分享：探索白光LED劣化原因

　　根據(jù)圖7(a)、(b)可知劣化組件，強度降低的暗帶有增加趨勢，換句話說暗帶會隨著施加電壓，貫穿轉(zhuǎn)位與V型瑕疵數(shù)量明顯增加，結(jié)晶性降低則造成無輻射遷移的機率增加，最后導致強度降低。若仔細觀察圖7(c)的頻譜，嚴重劣化組件的CL頻譜，463nm活性層產(chǎn)生的發(fā)光光線幾乎完全沒有發(fā)現(xiàn)。除此之外研究人員還針對日本新能源與產(chǎn)業(yè)綜合技術(shù)開發(fā)機構(gòu)(NEDO；New Energy and Industrial Technology Development Organization)提案的“利用近場的次世代陰極發(fā)光法(CL；Cathodo Luminescence)與拉曼(Raman)分光儀計劃，開發(fā)利用近場光的“陰極發(fā)光法”與“拉曼分光儀”。

　　該計劃還應用紫外共鳴拉曼效應與特殊形狀的探針，開發(fā)紫外雷射光激發(fā)近場共鳴拉曼分光儀，全球首度成功以100nm以下空間分辨率評鑒硅的應力，目前研究人員正檢討應用在化合物半導體的評鑒。有關(guān)InGaN的量子井結(jié)構(gòu)，使用上述新開發(fā)的陰極發(fā)光法分光儀，能夠超越傳統(tǒng)陰極發(fā)光法100nm的空間分辨率極限，以10nm的空間分辨率，檢測InGaN的量子井結(jié)構(gòu)內(nèi)部「V-defect」周圍的成分變化。

　　上述計劃主要目的是提升陰極發(fā)光法的分辨率，為縮小電子束的直徑，研究人員采用新型蕭基發(fā)射式 (SE；Schottky Emission) 電子j，制作高分辨率掃描式電子顯微鏡 (SE-SEM；High-Resolution Schottky Emission-Scanning Electron Microscope)。

　　分光系統(tǒng)組合橢圓鏡與光纖，掃描電子線的同時進行陰極發(fā)光法頻譜檢測，它采用與傳統(tǒng)分光系統(tǒng)不同的新型分光系統(tǒng)。新型分光系統(tǒng)使用厚6mm、焦距2mm超小型拋物面鏡，驅(qū)動壓電平臺(Piezo stage) 利用非掃描電子線方式取得陰極發(fā)光的頻譜。換句話說試料釋放的陰極發(fā)光，在拋物面鏡集光后再利用檢測器檢測，由于它只檢測一點釋放的陰極發(fā)光，因此上述新開發(fā)設備的分辨率，比組合橢圓鏡、光纖的分光系統(tǒng)大幅提升。

　　透過橢圓鏡的使用，高分辨率掃描式電子顯微鏡除了陰極發(fā)光的檢測之外，還能夠檢測拉曼頻譜與光致發(fā)光(Photoluminescence)。圖8是上述新開發(fā)高分辨率掃描式電子顯微鏡內(nèi)近場分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。接著研究人員使用新開發(fā)的陰極發(fā)光分光系統(tǒng)，檢測GaN 2μm/藍寶石上制成的InGaN單量子井結(jié)構(gòu) (SQW；Single Quantum Well) 膜層，亦即In0.02Ga0.98N7nm/In0.20Ga0.80N3nm/In0.20Ga0.98N7nm的陰極發(fā)光頻譜，值得一提是上述膜層是典型藍光LED常用成分而且InGaN的單量子井結(jié)構(gòu)膜層，具備對組件良品率與耐久性重大影響的 V-defect。

圖9(a)是V-defect的高倍率掃描型電子顯微鏡影像；圖9(b)是5nm步進檢測時，V-defect附近陰極發(fā)光線頻譜分布的檢測結(jié)果，圖9(b)的陰極發(fā)光線頻譜分布檢測，主要是沿著圖9(a)掃描型電子顯微鏡影像線A-B進行。圖9(a)觀測到的波長364nm與448nm發(fā)光線，被歸類成各緩沖層的GaN與InGaN量子井層之間的發(fā)光。此外560nm附近觀測到的寬闊發(fā)光線，主要是黃色瑕疵的緩沖層GaN缺陷造成的發(fā)光線。由于V-defect的斜面可以觀測到波長400nm的發(fā)光線，因此研究人員認為該發(fā)光線反映V-defect斜面InGaN單量子井結(jié)構(gòu)的In成分變化。

　　圖10是448nm附近InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層產(chǎn)生的發(fā)光線峰值波長、強度、半值寬度評鑒結(jié)果。由圖10(a)可知越靠近V-defect底部，峰值波長越往短波長端移動，而且In的成分越少，反過來說在V-defect的底部，峰值波長移動到長波長端，這代表V-defect的底部In的成分非常豐厚。

　　圖11是400nm附近InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層，產(chǎn)生的發(fā)光線峰值波長、強度、半值寬度評鑒結(jié)果，由圖11(a)可知V-defect的斜面強度變強，成分的變質(zhì)主要集中在V-defect的斜面。

　　圖12是GaN緩沖層(2μm)的發(fā)光線峰值波長、強度、半值寬度評鑒結(jié)果，由圖12(a)可知峰值位置先移動到短波長端，越接近V-defect的底部越移動到長波長端，波長移動到長波長端主要是In擴散到GaN層所造成。至于移動到短波長端就無法以In成分變化作說明，特別是近V-defect附近的峰值波長變化，主要是硅組件內(nèi)部硅局部氧化部位，發(fā)生類似應力變化所致。

　　圖13是以w的空間將V-defect近似化，接著根據(jù)GaN膜層上以w的間隔堆棧的InGaN薄膜的結(jié)構(gòu)，計算InGaN薄膜端緣產(chǎn)生的應力，其結(jié)果如圖13(b)所示，圖中黑色菱形是實測數(shù)據(jù)，白色菱形是計算數(shù)據(jù)，由圖可知實測結(jié)果與計算結(jié)果兩者非常一致。

　　根據(jù)上述資料，研究人員針對V-defect的形成機制提出以下發(fā)生模式，分別是：(1)為緩和InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層與GaN積層界面的應力，In會擴散到GaN膜層內(nèi)部使貫穿轉(zhuǎn)位穩(wěn)定化。(2)持續(xù)使InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層成長時，為掩埋貫穿轉(zhuǎn)位InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層內(nèi)部的In量缺損，此時會出現(xiàn)InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層的成分變質(zhì)層。(3)InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層繼續(xù)成長，為確保InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層內(nèi)部成分變質(zhì)層的In，In量缺損的InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層必須繼續(xù)成長，因此InGaN單量子井結(jié)構(gòu)膜層的成分變質(zhì)層厚度會增加，其結(jié)果造成400nm附近成分變質(zhì)層產(chǎn)生的發(fā)光線強度增強，最后形成所謂的“V-defect”。換句話說LED芯片的劣化，主要是貫穿轉(zhuǎn)位與V-defect增生所造成。

　　結(jié)語

　　以上介紹利用過電壓劣化試驗的分析結(jié)果。有關(guān)白光LED芯片的劣化，主要原因是缺陷增生造成，除此之外樹脂與熒光體的劣化也必須列入考慮。目前國外業(yè)者正進行白光LED燈泡的溫度加速試驗，分成光劣化與熱劣化兩大類別，詳細分析熒光體的劣化機制，一般認為隨著劣化機制的掌握，未來對提升白光LED的壽命有正面幫助。