分享:探索白光LED劣化原因

最近幾年全球各國對環保、省能源等能源議題越來越關心，因此間接牽動這些領域的投資與技術開發，在這之中又以太陽電池、鋰離子電池、SiC功率電晶體、白光LED最受注目，一般認為上述計劃在國家規模的支持下，今後可望成為高度成長的領域。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/168189.htm

　　白光LED已經從行動電話、液晶電視背光模塊，正式跨足進入醫療、汽車、植物栽培等一般應用照明領域，國外業者甚至推出平價60W等級的白光LED燈泡，這類使用複數個白光LED的新世代照明光源，正快速取代傳統螢光燈與白熱燈泡。

　　有關液晶電視背光模塊或是大型照明，使用數量眾多的白光LED，必須同時兼具成本與性能的傳統課題，日本業者普遍認為2011年可望實現0.5日圓/lm、200lm/W的預定目標，其中晶片性能的提升、螢光體、封裝技術的開發，一直扮演關鍵性的角色。可靠性是白光LED另外一項重要課題，它包含單體LED的耐久性，以及複數白光LED同時點燈時的輝度分布等等，為克服這些問題，國內外廠商已經積極展開技術開發。

　　有關白光LED的耐久性亦即LED的劣化，一般認為光束、封裝，以及晶片的時間性劣化，是造成壽命降低的主要原因，然而實際上這些劣化要因錯綜複雜，因此劣化模式的分析非常困難，特別是白光LED的壽命很長，不易進行劣化試驗。傳統劣化試驗例如：電流加速試驗、溫度加速試驗、加速耐候試驗等等，接著本文要介紹「過電壓劣化試驗」的結果，以及白光LED劣化的分析結果。

　　分析方法與評鑑項目

　　圖1是典型照明用白光LED的基本結構與劣化要因一覽；表1是GaN系LED與相關材料主要評鑑項目，以及分析手法一覽。穿插式電子顯微鏡(TEM；Transmission Electron Microscope) 可以根據LED的斷面結構直接觀察轉位與缺陷，劣化分析時微細部位的歪斜、應力、成分、載子濃度、缺陷評鑑非常重要，特別是奈米等級的載子濃度與缺陷評鑑分析，一般都使用：掃描型探針顯微鏡(SPM；Scanning Probe Microscope)、掃描型擴散阻抗顯微鏡(SSRM；Scanning Spread Resistance Microscopy)、掃描型容量顯微鏡(SCM；Scanning Capacitance Microscopy)、陰極發光法 (CL；Cathodo Luminescence)。

有關樹脂與螢光體結構的評鑑，一般認為使用：傅立葉紅外分光法（FT-IR；Fourier Transform Infrared Spectrometer）、固體核磁共鳴法（固體NMR；Solid-State Nuclear Magnetic Resonance）、拉曼 (Raman) 分光法可以獲得預期效果。

　　晶片劣化的評鑑

　　有關GaN系組件的問題點，由於它的缺陷密度比GaAs系高5位數，而且缺陷與轉位問題非常嚴重，一般認為LED晶片的缺陷與轉位，對LED的劣化、耐久性等特性具有直接、重大的影響。傳統在藍寶石基板上長膜的GaN單結晶膜，由於藍寶石基板與GaN的格子定數差異極大，因此強大的壓縮應力對GaN膜層有相關性，這也是形成缺陷與轉位主要原因。最近業者大多改用格子定相近的SiC單結晶晶圓，或是格子定數相同的GaN單結晶晶圓長膜，製作低缺陷、低轉位高質量的GaN磊晶(Epitaxial)。

　　獲得白色光源的方法有兩種，分別是藍光LED與黃色螢光體組合的擬似白光方式，以及高演色白光方式。擬似白光方式，主要是藍光LED組合黃色螢光體，構成擬似白光的LED，藍光LED晶片產生的藍光一旦被黃色螢光體吸收，螢光體會產生黃光，該光線再與未被黃色螢光體吸收的藍光混合，形成所謂的擬似白光，該白光LED的發光頻譜具有白光與藍光二種峰值。

　　高演色白光方式，主要是藍光LED組合綠色與紅色螢光體，形成高演色白光LED，藍光LED產生的藍光一旦被螢光體吸收，綠色螢光體會產生綠色光線，紅色螢光體則產生紅色光線，該綠色光線再與紅色光線，以及未被螢光體吸收的藍光混合形成擬似白光，該白光LED的發光頻譜具有紅、藍、綠三種領域的峰值，色再現性也比上述擬似白光方式優秀。

　　擬似白光方式使用的典型藍光LED斷面結構如圖2所示，發光層是由膜厚100nm以下GaN系化合物半導體量子井構成，發光時會形成缺陷與轉位，它也是LED劣化原因之一。

　　圖3是在藍寶石基板上製作GaN單結晶薄膜時，面內CL強度分布範例，由圖可知分別在360nm與560nm附近，可以發現GaN能隙之間的發光，與造成缺陷的「黃色瑕疵」發光光線。圖3(a)是GaN單結晶薄膜利用平面掃描型電子顯微鏡(SEM；Scanning Electron Microscope)觀察時的影像；圖3(b)是360nm附近光線的強度分布；圖3(c)是發光線的強、弱部位的CL頻譜分布特性。圖3(b)是發光強度降低的暗帶，特別是在360nm附近，能隙之間的發光強度會降低，此時若與能隙之間的發光比較，560nm附近的黃色瑕疵發光強度反而會變強。

　　根據以上結果證實在黑點明亮部位結晶性會降低，其結果造成無輻射遷移的機率增加，能隙端的發光強度則明顯降低。

　　圖4是從斷面方向測試時，CL強度分布的加速電壓相關性，圖中可以觀察到貫穿膜厚方向明暗的紋縞模樣，由此可知電壓加速降低時紋縞模樣鮮明，而且還可以獲得高空間解析度的強度分布。

　　貫穿膜厚方向CL強度明暗紋縞模樣，與圖5穿插式電子顯微鏡(TEM)觀察到的貫穿轉位周期一致，反過來說上述圖3單結晶面內，觀察到的300nm周期的紋縞模樣，正反映此貫穿轉位周期，由此證實使用陰極發光法 (CL)，能夠以奈米等級清楚觀察到缺陷與轉位的分布。

　　圖6是上述圖2藍光LED施加電壓劣化時，使用掃描型擴散阻抗顯微鏡測試該LED斷面的結果。掃描型擴散阻抗顯微鏡是以接觸型原子間力顯微鏡(AFM；Atomic Force Microscope) 為基礎，再利用導電性探針與大範圍放大電路構成。掃描型擴散阻抗顯微鏡利用接觸試料表面模式的原子間力顯微鏡回饋，強化旋臂探針觸壓（加大負荷）的掃描分析手法，由於它使用高導電性探針，檢測施加至試料時偏壓電壓在接觸位置形成的微電流，因此可以正確掌握試料表面局部性阻抗分布。

根據圖6掃描型擴散阻抗顯微鏡的測試結果，證實劣化LED的p型clad層內，V型凹孔的高低阻抗領域有增加趨勢，由於V型凹孔是在InGaN量子井結構內發現的特徵性缺陷，因此又稱作「V型瑕疵」，由圖6(a)、(b)的比較可知，施加過電壓時V型瑕疵會增加。

　　圖7是利用陰極發光法(CL)測試藍寶石基板上已摻雜矽的GaN薄膜結果，陰極發光法主要是觀察量子井（以下簡稱為活性層），以及藍寶石基板與clad層之間緩衝層造成的波長為463nm、360nm附近的光線。463nm活性層造成的發光光線強度分布如圖7(a)、(b)所示，圖7(a)、(b)同時也是未通電與劣化組件的CL強度分布特性；圖7(c)是未通電與劣化組件的CL頻譜特性。