Méthodologie d'analyse de défaillance pour l'évaluation de la fiabilité de diodes électroluminescentes GaN / Raphaël Baillot ; sous la direction de Yves Ousten et de Yannick Deshayes

Date :

Type : Livre / Book

Type : Thèse / Thesis

Langue / Language : français / French

Diodes électroluminescentes -- Fiabilité

Ousten, Yves (1956-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Deshayes, Yannick (1972-....) (Directeur de thèse / thesis advisor)

Deval, Yann (1963-....) (Président du jury de soutenance / praeses)

Salvestrini, Jean-Paul (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Thérias, Sandrine (Rapporteur de la thèse / thesis reporter)

Bechou, Laurent (1969-....) (Membre du jury / opponent)

Grandjean, Nicolas (1967-....) (Membre du jury / opponent)

Université Bordeaux-I (1971-2013) (Organisme de soutenance / degree-grantor)

École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) (Ecole doctorale associée à la thèse / doctoral school)

Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (Laboratoire associé à la thèse / thesis associated laboratory)

Résumé / Abstract : 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 de défaillance électriques 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 polymérisation 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 polymérisation de l'huile silicone 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.

Résumé / 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/Inominal) have been performed on low power InGaN/GaN MQW LEDs (30mW) 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 silicone oil (i.e. chip coating) polymerization 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, silicone oil polymerization 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.