1 引言
GaN基白光发光二极管(LED)因为节能、环保的优点,正在成为取代传统电光源的最有潜力的下一代照明光源。但是普通封装的白光LED的光衰非常严重,寿命只有几千小时,仅约为蓝光芯片封装的LED寿命的1 /10。因此对白光LED的发光效率、色度等的老化机理进行研究就显得十分必要。人们通过I2V 特性等手段对各种LED老化中缺陷的影响进行了一些研究[ 1～10 ] 。据报道,反向漏电电流的空间分布是很不均匀的,且对肖特基势垒高度的变化不敏感,可以猜测反向漏电电流的通道主要是螺旋位错和混合位错[ 2 ] ;用TEM显微镜和X射线的能量散射谱技术( EDS)得到了直接的证据,证明高温下金属沿螺旋位错的移动和扩散导致I2V 特性中产生欧姆短路[ 3 ] ;降低螺位错影响的新的衬底材料AlN /蓝宝石被设计出来,用它制作的LED的I2V 特性没有隧道电流区域[ 5 ] ; 老化导致非辐射复合增加,表现在I2V特性上为正向曲线的小电流端上移[ 6 ] 。各种接触性质的变化对LED的老化影响显著,人们对欧姆接触进行了大量的研究[ 7, 8 ] ,欧姆接触的电阻在340 ℃时开始显著升高[ 9 ] 。目前已有的报道集中在量子阱中载流子衰退机制[ 10 ] 、缺陷的影响欧姆接触的演变等方面,还缺少对白光LED封装产成品老化特性的研究。以往对GaAs基二极管老化的研究通常采用温度、电流等加速寿命实验[ 11～13 ] ,研究方法多采用对I2V 特性等进行分析,所以本文在对比温度加速老化实验的基础上,测量得到了白光LED老化过程中I2V、C2V 和发光光谱等的变化规律,提出了其性能退化机理的初步解释,使用阿列纽斯关系计算出了本实验所用白光LED的寿命。
2 实验
用环氧树脂与黄光荧光粉混合,然后涂抹在GaN / InGaN蓝光芯片上,最后再用透明环氧树脂封装成白光LED。环氧树脂与荧光粉的质量混合比例为20∶3,我们还在相同条件下封装了蓝光LED。白光LED和蓝光LED各取5只,插在老化板上通以20 mA的正向恒定电流,把老化板连同点亮的白光LED一起放在恒温干燥箱里进行温度加速老化实验,恒温干燥箱的箱内温度保持在80 ℃,实验时间为1 190 h。每隔一定时间测量一次数据,时间间隔根据老化的情况在10～50 h之间选取,使用GDM28145型数字万用表测量正向偏压,用SP3112型LED综合测试仪测量发光光谱和色度学参量,测量时把老化板取出,每次测量耗时0. 5 h,进行数据处理时从老化时间里扣除;对未老化的和老化后的白光LED都用HP4156B型参数分析器和HP28280A型C2V 测量仪测量其I2V 和高频Csc2V 特性,频率为1 MHz。完成上述实验后,另取两种荧光粉含量的白光LED 和蓝光LED各3只,把恒温干燥箱的箱内温度保持在100 ℃,实验时间为365 h,依据同样的程序进行测量白炽灯于1910年开始批量生产,此后,又有荧光灯等新光源出现.但近20年来,照明界深感有必要开发新世纪照明光源.欧洲专门制订了COST五年行动计划,它提出新型光源要符合三个条件:高效,节能;不使用有害于环境的材料;模拟自然光,其显色指数接近100. 美国有专家提出,半导体已在电子学方面完成了一场革命,第二场革命将在照明领域进行,到2020年左右,固体光源发光效率将达到200 lm / w ,能符合COST计划提出的对新光源的要求,这样,在国际上掀起了LED照明的热潮.全球白光LED研制进展
白光LED分单芯片,双芯片和三芯片,以下将按这一分类介绍:
单芯片
In Ga N ( 蓝)/ YAG 荧光粉
这是一种目前较为成熟的产品,其中1W的和5W的 Lumileds 已有批量产品.这些产品采用芯片倒装结构,提高发光效率和散热效果.荧光粉涂覆工艺的改进,可将色均匀性提高10倍.实验证明,电流和温度的增加使LED光谱有
些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不大.寿命实验结果也较好,Φ5的白光LED在工作1.2万小时后,光输出下降
80%,而这种功率LED在工作1.2万小时后,仅下降10%,估计工作5万小时后下降30%.这种称为 Luxeon 的功率LED最高效率达到44.3 lm / w ,最高光通量为187 lm ,产业化产品可达120 lm ,Ra为75-80 .
In Ga N ( 蓝)/红荧光粉+绿荧光粉
Lumileds 公司采用460 nm LED 配以SrGa2S4:Eu2+(绿色)和SrS:Eu2+(红色)荧光粉,色温可达到3000 K - 6000 K 的较好结果,Ra达到82-87 ,较前述产品有所提高.
In Ga N ( 紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉
Cree,日亚,丰田等公司均在大力研制紫外LED.Cree公司已生产出50mW,385 nm —405 nm 的紫外LED;丰田已生产此类白光LED,其Ra大于等于90,但发光效率还不够理想;日亚于最近制得365 nm ,1mm2,4.6V,500 m A 的高功率紫外LED,如制成白色LED,会有较好效果.ZnSe和OLED白光器件也有进展,但离产业化生产尚远.
双芯片
可由蓝LED+黄LED,蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成,此种器件成本比较便宜,但由于是两种颜色LED形成的白光,显色性较差,只能在显色性要求不高的场合使用.
三芯片(蓝色+绿色+红色)LED
Philip s 公司用470 nm ,540 nm 和610 nm 的LED芯片制成Ra大于80的器件,色温可达3500 K .如用470 nm ,525 nm 和635 nm 的LED芯片,则缺少黄色调,Ra只能达到20或30.采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度.美国TIR公司采用 Luxeon RGB 器件制成用于景观照明的系统产品,用 Lumile ds 制成液晶电视屏幕(22英寸),产品的性能都不错.
四芯片(蓝色+绿色+红色+黄色)LED
采用465 nm ,535 nm ,590 nm 和625 nm LED 芯片可制成Ra大于90的白光LED.此外, Norlu x 公司用90个三色芯
片(R,G,B)制成10W的白光LED,每个器件光通量达130 lm ,色温为5500 K .
照明用白光LED技术指标
照明用白光LED不同于传统的LED产品,在技术性能指标上有一些特殊要求:光通量一个Φ5LED的光通量仅为1lm左右,而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm.当然,光通量为0.1 Klm 和0.01 Klm 的功率LED也能达到要求较低的照明需求.由于15W白炽灯效率较低,仅8 lm / w ,所以一个15W白炽灯的光通量,与25 lm / w 的白光功率 LED 5 W 器件相当.发光效率目前产业化产品已从15 lm / w 提高到25 lm / w ,研究水平为32 lm / w ,最高水平已达44.3 lm / w .色温在2500 K - 6000 K 之间,最好是2500 K - 3500 K 之间.显色指数Ra最好是100.稳定性波长和光通量均要求保持稳定,但其稳定性程度依照明场合的需求而定.寿命5万小时至10万小时.
白光LED应用展望
白光LED亮度和功率的每一次提高,都进一步扩展了它的应用范围.从2000年开始,功率型LED已被用于特殊应用照明.2002年,三菱电机用它作为可拍照移动电话的闪光灯,将Lumileds 作为液晶电视屏的背光源,提高了色彩保真度;小糸制作所用白光LED制作汽车头灯.此外,目前白色LED在景观照明,庭园灯等方面已大量应用.本人估计,若白光LED以1lm/个单位为基础,每单位降到1元将进入一般家庭的户外照明;当降到0.5元可望进入室内照明,走廊照明等市场;当降到0.25元时将开始置换荧光灯.从发光效率看,一旦跨进60 lm / w ,相当于20W的荧光灯,白光LED将迅速普及.未来5年到6年中,若发光效率突破80 lm / W,再加上单价继续下降,则到2008-2010年,白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具,正式担当21世纪的照明新光源.
我国的封装产业经过近30年的发展,包括白光LED在内的各种颜色的支架式LED,普通片式LED的性能已经可以与国外先进水平媲美,功率型LED部分产品,如食人鱼型LED也已批量生产,佛山国星光电正在对 PLCC4 封装的功率型LED进行试产,而在大功率LED器件封装方面,国内虽有少数厂家正研制样品,但离商品化生产还有一段距离.佛山国星光电的片式LED在2001年达到0.8 mm 厚度,填补国内空白.在此基础上,又推出了0.4 mm 和
0.6 mm 厚度的新品种,再次填补国内空白,产品品质达到 SHARP 公司同类产品水平,片式LED列入2002年国
家重点新产品行列.早在2000年初,佛山国星光电已开始用进口的蓝光LED芯片和荧光粉试制白光LED,目前传统结构的白光LED已形成规模生产;2002年,和中山大学化学与化工学院建立了开发用于白光LED荧光粉的合作关系,目前中山大学方面荧光粉的研究已取得显著成果,多种配方的荧光材料正在进行封装试验.2001年佛山国星光电利用进口的大功率蓝光芯片进行功率型白光LED的开发试制工作,目前已做出单个器件最高光通量输出达到20lm的白光LED,并获得3项国家实用新型专利,1项国家发明专利正在受理之中.目前,佛山市国星光电科技有限公司正在进行单芯片大功率和多芯片组合封装大功率白光LED器件封装技术的研究,已研制出若干样品.佛山国星光电科技有限公司是国内少数开展大功率LED研究,开发的企业,目前已经在大功率LED器件结构设计方面申请了数项专利.利用大尺寸芯片和金属线路板COB技术制作的大功率白光LED,因为在结构设计和工艺流程方面充分考虑了器件的散热问题,当工作电流达到800 m A 时仍未表现出光电饱和特性.在350 m A 工作时,典型输入功率为1.2W,流明效率为11.08 lm / w ,单管输出光通量为13.84 lm,部分样品流明效率接近12 lm / w ,单管输出光通量超过15lm.此外,在白光LED器件的可靠性设计方面,公司进行了多种形式的白光LED加速老化实验,建立快速的白光LED老化,失效评价体系,为新型结构器件和荧光粉的研制提供支撑.
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