最近几年全球各国对环保、省能源等能源议题越来越关心，因此间接牵动这些领域的投资与技术开发，在这之中又以太阳电池、锂离子电池、SiC功率晶体管、白光LED最受注目，一般认为上述计划在国家规模的支持下，今后可望成为高度成长的领域。

　　白光LED已经从移动电话、液晶电视背光模块，正式跨足进入医疗、汽车、植物栽培等一般应用照明领域，国外业者甚至推出平价60W等级的白光LED灯泡，这类使用复数个白光LED的新世代照明光源，正快速取代传统荧光灯与白热灯泡。

　　有关液晶电视背光模块或是大型照明，使用数量众多的白光LED，必须同时兼具成本与性能的传统课题，日本业者普遍认为2011年可望实现0.5日圆/lm、200lm/W的预定目标，其中芯片性能的提升、荧光体、封装技术的开发，一直扮演关键性的角色。可靠性是白光LED另外一项重要课题，它包含单体LED的耐久性，以及复数白光LED同时点灯时的辉度分布等等，为克服这些问题，国内外厂商已经积极展开技术开发。

　　有关白光LED的耐久性亦即LED的劣化，一般认为光束、封装，以及芯片的时间性劣化，是造成寿命降低的主要原因，然而实际上这些劣化要因错综复杂，因此劣化模式的分析非常困难，特别是白光LED的寿命很长，不易进行劣化试验。传统劣化试验例如：电流加速试验、温度加速试验、加速耐候试验等等，接着本文要介绍“过电压劣化试验”的结果，以及白光LED劣化的分析结果。

　　分析方法与评鉴项目 

　　图1是典型照明用白光LED的基本结构与劣化要因一览；表1是GaN系LED与相关材料主要评鉴项目，以及分析手法一览。穿插式电子显微镜(TEM；Transmission Electron Microscope) 可以根据LED的断面结构直接观察转位与缺陷，劣化分析时微细部位的歪斜、应力、成分、载子浓度、缺陷评鉴非常重要，特别是奈米等级的载子浓度与缺陷评鉴分析，一般都使用：扫描型探针显微镜(SPM；Scanning Probe Microscope)、扫描型扩散阻抗显微镜(SSRM；Scanning Spread Resistance Microscopy)、扫描型容量显微镜(SCM；Scanning Capacitance Microscopy)、阴极发光法 (CL；Cathodo Luminescence)。

       有关树脂与荧光体结构的评鉴，一般认为使用：傅立叶红外分光法（FT-IR；Fourier Transform Infrared Spectrometer）、固体核磁共鸣法（固体NMR；Solid-State Nuclear Magnetic Resonance）、拉曼 (Raman) 分光法可以获得预期效果。

　　芯片劣化的评鉴 

　　有关GaN系组件的问题点，由于它的缺陷密度比GaAs系高5位数，而且缺陷与转位问题非常严重，一般认为LED芯片的缺陷与转位，对LED的劣化、耐久性等特性具有直接、重大的影响。传统在蓝宝石基板上长膜的GaN单结晶膜，由于蓝宝石基板与GaN的格子定数差异极大，因此强大的压缩应力对GaN膜层有相关性，这也是形成缺陷与转位主要原因。最近业者大多改用格子定相近的SiC单结晶晶圆，或是格子定数相同的GaN单结晶晶圆长膜，制作低缺陷、低转位高质量的GaN磊晶(Epitaxial)。

　　获得白色光源的方法有两种，分别是蓝光LED与黄色荧光体组合的拟似白光方式，以及高演色白光方式。拟似白光方式，主要是蓝光LED组合黄色荧光体，构成拟似白光的LED，蓝光LED芯片产生的蓝光一旦被黄色荧光体吸收，荧光体会产生黄光，该光线再与未被黄色荧光体吸收的蓝光混合，形成所谓的拟似白光，该白光LED的发光频谱具有白光与蓝光二种峰值。

　　高演色白光方式，主要是蓝光LED组合绿色与红色荧光体，形成高演色白光LED，蓝光LED产生的蓝光一旦被荧光体吸收，绿色荧光体会产生绿色光线，红色荧光体则产生红色光线，该绿色光线再与红色光线，以及未被荧光体吸收的蓝光混合形成拟似白光，该白光LED的发光频谱具有红、蓝、绿三种领域的峰值，色再现性也比上述拟似白光方式优秀。

　　拟似白光方式使用的典型蓝光LED断面结构如图2所示，发光层是由膜厚100nm以下GaN系化合物半导体量子井构成，发光时会形成缺陷与转位，它也是LED劣化原因之一。

　　图3是在蓝宝石基板上制作GaN单结晶薄膜时，面内CL强度分布范例，由图可知分别在360nm与560nm附近，可以发现GaN能隙之间的发光，与造成缺陷的「黄色瑕疵」发光光线。图3(a)是GaN单结晶薄膜利用平面扫描型电子显微镜(SEM；Scanning Electron Microscope)观察时的影像；图3(b)是360nm附近光线的强度分布；图3(c)是发光线的强、弱部位的CL频谱分布特性。图3(b)是发光强度降低的暗带，特别是在360nm附近，能隙之间的发光强度会降低，此时若与能隙之间的发光比较，560nm附近的黄色瑕疵发光强度反而会变强。

 
　　根据以上结果证实在黑点明亮部位结晶性会降低，其结果造成无辐射迁移的机率增加，能隙端的发光强度则明显降低。

　　图4是从断面方向测试时，CL强度分布的加速电压相关性，图中可以观察到贯穿膜厚方向明暗的纹缟模样，由此可知电压加速降低时纹缟模样鲜明，而且还可以获得高空间分辨率的强度分布。

 　　贯穿膜厚方向CL强度明暗纹缟模样，与图5穿插式电子显微镜(TEM)观察到的贯穿转位周期一致，反过来说上述图3单结晶面内，观察到的300nm周期的纹缟模样，正反映此贯穿转位周期，由此证实使用阴极发光法 (CL)，能够以奈米等级清楚观察到缺陷与转位的分布。

　　图6是上述图2蓝光LED施加电压劣化时，使用扫描型扩散阻抗显微镜测试该LED断面的结果。扫描型扩散阻抗显微镜是以接触型原子间力显微镜(AFM；Atomic Force Microscope) 为基础，再利用导电性探针与大范围放大电路构成。扫描型扩散阻抗显微镜利用接触试料表面模式的原子间力显微镜回馈，强化旋臂探针触压（加大负荷）的扫描分析手法，由于它使用高导电性探针，检测施加至试料时偏压电压在接触位置形成的微电流，因此可以正确掌握试料表面局部性阻抗分布。

       根据图6扫描型扩散阻抗显微镜的测试结果，证实劣化LED的p型clad层内，V型凹孔的高低阻抗领域有增加趋势，由于V型凹孔是在InGaN量子井结构内发现的特征性缺陷，因此又称作“V型瑕疵”，由图6(a)、(b)的比较可知，施加过电压时V型瑕疵会增加。

　　图7是利用阴极发光法(CL)测试蓝宝石基板上已掺杂硅的GaN薄膜结果，阴极发光法主要是观察量子井（以下简称为活性层），以及蓝宝石基板与clad层之间缓冲层造成的波长为463nm、360nm附近的光线。463nm活性层造成的发光光线强度分布如图7(a)、(b)所示，图7(a)、(b)同时也是未通电与劣化组件的CL强度分布特性；图7(c)是未通电与劣化组件的CL频谱特性。

 
　　根据图7(a)、(b)可知劣化组件，强度降低的暗带有增加趋势，换句话说暗带会随着施加电压，贯穿转位与V型瑕疵数量明显增加，结晶性降低则造成无辐射迁移的机率增加，最后导致强度降低。若仔细观察图7(c)的频谱，严重劣化组件的CL频谱，463nm活性层产生的发光光线几乎完全没有发现。除此之外研究人员还针对日本新能源与产业综合技术开发机构(NEDO；New Energy and Industrial Technology Development Organization)提案的“利用近场的次世代阴极发光法(CL；Cathodo Luminescence)与拉曼(Raman)分光仪"计划，开发利用近场光的“阴极发光法”与“拉曼分光仪”。

　　该计划还应用紫外共鸣拉曼效应与特殊形状的探针，开发紫外雷射光激发近场共鸣拉曼分光仪，全球首度成功以100nm以下空间分辨率评鉴硅的应力，目前研究人员正检讨应用在化合物半导体的评鉴。有关InGaN的量子井结构，使用上述新开发的阴极发光法分光仪，能够超越传统阴极发光法100nm的空间分辨率极限，以10nm的空间分辨率，检测InGaN的量子井结构内部「V-defect」周围的成分变化。

　　上述计划主要目的是提升阴极发光法的分辨率，为缩小电子束的直径，研究人员采用新型萧基发射式 (SE；Schottky Emission) 电子鎗，制作高分辨率扫描式电子显微镜 (SE-SEM；High-Resolution Schottky Emission-Scanning Electron Microscope)。

　　分光系统组合椭圆镜与光纤，扫描电子线的同时进行阴极发光法频谱检测，它采用与传统分光系统不同的新型分光系统。新型分光系统使用厚6mm、焦距2mm超小型抛物面镜，驱动压电平台(Piezo stage) 利用非扫描电子线方式取得阴极发光的频谱。换句话说试料释放的阴极发光，在抛物面镜集光后再利用检测器检测，由于它只检测一点释放的阴极发光，因此上述新开发设备的分辨率，比组合椭圆镜、光纤的分光系统大幅提升。

　　透过椭圆镜的使用，高分辨率扫描式电子显微镜除了阴极发光的检测之外，还能够检测拉曼频谱与光致发光(Photoluminescence)。图8是上述新开发高分辨率扫描式电子显微镜内近场分光系统的结构图。接着研究人员使用新开发的阴极发光分光系统，检测GaN 2μm/蓝宝石上制成的InGaN单量子井结构 (SQW；Single Quantum Well) 膜层，亦即In0.02Ga0.98N7nm/In0.20Ga0.80N3nm/In0.20Ga0.98N7nm的阴极发光频谱，值得一提是上述膜层是典型蓝光LED常用成分而且InGaN的单量子井结构膜层，具备对组件良品率与耐久性重大影响的 V-defect。

       图9(a)是V-defect的高倍率扫描型电子显微镜影像；图9(b)是5nm步进检测时，V-defect附近阴极发光线频谱分布的检测结果，图9(b)的阴极发光线频谱分布检测，主要是沿着图9(a)扫描型电子显微镜影像线A-B进行。图9(a)观测到的波长364nm与448nm发光线，被归类成各缓冲层的GaN与InGaN量子井层之间的发光。此外560nm附近观测到的宽阔发光线，主要是黄色瑕疵的缓冲层GaN缺陷造成的发光线。由于V-defect的斜面可以观测到波长400nm的发光线，因此研究人员认为该发光线反映V-defect斜面InGaN单量子井结构的In成分变化。

 
　　图10是448nm附近InGaN单量子井结构膜层产生的发光线峰值波长、强度、半值宽度评鉴结果。由图10(a)可知越靠近V-defect底部，峰值波长越往短波长端移动，而且In的成分越少，反过来说在V-defect的底部，峰值波长移动到长波长端，这代表V-defect的底部In的成分非常丰厚。

　　图11是400nm附近InGaN单量子井结构膜层，产生的发光线峰值波长、强度、半值宽度评鉴结果，由图11(a)可知V-defect的斜面强度变强，成分的变质主要集中在V-defect的斜面。

 
　　图12是GaN缓冲层(2μm)的发光线峰值波长、强度、半值宽度评鉴结果，由图12(a)可知峰值位置先移动到短波长端，越接近V-defect的底部越移动到长波长端，波长移动到长波长端主要是In扩散到GaN层所造成。至于移动到短波长端就无法以In成分变化作说明，特别是近V-defect附近的峰值波长变化，主要是硅组件内部硅局部氧化部位，发生类似应力变化所致。

 　　图13是以w的空间将V-defect近似化，接着根据GaN膜层上以w的间隔堆栈的InGaN薄膜的结构，计算InGaN薄膜端缘产生的应力，其结果如图13(b)所示，图中黑色菱形是实测数据，白色菱形是计算数据，由图可知实测结果与计算结果两者非常一致。

 
　　根据上述资料，研究人员针对V-defect的形成机制提出以下发生模式，分别是：(1)为缓和InGaN单量子井结构膜层与GaN积层界面的应力，In会扩散到GaN膜层内部使贯穿转位稳定化。(2)持续使InGaN单量子井结构膜层成长时，为掩埋贯穿转位InGaN单量子井结构膜层内部的In量缺损，此时会出现InGaN单量子井结构膜层的成分变质层。(3)InGaN单量子井结构膜层继续成长，为确保InGaN单量子井结构膜层内部成分变质层的In，In量缺损的InGaN单量子井结构膜层必须继续成长，因此InGaN单量子井结构膜层的成分变质层厚度会增加，其结果造成400nm附近成分变质层产生的发光线强度增强，最后形成所谓的“V-defect”。换句话说LED芯片的劣化，主要是贯穿转位与V-defect增生所造成。

　　结语

　　以上介绍利用过电压劣化试验的分析结果。有关白光LED芯片的劣化，主要原因是缺陷增生造成，除此之外树脂与荧光体的劣化也必须列入考虑。目前国外业者正进行白光LED灯泡的温度加速试验，分成光劣化与热劣化两大类别，详细分析荧光体的劣化机制，一般认为随着劣化机制的掌握，未来对提升白光LED的寿命有正面帮助。