造成高亮度LED褪色的原因是什么

高亮度LED不会快速烧坏。相反，他们慢慢消失。经过精心设计的LED照明系统可以在光照不足以完成预定工作之前将光源持续长达50，000或甚至70，000小时。

是什么导致芯片失去光度，是否可以做任何事情来阻止衰退?本文回顾了LED光子生成背后的物理特性，以探讨当设备是新产品时会发生什么，以及随着芯片老化，性能不可避免地恶化的原因。

作者还将讨论设计工程师可以做些什么来最大限度地延长LED在下一个设计中的使用寿命，并关注Cree，OSRAM和首尔半导体等主要LED供应商为改善下一代产品而采取的措施。商业产品。

基本属性

构建LED相对简单;选择合适的n型和p型半导体，将它们组合在一起形成pn结或二极管，将n型连接到电源的负极端子，将p型连接到正极，等待事物开始发光。

n型半导体包含自由电子，而p型具有电子空位或“空穴”。电子和空穴携带相反的电荷，在偏置电压下，迁移到两种材料之间的连接处重组。该重组(有时)在称为电致发光的物理现象中在光谱的可见部分释放光。

这是一个简单的解释，但是，当然，现实有点复杂。为了理解LED的光输出随着时间的推移而减少的原因，有必要深入研究物理学。

半导体的特点是导电率水平介于金属和绝缘体之间。材料中的电导率由“带隙”决定。带隙是限制在母体原子(价带)的外壳(或外部“轨道”)上的电子与已经获得足够的电子能量之间的能量差。能量(通常通过热激发)逃离母原子变得可移动并因此自由地充当电荷载流子(导带)。

金属几乎没有带隙，因此有许多自由电子，材料是良导体。绝缘体具有宽带隙，严重限制了电荷载流子。半导体介于两者之间。例如，硅在室温下是相对较差的导体，但随着温度升高，足够的电子获得跳跃带隙所需的能量，事情会迅速改善。通常修改各种类型的半导体的电特性，以通过“掺杂”其他元素使其更适用于电子元件，从而将更多的自由电子(或可选择的孔)引入基材。与未掺杂的所谓的本征半导体相比，这提高了给定温度下的导电率。¹在LED中，在pn结附近，n型材料导带中的电子可以“下降”到孔中。通过发射与带隙上的能量差相对应的能量来实现p型价带。如果能量作为光子释放，其能量(以及因此在电磁波谱的可见部分中的波长和颜色)对应于带隙(图1)。

图1：在LED的pn结附近，电子可以通过在该过程中发射光子的带隙下降而与空穴结合。 (由英国华威大学提供。)现代白光LED基于氮化铟镓(InGaN)，沉积在透明基板上，如蓝宝石或碳化硅(SiC)。可以通过改变GaN与InN的比率来控制InGaN的带隙，使得发射的光子在光谱的390至440nm部分(紫外，紫蓝色和蓝色)中。发出“白色”光是因为一些蓝色光子被LED的荧光粉涂层吸收并重新发射为黄色。蓝色和宽带黄色的组合产生白光(参见TechZone文章“更白，更亮的LED”)。

不完美

晶圆制造是一项棘手的工作，无论制造商如何熟练，都不可能生产出大块晶格中无缺陷的LED晶粒。在制造过程中，发生所谓的穿透位错 - 这些是在其他常规晶体结构中的微小不连续性。穿线位错是由InGaN和蓝宝石或SiC晶格中的不匹配产生的应变引起的垂直微裂纹(图2)。

图2：InGaN衬底中的穿线位错

穿线位错是设计具有高效率的LED的主要问题，因为在这些位置发生的电子和空穴之间的重组主要是“非辐射的”。换句话说，没有发射光子。这是因为位错引入了超出设计者预期的带隙的额外带隙，因此不对应于产生可见光子的能量差。在这种情况下，能量通过“声子”的发射传递，“声子”是引入晶格的振动，不会增加芯片的发光度。不幸的是，InGaN比大多数其他半导体更容易受到穿透位错的影响，表现出典型的密度超过每平方厘米10个字母尺寸：10px;》 。

芯片制造商遭遇InGaN的穿线错位缺陷，因为它具有许多其他特性，使其成为LED的理想选择。该材料实际上通过形成富铟区域来弥补其自身的不足 - 这些区域具有比周围区域略低的带隙 - 这倾向于防止电子 - 空穴对向位错的扩散。在这些区域中重新组合的电子 - 空穴对产生的光子远多于在位错附近发生的光子。尽管如此，穿透位错的总体影响是降低给定LED的光输出。²

为什么设计工程师过度担心LED在制造过程中引入的缺陷?毕竟，虽然接受“量子效率”(产生光子的电子 - 空穴复合百分比的度量)略微降低，但交付的器件仍然符合制造商的规格。答案是因为随着时间的推移情况变得更糟，并且退化速率与穿透位错的初始密度和LED所经受的热量直接相关。

失败的主要原因

LED是一种电子设备，因此有很多方法可能会出错。 然而，在实践中，LED非常可靠，“失败”最有可能是光的结果输出低于可接受的阈值触发的主要原因(或“流明故障”)被触发(最多在晶圆制造过程中引入芯片的微小穿透位错。

穿线位错作为晶体较大位错的成核位置。这些由于加热过程中的自然形成，当LED开启时热膨胀和收缩随着时间的推移，随着越来越多的位错发生，非辐射复合的位点数量增加，量子也随之增加。 (一些其他因素，例如金属从连接引线扩散到半导体中也会导致流明失效，但位错是主要机制。)

LED所承受的温度是导致的温度的主要原因。错位率。更热的芯片将更快地形成位错，因此更快地褪色。这是制造商建议保持芯片结温降低的关键原因。图3显示了工作寿命如何受温度影响。

图3：LED寿命与结温的关系。

更糟糕的是，引起晶格振动的非辐射复合会增加整体温度。换句话说，随着芯片老化，由于声子数量的增加，对于给定的正向电压，它会更热和更热，加速位错的形成和器件的最终消亡。

还假设更多的位错有助于更快速的效率下降，这种现象通过增加正向电流来提高效率(参见TechZone文章“确定LED效率下降的原因”)。然而，最近的研究表明，情况并非如此。虽然位错肯定会降低峰值效率，但它们实际上可以在峰值效率点之后降低效率下垂曲线的梯度。

更多工作未来

现代LED在制造商建议的正向电压和结点运行时提供令人印象深刻的寿命温度。

芯片如Cree的XT-E和XM-L高压白光LED(图4)，OSRAM的OSLON SSL器件(例如参见LA CP7P-JXKX-24)，Lumex的TitanBrite产品以及Seoul Semiconductor的Acriche芯片都可以超过50，000小时的使用寿命，之后光度下降到新的时间的70%以下。然而，尽管表现良好，但LED公司并没有停滞不前。

图4：Cree XT-E LED在碳化硅衬底上使用InGaN。例如，欧司朗在德国弗劳恩霍夫应用固态物理研究所赞助了一些研究，用于替代制造技术，这些技术有望降低InGaN晶圆中穿透位错的密度。这项工作表明，蓝宝石上的“超低”位错GaN表现出大大降低的位错密度，每平方厘米8 x 10 7 ，而独立式GaN材料与蓝宝石分离的GaN衬底的穿透位错密度为每平方厘米4×10 。

就其本身而言，Cree刚刚宣布增加其XLamp系列XB-D。与该公司的其他XLamp产品一样，该器件基于Cree的SiC技术。虽然该公司本身并没有对此事做太多的大惊小怪，但其他研究人员已经表明沉积在SiC上的InGaN LED的螺纹位错密度要比用蓝宝石制造的低得多。

首尔半导体表示，它将其收入的10%至20%用于研发，最近已获得超过10，000项LED技术专利。该公司的Acriche系列产品使用InGaN LED，采用称为金属有机化学气相沉积(MOCVD)的新工艺制造。这项专利技术是在首尔半导体(以及其他公司)的赞助下开发的，它允许在蓝宝石上制造具有比其他制造技术更低缺陷密度的InGaN器件。

总结

高亮度LED发生故障的最常见原因是长时间变暗，使光线不再足以达到预期目的。这种输出损失的主要原因是量子效率降低，因为芯片晶体结构中的位错增加，增加了可能发生非辐射复合的位点数量。

LED芯片制造商正在努力减少新设备中的缺陷数量，但半导体制造工艺并不完美，总会出现一些故障。影响寿命的设计工程师控制下最重要的因素是结温。根据制造商的热指南操作LED将降低晶体退化速率并确保长而明亮的使用寿命。