一种基于电致发光热点统计的氮化镓基发光二极管可靠性分析方法

摘要

本发明公开了一种基于电致发光热点统计的氮化镓基发光二极管可靠性分析方法。该方法首先通过步进应力测试或反向扫描电流‑电压曲线，分析氮化镓基发光二极管的反向漏电流随时间的退化过程，选取反向漏电流随时间呈明显的上升趋势的电压作为采集元器件电致发光热点时的固定偏压；而后通过微光显微系统，每隔一段时间采集一张电致发光热点的图像；最后通过统计发光二极管元器件退化过程中累积电致发光热点个数，绘制热点产生时间的韦伯分布曲线，来分析发光二极管元器件的可靠性和寿命。本发明采用的是一种简单可操作的方法，实现了对氮化镓基发光二极管元器件的可靠性分析，较现有方法相比具有快速、低成本等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及氮化镓基发光二极管可靠性分析技术领域，尤其涉及一种基于电致发光热点统计的氮化镓基发光二极管可靠性分析方法。

背景技术

近年来随着III-V族基发光材料技术的不断成熟，发光二极管已广泛用于彩色显示、指示灯、数据存储、医疗和交通灯等领域，特别是由于氮化镓基发光二极管的快速发展，以氮化镓为基础发光二极管的全彩化以及白光发光二极管产品的开发成为了全球半导体照明研发生产的热点。

发光二极管最重要的优势是相对于其他光源如白炽灯泡的寿命更长，可靠性更高。但这一特性取决于许多制造因素。就目前常用的以蓝宝石为衬底的氮化镓系列发光二极管产品，蓝宝石衬底与氮化镓外延层晶格失配为13％，热失配34％，因此存在严重的如位错密度大、缺陷多、晶体质量差等问题。这些都将对发光二极管的长期使用的稳定性造成致命的影响。目前，发光二极管元器件可靠性分析方法是基于大量的发光二极管元器件的失效统计，这种方法存在两个问题：①成本高，考虑到失效统计模型的准确性，需要使用大量的发光二极管元器件进行失效分析；②时间长，失效分析是基于元器件在正向偏置或反向偏置条件下软击穿特性的研究，往往需要数百到数万个小时不等。

本发明的目的就是针对现有技术上的不足，提供一种新的快速、低成本的发光二极管元器件的可靠性分析方法。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明的目的旨在提供一种新的快速、低成本的发光二极管元器件可靠性分析方法。该方法对制备的发光二极管元器件进行施加固定反向偏置电压的电学退化测试，通过电致发光成像系统统计退化过程中电致发光热点的个数，绘制热点产生时间的分布曲线。通过韦伯分布模型分析发光二极管元器件的早期失效、偶然失效和损耗失效三个阶段的可靠性。

本发明通过如下技术方案实现：

①分析氮化镓基发光二极管的反向漏电流随时间的退化过程。对发光二极管元器件进行步进应力测试，在常温下，测试电压从较小的反向偏置电压开始，逐步增加，每个电压应力持续一段时间，直至出现软击穿现象。

②通过微光显微系统捕捉发光二极管元器件退化过程中电致发光热点的图像。具体方法是，在氮化镓基发光二极管退化过程中，选取漏电流随应力时间呈明显增长趋势的偏置电压作为采集电致发光热点图像时的固定偏压。将待测发光二极管元器件放置在探针台上，通过源表对该元器件施加固定反向偏压。通过微光显微系统每隔一段时间捕捉一张发光二极管元器件退化过程中电致发光热点的图片。

③统计电致发光热点个数。将一个氮化镓基发光二极管元器件等效为多个面积较小的元器件的并联，每个所述电致发光热点位置对应一个失效的所述面积较小的元器件，确认所述电致发光热点位置的个数为电致发光热点的个数。发光二极管元器件在施加固定的反向偏压过程中，泄漏电流与应力期间的电致发光热点的累积数量近似线性地增加。因此，该元器件的依赖于时间的失效可能性可以通过数连续出现的电致发光热点个数，取代通过记录大量的样品的失效时间进行可靠性分析。该方法的好处在于无需考虑样本差异对分析结果的影响。

④通过所述热点产生时间的韦伯分布来分析发光二极管元器件的早期失效、偶然失效和损耗失效三个阶段的可靠性。对于元器件可靠性的故障分析，韦伯(Weibull)分布模型最为常用。相应的累积分布函数为F(t)＝1-exp[-(τB/η)β]，其中η代表失效时间特性的尺度参数，β是韦伯斜率(或形状参数)，表示故障率随时间的变化。通过统计随反向应力施加时间而累积出现的电致发光热点个数，绘制该元器件的韦伯分布曲线，从而分析元器件的可靠性。

附图说明

图1是基于电致发光热点统计的氮化镓基发光二极管可靠性分析方法流程图；

图2是氮化镓基发光二极管在步进应力过程中的反向漏电流演变过程图；

图3是微光显微系统；图中各标记分别代表的是：1-高灵敏镜头电荷耦合元器件，2-显微镜，3-被测氮化镓基发光二极管，4-源表

图4是退化过程中电致发光热点的空间分布图；

图5是在反向电压为-28V时，电致发光热点累积个数和反偏电流的关系曲线；

图6是氮化镓基发光二极管的韦伯分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种通过电致发光成像系统，统计氮化镓基发光二极管退化过程中电致发光热点的累积个数，绘出热点产生时间的分布曲线，并通过韦伯分布模型分析发光二极管元器件的早期失效、偶然失效和损耗失效三个阶段的可靠性的方法。具体包括以下步骤，如图1所示：

步骤1：分析氮化镓基发光二极管的反向漏电流随时间的退化过程。在常温下，对制备的氮化镓基发光二极管元器件进行步进应力测试。

具体测试方法是，使用源表对元器件施加反向偏压，从-5V开始，步长为-5V，直至元器件出现软击穿现象。从图2中可以看出，当反向偏压超过-25V时，反向漏电流随时间呈明显的上升趋势，元器件的击穿电压为-40V。因此，当采集电致发光热点的图像时，选取的反向固定偏压范围应在-25V到-40V之间。本实施例采用的是-28V电压。

步骤2：通过微光显微系统捕捉发光二极管元器件退化过程中电致发光热点的图像。

所述微光显微系统是一种利用半导体发光现象来定位缺陷和失效的分析系统，如图3所示，包括1-高灵敏镜头电荷耦合元器件，2-显微镜，3-被测氮化镓基发光二极管，4-源表。通过源表对被测氮化镓基发光二极管元器件施加固定反向偏压，当被测元器件中存在漏电和热载流子效应时，从失效点会有光子发射。通过传统的光学显微镜可获得被测元器件的反射图像，此外，光子将从被测元器件进入图像增强器。图像增强器可以放大微弱的光信号，再用电荷耦合元器件(CCD)将信号转换成视频信号，通过计算机图像处理得到发光图像。发光图像与反射图像进行叠加，实现对缺陷或者失效点的定位。

具体测试方法是将氮化镓基发光二极管元器件施加-28V反向偏压。使用微光显微系统，当反向漏电流每增加-0.05mA采集一张电致发光热点的图像。图4示出了当反向漏电流分别为-1.05mA、-1.75mA、-2.5mA，且应力施加时间分别为800s、3500s、10620s时采集的电致发光热点的图像。图4中，发光二极管元器件的面积为300um×300um，元器件的左下角和右上角分别为正、负电极，中间为透明电极，白色的点即为微光显微系统采集的电致发光热点。可以看出，在固定反向偏压下，随着时间的增加，电致发光热点数量也逐渐增多。

步骤3：统计电致发光热点个数。

具体方法是，分析发光二极管元器件退化过程中通过微光显微系统采集的电致发光热点图像。将一个氮化镓基发光二极管元器件等效为多个面积较小的元器件的并联，每个所述电致发光热点位置对应一个失效的所述面积较小的元器件，确认所述电致发光热点位置的个数为电致发光热点的个数。通过统计发现，发光二极管元器件在施加固定的反向偏压过程中，反向漏电流与应力期间的电致发光热点的累积数量近似线性地增加，统计结果如图5所示。因此，该元器件的依赖于时间的失效可能性可以通过数连续出现的电致发光热点个数，从而取代通过记录大量的样品的失效时间进行可靠性分析。

步骤4：发光二极管元器件可靠性分析。

韦伯(Weibull)分布是可靠性分析和寿命检验的最常用理论模型。从概率论和统计学的角度来看，韦伯分布是连续性的概率分布，其累积分布函数为F(t)＝1-exp[-(τB/η)β]，其中η是代表失效时间特性的尺度参数，β是韦伯斜率(或形状参数)。β<1表示故障率随时间减小，即存着在初期型故障，或称为婴儿期故障；β＝1表示故障率随时间是恒定的，这表明外部随机事件正在导致失效，称为偶发型故障；β>1表示故障率随时间增加，多出现在“老化”过程中，称为损耗型故障。

本实施例，通过统计失效时间和热点累积数量的关系，绘制出了元器件热点产生时间的分布曲线，如图6所示。从图6可以看出，电致发光热点的失效时间服从韦伯分布。通过对数据进行拟合，提取的β值约为0.67和4.09，即为婴儿期和损耗型故障。婴儿期故障失效与外部因素有关，如制造缺陷；而在损耗期，失效产生的来源于内在因素，如有源层的预先存在的缺陷。通过韦伯分布曲线可预估发光二极管元器件的寿命。

本发明通过电致发光成像系统，统计氮化镓基发光二极管退化过程中电致发光热点的累积个数，通过韦伯分布分析元器件的可靠和预估寿命。由于仅统计元器件在退化过程中电致发光热点的累积个数，元器件无需击穿，因此和现有方法相比所需的退化时间较短；此外，相比于现有通过记录大量的样品的失效时间进行可靠性的分析方法，该方法的好处在于测试成本低，且无需考虑样本差异对分析结果的影响。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。