1 引言

自1968年利用氮掺杂工艺使GaAsP红色发光二极管(LED)的发光效率达到1lm/W以来,LED的研究得到迅速发展。1985年,采用液相外延法,使得AlGaAsLED的发光强度首次突破1cd[1]。20世纪90年代初对于InGaAlP四元系材料的研究,不仅大大提高了LED的效率,还将高亮度LED的光谱从红光扩展到黄光和黄绿光[2～4]。90年代中期,Nakamura等[5,6]采用MOCVD方法成功地制备出高亮 InGaN/AlGaN双异质结蓝光LED和InGaN量子阱结构紫外LED。GaN基蓝光LED的出现及其效率的迅速提高,使LED得以形成三基色完备的发光体系,并使白光LED的研制成为可能。实现白光LED的技术途径主要有两条:一是采用红、绿、蓝三基色混合生成白光,二是通过荧光粉转换的方法实现白光,目前以后者居多[7～11]。随着白光LED的功率和效率的不断提高,LED正在从指示和显示领域向照明领域迈进,并将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源。虽然大功率白光LED是当前的研究热点,但用于照明还存在发光效率不够高,空间色度均匀性较差,以及成本高等问题。此外,虽然LED是公认的高可靠性半导体产品,但是关于大功率发光二极管的寿命测试数据的报道仍显不足。本文研究了荧光粉转换GaN基大功率白光LED的光输出随时间的衰减特性,并对老化过程中LED的失效情况进行了初步分析。另外,为了避免荧光粉对LED光输出衰减特性的影响,对大功率蓝光LED进行了老化试验,分析了大功率蓝光LED的失效机理。

2　实验

采用荧光粉转换实现白光的方法,以峰值波长为450～470nm的GaN基LED发射的蓝光为基础光源,其中一部分蓝光透过荧光粉发射出来,另一部分激发荧光粉,使荧光粉发出峰值为560～580nm的黄绿色光,透出的蓝光与荧光粉发出的黄绿色光组成白光。采用不同厂家制造的商用GaN基大功率蓝色发光芯片分别制备了四组大功率白光LED,用自己设计制作的老化试验装置对其进行了寿命试验。为了排除荧光粉对LED光输出衰减特性的影响,分别采用与第三、四组白光LED同批次的芯片制备了大功率蓝色发光二极管。最后采用防静电保护措施对大功率LED的寿命试验进行了改进。表1给出了大功率LED的寿命试验条件。大功率LED的电学和光学特性测试是通过LED专用测试系统———PMS-50紫外2可见2近红外光谱分析系统进行的,该分析系统的光度测试准确度为一级,色温误差为±0.3%。

3　结果与讨论

3.1 大功率LED的光输出衰减特性

图1和图2分别给出了大功率白光和蓝光LED的相对光输出随时间的衰减曲线,每组LED采用的是同一厂家的同一批次芯片。其中第2、3组同时包括白光和蓝光LED,第5组蓝光LED采用了防静电保护措施。所有LED的光通量都用开始老化时的初始值进行了归一化。对于每组试样,图中所示衰减趋势表示的是该组试样测量值的平均结果。对于大功率LED的相对光输出随时间的变化,一般的趋势是其光输出在开始的一段时间内衰减较快,在随后的一段时间内衰减较慢,但在即将耗尽或发生灾变性失效阶段,其光输出又急剧衰减。在前两个阶段,LED的光输出随时间的衰减曲线可近似为如下的指数形式[12]:

y=exp(-at)(1)

式中:y表示相对光输出,a表示衰减系数,t为以小时为单位的点灯时间。显然a越大,y值衰减越快。在发光二极管不发生严重的颜色漂移的情况下,通常人眼对小于50%的光输出变化难以察觉。因此,本文把光输出衰减50%所经历的时间定义为发光二极管的寿命[12]。由图1可见,第1、2组白光LED试样的光输出衰减很快,尤其是第1组,经过800h的老化时间,其光通量衰减了约62%。但在第1组白光LED的寿命试验过程中未观察到灾变性失效现象。我们认为该组试样光输出的迅速衰减是由LED材料本身的退化引起的。第4组大功率白光LED的光输出保持特性相对较好,经过近2500h,其光通量衰减约6%。与同批次白光LED试样相比,蓝光LED的光输出随时间的衰减速率相对较慢。在LED芯片制备工艺条件相同的情况下,排除荧光粉的影响之后,LED的光输出衰减特性仅取决于芯片本身的品质和封装工艺中所用导热材料及包封材料的性能。在芯片一致性较好的情况下,白光LED的光输出衰减相对蓝光LED要快一些,这也表明白光LED的后期工艺还有待进一步改善。用式(1)分别对大功率白光和蓝光LED试样的光输出衰减曲线进行了拟合,所取衰减系数列于表1中。图1和图2中的实线为数值拟合结果。由图1、图2可见,测试结果与拟合结果比较吻合。这表明大功率LED的寿命试验不一定要进行到所有LED的光输出都衰减到50%以下,只要能够通过早期失效阶段,LED将进入一个比较稳定且相对缓慢的衰减过程,并可据此对LED的寿命进行估计。由指数衰减规律推得四组大功率白光LED光输出衰减50%的平均寿命分别为578、1386、3366和27726h,而三组大功率蓝光LED试样的预期平均寿命分别为6301、 31506和9001h。可见不同厂家生产的大功率LED芯片的性能差距比较大。

3.2　大功率LED的失效分析

发光二极管的失效一般可分为缓慢退化、快速退化和突发失效三种。下面主要对大功率LED寿命试验过程中的一些失效情况进行分析。

3.2.1　LED材料中的缺陷

引起器件光输出的衰减半导体薄膜材料中的晶格缺陷包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。由于缺陷对载流子具有较强的俘获作用,在发光二极管制备过程中引入的缺陷将在有源层中形成无辐射复合中心,增加了光吸收,使得器件发光效率降低。而注入载流子的无辐射复合又使能量转化为晶格振动,导致了缺陷的运动和增殖。

第1组大功率白光LED的光输出衰减很快,但并未出现灾变性失效现象,这与LED芯片自身的性能较差是分不开的。由于工艺控制不严格,在LED的制备过程中引入了太多的缺陷,缺陷的生长尤其是暗线缺陷的生长导致了LED光输出的急剧衰减。

3.2.2 电极引线断裂导致器件灾变性失效

在第2组大功率白光LED的老化过程中,发生了两例灾变性失效。经过仔细观察和分析,发现器件的失效是由于电极引线的断裂引起的。除去封装透镜和荧光粉并重新超声焊接电极引线,这两个试样参与了蓝光LED的老化试验。为了寻求导致电极引线断裂的原因,我们对图3所示倒装焊结构的大功率LED进行了正弦振动试验,以检验LED所用铝丝电极引线的耐振动能力。先是让大功率LED沿z方向振动,然后在垂直于z轴的平面内振动,并且可以绕z轴转动。结果表明,对任意抽取的大功率LED,在350mA工作电流下,在z轴和垂直于z轴的两个方向都能够经受超过300m/s2的振动加速度,说明LED耐振动冲击的能力较强。这也正是将固体光源应用于照明的优点之一。

此外,对我们所用铝丝引线进行了电过应力试验,发现单条铝丝要在约800mA的稳态直流下持续一定时间才慢慢熔断。在老化试验中,我们采用稳压稳流电源对试验样品供电,且大功率LED一般超声焊接两条引线,至少可以承受1.5A的稳态电流。因此,基本上可以排除振动因素和电过应力导致电极引线断裂的可能性。我们认为,由于LED封装中所用环氧树脂与电极引线及LED芯片材料的热膨胀系数不同,温度的变化会产生机械应力并施加在电极引线和LED芯片上,并最终导致了电极引线的断裂。

3.2.3 静电导致器件灾变性失效

在大功率蓝光LED的光输出衰减过程中,观察到如下两种失效现象:一种是器件启亮之前的漏电流有所增大,但其工作电压无明显变化;另一种则是器件的工作电压显著升高。图4给出了漏电流增大前后器件的电流2电压特性和光输出随电流的变化曲线。由图4可见,在LED发生漏电后,其电流随外加电压的升高而增大, 但在一个相当宽的电流范围内并没有光输出。

我们认为,导致LED漏电流增大的主要因素是静电的破坏。在无静电防护的情况下,人体的简单活动就可能产生很高的静电电位。表2为人体在操作过程中不同的动作引起的静电大小,通常高达6000～35000V,即使在相对湿度为65%～90%的环境中,最低静电也可达到100V,远远高于大功率LED的正常工作电压3～4V[13]。由于大功率LED芯片的内部串联电阻较低,在没有静电保护的情况下,当人体接触LED时,人体所带静电通过LED放电,导致大功率LED的局部击穿。在局部击穿的情况下,将在LED的两个电极、有源层/电极界面和有源层体内形成结构缺陷。即使有载流子注入LED,这些载流子被 LED中的杂质和结构缺陷所俘获,或者发生无辐射复合,因此没有光输出。直到注入电流足够大,注入载流子填充了所有的缺陷,剩下的载流子部分发生辐射复合,并伴随着光输出。

在第5组大功率LED的老化试验过程中,我们通过给LED并联一个较大的电阻来消除静电的影响。表3给出了采取静电保护措施前后部分大功率 LED的漏电流(漏电较小的LED没有全部列出)。由该表可以发现,对于没有采取静电保护措施的大功率LED,经过寿命试验后有相当一部分LED漏电流增大,甚至个别LED的漏电流超过了100mA。而采取静电保护措施后,在寿命试验过程中基本上没有漏电流增大的现象。这表明静电保护对于抑制LED漏电流增大是非常有效的。在我国北方干燥地区,静电的影响比较突出,采取静电保护措施对于提高大功率LED的使用寿命就显得更为重要。

3.2.4电极性能不稳定导致器件灾变性失效

在LED工作过程中,由于电极材料不均匀,导致电极微区温度分布不均,一方面,当施加在LED上的电流过大时,会导致LED电极局部区域的灼伤或断裂;另一方面,由于局部区域温度过高,引起倒装焊结构中的焊料流动,焊接不良,致使电极局部区域起翘。这两方面的因素导致了LED器件中的部分电路开路,使得器件电阻增大,达到正常工作电流所需的电压明显升高,个别器件同时出现部分区域不发光的现象,导致LED光输出的严重衰减。图5给出了大功率LED电极部分区域失效前后的电流2电压特性曲线。

在器件未经包封的情况下,更容易观察到发光二极管正向电压升高的现象,个别器件甚至难以实现电流的注入。这是由于LED的电极材料暴露在空气中,环境温度或者器件自身产生的热量,以及空气中的氧和水蒸汽加速了电极材料的氧化及电化腐蚀。因此,电极性能和封装质量的优劣,较大程度地影响着大功率LED的工作寿命。

3.2.5 荧光粉引起白光LED光输出的衰减

实验发现,在大功率白光LED的老化过程中,存在荧光粉引起器件发光特性劣化的现象,图6为该种情况下大功率白光LED的相对光谱随时间的变化。相对光谱表示的是LED在不同波长处的发光强度相对于峰值波长处的发光强度的比值。由图6不难看出,随着时间的推移,由荧光粉转换得到的宽谱带黄光在整个大功率白光LED光谱中所占的比例逐渐减小,同时LED的色温升高。这可以归因于荧光粉量子效率的降低。

当大功率LED的热阻较大时,LED芯片产生的热量不能及时散发出去,使得LED结温升高。过高的结温将导致覆盖在LED芯片上的荧光粉发生降解,使得荧光粉的量子效率降低,由荧光粉转换得到的黄光成分减少,并最终导致了大功率白光LED光输出的减少和颜色的漂移。因此,寻求高热导率材料并改进封装工艺以降低器件热阻,同时选取光转换效率更高、稳定性更好的荧光材料,对于提高大功率白光LED的发光性能及工作寿命十分重要。

4　结论

对大功率白光和蓝光LED的寿命试验表明,LED的光输出表现为随时间的指数衰减规律。四组大功率白光LED试样的平均寿命分别为578、1386、 3366和27726h。大功率蓝光LED的光输出衰减相对较慢,与第2、3组同批次芯片的蓝光LED,其平均寿命分别达到6301和31056h。

在大功率LED的工作过程中存在如下几种失效机制:

(1)在制备过程中引入的缺陷,将在LED有源层中形成无辐射复合中心。缺陷(尤其是暗线缺陷)的生长将导致LED发光特性的严重退化;

(2)由于LED电极材料不均匀,电极微区温度存在差异,电流过大将导致电极部分区域的灼伤或断裂;而局部温度过高会导致倒装焊结构的损伤。这两者导致了器件电路部分开路,使得LED正向压降升高和光输出降低,严重者将发生灾变性失效;

(3)由于静电的破坏作用,在发光器件的两个电极、有源层/电极界面和有源层体内形成结构缺陷,增大了载流子被俘获或者发生无辐射复合的几率,因此使得器件的漏电流增大;

(4)由于封装体中各成分之间存在热膨胀系数失配,温度的变化产生机械应力并施加在电极引线和LED芯片上,可能引起电极引线的断裂;

(5)在通过荧光粉转换方法得到的白光LED的工作过程中,荧光粉量子效率降低将导致宽谱带黄光相对峰值蓝光衰减更快的趋势,并使得器件色温升高。

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