白光led的老化及光學(xué)特性的研究

白光led的老化及光學(xué)特性的研究

合成紫外光led芯片作為新一代的照明光源，它具有節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)期、體積小、反應(yīng)快等特點(diǎn)。是近年來(lái)世界上最具前景的高科技領(lǐng)域之一。全球范圍內(nèi)環(huán)境保護(hù)力度的持續(xù)加強(qiáng)以及產(chǎn)品性能的不斷提高,使得LED獲得了巨大的市場(chǎng)空間。目前工業(yè)上用LED實(shí)現(xiàn)白光有多種方式:藍(lán)光芯片上涂敷黃色熒光粉;藍(lán)光芯片上涂覆綠色和紅色熒光粉;紫外光芯片上涂敷三基色或多種顏色的熒光粉;多芯片合成白光等等。其中使用最廣泛的是第一種制法,即用高效的InGaN/GaN基藍(lán)光LED芯片激發(fā)YAG∶Ce3+熒光粉,由藍(lán)光和黃光混合形成白光。這種方式對(duì)比于其他制法來(lái)說(shuō),發(fā)光效率較高,但因?yàn)樵谇嗌图t色方面光譜不足,導(dǎo)致顯色性較差,且難以滿足低色溫照明的要求。即便如此,藍(lán)光芯片涂敷YAG熒光粉制成的白光LED仍可以勝任一般顯色性照明的需要,且可以通過(guò)添加橙色或紅色熒光粉來(lái)增加紅光比率,提高色溫和顯色指數(shù)。所以,為了推進(jìn)LED在照明領(lǐng)域的全面普及,研究藍(lán)黃光混合的白光LED的老化性能,提高其在應(yīng)用階段的可靠性,成為業(yè)界非常重要的課題。本工作用GaN基功率型藍(lán)光芯片涂敷YAG熒光粉制成白光LED,對(duì)其施加900mA的老化電流,在老化過(guò)程中測(cè)試樣品的主要光學(xué)參數(shù)及電流-電壓關(guān)系曲線,推斷芯片和熒光粉的退化情況,分析了光學(xué)參數(shù)變化的起因。1led熱性能測(cè)試用Cree公司生產(chǎn)的GaN基功率型藍(lán)光芯片,涂敷YAG熒光粉和透明硅膠封裝成額定功率為1W的白光LED。將制成的樣品固定在可施加電流應(yīng)力的老化臺(tái)上,設(shè)定工作電流值為900mA。LED樣品的金屬管殼緊貼在老化臺(tái)鋁制散熱板的導(dǎo)熱膜上,以保證良好的熱接觸。用浙大三色的LED光學(xué)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量樣品的光學(xué)參數(shù),每次測(cè)量均回到LED的額定工作電流350mA下進(jìn)行,測(cè)試平臺(tái)的溫度設(shè)定為25℃。電學(xué)測(cè)試設(shè)備為Agilent4155,主要測(cè)量樣品的I-V特性。圖1為L(zhǎng)ED樣品涂敷YAG熒光粉和透明硅膠前后測(cè)得的光譜分布情況。使用芯片的峰值波長(zhǎng)為445～448nm,涂敷YAG熒光粉以后,大量藍(lán)光經(jīng)過(guò)熒光粉吸收轉(zhuǎn)換成黃光,黃光輻射量占整個(gè)光輸出的84%左右。使用灌封硅膠以后,由于其聚光作用,測(cè)得的輻射通量由236mW提高到293mW。通過(guò)在老化過(guò)程中階段性地測(cè)試完好封裝的白光LED樣品的光學(xué)參數(shù)以考察其退化情況。2結(jié)果與討論2.1led光輸出的變化經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大電流應(yīng)力下的老化,白光LED樣品的光通量發(fā)生了明顯退化。圖2為歸一化處理后LED樣品的光通量隨時(shí)間的變化圖。光通量的變化經(jīng)過(guò)了兩個(gè)階段,首先是老化階段的前600h左右,LED的光通量有所增加,最高值達(dá)初始值的102.8%。而后隨著老化的繼續(xù)進(jìn)行,光通量逐漸降低。功率型LED的光通量在老化過(guò)程中先上升后緩慢下降的現(xiàn)象已經(jīng)有過(guò)一些報(bào)道,可作如下解釋:給LED施加大電流后,開始階段的老化相當(dāng)于退火的過(guò)程,消除了部分有源區(qū)中的缺陷,并使p型受主進(jìn)一步被激活,提高了空穴濃度,所以電子空穴輻射復(fù)合幾率增大,增加了光輸出。而后由于老化過(guò)程中芯片中的晶格失配等缺陷不斷增加,它們起到非輻射復(fù)合中心和載流子隧穿通道的作用,對(duì)LED光輸出的消極影響逐漸大于退火效應(yīng)的積極影響,所以600h以后,樣品光通量開始低于初始值。當(dāng)4200h的老化試驗(yàn)結(jié)束時(shí),樣品光通量退化幅度已達(dá)15%～18%。2.2led光能量的釋放機(jī)理LED的光譜分布的狀況直接影響其各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)值,圖3為白光LED樣品在不同老化階段的光譜分布。對(duì)光譜曲線在380～780nm范圍內(nèi)進(jìn)行積分即可得到白光LED總的輻射通量,即P=∫780380P(λ)dλ(1)Ρ=∫380780Ρ(λ)dλ(1)其中λ為光的波長(zhǎng)。以光譜曲線中兩峰值波長(zhǎng)中最低能量的波長(zhǎng)(483nm)為界,對(duì)光譜曲線小于483nm的范圍以及大于483nm的范圍進(jìn)行積分得到的光功率分別為藍(lán)光部分和黃光部分的輻射通量,可以看到黃光的輻射通量明顯降低,而透射出的藍(lán)光的輻射通量稍有增加,兩者的具體值如表1所示。結(jié)合LED樣品老化前后的I-V特性曲線來(lái)考察藍(lán)光芯片的狀況,如圖4所示,在反向偏壓和正向低偏壓區(qū)域內(nèi),均發(fā)現(xiàn)漏電流增大。在正向小電壓下,電流主要由耗盡層載流子的復(fù)合產(chǎn)生,復(fù)合電流中的復(fù)合中心一般為非輻射復(fù)合中心,這與有源區(qū)缺陷的密度密切相關(guān)。在反向偏壓下,電流的產(chǎn)生是由于在熱激發(fā)的作用下耗盡層中的復(fù)合中心產(chǎn)生電子空穴對(duì),來(lái)不及復(fù)合就被強(qiáng)電場(chǎng)驅(qū)離而形成的。正向低偏壓區(qū)域和反向偏壓下漏電流的增加,原因可歸結(jié)為老化過(guò)程中芯片有源區(qū)中缺陷的不斷增加導(dǎo)致了非輻射復(fù)合中心的增多。有源區(qū)中非輻射復(fù)合中心的增多將直接導(dǎo)致LED工作時(shí)藍(lán)光芯片光輸出的減少,但樣品透射出的藍(lán)光輻射通量反而有所增加,說(shuō)明YAG熒光粉對(duì)藍(lán)光的吸收量減少,即熒光粉有了一定程度退化。熒光粉退化主要是因?yàn)長(zhǎng)ED樣品長(zhǎng)時(shí)間處于大電流應(yīng)力下,藍(lán)光芯片一直處于很高的溫度,熒光粉在高溫環(huán)境下工作,發(fā)生了溫度猝滅。因此,藍(lán)光芯片光輸出的減少以及YAG熒光粉轉(zhuǎn)換效率降低,共同導(dǎo)致了黃光輻射通量的降低。2.3顯色指數(shù)測(cè)量結(jié)果光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時(shí),黑體的溫度即為光源的色溫,用絕對(duì)溫度K表示。白光LED的色溫高表示光輸出中藍(lán)綠光的組分多,色溫低表示黃橙光組分多。試驗(yàn)中樣品的色溫老化前后從4003K升高到4406K,以圖5所示的曲線遞增,這表明樣品黃光部分的光輸出占LED輻射通量的比率在減小,與表1的結(jié)果是一致的。如此大的色溫漂移將限制此類白光LED在對(duì)色溫值有精確要求的照明場(chǎng)合的應(yīng)用,而導(dǎo)致這種情況的主要原因是熒光粉的高溫猝滅,所以研究熒光粉制造工藝關(guān)鍵的一點(diǎn)是提高熒光粉的猝滅溫度,以保證LED的輻射通量和色溫的穩(wěn)定性。顯色指數(shù)(colorrenderingindex,CRI)是指當(dāng)光源照射物體時(shí),物體所反映出的顏色與太陽(yáng)光照射它時(shí)所反映出的顏色的符合程度。通常提到的CRI是指一般顯色指數(shù),它的測(cè)量與規(guī)定的8塊顏色樣品在被測(cè)光源下呈現(xiàn)出的外貌與標(biāo)準(zhǔn)參考光源下呈現(xiàn)出的外貌間的差異密切相關(guān),其計(jì)算公式為Ra=18∑i=18Ri(2)Ra=18∑i=18Ri(2)其中Ra為一般顯色指數(shù),Ri為特殊顯色指數(shù),即光源對(duì)每一塊色樣的CRI值,基準(zhǔn)光源的顯色指數(shù)為100。測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中選取的8塊色樣具有中等飽和度和大致相同的明度,顏色范圍涵蓋了整個(gè)可見(jiàn)光譜。雖然試驗(yàn)中的白光LED樣品也近乎具有如同太陽(yáng)光一樣的在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的連續(xù)光譜,但是由于在青色與紅色方面的光譜含量嚴(yán)重不足,其顯色指數(shù)Ra僅為71左右,只能滿足一般顯色需求的照明場(chǎng)合。在整個(gè)老化過(guò)程中,白光LED樣品的顯色指數(shù)幾乎不變,如圖5所示,這是由于樣品的光輸出衰減主要發(fā)生在黃色光和橙色光波段,其他光波段的輻射量幾乎沒(méi)有改變,而黃橙光的輻射量經(jīng)衰減后仍有較高的值,所以并不影響白光LED作為光源對(duì)每塊色樣的顯色效果。由公式(2)可知,特殊顯色指數(shù)Ri的值近乎不變,則一般顯色指數(shù)Ra的波動(dòng)幅度也很小。3led光輸出老化由額定功率為1W的GaN基藍(lán)光芯片和YAG熒光粉制成白光LED,在900mA的大電流應(yīng)力下老化4200h。在退火效應(yīng)和有源區(qū)缺陷增加的雙重作用下,LED樣品的光通量先增加后降低,最后退化為初始量的15%～18%。老化后LED藍(lán)光部