如何减缓LED的劣化情况，延迟电池使用寿命

逐渐褪色，这是大多数LED失效的原因，主要是由于半导体芯片中的微裂纹。在复杂的晶片制造过程中引入了这些缺陷。称为螺纹位错，这些微裂纹随着时间的推移而倍增 - 当LED暴露在高温时更快 - 增加了芯片电荷载体可以重新组合而不产生光的位置数量。但是，这种所谓的“非辐射复合”的增加并不是导致LED失效的唯一机制。穿线位错也为泄漏电流创造了路径，从而抢夺了更有价值的电荷载体的LED。随着缺陷的增加，情况会随着时间的推移而变得更糟，导致电源尖峰或静电放电(ESD)事件导致的故障风险增加。

本文介绍了泄漏电流发生的原因，并建议在LED工作寿命期间可以采取哪些措施来减缓劣化过程，这样芯片可以延长这些固态光源的使用寿命。

泄漏电流的危险

在运行的LED中，电荷载流子 - 电子和空穴 - 迁移到器件的p-n结，很可能它们会重新组合。重组(有时)在光谱的可见部分释放光。 (之前引用的TechZone文章详细描述了电致发光背后的物理特性，即LED发光背后的现象。)

电致发光的物理学受量子力学的支配，量子力学允许电子和空穴做一些奇怪的事情。一个特殊的怪癖是“隧穿”，其中电子可以越过屏障(例如，跨越p-n结的能隙)，根据经典物理学，它将需要比电子拥有的更多能量。这有点像在一个陡峭的山坡上滚动一个球，而不是看到它从山上滚回来，观察球穿过山洞并出现在另一边。

在运行中的LED中，一些隧道活动表现为反向偏置电流(“漏电流”)，允许电荷载体“逆流”。

泄漏电流，顾名思义，是这不是一件好事，因为构成它的电荷载体对电致发光没有贡献。不可能欺骗物理定律，因此LED制造商已经接受他们的器件将遭受一些漏电流和功效的轻微降低。然而，在主要制造商的新设备中，效果通常可以忽略不计。

尽管如此，所有设备都不一样; LED的初始泄漏电流取决于制造过程的质量。更糟糕的是，它并不是一成不变的。 LED所处的工作条件(特别是温度)决定了泄漏电流在运行期间的增加速度以及它可能在多长时间内开始引起问题。

消失的电荷载体

事实证明，穿透位错(由晶圆制造过程中有源LED与其基板之间的不匹配产生的应变引起的垂直微裂纹(图1)是隧道掘进概率增加的地方。

图1：LED半导体芯片中的线程错位。(图片提供)北卡罗来纳州立大学。)

例如，一组研究人员已经确定，样品LED中的穿透位错密度从1.7 x 10增加 7 至2 x 10 每平方厘米(普通LED材料的典型数字，如沉积在蓝宝石上的氮化铟镓(InGaN))， LED漏电流呈指数增长。其他科学家确定漏电流增加218倍，因为穿透位错密度从1.5 x增加10 7 至2 x 10 /cm²(图2)。

图2：随着缺陷密度的增加，漏电流迅速增加。

虽然对LED亮度的影响不是那么显着，但仍然很重要。两组均注意到该穿透位错范围内的光度降低了22%。 (请注意，光输出的减少仅仅是由于泄漏电流造成的，并且由于更多的非辐射复合位点而不包括更高密度下的额外损耗。)研究人员解释了光度降低的主要原因并不像预期的那样糟糕，因为虽然漏电流在穿透位错时更糟，但是电荷载体确实表现出偏向于迁移到晶体中富含铟的“阱”，远离位错，在这些位置它们可以愉快地重新组合并发射光子。该效应部分地抵消了微裂纹下的电荷载流子的损失。

新材料有望承诺

欧司朗，Cree和首尔半导体等优质供应商目前关注的重点是增强制造技术，旨在限制新晶圆中的螺纹位错数量。这不是一件容易的事，因为有源LED半导体InGaN和典型的衬底材料具有不良匹配的晶体结构。

仔细选择供应商可以在高亮度LED的初始亮度和寿命方面产生很大的不同。例如，一些供应商已转向碳化硅(SiC)，因为它承诺通过降低制造过程中的穿线缺陷密度来提高LED质量(再次参见“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技术。欧司朗将该材料用于TOPLED系列中的部分产品。

其他开发包括完全分配SiC衬底和从块状InGaN制造有源LED。因为两种不同材料之间没有晶格失配，所以穿透位错密度显着降低。缺点是晶圆目前的成本约为使用传统材料制造的晶圆的四倍，因此制造商不愿意将它们用于价格敏感的主流照明市场。

当新的LED只是挑战的一部分时，小心选择LED。设计工程师使用LED的方式会影响螺旋位错随时间的增加，从而可能增加泄漏电流并加速设备的最终消亡。

研究反向偏置

正如名称所示，LED是一种二极管形式。这些器件具有有趣的电压电流关系(图3)。在正常操作中，施加足够幅度(》 Vd)的恒定正向电压(通常使LED与电阻器串联)，使得器件在其导电区域中操作。重要的是要小心控制正向电压，因为超过导通电压，小的波动会引起正向电流，光强度和功耗的显着变化。

图3：二极管电压与电流特性。

图4显示了商业高亮度LED的正向电压与正向电流的细节，在这种情况下为60 lm/W Seoul Semiconductor器件。从图中可以看出，导通开始于2.5 V左右。制造商建议使用3.6 V的典型正向电压工作。

图4：商用高亮度LED的正向电压与正向电流。 (由首尔半导体公司提供。)

就本文而言，主要关注领域是反向偏置条件下发生的情况。 (注意，与右侧相比，图3左侧的刻度被放大，这就是原点周围线路跳跃的原因。)最初，反向偏置电压的大幅变化对反向影响不大偏置电流;在临界电压(称为击穿电压或Vbr)下，电压的进一步微小变化会导致反向偏置电流急剧升高。然而，与正向偏置导通区域不同，击穿区域中的操作将是短暂的，因为器件将被损坏并且很快可能会灾难性地失效。

许多制造商没有在数据表中指定击穿电压，因为在正常使用中，他们并不期望LED在反向偏置条件下工作。然而，有一些例外，特别是Cree。例如，对于其XLamp ML-B系列，该公司指出最大反向电压为5 V.但是，LED制造商测试他们的新器件以确定漏电流和击穿电压。具有前者的高值和后者的低值的器件被废弃，使得在所提供的器件中，LED反向偏置的容差尽可能宽。然而，事情会随着时间的推移而发生变化，因为即使在LED正常运行期间，螺纹位错也会成倍增加(如果芯片过热则会急剧升级)。正如我们所看到的，更多的穿透位错会增加漏电流和非辐射复合。最终，光度下降到一个点，当新的和“故障”发生时，它低于设备输出的70%(参见TechZone文章“确定LED额定寿命：棘手的挑战”)。

虽然褪色是导致LED失效的最常见原因，但并不是芯片遭受过多螺纹位错的唯一方法就会死亡。随着时间的推移，新缺陷的出现改变了芯片的物理特性，与新器件相比，导致击穿电压降低。与漏电流的增加相结合，这具有降低安全操作和由于暴露于高反向电压而导致的灾难性故障之间的阈值的效果。

泄漏电流很少发生在正常工作时超过反向偏置击穿电压的点，但是弱电器件会受到电源电压尖峰的反向偏置或静电放电(ESD)，可以被推到边缘过早消亡。

总结与建议

现代LED令人印象深刻设备，但他们有一个致命的跟腱。制造过程中产生的不可避免的微小结构缺陷为电荷载体提供了通路，而不会影响光输出。这些缺陷会随着时间的推移而增加，进一步降低光度，在最坏的情况下会导致过早失效。

LED制造商正在尝试替代制造技术和材料，有些已经发布了新产品中穿线位错较少的产品，但建议工程师在设计中加入足够的预防措施，以限制缺陷的不可避免的影响。

首先，工程师从一家信誉良好的经销商那里购买产品是一个好主意。其次，LED应在供应商推荐的正向电压下使用来自Fairchild Semiconductor和Diodes，Inc。等制造商的高质量LED驱动电源工作。第三，工程师应保护芯片免受机械应力和ESD事件的影响。第四，工程师了解LED应该充分冷却应该不足为奇。