GaN基LEDs可靠性分析#优选、

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GaN基LED芯片的光效提升研究

第42卷第4期2021年4月激光杂志LASER JOURNALVol.42,No.4April,2021 GaN基LED芯片的光效提升研究崔悦J许英朝'J刘春辉2,林苗茜-李洋洋-陈浩I'厦门理工学院电气工程及其自动化学院，厦门361024；2厦门理工学院光电与通信工程学院，厦门361024；'厦门理工学院福建省光电技术与器件重点实验室，厦门361024摘要:GaN基LED芯片具有制备工艺简单、低成本、良率高等优点，提高LED芯片的出光效率已成为国内外专家的研究重点。

采用tracepro软件，并基于蒙特卡洛法对ITO表面具有微孔结构的LED芯片的光萃取效率进行模拟仿真，相比ITO层没有微孔结构的LED芯片，有微孔结构的LED芯片的光萃取效率有明显的提升。

通过光刻技术和湿法蚀刻技术制备ITO厚度为30nm的LED芯片，在ITO层制作周期微结构。

通过光电性检测，在通入20mA电流时，相比IT0层没有微孔结构的LED芯片，有微孔结构的LED芯片样品的输出光功率分别提高3.9%、6.76%和4.66%,并在此基础上优化了的电极结构，使电流密度分布均匀得到有效提升。

关键词:LED芯片；ITO；tracepro；微孔结构中图分类号:TN383文献标识码：A doi：10.14016/ki.jgzz.2021.04.031Research ofluminous efficiency of GaN-based LED chip improvementCUI Yue',XU Yingchao2'3,LIU Chunhui2,LIN Miaoqian1,LI Yangyang1,CHEN Hao1 1School of Electrical Engineering and Automation Xiamen University of Technology,Xiamen361024,China；2School of Optoelectronics and Communication Engineering,Xiamen University of Technology,Xiamen361024,China；3Fujian Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Devices,Xiamen University of Technology,Xiamen361024,ChinaAbstract:The GaN-based light-emitting diodes(LED)have been comprehensively studied because of the benefits of easy preparation,reasonable cost and high production.The Monte Carlo method was simulated the light extraction efficiency of GaN-based LED chips by Tracepro software.The simulation of LED chips results shows that the micropore structure availably promotes the light output efficiency of LED chips.LED chips of the ITO layer with a thickness of30nm were fabricated by photolithography and wet etching.The experiment results show that the light output power of LED chips with different microporous structure undercurrent of20mA increased by3.9%, 6.76%and 4.66%compared with the LED chip with no microporous structure in the ITO layer.It is firmed that the periodic microstructure in the ITO layer can availably promote the output optical power of LED.The uniformity of the current density distribution was promoted by the electrode structure optimised.Key words:LED chip；ITO；tracepro；microstructure收稿日期：2020-ll-15基金项目：福建省自然科学基金面上项目(No.2019J01876)；福建省教育厅中青年教师教育科研项目资助省属高校专项(No.JK2017036)；厦门市科技计划项目(No.3502Z20183060)；厦门市科技计划重大项目(No.3502ZCQ20191002)作者简介:崔悦(1995-),女，在读硕士生，主要研究方向为智能照明电器与光电子器件。

GaN基发光二极管寿命测试及失效分析

收稿日期:2006-10-21.基金项目:国家自然科学基金资助项目(60506012);北京市教育委员会基金项目(KZ200510005003);北京市人才强教计划项目(05002015200504);国家/9730计划资助项目(2006CB604902).光电器件GaN 基发光二极管寿命测试及失效分析周跃平,郭霞,王海玲,高国,沈光地(北京工业大学北京光电子实验室,北京100022)摘要: 将来自相同外延片和相同制作工艺的30只GaN 基绿色发光二极管管芯分成3组,分别加30、40和60mA 电流进行不同时间的老化试验。

在老化之前和老化期间测量了器件的光输出功率和I 2V 特性。

将测得的光输出功率数据对时间进行指数函数拟合,得到了每一组器件的退化率及寿命,并推出器件在正常使用条件下的寿命。

实验数据分析表明在电流应力作用下,GaN 基绿色发光二极管的正向电压随着老化时间的增加单调上升,同时光功率下降。

在60mA 下老化的管芯的串联电阻退化严重。

对失效器件进行了失效机理分析。

关键词: 发光二极管;电压降;退化;寿命测试;失效中图分类号:T N31218 文献标识码:A 文章编号:1001-5868(2007)03-0345-04Life Tests and Failure Analysis of GaN 2based LEDsZH OU Yue 2ping,GU O Xia,WANG H ai 2ling,GAO Guo,SH EN Guang 2di(Beijing Optoelectr onic Technology Lab 1,Beijing Univer sity of Technology,Beijing 100022,CHN)Abstr act: T hree groups of GaN 2based gr een LED chips which were taken from the same expitaxy and were made with the same manufacturing processes have been biased at different DC for ward cur rents:30mA,40mA,60mA at room temper ature for different time.The optical properties and I 2V characteristic of these chips were measured befor e and during the aging test.The data of light output power were fitted as exponential function on the time index and the degradation rates of every group chips wer e obtained,and then the life time of ever y group chips using under normal conditions was extrapolated.T est data analysis showed that the forward voltage of the GaN 2based chips aged under electric stress increased monotonously with time meanwhile the light output power decreased.T he series resistance of chips aged under 60mA DC current degraded badly.And failure mechanism for the failure chips was analyzed.Key words: LED;forwar d voltage;degradation;life test;failure1 引言GaN 基发光二极管在平板显示及固体光源等领域得到了越来越广泛的应用[1,2]。

GaN基发光二极管的寿命测试与可靠性分析的开题报告

GaN基发光二极管的寿命测试与可靠性分析的开题报告
一、选题背景及意义
随着半导体发光二极管(LED)的广泛应用，如照明、显示、通讯等领域，对其寿命和可靠性的要求越来越高。

比如，在汽车照明领域中，发光二极管必须满足高温、高湿、
高振动等复杂环境的要求，因此需要对其进行严格的寿命测试和可靠性分析。

而GaN
基发光二极管因其具有优异的电学性能和光学性能，在上述应用方向中得到了广泛的
应用。

因此，对GaN基发光二极管的寿命测试和可靠性分析具有重要作用。

二、研究内容和方法
本篇开题报告拟从以下几个方面进行研究：
1、GaN基发光二极管寿命测试：采用加速寿命测试方法，通过高温、高湿、高电流等条件下对GaN基发光二极管进行寿命测试，记录其退化过程和破坏形态，并分析其寿命规律和影响因素。

2、GaN基发光二极管可靠性分析：通过分析制备工艺、器件结构、耐受电压等因素对GaN基发光二极管的影响，对其可靠性进行分析，探究其可靠性提升的途径。

3、GaN基发光二极管寿命测试系统的建立：搭建完整的GaN基发光二极管寿命测试
系统，包括测试环境控制、测试方法设计、数据采集和分析等部分，实现对GaN基发光二极管寿命测试的快速、准确、可靠的测量。

四、预期成果及意义
本研究拟实现对GaN基发光二极管的寿命测试和可靠性分析，探究相关器件退化过程和规律，为其在实际应用中提高可靠性提供重要的参考和依据。

同时，本研究还将建
立一套完整的寿命测试系统，为从事相关研究和产品开发的企业提供技术支持和服务。

GaN基光子晶体型LED

光子晶体型GaN基LEDXXX（XXX）摘要本文从光子晶体的性能及聚焦离子束技术制备GaN基二维八重准晶光子晶体等方面指出了近年在GaN基光子晶体型LED方面研究的主要进展。

GaN基材料系的刻蚀速率主要取决于聚焦离子束的束流，而与时间无关。

制备时可在10pA至500pA离子束流范围内，通过改变放大倍数、扫描区域、离子束流和刻蚀时间等参数来调整刻蚀的孔径、深度和刻蚀区域大小。

关键词GaN;LED;二维光子晶体;准晶;聚焦离子束刻蚀;出光效率Photonic crystal-type GaN-based LEDXXXXXXAbstract This title show about the performance of photonic crystals and the Focused Ion Beam Fabrication of GaN-based two-dimensional photonic quasicrystals. All of these point out the main research progress of GaN-Based photonic crystals LED in recent years. GaN-based materials depends primarily on the Department of etch rate of the beam focused ion beam instead of the time. When the ion beam range in 10 pA to 500 pA. To adjust the etching parameters such as aperture, depth and size of the etched area, we can make it by changing the magnification, scanning the region, ion beam, and etching time.Key words GaN; LED; two-dimensional photonic crystals; quasicrystals; focused ion beam etching; light extraction eficiency进入21世纪以后环保和节能成为市场热点，LED行业也开始升温。

垒结构对硅衬底gan基绿光led性能的影响

摘要GaN基LED凭借其可控的全色光谱能隙以及优良的物理化学性能，在各种照明、背光等领域有着广泛的应用前景，已逐步成为新一代绿色照明光源。

目前LED照明的主流技术方案是“蓝光LED+黄色荧光粉”合成白光，虽然可以获得较高的光效，但色温、显色指数等色品质不佳。

为了获得真正意义上的高品质LED照明光源，白光需要采用全LED混光来实现，即采用红、绿、蓝三基色LED （RGB）获得白光，这样就可以实现低色温、高显色指数以及高效率的完美结合。

而目前绿光的发光效率远远落后于蓝光和红光LED，学术界称之为“Green gap”，这也成为实现RGB白光光源的主要技术瓶颈。

因此，进一步提升绿光LED量子效率成为近几年LED领域的研究热点。

与垒之间的晶格失配导致量子阱中存在较大应力，这种应力对绿光LED的光电性能有明显影响，但一直没有统一的认知。

基于硅衬底LED技术平台，本文通过改变垒结构较为系统地研究了垒对硅衬底绿光LED应力、光电特性、结温特性以及老化特性的影响。

获得了以下研究成果：1）采用高分辨率X射线衍射（HRXRD）测试了三种不同垒结构（垒中含InGaN、垒含AlGaN以及全GaN垒）的Si衬底GaN基绿光LED外延薄膜（1015）面非对称衍射倒易空间分布图，定性的表征了三种结构量子阱的应力状态，结果表明，垒层中引入InGaN和AlGaN均能明显减小绿光量子阱所受的压应力，其中引入InGaN时所受压应力最小。

2）将上述三种垒结构的Si衬底GaN基绿光LED外延片制作成垂直结构芯片，研究了其变温电致发光（VTEL）性能，结果表明：在同一温度下，随着电流密度的增加，三种结构的EL峰值波长均发生蓝移，但程度存在差异。

环境温度为低温13K时，随着电流密度的增加，垒中含AlGaN的蓝移量大于全GaN垒，全GaN垒和垒中含InGaN的蓝移量相近。

在环境温度为300K（室温）时，蓝移量的大小也不同，大小关系为：全GaN垒大于垒中含AlGaN，垒中含AlGaN又大于垒中含InGaN。

GaN基LED芯片可靠性优化技术探究

GaN基LED芯片可靠性优化技术探究作者：解鹏涛来源：《科技创新与应用》2015年第20期摘要：在目前传统的GaN发光二极管中，因为发光部产生的热量无法得到有效的释放直接导致热量出现不断累加的情况致使LED芯片出现了严重的恶化。

文章主要探讨了GaN基LED具体芯片自身可靠性优化技术的相应研究，分别讲述了具体的研究方案以及实验结果等内容。

关键词：GaN；LED芯片；可靠性；优化技术；研究文章主要讲述了侧壁具有较强导热保护层的GaN基LED结构，这种结构能够实现侧壁出现表面钝化，最终改变整个器件具有的发热特性，利用较高电流对各种绝缘材料自身的保护层以及LED开展老化的相应实验，综合分析输出功率随时间变化存在的各种关系并实施侧壁保护针对LED具体可靠性的相应研究。

同时最终的实验结果证明GaN基发光二极管自身功率速度变化仍然比较缓慢，并且证明AlON材料保护层的LED具体的光输出功率发生的老化现象比较缓慢，这种保护层有助于提升LED芯片具有的可靠性。

主要是由于AlON这一材料自身具有较强的导热性，同时能够有效的促进LED热量的实际疏散。

与此同时这种材料具有较强的钝化作用，能够有效的减少LED自身的悬挂键，能够有效的提升器件自身具有的可靠性。

1 研究方案1.1 结构模型文章主要针对发光芯片在整个侧面位置出现导热性较强的保护膜能够有效传导存在的热量并不断降低边缘出现的局部高温，同时利用表面钝化有效减少出现的悬挂键。

其中制定的GaN 基LED具体结构示意图如图1所示。

图1 含侧壁保护层LED基本结构示意图文章具体的研究方案：首先，制定没有保护层的GaN基LED，同时进行相应可靠性的具体测试。

其次，在传统结构的基础之上建立保护层并进行相应的可靠性分析。

1.2 LED基本制作工艺文章主要在传统LED基本结构的侧壁位置形成相应的保护层，从而不断改善器件自身具有的可靠性。

同时，首先需要制造的就是具有传统结构的LED基本器件。

GaN基白光LED可靠性研究与失效分析

GaN基白光LED可靠性研究与失效分析宋嘉良;文尚胜;马丙戌;符民;胡捷频;彭星;方方;廖少雄;康丽娟【摘要】针对LED样品检测中的样品短路失效、LED光源黑化、光通量下降和芯片表面通孔异常现象,采用金相切片、机械微操、静电测试等方式结合扫描电镜和能谱仪(EDS)等表征手段对失效机制进行了分析,揭示了LED失效原因.包括镀层银离子与杂质硫离子导致光源黑化;芯片抗静电电压低,部分样品发生静电击穿;失效芯片通孔下面的Ni-Sn共晶层存在大量空洞,使得复杂结构的芯片通孔应力不均,样品工作时芯片表面开裂破碎,从而导致PN结短路失效;封装胶中残存的杂质离子腐蚀芯片负电极导致电极脱落而出现漏电、光衰和死灯等现象.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2018(039)012【总页数】9页(P1705-1713)【关键词】LED;可靠性分析;电极;芯片;封装【作者】宋嘉良;文尚胜;马丙戌;符民;胡捷频;彭星;方方;廖少雄;康丽娟【作者单位】华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广东广州 510640;华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广东广州 510640;华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广东广州 510640;华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广东广州 510640;华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室,广东广州 510640;复旦大学上海超精密光学制造工程技术研究中心,上海 200433;广东金鉴检测科技有限公司,广东广州 511300;广州虎辉照明科技公司,广东广州510170;华南师范大学美术学院,广东广州 510631【正文语种】中文【中图分类】TN312.8;TN304.21 引言发光二极管(Light emitting diode，LED)作为一种新型光源，具有绿色环保、光电转化效率高、寿命长、工作电压低、响应速度快等优点，在显示、通信和照明等领域有良好的应用和发展前景，具有极高的受关注度[1-3]。

Si衬底LED芯片制造和封装技术

Si衬底LED芯片制造和封装技术引言1993年世界上第一只GaN基蓝色led问世以来，LED制造技术的发展令人瞩目。

目前国际上商品化的GaN基LED均是在蓝宝石衬底或SiC衬底上制造的。

但蓝宝石由于硬度高、导电性和导热性差等原因，对后期器件加工和应用带来很多不便，SiC同样存在硬度高且成本昂贵的不足之处，而价格相对便宜的si衬底由于有着优良的导热导电性能和成熟的器件加工工艺等优势因此Si衬底GaN基LED制造技术受到业界的普遍关注。

目前日本日亚公司垄断了蓝宝石衬底上GaN基LED专利技术，美国CREE公司垄断了SiC衬底上GaN基LED专利技术。

因此，研发其他衬底上的GaN基LED生产技术成为国际上的一个热点。

1Si衬底LED芯片制造1.1技术路线在si衬底上生长GaN，制作LED蓝光芯片。

工艺流程：在si衬底上生长AlN缓冲层一生长n型GaN-生长InGaN多量子阱发光层-生长P型AlGaN层-生长p型GaN层-键合带Ag反光层并形成p型欧姆接触电极一剥离衬底并去除缓冲层一制作n型掺si层的欧姆接触电极一合金―钝化一划片一测试一包装。

1.2主要制造工艺si衬底GaN基LED芯片结构图见图1。

图1si 衬底GaN 基LED 芯片结构图从结构图中看出，si 衬底芯片为倒装薄膜结构，从下至上依次为背面Au 电极、si 基板、粘接金属、金属反射镜(P 欧姆电极)GaN 外延层、粗化表面和Au 电极。

这种结构芯片电流垂直分布，衬底热导率高，可靠性高；发光层背面为金属反射镜，表面有粗化结构，取光效率高。

1.3关键技术及创新性用Si 作GaN 发光二极管衬底，虽然使LED 的制造成本大大降低，也解决了专利垄断问题，然而与蓝宝石和SiC 相比，在Si 衬底上生长GaN 更为困难，因为这两者之间的热失配和晶格失配更大，si 与GaN 的热膨胀系数差别也将导致GaN 膜出现龟裂，晶格常数差会在GaN 外延层中造成高的位错密度；另外si 衬底LED 还可能因为si 与GaN 之问有0.5v 的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成P 型掺杂效率低，导致串联电阻增大，还有si 吸收可见光会降低LED 的外量子效率。

GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析

GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析摘要：与正装LED相比，倒装焊芯片技术在功率型LED的散热方面具有潜在的优势。

对各种正装和倒装焊功率型LED芯片的表面温度分布进行了直接测试，对其散热性能进行了分析。

研究表明，焊接层的材料、焊接接触面的面积和焊接层的质量是制约倒装焊LED芯片散热能力的主要因素；而对于正装LED芯片由于工艺简单，减少了中间热沉，通过结构的优化，工艺的改进，完全可以达到与倒装焊LED 芯片相同的散热能力。

关键词：功率型LED；倒装焊结构；散热性能；热阻1、引言对于功率型LED，目前的电光能量转换效率约为15 ，即85 的能量将转化为热能。

在GaN基功率型LED中，由于Ⅲ族氮化物的P型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高激活能，热量特别容易在P型区域中产生。

如果热量集中在尺寸很小的芯片内，会使芯片温度升高，引起热应力分布不均、芯片发光效率和荧光粉转换效率下降。

当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律升高。

因此在芯片制作和封装设计方面要设法降低热阻，以保证功率型LED能高效且可靠地工作。

本文在对各种功率型LED芯片的表面温度分布进行直接测试的基础上，分析了正装和倒装焊芯片结构LED的散热性能，以及制约因素和改进的途径。

2、功率型LED芯片散热物理模型2．1 芯片结构与基本参数与传统的白炽灯相比，LED器件的温度一般低于200℃ ，其热辐射非常弱。

同时由于封装结构和材料的因素，芯片侧表面和上表面的散热能力极差。

因此，LED产生的热量绝大部分是通过热传导的方式传到芯片底部的热沉，再以热对流的方式耗散掉。

表1给出了几种不同材料的热导率[1 ]。

由表1可以看出，目前在功率型LED的制备中，技术最为成熟、用得最多的蓝宝石衬底的热导率只有35～46 W/(m ·K)，不足Si材料的1/4。

为了提高功率型LED器件的散热能力和出光效率，产生了倒装焊芯片(flip-chip)结构。

Si衬底GaN基蓝光LED老化性能

第31卷第3期2010年6月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.31No.3Jun.，2010文章编号：1000-7032（2010）03-0364-05Si 衬底GaN 基蓝光LED 老化性能肖友鹏1，莫春兰1，2，邱冲1，2，江风益1，2*（1.南昌大学教育部发光材料与器件工程研究中心，江西南昌330047；2.晶能光电（江西）有限公司，江西南昌330029）摘要：报道了芯片尺寸为500μm ˑ500μm 硅衬底GaN 基蓝光LED 在常温下经1000h 加速老化后的电学和发光性能，其光功率随老化时间的变化分先升后降两个阶段；老化后的反向漏电流和正向小电压下的电流均有明显的增加；老化后器件的外量子效率（EQE ）比老化前低；老化前后EQE 衰减幅度在不同的注入电流下存在明显差异，衰减幅度最小处出现在发光效率最高时对应的电流密度区间。

关键词：硅衬底；GaN ；蓝光LED ；老化；光衰中图分类号：O482.31；TN383.1PACS ：78.60.FiPACC ：7860F文献标识码：A收稿日期：2009-10-09；修订日期：2009-11-24基金项目：国家“863”计划（2003AA302160，2005AA311010）资助项目作者简介：肖友鹏（1979－），男，江西萍乡人，主要从事Si 衬底GaN 基LED 的研究。

E-mail ：lantianshang@ *：通讯联系人；E-mail ：jiangfy@1引言近几年来，InGaN /GaN 发光二极管（LEDs ）的研发与生产取得了飞速发展。

文献中已经报道了蓝光LEDs 的光功率达到643mW （440nm /3.24V /350mA /WPE ：57%），白光的光通量达到155lm （350mA /3.24V /136lm /W /5000K ）［1］。

这表明，GaN 基蓝光LEDs 已经具备了进入通用照明所需的发光效率［2］。

浅谈GaN功率器件应用可靠性增长

浅谈GaN功率器件应用可靠性增长摘要：作为雷达T/R组件核心元器件，GaN功率器件的输出功率、功率密度日渐提高，这对器件长期使用安全可靠性提出更高要求。

对此，本文通过分析GaN功率器件失效原因，发现电压过冲、工作结温过高、栅流电压稳定性会影响GaN功率器件长期应用可靠性。

针对此，本文提出了行之有效的优化对策，通过加强管理漏极电压过冲问题、强化栅压稳定性、调节GaN管芯沟道温度的方式，提高GaN功率器件应用可靠性，希望此次分析可以为相关业内人士提供参考与借鉴。

关键词：GaN功率器件；电压过冲；漏源偏置电压；优化对策引言：新型导弹、隐身飞机、无人机、巡航导弹等新目标出现，对雷达技术提出较高要求，雷达装备必须具备精密探测能力。

分析可知，无论是无人机还是巡航导弹，此类目标均具有飞行高度高、飞行速度变化大、反射面积小等特点，这对雷达预警探测系统提出巨大挑战。

因此，若想保证雷达威力，提高探测精细性，需要高功率固态发射机支持，同时也需要射频功率放大器具备较大输出功率。

而分析GaN功率器件可知，在实际应用中表现出高效率、高功率、高可靠性优势，但应用到现代雷达及装备中，必须采取有效措施提高GaN射频功率器件漏源工作电压，使得输出功率、功率密度可以不断提升。

针对此，文章深入探究GaN功率器件失效原因，并提出有效措施，提升其应用可靠性。

一、GaN功率器件失效原因分析（一）电压过冲如图1所示，为典型GaN功率放大器电路。

分析可知，GaN功率放大器如果工作在脉冲条件环境下，为有效避免射频脉冲信号宽度损失，往往会让漏极电压脉宽超过信号脉宽，并且将信号脉宽嵌入到漏极电压脉宽中。

而当输入微波信号出现突然断开情况，此时功放漏极电流会发生较大变化，以非常快的速度降低[1]，并且因为偏置线的存在，使得感抗L s会对电流突变产生一定阻碍作用，此种情况下功率放大器漏极电压为：U=V ds+L s（di/dt）。

当中di/dt表示功放漏极电流变化率，V ds则代表功放正常工作电压，而dt表示发射射频脉冲下降沿。

GaN基大功率白光LED的高温老化特性

第 10 期
周舟，等： GaN 基大功率白光 LED 的高温老化特性
1049
K
=
dCΣ dRΣ
=
cλA2 ，
（ 4）
其中 c 为比热容，λ 为热导率，A 为传热途径上的
横截面积。图中曲线变化的位置表示热流经过两
种不同材料的界面时由于两种材料的横截面尺
图 3 所示为器件 I-V 特性曲线，由图 3（ a）可以看出，在较高的正向偏压区域的相同电压下，大功率白光 LED 的正向电流随老化时间逐渐降低，说明 LED 的串联电阻在不断增大。引起串联电阻的增加有许多因素，例如引线键合的退化、欧姆接触的退化、Mg 掺杂剂的钝化或者半导体缺陷等。
加，其原因可归结为老化过程中芯片有源区中缺陷的不断增加导致了非辐射复合中心的增多［7］，
这也是造成光强衰减的一个重要因素。
3． 3 热特性分析
散热能力的强弱直接影响大功率 LED 的性
能［8-9］，而热阻则是表征器件散热能力的重要热
学参数。热阻为导热介质两端的温度差与通过其
热流功率的比值，由式（ 1）可得 LED 的热阻的表
2实验
将 1 mm × 1 mm 的 GaN 基大功率蓝光芯片涂敷 YAG 黄色荧光粉制成的白光 LED 作为实验样品，初选 5 支光、电、热等主要性能参数值相近的器件样品。器件外形如图 1 所示。
将 LED 样品固定于可施加电流的恒温实验平台上，样品的金属管壳与恒温平台的导热膜紧
图 1 大功率白光 LED 样品外形 Fig． 1 Configuration of high-power white LED sample
Φ = exp（－ αt），
（ 2）

半导体材料Si、SiC和GaN 优势及瓶颈分析

溺于刷“帅哥美女”。

今天我们再来聊聊这三兄弟~1.厚积薄发，应运而生作为半导体材料“霸主“的Si，其性能似乎已经发展到了一个极限，而此时以SiC和GaN为主的宽禁带半导体经过一段时间的积累也正在变得很普及。

所以，出现了以Si基器件为主导，SiC和GaN为”游击”形式存在的局面。

在Si之前，锗Ge是较早用于制造半导体器件的材料，随后Si以其取材广泛、易形成SiO2绝缘层、禁带宽度比Ge大的优势取代了Ge，成为主要的半导体材料。

随着电力电子技术的飞速发展，Si基半导体器件也在飞速发展，电流、电压等级越高，芯片越薄越小、导通压降越小、开关频率越高、损耗越小等等。

任何事物的发展，除了外在力的作用，自身特性也会限制发展，Si基半导体器件似乎已经到了”寸步难行”的地步。

而此时，以碳化硅SiC和氮化镓GaN 为主的新型半导体材料，也就是我们常说的第三代宽禁带半导体(WBG)”破土而出”，以其优越的性能突破的Si的瓶颈，同时也给半导体器件应用带来了显著的提升。

相对于Si，SiC和GaN有着以下几点优势：❶禁带宽度是Si的3倍左右，击穿场强约为Si的10倍；❷更高的耐压能力以及更低的导通压降；❸更快的开关速度和更低的开关损耗；❹更高的开关频率；❺更高的允许工作温度；❻SiC具有更高的热导率；根据上面的优势，第三代宽禁带半导体器件，能够达到更高的开关频率，提高系统效率，同时增大功率密度等，但是目前推动的最大推动力还得看成本！2. SiC&GaN目前，SiC和GaN半导体器件早已进入商业化，常见的SiC半导体器件是SiCDiode、JFET、MOSFET，GaN则以HEMT(高电子迁移率晶体管)为主。

2.1 SiC半导体器件不同类型的碳化硅器件结构和工艺难度都不一样，一般都是依据其工艺难度依次推出的。

可知，SiCDiode便是较早实现商业化碳化硅半导体器件，同时也是历经内部结构和外部封装优化最多的器件，自身耐压能力、抗浪涌能力和可靠性都得到了大大提高，是目前成熟的SiC半导体器件。

GaN基LED的静电防护

InGaN基LED的静电防护随着电子技术的不断发展，静电防护技术不断提高，无论是在LED器件设计上，还是在生产工艺上，抗ESD能力都有明显的进步，但是，InGaN基LED毕竟是ESD 敏感器件，静电防护必须渗透到生产全过程，InGaN基LED包括蓝光、纯绿光、白光、紫光LED。

氮化物蓝光LED的成功研发，从根本上解决了LED三基色缺色问题，实现了全彩色显示，InGaN基蓝光、绿光LED得到广泛应用。

但是，InGaN基LED与GaAs基LED相比（如下图），其抗静电放电能力明显下降，InGaN基LED属静电敏感器件，生产和使用过程中，如静电电防护措施不当，即可能造成器件失效或者光电参数劣化。

InGaN基 GaAs基一、静电的产生静电是由于物体接触分离后出现电荷不平衡而产生的，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象，只要有接触分离就有可能产生静电，静电可以说无所不在。

产生静电的途径如下：1．摩擦:在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电，摩擦生电是产生静电的最普通方法。

材料的绝缘性能越好，越容易通过摩擦产生静电。

2．感应:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移因而产生静电。

电场的存在和导电材料是通过产生静电的必要条件。

3．传导:针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如与带电物体接触，将发生电荷转移而产生静电。

二、LED静电放电损伤静电放电(ESD) 引起发光二极管PN结的击穿，是LED器件封装和应用组装工业中静电危害的主要方式。

静电损伤具有如下特点：1.隐蔽性:人体不能直接感知静电，即使发生静电放电，人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2-3KV。

大多数情况都是通过测试或者实际应用，才能发现LED器件已受静电损伤。

2.潜伏性:静电放电可能造成LED突发性失效或潜在性失效。

GaN基LED及其材料

GaN基LED及其材料摘要：宽禁带Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的性能和研究进展已经使大功率紫外光/ 蓝光/ 绿光光发射二极管走向商业市场。

通过引用马老师关于《LED及其衬底技术》的讲座，在本文中简单概述了GaN基LED的发光原理、制备技术以及相关问题，对GaN基LED及GaN材料的基本知识得以更进一步的了解。

对日后学习GaN材料的其他相关知识也具有一定的指导作用。

一、GaN基LED概述随着科学技术的发展，人类的照明方式也不断更新换代，经历了从原始的明火照明，到如今的白炽灯、荧光灯、卤素灯，以及最新一代的氮化镓(GaN)发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)固态照明的发展过程。

GaN基LED的发光效率和使用寿命都远远高于传统照明光源，可广泛使用在各类灯具、汽车的车前大灯和刹车灯等照明领域，可制备出红、绿、蓝三原色LED，用于电子设备、广告牌以及交通信号灯等全色显示领域，可提高光纤通讯的传输效率。

此外，LED还可以应用于生物、医疗、化工和光通信等领域。

LED最基本的结构就是p-n结，由p型GaN和n型GaN组成，其典型结构可见图5。

在同质p-n结两端加上一定的正向偏压时，p-n 结的能带发生变化，如图6所示。

这时，n型GaN区的电子向p区扩散，p型GaN区的空穴向n区扩散，电子和空穴在耗尽区发生辐射复合从而发射出光子。

图5 LED典型结构图图6 （a）热平衡下和（b）正向偏压下p-n结能带图而光子的波长λ和半导体材料的禁带宽度Eg的关系为其中，是普朗克常数，c为光速。

当然，这种结构LED发光效率极低，发出的光子容易被价带的电子吸收，所以无法做成实用的LED器件，这需要我们在对他的结构再做进一步调整才行。

不过，通过图7 III族氮化物GaN、AlN和InN的晶格常数、禁带宽度和发光波长的示意图可看出，III族氮化物GaN、AlN和InN 之间的组合能形成相应的三元化合物和四元化合物，其禁带宽度所对应的发光波长可覆盖全部可见光和部分红外、紫外光。

基于混合型量子阱的GaN基垂直结构发光二极管性能

基于混合型量子阱的GaN基垂直结构发光二极管性能蔡镇准;胡晓龙;刘丽;王洪【摘要】为解决GaN基垂直结构发光二极管(VS-LEDs)在大电流驱动时效率下降的问题,制作了具有耦合量子阱(CQWs)和传统量子阱(NQWs)的混合型量子阱(HQWs)结构VS-LEDs.与NQWs结构VS-LEDs相比,HQWs结构VS-LEDs在350 mA输入电流下的正向偏压降低0.68 V,光输出功率提升53.0％,并有更好的电流响应效率.同时,NQWs结构和HQWs结构VS-LEDs的外量子效率分别下降到最大值的37.7％和67.5％,表明采用HQWs能使LEDs的效率下降得到大幅缓解.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2015(036)006【总页数】6页(P639-644)【关键词】GaN;垂直结构LEDs;混合型量子阱;效率下降【作者】蔡镇准;胡晓龙;刘丽;王洪【作者单位】华南理工大学物理与光电学院广东省光电工程技术研究中心,广东广州510640;华南理工大学物理与光电学院广东省光电工程技术研究中心,广东广州510640;华南理工大学物理与光电学院广东省光电工程技术研究中心,广东广州510640;华南理工大学物理与光电学院广东省光电工程技术研究中心,广东广州510640【正文语种】中文【中图分类】TN383+.1;TN312+.8近年来，GaN基LEDs获得了迅速的发展，由于其节能低耗、环保无污染、体积小、使用寿命长、驱动电压低、单色性强等诸多优点，被广泛应用于全彩色显示、液晶显示器背光源、建筑照明、家庭室内照明、汽车车灯照明等领域[1-2]。

目前蓝宝石衬底是使用最广泛的衬底材料，但其较差的导电、导热性能严重地限制了传统GaN基LEDs在通用照明领域的进一步发展[3-4]。

垂直结构LEDs (VS-LEDs) 一般是通过将GaN外延层从蓝宝石衬底转移至导电、导热性能好的基板上，并且VS-LEDs的电极分布于外延层两侧，因而可以解决衬底散热不佳、电流拥挤等问题。

GaN基LED效率衰减问题研究报告

极化削减（三）
• 极化匹配的 GaInN/AlGaInN 量子井 LED 。 Martin F. Schubert 在这方面做了研究，他发现极化匹配的LED，光输出和效率衰减都得到了改善。
大电流注入下，极化匹配的井和垒使得界面处的极化电荷减小，减小了有源区的漏电流，增加了效率。
5.M.F.Schubert et al. Appl. Phys. Lett, 91, 231114 (2007) 6.X.F. Ni et al. Appl. Phys. Lett, 93, 171113 (2008)
7.J.Q. Xie et al. Appl. Phys. Lett, 93, 121107 (2008)
Martin F. Schubert et al. Appl. Phys. Lett. 93, 041102 (2008)
• Min-Ho Kim 也做了这方面的工作，他发现通过使用 AlGaInN作为垒层，极化效应减小，效率衰减减小，LED 效率得到改善。
如上图所示极化匹配的GaInN/AlGaInN量子井LED能带弯曲明显改善，内量子效率提高，漏电流减小。
(a) 为光输出功率图， (b) 为外量子效率图，我们发现将电子阻挡层移至 N 型 GaN 一侧，对光输出功率有一个明显的提高。外量子效率峰位向大电流方向移动，效率衰减得到一定的缓解。
Ray-Ming Ling et al. Appl. Phys. Lett. 97, 181108 (2010)
增加空穴的注入；改善空穴分布均匀性（二）
• 量子井垒层P参杂。既然空穴很难注入进量子井，我们可以考虑在量子井中进行 P参杂。Jinqiao Xie对量子井垒层； n型GaN注入层参杂浓度和电子阻挡层对效率衰减做了系统的研究。

GaN基LEDs可靠性分析

(2)注入载流子在有源区中的反向隧穿电流 ;
(3) ESD使得p-n结变短;
(4)由于塑料透镜与LEDs发出的短波相互作用，达到一定高温，使透镜性能退化；
(5)在一定的高温条件下，磷层的棕变。
当电流流过LEDs器件有源区，或者达到一定的高温操作，或是置于反偏电流及ESD条件下都可能使退化机理被激发或加剧，并且所有这些因素在LEDs的正常操作过程中都有可能发生。在正常操作条件下，LEDs能够达到相对高的能量扩散（的LEDs能够耗散2-4W的电功率），进而达到相对高的结温（＞）。在高温下能够强有力的影响LEDS的寿命,因为以上所列的许多衰减机理都是由热激发的。当GaN基LEDs用于需要严格控制电流的情况下时，必须确保它有很强的防静电放电能力。
图（三）a是在电流应力为，寿命测试时间为1000小时，光功率随电流的变化即(L–I)。图（三）b是同一个LED在不同测试阶段，内量子效率随电流的变化曲线。如图1（a）所示再在低的电流应力下，LED发出的光功率显著减少。另一方面，对于高的测试电流（），随着老化时间的增加，LED的光功率并没有探测出明显的变化。这一结果显示应力导致了LED有源区非辐射复合中心的产生，再低的测试电流下，这些复合中心能够俘获注入的载流子并使其通过非辐射复合中心复合。另一方面，在高的测试电流下，复合中心会因为高密度的注入载流子而饱和，这样他就不能有效地限制LED的内量子效率。这一结果使得η−I特性曲线在低电流下发生了偏移，并且由于增加了非辐射复合，使得器件的最大外量子效率减小。相似的衰退机理已经在文献中被报道过了，并被解释成如下机理：（1）通过光电分光技术和噪声测试分析得出靠近有源区的非辐射缺陷增加（2）Mg相关的络合物通过分解扩撒到器件的有源区。（3）器件的有源区产生了氮空位。所有这些机理都会增加非辐射复合率，因此引起LEDs光谱的衰减。图（3）对于样品的I–V特性曲线进行细致的分析可以看出直流应力也能够使得反向电流和(V <2 V)的正向偏置电流增加。图三的结果支持了假说即：应力能够增加样品中有源区缺陷的增殖。