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。