METHODOLOGIE DANALYSE DE DEFAILLANCE POUR LEVALUATION DE LA FIABILITE DE DIODES ELECTROLUMINESCENTES GaNReport as inadecuate




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1 IMS - Laboratoire de l-intégration, du matériau au système

Abstract : GaN-based LEDs are currently used in a wide range of applications as solid-state lighting, backlighting or full-color displays. Up to date, polymer-based packaging degradation mechanisms are not fully understood. The purpose of this thesis is to work out a methodology of failure analysis contributing towards reliability estimation of GaN-based LEDs under active storage ageing tests. The methodology consists in extracting electro-optical failure signatures to locate degraded zones. A second step is based on physico-chemical analyses used to both confirm failure mechanisms and reduce the number of components to study. Environmental ageing tests 1500h-85°C-30mAhave been performed on low power InGaN-GaN MQW LEDs 2,5mW through a project in collaboration with the French Space Agency CNES. A 65% loss of optical power has been reported after ageing. Through the methodology, we have found out that optical loss is due to the molecular structure modification of silicone oil i.e. chip coating activated by photothermal mechanism thereby involving both a 69% fluorescence emission loss and a strong decrease of LED light absorption 90%. A similar failure mechanism has been reported on YAG:Ce-silicone oil mixture located in phosphor converted high power white InGaN-GaN MQW LEDs CEA-LETI collaboration - Solid-State Lighting project. Fluorescence efficiency has increased 1,2% at 450 nm despite both strong absorption 94% and fluorescence emission 85% losses. Actually, molecular structure modification of silicone oil has induced a 45% loss of optical power and a 3,6% yellow shift of white light. Such drift has been linked to both a 5nm blue shift of UV fluorescence involving a 2nm red shift of LED light.

Résumé : Ce mémoire s-inscrit dans la construction d-une méthodologie d-analyse de défaillance pour l-évaluation de la fiabilité de diodes électroluminescentes, par une approche basée sur l-analyse physique de dégradation et l-extraction de signatures électriques de défaillance et optiques pour localiser les zones dégradées. L-ajout d-analyses physico-chimiques réduit le nombre de composants et peut confirmer les mécanismes de dégradation induits par les vieillissements en stockage actif. Un projet, en collaboration avec le CNES, a permis la mise en évidence des zones sensibles de DELs à MPQ InGaN-GaN à faible puissance 30mW soumises à un vieillissement en conditions opérationnelles 1500h-85°C-Inominal. L-analyse de défaillance de ces DELs a permis d-expliquer une perte de 65% de puissance optique par la modification de la structure moléculaire de l-huile silicone activée photothermiquement induisant une perte de fluorescence de 69% et une très forte diminution de l-absorption de la lumière de la DEL 90%. Nous avons également démontré projet CEA-LETI - éclairage public que le même mécanisme est présent dans le mélange gel silicone-phosphore YAG:Ce de DELs blanches à MPQ InGaN-GaN soumises à un vieillissement similaire 85°C-550mA-500h. A 450nm, le rendement de fluorescence a augmenté de 1,2% malgré des pertes en absorption > 94% et en réémission de fluorescence > 85%. La modification de la structure moléculaire du gel a induit une perte de puissance optique des DELs de 45% et une dérive de la couleur blanche vers le jaune ≈ 3,6%. Cette dérive est due à un décalage spectral de la fluorescence de l-UV 5nm vers le bleu entraînant un décalage vers le rouge 2nm de la lumière de la DEL.

Keywords : GaN-based LED Reliability Silicone oil Solid-State Lighting Polymerization Fluorescence





Author: Raphaël Baillot -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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