本發(fā)明涉及氮化鎵基發(fā)光二極管可靠性分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于電致發(fā)光熱點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的氮化鎵基發(fā)光二極管可靠性分析方法。

背景技術(shù)：

近年來隨著III-V族基發(fā)光材料技術(shù)的不斷成熟，發(fā)光二極管已廣泛用于彩色顯示、指示燈、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、醫(yī)療和交通燈等領(lǐng)域，特別是由于氮化鎵基發(fā)光二極管的快速發(fā)展，以氮化鎵為基礎(chǔ)發(fā)光二極管的全彩化以及白光發(fā)光二極管產(chǎn)品的開發(fā)成為了全球半導(dǎo)體照明研發(fā)生產(chǎn)的熱點(diǎn)。

發(fā)光二極管最重要的優(yōu)勢是相對(duì)于其他光源如白熾燈泡的壽命更長，可靠性更高。但這一特性取決于許多制造因素。就目前常用的以藍(lán)寶石為襯底的氮化鎵系列發(fā)光二極管產(chǎn)品，藍(lán)寶石襯底與氮化鎵外延層晶格失配為13％，熱失配34％，因此存在嚴(yán)重的如位錯(cuò)密度大、缺陷多、晶體質(zhì)量差等問題。這些都將對(duì)發(fā)光二極管的長期使用的穩(wěn)定性造成致命的影響。目前，發(fā)光二極管元器件可靠性分析方法是基于大量的發(fā)光二極管元器件的失效統(tǒng)計(jì)，這種方法存在兩個(gè)問題：①成本高，考慮到失效統(tǒng)計(jì)模型的準(zhǔn)確性，需要使用大量的發(fā)光二極管元器件進(jìn)行失效分析；②時(shí)間長，失效分析是基于元器件在正向偏置或反向偏置條件下軟擊穿特性的研究，往往需要數(shù)百到數(shù)萬個(gè)小時(shí)不等。

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)上的不足，提供一種新的快速、低成本的發(fā)光二極管元器件的可靠性分析方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種新的快速、低成本的發(fā)光二極管元器件可靠性分析方法。該方法對(duì)制備的發(fā)光二極管元器件進(jìn)行施加固定反向偏置電壓的電學(xué)退化測試，通過電致發(fā)光成像系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的個(gè)數(shù)，繪制熱點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)間的分布曲線。通過韋伯分布模型分析發(fā)光二極管元器件的早期失效、偶然失效和損耗失效三個(gè)階段的可靠性。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

①分析氮化鎵基發(fā)光二極管的反向漏電流隨時(shí)間的退化過程。對(duì)發(fā)光二極管元器件進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力測試，在常溫下，測試電壓從較小的反向偏置電壓開始，逐步增加，每個(gè)電壓應(yīng)力持續(xù)一段時(shí)間，直至出現(xiàn)軟擊穿現(xiàn)象。

②通過微光顯微系統(tǒng)捕捉發(fā)光二極管元器件退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的圖像。具體方法是，在氮化鎵基發(fā)光二極管退化過程中，選取漏電流隨應(yīng)力時(shí)間呈明顯增長趨勢的偏置電壓作為采集電致發(fā)光熱點(diǎn)圖像時(shí)的固定偏壓。將待測發(fā)光二極管元器件放置在探針臺(tái)上，通過源表對(duì)該元器件施加固定反向偏壓。通過微光顯微系統(tǒng)每隔一段時(shí)間捕捉一張發(fā)光二極管元器件退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的圖片。

③統(tǒng)計(jì)電致發(fā)光熱點(diǎn)個(gè)數(shù)。將一個(gè)氮化鎵基發(fā)光二極管元器件等效為多個(gè)面積較小的元器件的并聯(lián)，每個(gè)所述電致發(fā)光熱點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)失效的所述面積較小的元器件，確認(rèn)所述電致發(fā)光熱點(diǎn)位置的個(gè)數(shù)為電致發(fā)光熱點(diǎn)的個(gè)數(shù)。發(fā)光二極管元器件在施加固定的反向偏壓過程中，泄漏電流與應(yīng)力期間的電致發(fā)光熱點(diǎn)的累積數(shù)量近似線性地增加。因此，該元器件的依賴于時(shí)間的失效可能性可以通過數(shù)連續(xù)出現(xiàn)的電致發(fā)光熱點(diǎn)個(gè)數(shù)，取代通過記錄大量的樣品的失效時(shí)間進(jìn)行可靠性分析。該方法的好處在于無需考慮樣本差異對(duì)分析結(jié)果的影響。

④通過所述熱點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)間的韋伯分布來分析發(fā)光二極管元器件的早期失效、偶然失效和損耗失效三個(gè)階段的可靠性。對(duì)于元器件可靠性的故障分析，韋伯(Weibull)分布模型最為常用。相應(yīng)的累積分布函數(shù)為F(t)＝1-exp[-(τB/η)β]，其中η代表失效時(shí)間特性的尺度參數(shù)，β是韋伯斜率(或形狀參數(shù))，表示故障率隨時(shí)間的變化。通過統(tǒng)計(jì)隨反向應(yīng)力施加時(shí)間而累積出現(xiàn)的電致發(fā)光熱點(diǎn)個(gè)數(shù)，繪制該元器件的韋伯分布曲線，從而分析元器件的可靠性。

附圖說明

圖1是基于電致發(fā)光熱點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的氮化鎵基發(fā)光二極管可靠性分析方法流程圖；

圖2是氮化鎵基發(fā)光二極管在步進(jìn)應(yīng)力過程中的反向漏電流演變過程圖；

圖3是微光顯微系統(tǒng)；圖中各標(biāo)記分別代表的是：1-高靈敏鏡頭電荷耦合元器件，2-顯微鏡，3-被測氮化鎵基發(fā)光二極管，4-源表

圖4是退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的空間分布圖；

圖5是在反向電壓為-28V時(shí)，電致發(fā)光熱點(diǎn)累積個(gè)數(shù)和反偏電流的關(guān)系曲線；

圖6是氮化鎵基發(fā)光二極管的韋伯分布曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種通過電致發(fā)光成像系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)氮化鎵基發(fā)光二極管退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的累積個(gè)數(shù)，繪出熱點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)間的分布曲線，并通過韋伯分布模型分析發(fā)光二極管元器件的早期失效、偶然失效和損耗失效三個(gè)階段的可靠性的方法。具體包括以下步驟，如圖1所示：

步驟1：分析氮化鎵基發(fā)光二極管的反向漏電流隨時(shí)間的退化過程。在常溫下，對(duì)制備的氮化鎵基發(fā)光二極管元器件進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力測試。

具體測試方法是，使用源表對(duì)元器件施加反向偏壓，從-5V開始，步長為-5V，直至元器件出現(xiàn)軟擊穿現(xiàn)象。從圖2中可以看出，當(dāng)反向偏壓超過-25V時(shí)，反向漏電流隨時(shí)間呈明顯的上升趨勢，元器件的擊穿電壓為-40V。因此，當(dāng)采集電致發(fā)光熱點(diǎn)的圖像時(shí)，選取的反向固定偏壓范圍應(yīng)在-25V到-40V之間。本實(shí)施例采用的是-28V電壓。

步驟2：通過微光顯微系統(tǒng)捕捉發(fā)光二極管元器件退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的圖像。

所述微光顯微系統(tǒng)是一種利用半導(dǎo)體發(fā)光現(xiàn)象來定位缺陷和失效的分析系統(tǒng)，如圖3所示，包括1-高靈敏鏡頭電荷耦合元器件，2-顯微鏡，3-被測氮化鎵基發(fā)光二極管，4-源表。通過源表對(duì)被測氮化鎵基發(fā)光二極管元器件施加固定反向偏壓，當(dāng)被測元器件中存在漏電和熱載流子效應(yīng)時(shí)，從失效點(diǎn)會(huì)有光子發(fā)射。通過傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡可獲得被測元器件的反射圖像，此外，光子將從被測元器件進(jìn)入圖像增強(qiáng)器。圖像增強(qiáng)器可以放大微弱的光信號(hào)，再用電荷耦合元器件(CCD)將信號(hào)轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)圖像處理得到發(fā)光圖像。發(fā)光圖像與反射圖像進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷或者失效點(diǎn)的定位。

具體測試方法是將氮化鎵基發(fā)光二極管元器件施加-28V反向偏壓。使用微光顯微系統(tǒng)，當(dāng)反向漏電流每增加-0.05mA采集一張電致發(fā)光熱點(diǎn)的圖像。圖4示出了當(dāng)反向漏電流分別為-1.05mA、-1.75mA、-2.5mA，且應(yīng)力施加時(shí)間分別為800s、3500s、10620s時(shí)采集的電致發(fā)光熱點(diǎn)的圖像。圖4中，發(fā)光二極管元器件的面積為300um×300um，元器件的左下角和右上角分別為正、負(fù)電極，中間為透明電極，白色的點(diǎn)即為微光顯微系統(tǒng)采集的電致發(fā)光熱點(diǎn)?？梢钥闯?，在固定反向偏壓下，隨著時(shí)間的增加，電致發(fā)光熱點(diǎn)數(shù)量也逐漸增多。

步驟3：統(tǒng)計(jì)電致發(fā)光熱點(diǎn)個(gè)數(shù)。

具體方法是，分析發(fā)光二極管元器件退化過程中通過微光顯微系統(tǒng)采集的電致發(fā)光熱點(diǎn)圖像。將一個(gè)氮化鎵基發(fā)光二極管元器件等效為多個(gè)面積較小的元器件的并聯(lián)，每個(gè)所述電致發(fā)光熱點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)失效的所述面積較小的元器件，確認(rèn)所述電致發(fā)光熱點(diǎn)位置的個(gè)數(shù)為電致發(fā)光熱點(diǎn)的個(gè)數(shù)。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)光二極管元器件在施加固定的反向偏壓過程中，反向漏電流與應(yīng)力期間的電致發(fā)光熱點(diǎn)的累積數(shù)量近似線性地增加，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。因此，該元器件的依賴于時(shí)間的失效可能性可以通過數(shù)連續(xù)出現(xiàn)的電致發(fā)光熱點(diǎn)個(gè)數(shù)，從而取代通過記錄大量的樣品的失效時(shí)間進(jìn)行可靠性分析。

步驟4：發(fā)光二極管元器件可靠性分析。

韋伯(Weibull)分布是可靠性分析和壽命檢驗(yàn)的最常用理論模型。從概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來看，韋伯分布是連續(xù)性的概率分布，其累積分布函數(shù)為F(t)＝1-exp[-(τB/η)β]，其中η是代表失效時(shí)間特性的尺度參數(shù)，β是韋伯斜率(或形狀參數(shù))。β<1表示故障率隨時(shí)間減小，即存著在初期型故障，或稱為嬰兒期故障；β＝1表示故障率隨時(shí)間是恒定的，這表明外部隨機(jī)事件正在導(dǎo)致失效，稱為偶發(fā)型故障；β>1表示故障率隨時(shí)間增加，多出現(xiàn)在“老化”過程中，稱為損耗型故障。

本實(shí)施例，通過統(tǒng)計(jì)失效時(shí)間和熱點(diǎn)累積數(shù)量的關(guān)系，繪制出了元器件熱點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)間的分布曲線，如圖6所示。從圖6可以看出，電致發(fā)光熱點(diǎn)的失效時(shí)間服從韋伯分布。通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，提取的β值約為0.67和4.09，即為嬰兒期和損耗型故障。嬰兒期故障失效與外部因素有關(guān)，如制造缺陷；而在損耗期，失效產(chǎn)生的來源于內(nèi)在因素，如有源層的預(yù)先存在的缺陷。通過韋伯分布曲線可預(yù)估發(fā)光二極管元器件的壽命。

本發(fā)明通過電致發(fā)光成像系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)氮化鎵基發(fā)光二極管退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的累積個(gè)數(shù)，通過韋伯分布分析元器件的可靠和預(yù)估壽命。由于僅統(tǒng)計(jì)元器件在退化過程中電致發(fā)光熱點(diǎn)的累積個(gè)數(shù)，元器件無需擊穿，因此和現(xiàn)有方法相比所需的退化時(shí)間較短；此外，相比于現(xiàn)有通過記錄大量的樣品的失效時(shí)間進(jìn)行可靠性的分析方法，該方法的好處在于測試成本低，且無需考慮樣本差異對(duì)分析結(jié)果的影響。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。