熱效應(yīng)對(duì)白光LED光電參數(shù)的影響*

許毅欽，李炳乾，趙 維，張 康，王君君，張志清，劉寧煬，蘇海常

廣東省工業(yè)技術(shù)研究院(廣州有色金屬研究院)，廣東 廣州 510650

發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)作為一種新型的半導(dǎo)體發(fā)光器件，以其光效高、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)牢固及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在照明和指示場(chǎng)所中得到了廣泛地應(yīng)用，而且還被譽(yù)為第四代照明光源[1-3]．但是隨著LED器件及燈具功率的不斷增大，LED的發(fā)熱問題也愈加嚴(yán)重，成為了阻礙LED發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一．

LED作為新型的半導(dǎo)體光源，其性能與溫度有著密切的聯(lián)系．芯片溫度上升會(huì)導(dǎo)致器件性能的變化和衰減，甚至失效．從根本上講，溫度上升降低了PN結(jié)發(fā)光復(fù)合的幾率，導(dǎo)致發(fā)光亮度下降、LED的發(fā)光光譜偏移及色溫變化.目前，主要是從LED的現(xiàn)實(shí)使用中了解到熱對(duì)LED的影響，并未見熱效應(yīng)對(duì)LED光電參數(shù)的影響及其物理機(jī)制方面的文獻(xiàn)報(bào)道．本文通過實(shí)驗(yàn)，深入分析熱效應(yīng)給白光LED帶來的一系列參數(shù)的變化及相應(yīng)的物理機(jī)制．

1 實(shí)驗(yàn)部分

將同波長(zhǎng)的藍(lán)光LED芯片固定在LED支架上，然后在芯片上面點(diǎn)涂黃色熒光粉膠，結(jié)構(gòu)如圖1所示．本實(shí)驗(yàn)制作了兩種樣品，分別為樣品A和樣品B，兩種樣品均采用相同的芯片、熒光粉和硅膠，樣品A的熒光粉膠的量較少，樣品B的熒光粉膠的量較多．為提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種樣品各制作10個(gè)，分析時(shí)取10個(gè)數(shù)據(jù)的平均值．實(shí)驗(yàn)采用HASS-2000型光譜儀器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方式有兩種，分別為20 ms快速脈沖測(cè)量(以下稱脈沖測(cè)量)和20 s持續(xù)直流測(cè)量(以下稱直流測(cè)量)，電流變化范圍為50～1000 mA，測(cè)量時(shí)的外界溫度為25 ℃.

圖1 封裝結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

樣品A和樣品B在350 mA電流下的發(fā)光光譜如圖2所示．從圖2可以看出，樣品A的藍(lán)光部分較多，而樣品B的黃光部分較多．這是因?yàn)闃悠稡的熒光粉量比樣品A的多，因此更多的藍(lán)光被吸收，而產(chǎn)生更多的黃光．

樣品A和樣本B的光通量及光效隨電流增加的變化情況如圖3和圖4所示．從圖3可以看出，隨著電流增加，脈沖測(cè)量方式下樣品A和樣品B的光通量增速比直流測(cè)量下的快．這是因?yàn)橹绷鳒y(cè)量方式采用持續(xù)20 s的工作電流，LED芯片發(fā)熱大，降低了LED的發(fā)光效率．當(dāng)電流增大到1000 mA時(shí)，樣品A在直流模式下測(cè)量的光通量比在脈沖模式下測(cè)量的光通量下降了18.5%，樣本B的光通量下降了23.9%．

圖2 在350 mA電流下樣品A和B的發(fā)光光譜

Fig.2The luminescence spectrum of sample A and sample B under current of 350 mA

圖3 樣品A和B的光通量隨電流的變化

從圖4可看到，兩樣品的光效均隨電流的增大而減小，在直流測(cè)量方式下的光效減小更快．直流測(cè)量方式下，當(dāng)電流從50 mA增加至1000 mA時(shí)，樣品A的光效下降了63.71%，樣品B的光效下降了62.98%；在脈沖測(cè)量方式下，樣品A的光效下降了56.97%，樣品B的光效下降了57.21%．由此可以看出，脈沖測(cè)量下，兩種樣品的光效下降均比直流測(cè)試下的光效下降小．

圖5為實(shí)驗(yàn)所用的藍(lán)光LED芯片在不同電流下峰值波長(zhǎng)變化情況．由圖5可以看出，脈沖下測(cè)量的藍(lán)光芯片的峰值波長(zhǎng)隨著電流的增加持續(xù)降低，而直流下測(cè)量的藍(lán)光芯片的峰值波長(zhǎng)隨著電流的增加，呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢(shì)．

圖4 樣品A和B的光效隨電流的變化

圖5 藍(lán)光LED芯片的峰值波長(zhǎng)隨電流的變化

Fig.5The variation of the blue LED chip peak wavelength with the increasing current

這是由于載流子在導(dǎo)帶(或價(jià)帶)的弛豫時(shí)間比載流子壽命短，因此隨著注入電流增大，多量子阱區(qū)的自由載流子增加，產(chǎn)生了與極化電場(chǎng)相反方向的電場(chǎng)，屏蔽了部分內(nèi)建電場(chǎng)，削弱了斯塔克效應(yīng)[4]，使量子阱中基態(tài)能升高，相當(dāng)于InGaN的禁帶寬度增大，從而使LED峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)[5]．同時(shí)，PN結(jié)溫度對(duì)藍(lán)光LED芯片的峰值波長(zhǎng)也有影響，PN結(jié)溫度升高會(huì)引起LED芯片的帶隙收縮[6]．隨著PN結(jié)溫度的升高，電子在晶體中的公有化運(yùn)動(dòng)加快，能級(jí)分裂嚴(yán)重，使得禁帶寬度Eg變小，因此峰值波長(zhǎng)發(fā)生紅移.

主波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系可以用下式表示[7]：λd(T2)=λd(T1)+ΔTj×0.2． 式中λd(T1)為結(jié)溫T1時(shí)的主波長(zhǎng)，λd(T2)為結(jié)溫為T2時(shí)的主波長(zhǎng)，ΔTj為結(jié)溫的變化．該經(jīng)驗(yàn)公式表明，結(jié)溫每升高10 ℃，主波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)約2 nm．

由于脈沖測(cè)量下電流注入時(shí)間僅為20 ms，可以忽略LED結(jié)溫的變化，藍(lán)光LED芯片的波長(zhǎng)變化主要跟注入電流的大小有關(guān)，因此隨著電流注入的增加，藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移．直流測(cè)量下，當(dāng)注入電流小于600 mA時(shí)，芯片發(fā)熱較少，芯片的峰值波長(zhǎng)隨注入電流的增大發(fā)生藍(lán)移；當(dāng)電流大于600 mA時(shí)，藍(lán)光芯片發(fā)熱嚴(yán)重，熱效應(yīng)成為峰值波長(zhǎng)變化的主要影響因素，藍(lán)光芯片的發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生紅移．因此，直流測(cè)量下隨著電流增加，藍(lán)光芯片的峰值波長(zhǎng)先藍(lán)移再紅移．

圖6為在不同波長(zhǎng)激發(fā)下實(shí)驗(yàn)所用的YAG∶Ce3+熒光粉的光致發(fā)光強(qiáng)度曲線．從圖6可以看到，該熒光粉的最優(yōu)匹配激發(fā)波長(zhǎng)為463 nm，當(dāng)藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)偏離至463 nm時(shí)，熒光粉的轉(zhuǎn)換效率降低.

圖6 在不同波長(zhǎng)激發(fā)下熒光粉的光致發(fā)光強(qiáng)度

Fig.6PL spectra of phosphor at different excitation wavelengths

圖7為樣品A和樣品B光譜中藍(lán)光和黃光的最高絕對(duì)峰值的比值隨電流增加的變化情況．從圖7可以看出，脈沖測(cè)量下樣品A光譜中藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值比值隨電流增加變化不大，樣品B光譜中藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值比值隨電流增加而增加．這是因?yàn)槊}沖測(cè)量下可以忽略熱對(duì)LED的影響，隨著電流增加，藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)持續(xù)藍(lán)移，LED的峰值波長(zhǎng)和熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)主峰失配加劇，熒光粉的轉(zhuǎn)換效率降低．因此，藍(lán)光照射熒光粉藍(lán)光轉(zhuǎn)化成黃光部分的比值相應(yīng)減少．同時(shí)隨著電流增加，藍(lán)光LED芯片的發(fā)光效率會(huì)相應(yīng)減少，因此樣品A光譜中藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值比值隨電流增加變化不大，而樣品B中熒光粉量比樣品A的大，熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降引起的黃光減弱效果更加明顯．因此，樣品B光譜中藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值比值增加．

圖7 樣品A和B光譜中藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值的比值隨電流的變化

Fig.7The variation of the samples absolute wavelength peak ratio of blue light and yellow light with the increasing current

(a) sample A；(b) sample B

直流測(cè)量下，樣品A和樣品B光譜中藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值比值均隨著電流的增加而減少，表明樣品A和樣品B在直流測(cè)量下，其光譜的黃光比例隨著電流增加而增加．這是因?yàn)橹绷鳒y(cè)量下，藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)隨著電流的增加先藍(lán)移再紅移，引起了與熒光粉激發(fā)主峰的失配．同時(shí)直流測(cè)量方式使LED芯片PN結(jié)的溫度及熒光粉溫度升高，降低了藍(lán)光LED芯片的出光效率及熒光粉的轉(zhuǎn)換效率，樣品A和樣品B的藍(lán)光與黃光的最高絕對(duì)峰值比值均隨著電流增加而減少．由此可見，熒光粉轉(zhuǎn)換效率的降低幅度比藍(lán)光LED芯片出光效率降低的小．

圖8為樣品A和樣本B的色溫隨電流增加的變化情況．由圖8可以看出，隨著電流增加，樣本A和樣品B的色溫均隨電流增加而增加，直流測(cè)量下的樣品色溫增速更快．

圖8 樣品A和B的色溫隨電流的變化

3 結(jié) 論

隨著電流的增加，白光LED的色溫增加幅度變大、光通量減少、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降及光譜發(fā)生漂移現(xiàn)象．結(jié)果表明，LED散熱效果的好壞是影響白光LED光品質(zhì)及穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一．

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