1 引言

自1968年利用氮摻雜工藝使GaAsP紅色發(fā)光二極管(LED)的發(fā)光效率達(dá)到1lm/W以來(lái),LED的研究得到迅速發(fā)展。1985年,采用液相外延法,使得AlGaAsLED的發(fā)光強(qiáng)度首次突破1cd[1]。20世紀(jì)90年代初對(duì)于InGaAlP四元系材料的研究,不僅大大提高了LED的效率,還將高亮度LED的光譜從紅光擴(kuò)展到黃光和黃綠光[2～4]。90年代中期,Nakamura等[5,6]采用MOCVD方法成功地制備出高亮 InGaN/AlGaN雙異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED和InGaN量子阱結(jié)構(gòu)紫外LED。GaN基藍(lán)光LED的出現(xiàn)及其效率的迅速提高,使LED得以形成三基色完備的發(fā)光體系,并使白光LED的研制成為可能。實(shí)現(xiàn)白光LED的技術(shù)途徑主要有兩條:一是采用紅、綠、藍(lán)三基色混合生成白光,二是通過(guò)熒光粉轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)白光,目前以后者居多[7～11]。隨著白光LED的功率和效率的不斷提高,LED正在從指示和顯示領(lǐng)域向照明領(lǐng)域邁進(jìn),并將成為繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源。雖然大功率白光LED是當(dāng)前的研究熱點(diǎn),但用于照明還存在發(fā)光效率不夠高,空間色度均勻性較差,以及成本高等問(wèn)題。此外,雖然LED是公認(rèn)的高可靠性半導(dǎo)體產(chǎn)品,但是關(guān)于大功率發(fā)光二極管的壽命測(cè)試數(shù)據(jù)的報(bào)道仍顯不足。本文研究了熒光粉轉(zhuǎn)換GaN基大功率白光LED的光輸出隨時(shí)間的衰減特性,并對(duì)老化過(guò)程中LED的失效情況進(jìn)行了初步分析。另外,為了避免熒光粉對(duì)LED光輸出衰減特性的影響,對(duì)大功率藍(lán)光LED進(jìn)行了老化試驗(yàn),分析了大功率藍(lán)光LED的失效機(jī)理。

2　實(shí)驗(yàn)

采用熒光粉轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)白光的方法,以峰值波長(zhǎng)為450～470nm的GaN基LED發(fā)射的藍(lán)光為基礎(chǔ)光源,其中一部分藍(lán)光透過(guò)熒光粉發(fā)射出來(lái),另一部分激發(fā)熒光粉,使熒光粉發(fā)出峰值為560～580nm的黃綠色光,透出的藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃綠色光組成白光。采用不同廠家制造的商用GaN基大功率藍(lán)色發(fā)光芯片分別制備了四組大功率白光LED,用自己設(shè)計(jì)制作的老化試驗(yàn)裝置對(duì)其進(jìn)行了壽命試驗(yàn)。為了排除熒光粉對(duì)LED光輸出衰減特性的影響,分別采用與第三、四組白光LED同批次的芯片制備了大功率藍(lán)色發(fā)光二極管。最后采用防靜電保護(hù)措施對(duì)大功率LED的壽命試驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)。表1給出了大功率LED的壽命試驗(yàn)條件。大功率LED的電學(xué)和光學(xué)特性測(cè)試是通過(guò)LED專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)———PMS-50紫外2可見(jiàn)2近紅外光譜分析系統(tǒng)進(jìn)行的,該分析系統(tǒng)的光度測(cè)試準(zhǔn)確度為一級(jí),色溫誤差為±0.3%。

3　結(jié)果與討論

3.1 大功率LED的光輸出衰減特性

圖1和圖2分別給出了大功率白光和藍(lán)光LED的相對(duì)光輸出隨時(shí)間的衰減曲線,每組LED采用的是同一廠家的同一批次芯片。其中第2、3組同時(shí)包括白光和藍(lán)光LED,第5組藍(lán)光LED采用了防靜電保護(hù)措施。所有LED的光通量都用開(kāi)始老化時(shí)的初始值進(jìn)行了歸一化。對(duì)于每組試樣,圖中所示衰減趨勢(shì)表示的是該組試樣測(cè)量值的平均結(jié)果。對(duì)于大功率LED的相對(duì)光輸出隨時(shí)間的變化,一般的趨勢(shì)是其光輸出在開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)衰減較快,在隨后的一段時(shí)間內(nèi)衰減較慢,但在即將耗盡或發(fā)生災(zāi)變性失效階段,其光輸出又急劇衰減。在前兩個(gè)階段,LED的光輸出隨時(shí)間的衰減曲線可近似為如下的指數(shù)形式[12]:

y=exp(-at)(1)

式中:y表示相對(duì)光輸出,a表示衰減系數(shù),t為以小時(shí)為單位的點(diǎn)燈時(shí)間。顯然a越大,y值衰減越快。在發(fā)光二極管不發(fā)生嚴(yán)重的顏色漂移的情況下,通常人眼對(duì)小于50%的光輸出變化難以察覺(jué)。因此,本文把光輸出衰減50%所經(jīng)歷的時(shí)間定義為發(fā)光二極管的壽命[12]。由圖1可見(jiàn),第1、2組白光LED試樣的光輸出衰減很快,尤其是第1組,經(jīng)過(guò)800h的老化時(shí)間,其光通量衰減了約62%。但在第1組白光LED的壽命試驗(yàn)過(guò)程中未觀察到災(zāi)變性失效現(xiàn)象。我們認(rèn)為該組試樣光輸出的迅速衰減是由LED材料本身的退化引起的。第4組大功率白光LED的光輸出保持特性相對(duì)較好,經(jīng)過(guò)近2500h,其光通量衰減約6%。與同批次白光LED試樣相比,藍(lán)光LED的光輸出隨時(shí)間的衰減速率相對(duì)較慢。在LED芯片制備工藝條件相同的情況下,排除熒光粉的影響之后,LED的光輸出衰減特性?xún)H取決于芯片本身的品質(zhì)和封裝工藝中所用導(dǎo)熱材料及包封材料的性能。在芯片一致性較好的情況下,白光LED的光輸出衰減相對(duì)藍(lán)光LED要快一些,這也表明白光LED的后期工藝還有待進(jìn)一步改善。用式(1)分別對(duì)大功率白光和藍(lán)光LED試樣的光輸出衰減曲線進(jìn)行了擬合,所取衰減系數(shù)列于表1中。圖1和圖2中的實(shí)線為數(shù)值擬合結(jié)果。由圖1、圖2可見(jiàn),測(cè)試結(jié)果與擬合結(jié)果比較吻合。這表明大功率LED的壽命試驗(yàn)不一定要進(jìn)行到所有LED的光輸出都衰減到50%以下,只要能夠通過(guò)早期失效階段,LED將進(jìn)入一個(gè)比較穩(wěn)定且相對(duì)緩慢的衰減過(guò)程,并可據(jù)此對(duì)LED的壽命進(jìn)行估計(jì)。由指數(shù)衰減規(guī)律推得四組大功率白光LED光輸出衰減50%的平均壽命分別為578、1386、3366和27726h,而三組大功率藍(lán)光LED試樣的預(yù)期平均壽命分別為6301、 31506和9001h。可見(jiàn)不同廠家生產(chǎn)的大功率LED芯片的性能差距比較大。