1 引言

自1968年利用氮摻雜工藝使GaAsP紅色發光二極管(LED)的發光效率達到1lm/W以來,LED的研究得到迅速發展。1985年,采用液相外延法,使得AlGaAsLED的發光強度首次突破1cd[1]。20世紀90年代初對于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雙異質結藍光LED和InGaN量子阱結構紫外LED。GaN基藍光LED的出現及其效率的迅速提高,使LED得以形成三基色完備的發光體系,并使白光LED的研制成為可能。實現白光LED的技術途徑主要有兩條:一是采用紅、綠、藍三基色混合生成白光,二是通過熒光粉轉換的方法實現白光,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域向照明領域邁進,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是當前的研究熱點,但用于照明還存在發光效率不夠高,空間色度均勻性較差,以及成本高等問題。此外,雖然LED是公認的高可靠性半導體產品,但是關于大功率發光二極管的壽命測試數據的報道仍顯不足。本文研究了熒光粉轉換GaN基大功率白光LED的光輸出隨時間的衰減特性,并對老化過程中LED的失效情況進行了初步分析。另外,為了避免熒光粉對LED光輸出衰減特性的影響,對大功率藍光LED進行了老化試驗,分析了大功率藍光LED的失效機理。

2　實驗

采用熒光粉轉換實現白光的方法,以峰值波長為450～470nm的GaN基LED發射的藍光為基礎光源,其中一部分藍光透過熒光粉發射出來,另一部分激發熒光粉,使熒光粉發出峰值為560～580nm的黃綠色光,透出的藍光與熒光粉發出的黃綠色光組成白光。采用不同廠家制造的商用GaN基大功率藍色發光芯片分別制備了四組大功率白光LED,用自己設計制作的老化試驗裝置對其進行了壽命試驗。為了排除熒光粉對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色發光二極管。最后采用防靜電保護措施對大功率LED的壽命試驗進行了改進。表1給出了大功率LED的壽命試驗條件。大功率LED的電學和光學特性測試是通過LED專用測試系統———PMS-50紫外2可見2近紅外光譜分析系統進行的,該分析系統的光度測試準確度為一級,色溫誤差為±0.3%。

3　結果與討論

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光LED的相對光輸出隨時間的衰減曲線,每組LED采用的是同一廠家的同一批次芯片。其中第2、3組同時包括白光和藍光LED,第5組藍光LED采用了防靜電保護措施。所有LED的光通量都用開始老化時的初始值進行了歸一化。對于每組試樣,圖中所示衰減趨勢表示的是該組試樣測量值的平均結果。對于大功率LED的相對光輸出隨時間的變化,一般的趨勢是其光輸出在開始的一段時間內衰減較快,在隨后的一段時間內衰減較慢,但在即將耗盡或發生災變性失效階段,其光輸出又急劇衰減。在前兩個階段,LED的光輸出隨時間的衰減曲線可近似為如下的指數形式[12]:

y=exp(-at)(1)

式中:y表示相對光輸出,a表示衰減系數,t為以小時為單位的點燈時間。顯然a越大,y值衰減越快。在發光二極管不發生嚴重的顏色漂移的情況下,通常人眼對小于50%的光輸出變化難以察覺。因此,本文把光輸出衰減50%所經歷的時間定義為發光二極管的壽命[12]。由圖1可見,第1、2組白光LED試樣的光輸出衰減很快,尤其是第1組,經過800h的老化時間,其光通量衰減了約62%。但在第1組白光LED的壽命試驗過程中未觀察到災變性失效現象。我們認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較好,經過近2500h,其光通量衰減約6%。與同批次白光LED試樣相比,藍光LED的光輸出隨時間的衰減速率相對較慢。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的光輸出衰減特性僅取決于芯片本身的品質和封裝工藝中所用導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的光輸出衰減相對藍光LED要快一些,這也表明白光LED的后期工藝還有待進一步改善。用式(1)分別對大功率白光和藍光LED試樣的光輸出衰減曲線進行了擬合,所取衰減系數列于表1中。圖1和圖2中的實線為數值擬合結果。由圖1、圖2可見,測試結果與擬合結果比較吻合。這表明大功率LED的壽命試驗不一定要進行到所有LED的光輸出都衰減到50%以下,只要能夠通過早期失效階段,LED將進入一個比較穩定且相對緩慢的衰減過程,并可據此對LED的壽命進行估計。由指數衰減規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,而三組大功率藍光LED試樣的預期平均壽命分別為6301、 31506和9001h?？梢姴煌瑥S家生產的大功率LED芯片的性能差距比較大。