1 引言
GaN基白光發(fā)光二極管(LED)因為節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點,正在成為取代傳統(tǒng)電光源的最有潛力的下一代照明光源。但是普通封裝的白光LED的光衰非常嚴重,壽命只有幾千小時,僅約為藍光芯片封裝的LED壽命的1 /10。因此對白光LED的發(fā)光效率、色度等的老化機理進行研究就顯得十分必要。人們通過I2V 特性等手段對各種LED老化中缺陷的影響進行了一些研究[ 1～10 ] 。據(jù)報道,反向漏電電流的空間分布是很不均勻的,且對肖特基勢壘高度的變化不敏感,可以猜測反向漏電電流的通道主要是螺旋位錯和混合位錯[ 2 ] ;用TEM顯微鏡和X射線的能量散射譜技術( EDS)得到了直接的證據(jù),證明高溫下金屬沿螺旋位錯的移動和擴散導致I2V 特性中產(chǎn)生歐姆短路[ 3 ] ;降低螺位錯影響的新的襯底材料AlN /藍寶石被設計出來,用它制作的LED的I2V 特性沒有隧道電流區(qū)域[ 5 ] ; 老化導致非輻射復合增加,表現(xiàn)在I2V特性上為正向曲線的小電流端上移[ 6 ] 。各種接觸性質(zhì)的變化對LED的老化影響顯著,人們對歐姆接觸進行了大量的研究[ 7, 8 ] ,歐姆接觸的電阻在340 ℃時開始顯著升高[ 9 ] 。目前已有的報道集中在量子阱中載流子衰退機制[ 10 ] 、缺陷的影響歐姆接觸的演變等方面,還缺少對白光LED封裝產(chǎn)成品老化特性的研究。以往對GaAs基二極管老化的研究通常采用溫度、電流等加速壽命實驗[ 11～13 ] ,研究方法多采用對I2V 特性等進行分析,所以本文在對比溫度加速老化實驗的基礎上,測量得到了白光LED老化過程中I2V、C2V 和發(fā)光光譜等的變化規(guī)律,提出了其性能退化機理的初步解釋,使用阿列紐斯關系計算出了本實驗所用白光LED的壽命。
2 實驗
用環(huán)氧樹脂與黃光熒光粉混合,然后涂抹在GaN / InGaN藍光芯片上,最后再用透明環(huán)氧樹脂封裝成白光LED。環(huán)氧樹脂與熒光粉的質(zhì)量混合比例為20∶3,我們還在相同條件下封裝了藍光LED。白光LED和藍光LED各取5只,插在老化板上通以20 mA的正向恒定電流,把老化板連同點亮的白光LED一起放在恒溫干燥箱里進行溫度加速老化實驗,恒溫干燥箱的箱內(nèi)溫度保持在80 ℃,實驗時間為1 190 h。每隔一定時間測量一次數(shù)據(jù),時間間隔根據(jù)老化的情況在10～50 h之間選取,使用GDM28145型數(shù)字萬用表測量正向偏壓,用SP3112型LED綜合測試儀測量發(fā)光光譜和色度學參量,測量時把老化板取出,每次測量耗時0. 5 h,進行數(shù)據(jù)處理時從老化時間里扣除;對未老化的和老化后的白光LED都用HP4156B型參數(shù)分析器和HP28280A型C2V 測量儀測量其I2V 和高頻Csc2V 特性,頻率為1 MHz。完成上述實驗后,另取兩種熒光粉含量的白光LED 和藍光LED各3只,把恒溫干燥箱的箱內(nèi)溫度保持在100 ℃,實驗時間為365 h,依據(jù)同樣的程序進行測量白熾燈于1910年開始批量生產(chǎn),此后,又有熒光燈等新光源出現(xiàn).但近20年來,照明界深感有必要開發(fā)新世紀照明光源.歐洲專門制訂了COST五年行動計劃,它提出新型光源要符合三個條件:高效,節(jié)能;不使用有害于環(huán)境的材料;模擬自然光,其顯色指數(shù)接近100. 美國有專家提出,半導體已在電子學方面完成了一場革命,第二場革命將在照明領域進行,到2020年左右,固體光源發(fā)光效率將達到200 lm / w ,能符合COST計劃提出的對新光源的要求,這樣,在國際上掀起了LED照明的熱潮.全球白光LED研制進展
白光LED分單芯片,雙芯片和三芯片,以下將按這一分類介紹:
單芯片
In Ga N ( 藍)/ YAG 熒光粉
這是一種目前較為成熟的產(chǎn)品,其中1W的和5W的 Lumileds 已有批量產(chǎn)品.這些產(chǎn)品采用芯片倒裝結(jié)構,提高發(fā)光效率和散熱效果.熒光粉涂覆工藝的改進,可將色均勻性提高10倍.實驗證明,電流和溫度的增加使LED光譜有
些藍移和紅移,但對熒光光譜影響并不大.壽命實驗結(jié)果也較好,Φ5的白光LED在工作1.2萬小時后,光輸出下降
80%,而這種功率LED在工作1.2萬小時后,僅下降10%,估計工作5萬小時后下降30%.這種稱為 Luxeon 的功率LED最高效率達到44.3 lm / w ,最高光通量為187 lm ,產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品可達120 lm ,Ra為75-80 .
In Ga N ( 藍)/紅熒光粉+綠熒光粉
Lumileds 公司采用460 nm LED 配以SrGa2S4:Eu2+(綠色)和SrS:Eu2+(紅色)熒光粉,色溫可達到3000 K - 6000 K 的較好結(jié)果,Ra達到82-87 ,較前述產(chǎn)品有所提高.
In Ga N ( 紫外)/(紅+綠+藍)熒光粉
Cree,日亞,豐田等公司均在大力研制紫外LED.Cree公司已生產(chǎn)出50mW,385 nm —405 nm 的紫外LED;豐田已生產(chǎn)此類白光LED,其Ra大于等于90,但發(fā)光效率還不夠理想;日亞于最近制得365 nm ,1mm2,4.6V,500 m A 的高功率紫外LED,如制成白色LED,會有較好效果.ZnSe和OLED白光器件也有進展,但離產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)尚遠.
雙芯片
可由藍LED+黃LED,藍LED+黃綠LED以及藍綠LED+黃LED制成,此種器件成本比較便宜,但由于是兩種顏色LED形成的白光,顯色性較差,只能在顯色性要求不高的場合使用.
三芯片(藍色+綠色+紅色)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,色溫可達3500 K .如用470 nm ,525 nm 和635 nm 的LED芯片,則缺少黃色調(diào),Ra只能達到20或30.采用波長補償和光通量反饋方法可使色移動降到可接受程度.美國TIR公司采用 Luxeon RGB 器件制成用于景觀照明的系統(tǒng)產(chǎn)品,用 Lumile ds 制成液晶電視屏幕(22英寸),產(chǎn)品的性能都不錯.
四芯片(藍色+綠色+紅色+黃色)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個三色芯
片(R,G,B)制成10W的白光LED,每個器件光通量達130 lm ,色溫為5500 K .
照明用白光LED技術指標
照明用白光LED不同于傳統(tǒng)的LED產(chǎn)品,在技術性能指標上有一些特殊要求:光通量一個Φ5LED的光通量僅為1lm左右,而用作照明的白光功率LED希望達到1Klm.當然,光通量為0.1 Klm 和0.01 Klm 的功率LED也能達到要求較低的照明需求.由于15W白熾燈效率較低,僅8 lm / w ,所以一個15W白熾燈的光通量,與25 lm / w 的白光功率 LED 5 W 器件相當.發(fā)光效率目前產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品已從15 lm / w 提高到25 lm / w ,研究水平為32 lm / w ,最高水平已達44.3 lm / w .色溫在2500 K - 6000 K 之間,最好是2500 K - 3500 K 之間.顯色指數(shù)Ra最好是100.穩(wěn)定性波長和光通量均要求保持穩(wěn)定,但其穩(wěn)定性程度依照明場合的需求而定.壽命5萬小時至10萬小時.
白光LED應用展望
白光LED亮度和功率的每一次提高,都進一步擴展了它的應用范圍.從2000年開始,功率型LED已被用于特殊應用照明.2002年,三菱電機用它作為可拍照移動電話的閃光燈,將Lumileds 作為液晶電視屏的背光源,提高了色彩保真度;小糸制作所用白光LED制作汽車頭燈.此外,目前白色LED在景觀照明,庭園燈等方面已大量應用.本人估計,若白光LED以1lm/個單位為基礎,每單位降到1元將進入一般家庭的戶外照明;當降到0.5元可望進入室內(nèi)照明,走廊照明等市場;當降到0.25元時將開始置換熒光燈.從發(fā)光效率看,一旦跨進60 lm / w ,相當于20W的熒光燈,白光LED將迅速普及.未來5年到6年中,若發(fā)光效率突破80 lm / W,再加上單價繼續(xù)下降,則到2008-2010年,白光LED照明將逐漸普及至一般家庭的各種照明燈具,正式擔當21世紀的照明新光源.
我國的封裝產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近30年的發(fā)展,包括白光LED在內(nèi)的各種顏色的支架式LED,普通片式LED的性能已經(jīng)可以與國外先進水平媲美,功率型LED部分產(chǎn)品,如食人魚型LED也已批量生產(chǎn),佛山國星光電正在對 PLCC4 封裝的功率型LED進行試產(chǎn),而在大功率LED器件封裝方面,國內(nèi)雖有少數(shù)廠家正研制樣品,但離商品化生產(chǎn)還有一段距離.佛山國星光電的片式LED在2001年達到0.8 mm 厚度,填補國內(nèi)空白.在此基礎上,又推出了0.4 mm 和
0.6 mm 厚度的新品種,再次填補國內(nèi)空白,產(chǎn)品品質(zhì)達到 SHARP 公司同類產(chǎn)品水平,片式LED列入2002年國
家重點新產(chǎn)品行列.早在2000年初,佛山國星光電已開始用進口的藍光LED芯片和熒光粉試制白光LED,目前傳統(tǒng)結(jié)構的白光LED已形成規(guī)模生產(chǎn);2002年,和中山大學化學與化工學院建立了開發(fā)用于白光LED熒光粉的合作關系,目前中山大學方面熒光粉的研究已取得顯著成果,多種配方的熒光材料正在進行封裝試驗.2001年佛山國星光電利用進口的大功率藍光芯片進行功率型白光LED的開發(fā)試制工作,目前已做出單個器件最高光通量輸出達到20lm的白光LED,并獲得3項國家實用新型專利,1項國家發(fā)明專利正在受理之中.目前,佛山市國星光電科技有限公司正在進行單芯片大功率和多芯片組合封裝大功率白光LED器件封裝技術的研究,已研制出若干樣品.佛山國星光電科技有限公司是國內(nèi)少數(shù)開展大功率LED研究,開發(fā)的企業(yè),目前已經(jīng)在大功率LED器件結(jié)構設計方面申請了數(shù)項專利.利用大尺寸芯片和金屬線路板COB技術制作的大功率白光LED,因為在結(jié)構設計和工藝流程方面充分考慮了器件的散熱問題,當工作電流達到800 m A 時仍未表現(xiàn)出光電飽和特性.在350 m A 工作時,典型輸入功率為1.2W,流明效率為11.08 lm / w ,單管輸出光通量為13.84 lm,部分樣品流明效率接近12 lm / w ,單管輸出光通量超過15lm.此外,在白光LED器件的可靠性設計方面,公司進行了多種形式的白光LED加速老化實驗,建立快速的白光LED老化,失效評價體系,為新型結(jié)構器件和熒光粉的研制提供支撐.
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