封裝材料采用已獲得專利權(quán)的硅樹脂代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)氧樹脂。這種硅樹脂具有更好的機(jī)械特性，能承受更高的溫度，而且對(duì)紫外線照射和高強(qiáng)度藍(lán)光輻射引起的褐色化具有更強(qiáng)的抵抗能力。紐約Troy照明研究中心曾對(duì)其進(jìn)行過獨(dú)立研究測(cè)試，室溫條件下，5mm傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝的GaN基白色LED采用20mA驅(qū)動(dòng)電流，硅樹脂封裝的大功率LED驅(qū)動(dòng)電流為350mA，工作10000h后，5mm的白色LED衰減了65％，而大功率的LED僅衰減了10％左右
改善散熱條件
如前所述，高溫使塑料封裝的透明度降低[1－4]，影響GaN基LED器件的半透明歐姆接觸和p型GaN的上表面，導(dǎo)致串聯(lián)電阻增加，還會(huì)引起缺陷的產(chǎn)生[18]，所以改善散熱條件是提高器件可靠性的重要方法。BeeSimTan[19]等人通過激光剝離技術(shù)，把GaN基藍(lán)色LED從散熱性不好的藍(lán)寶石襯底上轉(zhuǎn)移到Cu襯底上，由于Cu良好的導(dǎo)熱性，器件產(chǎn)生的熱能有效的消散掉，使得器件在大電流條件下也沒有退化，反而由于電退火作用改善了材料質(zhì)量，使器件光輸出功率穩(wěn)定上升，如圖4所示。對(duì)LED施加300mA恒定電流，開始Cu襯底上的LED光輸出功率（1.9mW）比藍(lán)寶石襯底上的（1.41mW）高出36％，60min后達(dá)到87％，（2.73mW對(duì)1.46mW）很明顯藍(lán)寶石襯底上的LED光輸出功率衰減，而Cu襯底上的LED光輸出功率提高，可靠性明顯改善。
改進(jìn)電流擴(kuò)展
電流擁擠效應(yīng)使藍(lán)寶石襯底上的GaN基
LED器件局部區(qū)域溫度升高，能直接導(dǎo)致器件失效。為了使電流充分?jǐn)U展，人們采取了很多辦法，比如在器件中外延生長(zhǎng)InGaN電流擴(kuò)展層，優(yōu)化p型電極的Ni/Au厚度比或幾何狀態(tài)，Kim等人[20]在模型計(jì)算的基礎(chǔ)上，優(yōu)化p型電極焊盤的幾何形狀以使電流均勻擴(kuò)展，并把電極優(yōu)化后器件（b）、（c）的累計(jì)失效率（應(yīng)力條件是20℃，460A/cm2）與改進(jìn)前（a）的相比較，如圖5所示，可以看出改進(jìn)后器件的可靠性得到了提高。
實(shí)際上，如果把GaN基LED制造成垂直結(jié)構(gòu)，可以從根本上解決電流均勻擴(kuò)展問題。文獻(xiàn)[21]報(bào)道，在400mA驅(qū)動(dòng)電流條件下，藍(lán)寶石襯底上橫向結(jié)構(gòu)的300μm×300μmLED15h后明顯退化，不到24h就完全失效，而在GaN襯底上制造的垂直結(jié)構(gòu)的LED24h后光衰減不超過1％，但目前還不具備生產(chǎn)用的高質(zhì)量GaN襯底。
加強(qiáng)工藝控制
GaN基LED的制造工藝對(duì)其可靠性的影響也是不可忽視的。Kim等人[22]把p型歐姆接觸在O2中退化與在N2中退化相比較，制作的GaN/InGaNLED電學(xué)特性得到了改善，但是在0.37kA/cm2的電流應(yīng)力下，LED的壽命卻從1269min下降到了15min。所以加強(qiáng)GaN基LED制作過程中的工藝控制至關(guān)重要。
除了制作歐姆接觸外，對(duì)GaN基LED可靠性影響比較大的工藝是干法刻蝕?？涛g造成的側(cè)壁損傷會(huì)使器件漏電流增加。而反向漏電流大的器件往往可好性差，減少損傷常用的方法是退化處理、化學(xué)溶劑處理和等離子體鈍化處理。用N2O等離子體處理過的InGaN/GaN多量子阱LED，在低壓偏置條件下的反向漏電流比沒有處理過的樣品小3個(gè)數(shù)量級(jí)，可靠性能明顯提高[23]。
結(jié)束語 為了深入研究GaN基LED的可靠性，人們?cè)O(shè)計(jì)了很多加速壽命試驗(yàn)，分析出如前所述的潛在退化機(jī)理，針對(duì)這些退化機(jī)理提出了一些可靠性改進(jìn)的措施，然而在正常工作條件下，Nichia公司商品化的GaN基LED沒有任何迅速退化的跡象，與其壽命超過50000h，在半導(dǎo)體照明領(lǐng)域，應(yīng)用GaN基藍(lán)光LED制造成的白色固態(tài)光源體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)，是節(jié)能的新一代光源。專家預(yù)測(cè)，我國在20005年至2015年間，半導(dǎo)體照明可累計(jì)節(jié)電4000億度，2015年后，中國半導(dǎo)體照明每年節(jié)約的電能將超過三峽電站全年的發(fā)電量。我國相信，
GaN基LED在未來生活中會(huì)綻放異彩。
