如何減緩LED的劣化情況，延遲電池使用壽命

逐漸褪色，這是大多數(shù)LED失效的原因，主要是由于半導(dǎo)體芯片中的微裂紋。在復(fù)雜的晶片制造過程中引入了這些缺陷。稱為螺紋位錯(cuò)，這些微裂紋隨著時(shí)間的推移而倍增 - 當(dāng)LED暴露在高溫時(shí)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(fù)合”的增加并不是導(dǎo)致LED失效的唯一機(jī)制。穿線位錯(cuò)也為泄漏電流創(chuàng)造了路徑，從而搶奪了更有價(jià)值的電荷載體的LED。隨著缺陷的增加，情況會隨著時(shí)間的推移而變得更糟，導(dǎo)致電源尖峰或靜電放電（ESD）事件導(dǎo)致的故障風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)

在運(yùn)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(shí)）在光譜的可見部分釋放光。 （之前引用的TechZone文章詳細(xì)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(xué)受量子力學(xué)的支配，量子力學(xué)允許電子和空穴做一些奇怪的事情。一個(gè)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(xué)，它將需要比電子擁有的更多能量。這有點(diǎn)像在一個(gè)陡峭的山坡上滾動一個(gè)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(yùn)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?yàn)闃?gòu)成它的電荷載體對電致發(fā)光沒有貢獻(xiàn)。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(shè)備中，效果通?？梢院雎圆挥?jì)。

盡管如此，所有設(shè)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(yùn)行期間的增加速度以及它可能在多長時(shí)間內(nèi)開始引起問題。

消失的電荷載體

事實(shí)證明，穿透位錯(cuò)（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(yīng)變引起的垂直微裂紋（圖1）是隧道掘進(jìn)概率增加的地方。 

圖1：LED半導(dǎo)體芯片中的線程錯(cuò)位。（圖片提供）北卡羅來納州立大學(xué)。）

例如，一組研究人員已經(jīng)確定，樣品LED中的穿透位錯(cuò)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(lán)寶石上的氮化銦鎵（InGaN））， LED漏電流呈指數(shù)增長。其他科學(xué)家確定漏電流增加218倍，因?yàn)榇┩肝诲e(cuò)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(cuò)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(fù)合位點(diǎn)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(yù)期的那樣糟糕，因?yàn)殡m然漏電流在穿透位錯(cuò)時(shí)更糟，但是電荷載體確實(shí)表現(xiàn)出偏向于遷移到晶體中富含銦的“阱”，遠(yuǎn)離位錯(cuò)，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(yīng)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(dǎo)體等優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商目前關(guān)注的重點(diǎn)是增強(qiáng)制造技術(shù)，旨在限制新晶圓中的螺紋位錯(cuò)數(shù)量。這不是一件容易的事，因?yàn)橛性碙ED半導(dǎo)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(xì)選擇供應(yīng)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(yīng)商已轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC），因?yàn)樗兄Z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I(lǐng)nGaN制造有源LED。因?yàn)閮煞N不同材料之間沒有晶格失配，所以穿透位錯(cuò)密度顯著降低。缺點(diǎn)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(jià)格敏感的主流照明市場。

當(dāng)新的LED只是挑戰(zhàn)的一部分時(shí)，小心選擇LED。設(shè)計(jì)工程師使用LED的方式會影響螺旋位錯(cuò)隨時(shí)間的增加，從而可能增加泄漏電流并加速設(shè)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(dǎo)電區(qū)域中操作。重要的是要小心控制正向電壓，因?yàn)槌^導(dǎo)通電壓，小的波動會引起正向電流，光強(qiáng)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(xì)節(jié)，在這種情況下為60 lm/W Seoul Semiconductor器件。從圖中可以看出，導(dǎo)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(dǎo)體公司提供。）

就本文而言，主要關(guān)注領(lǐng)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(diǎn)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(jìn)一步微小變化會導(dǎo)致反向偏置電流急劇升高。然而，與正向偏置導(dǎo)通區(qū)域不同，擊穿區(qū)域中的操作將是短暫的，因?yàn)槠骷⒈粨p壞并且很快可能會災(zāi)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?yàn)樵谡Ｊ褂弥?，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(shí)間的推移而發(fā)生變化，因?yàn)榧词乖贚ED正常運(yùn)行期間，螺紋位錯(cuò)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(cuò)會增加漏電流和非輻射復(fù)合。最終，光度下降到一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)新的和“故障”發(fā)生時(shí)，它低于設(shè)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(dǎo)致LED失效的最常見原因，但并不是芯片遭受過多螺紋位錯(cuò)的唯一方法就會死亡。隨著時(shí)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(dǎo)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(dǎo)致的災(zāi)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(shí)超過反向偏置擊穿電壓的點(diǎn)，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(shè)備，但他們有一個(gè)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(shí)間的推移而增加，進(jìn)一步降低光度，在最壞的情況下會導(dǎo)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(cuò)較少的產(chǎn)品，但建議工程師在設(shè)計(jì)中加入足夠的預(yù)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(yù)良好的經(jīng)銷商那里購買產(chǎn)品是一個(gè)好主意。其次，LED應(yīng)在供應(yīng)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(yīng)保護(hù)芯片免受機(jī)械應(yīng)力和ESD事件的影響。第四，工程師了解LED應(yīng)該充分冷卻應(yīng)該不足為奇。