逐漸褪色，這是大多數(shù)LED失效的原因，主要是由于半導體芯片中的微裂紋。在復雜的晶片制造過程中引入了這些缺陷。稱為螺紋位錯，這些微裂紋隨著時間的推移而倍增 - 當LED暴露在高溫時更快 - 增加了芯片電荷載體可以重新組合而不產(chǎn)生光的位置數(shù)量。但是，這種所謂的“非輻射復合”的增加并不是導致LED失效的唯一機制。穿線位錯也為泄漏電流創(chuàng)造了路徑，從而搶奪了更有價值的電荷載體的LED。隨著缺陷的增加，情況會隨著時間的推移而變得更糟，導致電源尖峰或靜電放電(ESD)事件導致的故障風險增加。

本文介紹了泄漏電流發(fā)生的原因，并建議在LED工作壽命期間可以采取哪些措施來減緩劣化過程，這樣芯片可以延長這些固態(tài)光源的使用壽命。

泄漏電流的危險

在運行的LED中，電荷載流子 - 電子和空穴 - 遷移到器件的p-n結(jié)，很可能它們會重新組合。重組(有時)在光譜的可見部分釋放光。 (之前引用的TechZone文章詳細描述了電致發(fā)光背后的物理特性，即LED發(fā)光背后的現(xiàn)象。)

電致發(fā)光的物理學受量子力學的支配，量子力學允許電子和空穴做一些奇怪的事情。一個特殊的怪癖是“隧穿”，其中電子可以越過屏障(例如，跨越p-n結(jié)的能隙)，根據(jù)經(jīng)典物理學，它將需要比電子擁有的更多能量。這有點像在一個陡峭的山坡上滾動一個球，而不是看到它從山上滾回來，觀察球穿過山洞并出現(xiàn)在另一邊。

在運行中的LED中，一些隧道活動表現(xiàn)為反向偏置電流(“漏電流”)，允許電荷載體“逆流”。

泄漏電流，顧名思義，是這不是一件好事，因為構(gòu)成它的電荷載體對電致發(fā)光沒有貢獻。不可能欺騙物理定律，因此LED制造商已經(jīng)接受他們的器件將遭受一些漏電流和功效的輕微降低。然而，在主要制造商的新設備中，效果通?？梢院雎圆挥?。

盡管如此，所有設備都不一樣; LED的初始泄漏電流取決于制造過程的質(zhì)量。更糟糕的是，它并不是一成不變的。 LED所處的工作條件(特別是溫度)決定了泄漏電流在運行期間的增加速度以及它可能在多長時間內(nèi)開始引起問題。

消失的電荷載體

事實證明，穿透位錯(由晶圓制造過程中有源LED與其基板之間的不匹配產(chǎn)生的應變引起的垂直微裂紋(圖1)是隧道掘進概率增加的地方。

圖1：LED半導體芯片中的線程錯位。(圖片提供)北卡羅來納州立大學。)

例如，一組研究人員已經(jīng)確定，樣品LED中的穿透位錯密度從1.7 x 10增加 7 至2 x 10 每平方厘米(普通LED材料的典型數(shù)字，如沉積在藍寶石上的氮化銦鎵(InGaN))， LED漏電流呈指數(shù)增長。其他科學家確定漏電流增加218倍，因為穿透位錯密度從1.5 x增加10 7 至2 x 10 /cm²(圖2)。

圖2：隨著缺陷密度的增加，漏電流迅速增加。

雖然對LED亮度的影響不是那么顯著，但仍然很重要。兩組均注意到該穿透位錯范圍內(nèi)的光度降低了22%。 (請注意，光輸出的減少僅僅是由于泄漏電流造成的，并且由于更多的非輻射復合位點而不包括更高密度下的額外損耗。)研究人員解釋了光度降低的主要原因并不像預期的那樣糟糕，因為雖然漏電流在穿透位錯時更糟，但是電荷載體確實表現(xiàn)出偏向于遷移到晶體中富含銦的“阱”，遠離位錯，在這些位置它們可以愉快地重新組合并發(fā)射光子。該效應部分地抵消了微裂紋下的電荷載流子的損失。

新材料有望承諾

歐司朗，Cree和首爾半導體等優(yōu)質(zhì)供應商目前關(guān)注的重點是增強制造技術(shù)，旨在限制新晶圓中的螺紋位錯數(shù)量。這不是一件容易的事，因為有源LED半導體InGaN和典型的襯底材料具有不良匹配的晶體結(jié)構(gòu)。

仔細選擇供應商可以在高亮度LED的初始亮度和壽命方面產(chǎn)生很大的不同。例如，一些供應商已轉(zhuǎn)向碳化硅(SiC)，因為它承諾通過降低制造過程中的穿線缺陷密度來提高LED質(zhì)量(再次參見“了解高亮度LED褪色的原因”)。例如，最近，Cree推出了一系列高亮度LED，XLamp XB-D系列，基于SiC技術(shù)。歐司朗將該材料用于TOPLED系列中的部分產(chǎn)品。

其他開發(fā)包括完全分配SiC襯底和從塊狀InGaN制造有源LED。因為兩種不同材料之間沒有晶格失配，所以穿透位錯密度顯著降低。缺點是晶圓目前的成本約為使用傳統(tǒng)材料制造的晶圓的四倍，因此制造商不愿意將它們用于價格敏感的主流照明市場。

當新的LED只是挑戰(zhàn)的一部分時，小心選擇LED。設計工程師使用LED的方式會影響螺旋位錯隨時間的增加，從而可能增加泄漏電流并加速設備的最終消亡。

研究反向偏置

正如名稱所示，LED是一種二極管形式。這些器件具有有趣的電壓電流關(guān)系(圖3)。在正常操作中，施加足夠幅度(》 Vd)的恒定正向電壓(通常使LED與電阻器串聯(lián))，使得器件在其導電區(qū)域中操作。重要的是要小心控制正向電壓，因為超過導通電壓，小的波動會引起正向電流，光強度和功耗的顯著變化。

圖3：二極管電壓與電流特性。

圖4顯示了商業(yè)高亮度LED的正向電壓與正向電流的細節(jié)，在這種情況下為60 lm/W Seoul Semiconductor器件。從圖中可以看出，導通開始于2.5 V左右。制造商建議使用3.6 V的典型正向電壓工作。

圖4：商用高亮度LED的正向電壓與正向電流。 (由首爾半導體公司提供。)

就本文而言，主要關(guān)注領域是反向偏置條件下發(fā)生的情況。 (注意，與右側(cè)相比，圖3左側(cè)的刻度被放大，這就是原點周圍線路跳躍的原因。)最初，反向偏置電壓的大幅變化對反向影響不大偏置電流;在臨界電壓(稱為擊穿電壓或Vbr)下，電壓的進一步微小變化會導致反向偏置電流急劇升高。然而，與正向偏置導通區(qū)域不同，擊穿區(qū)域中的操作將是短暫的，因為器件將被損壞并且很快可能會災難性地失效。

許多制造商沒有在數(shù)據(jù)表中指定擊穿電壓，因為在正常使用中，他們并不期望LED在反向偏置條件下工作。然而，有一些例外，特別是Cree。例如，對于其XLamp ML-B系列，該公司指出最大反向電壓為5 V.但是，LED制造商測試他們的新器件以確定漏電流和擊穿電壓。具有前者的高值和后者的低值的器件被廢棄，使得在所提供的器件中，LED反向偏置的容差盡可能寬。然而，事情會隨著時間的推移而發(fā)生變化，因為即使在LED正常運行期間，螺紋位錯也會成倍增加(如果芯片過熱則會急劇升級)。正如我們所看到的，更多的穿透位錯會增加漏電流和非輻射復合。最終，光度下降到一個點，當新的和“故障”發(fā)生時，它低于設備輸出的70%(參見TechZone文章“確定LED額定壽命：棘手的挑戰(zhàn)”)。

雖然褪色是導致LED失效的最常見原因，但并不是芯片遭受過多螺紋位錯的唯一方法就會死亡。隨著時間的推移，新缺陷的出現(xiàn)改變了芯片的物理特性，與新器件相比，導致?lián)舸╇妷航档?。與漏電流的增加相結(jié)合，這具有降低安全操作和由于暴露于高反向電壓而導致的災難性故障之間的閾值的效果。

泄漏電流很少發(fā)生在正常工作時超過反向偏置擊穿電壓的點，但是弱電器件會受到電源電壓尖峰的反向偏置或靜電放電(ESD)，可以被推到邊緣過早消亡。

總結(jié)與建議

現(xiàn)代LED令人印象深刻設備，但他們有一個致命的跟腱。制造過程中產(chǎn)生的不可避免的微小結(jié)構(gòu)缺陷為電荷載體提供了通路，而不會影響光輸出。這些缺陷會隨著時間的推移而增加，進一步降低光度，在最壞的情況下會導致過早失效。

LED制造商正在嘗試替代制造技術(shù)和材料，有些已經(jīng)發(fā)布了新產(chǎn)品中穿線位錯較少的產(chǎn)品，但建議工程師在設計中加入足夠的預防措施，以限制缺陷的不可避免的影響。

首先，工程師從一家信譽良好的經(jīng)銷商那里購買產(chǎn)品是一個好主意。其次，LED應在供應商推薦的正向電壓下使用來自Fairchild Semiconductor和Diodes，Inc。等制造商的高質(zhì)量LED驅(qū)動電源工作。第三，工程師應保護芯片免受機械應力和ESD事件的影響。第四，工程師了解LED應該充分冷卻應該不足為奇。