LED故障モード一覧

故障した青色LED

LED（およびダイオードレーザー）の最も一般的な故障は、光出力の徐々に低下と効率の低下です。まれではありますが、突然の故障も発生する可能性があります。初期の赤色LEDは寿命が短いことで有名でした

包装関連

• エポキシの劣化：プラスチックパッケージの一部の材料は、熱を受けると黄変する傾向があり、影響を受ける波長の部分的な吸収（したがって効率の低下）を引き起こします
• 熱応力：突発的な故障は、ほとんどの場合、熱応力によって引き起こされます。エポキシ樹脂パッケージがガラス転移温度に達すると、急速に膨張し始め、半導体や接合部に機械的応力が生じ、半導体の強度が低下したり、場合によっては剥離したりすることがあります。逆に、極端に低い温度では、パッケージに亀裂が生じる可能性があります。
• 蛍光体の劣化の差異：白色LEDに使用されている様々な蛍光体は、熱や経年変化によって劣化する傾向がありますが、劣化速度が異なるため、生成される光の色に変化が生じます。例えば、紫色やピンクのLEDでは、有機蛍光体が使用されていることが多く、数時間の動作で劣化し、出力色に大きな変化が生じる可能性があります。^[1]

半導体および金属関連

• 転位の核生成と成長：これは、発光再結合が起こる活性領域の劣化の既知のメカニズムです。結晶内に欠陥が存在することが必要であり、熱、高電流密度、および放出光によって加速されます。ガリウムヒ素とアルミニウムガリウムヒ素は、ガリウムヒ素リンやインジウムリンよりもこのメカニズムの影響を受けやすいです。活性領域の特性が異なるため、窒化ガリウムと窒化インジウムガリウムは、この種の欠陥の影響を実質的に受けません。
• エレクトロマイグレーション:これは高電流密度によって発生し、原子を活性領域から移動させ、転位や点欠陥の発生を招き、非放射再結合中心として機能し、光の代わりに熱を生成します。
• 電離放射線：欠陥の発生につながり、LEDを含む回路（例：光アイソレータ）の放射線耐性に問題が生じる可能性があります。
• 金属拡散：高温下での高電流または高電圧によって発生する金属拡散は、金属原子を電極から活性領域へ移動させる可能性があります。一部の材料、特にインジウムスズ酸化物や銀はエレクトロマイグレーションの影響を受けやすく、チップエッジに沿ってリーク電流や非発光再結合を引き起こします。GaN/InGaNダイオードなどでは、エレクトロマイグレーションの影響を抑えるためにバリアメタル層が使用される場合もあります。
• 短絡:機械的ストレス、高電流、腐食性環境によりウィスカーが形成され、短絡が発生する可能性があります。
• 側壁欠陥：製造技術の進歩にもかかわらず、マイクロLEDの特性評価は、その小型サイズゆえに依然として非常に困難です。特に、側壁欠陥は光学特性と電気特性に大きな影響を与えますが、検出と分析が困難です。^{[2] [3]}

応力関連

• 熱暴走：基板の不均一性により局所的な熱伝導率の低下が起こり、熱が損傷を引き起こし、それがさらに熱を発生させるなど、熱暴走を引き起こす可能性があります。最も一般的なものは、不完全なはんだ付け、またはエレクトロマイグレーション効果とカーケンドールボイドによって引き起こされるボイドです
• 電流の集中：接合部における電流密度の不均一な分布は、電流フィラメントの形成につながる可能性があります。これにより局所的なホットスポットが発生し、熱暴走のリスクが生じます。
• 静電放電: ESD は半導体接合部の即時故障、そのパラメータの永久的な変化、または劣化速度の増加をもたらす潜在的な損傷を引き起こす可能性があります。サファイア基板上に形成された LED とレーザー (サファイア上のシリコンを参照) は、ESD による損傷を受けやすくなります。
• 逆バイアス: LED はダイオード接合に基づいており、名目上は整流器ですが、一部のタイプでは逆ブレークダウン モードが非常に低い電圧で発生する可能性があり、基本的に過剰な逆バイアスによって即時の劣化が発生し、故障が大幅に加速される可能性があります。5 V は、一般的な LED の最大逆バイアス電圧仕様の標準値ですが、一部の特殊なタイプでは、より低い制限が設定されている場合があります。
• 壊滅的な光学的損傷:高出力半導体レーザーで発生する可能性があります。

参考文献

1. 「Candlepower ピンクLEDレビュー」 。 2008年9月19日閲覧^{[独自の研究？ ]}
2. 「GaN/InGaN μLEDの発光における形状とサイズの影響：側壁欠陥と光抽出効率の競合」ACS Photonics . 2023年10月16日.
3. 「陰極ルミネッセンスと感光性ケルビンプローブフォース顕微鏡によるGaN/InGaN LED側壁欠陥分析」ACS Photonics . 2024年4月20日.