大功率发光二极管寿命试验分析（三）

&&&&& 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。

&&&&& 参考文献:

&&&&& [1]NishizawaJ,ItohK,OkunoY,etal.LPEAlGaAsandredLED(candelaclasss)[J].J.Appl.Phys.,1985,57:221022214.

&&&&& [2]HuangKH,YuJG,KuoCP,etal.TwofoldefficiencyimprovementinhighperformanceAlGalnPlight-emittingdiodesinthe555~620nmspectralregionusingathickGaPwindowlayer[J].Appl.Phys.Lett.,1992,61(9):104521047.

&&&&& [3]SugawaraH,ItayaK,NozakiH,etal.High2brightnessInGaAlPgreenlight2emittingdiodes[J].Appl.Phys.Lett.,1992,61(15):177521777.

&&&&& [4]KishFA,SterankaFM,DeFevereDC,etal. Veryhigh2efficiencysemiconductorwafer2bondedtrans2parent2substrate(AlxGa1-x)0.5In0.5P/GaPlight2emittingdiodes [J].Appl.Phys.Lett.,1994,64(21): 283922841.

&&&&& [5]NakamuraS,MukaiT,SenohM. Candela2classhighbrightnessInGaN/AlGaNdouble2heterostructureblue2light2emittingdiodes[J].Appl.Phys.Lett.,1994,64(13):168721689.

&&&&& [6]NakamuraS,SenohM,IwasaN,etal. High2powerInGaNsingle2quantum2well2structureblueandvioletlightemittingdiodes[J].Appl.Phys.Lett.,1995,67(13):186821870.

&&&&& [7]SchlotterP,SchmidtR,SchneiderJ.Luminescenceconversionofbluelightemittingdiodes[J].Appl.Phys.A,1997,64:4172418.

&&&&& [8]FumitomoH,PeterK.WhitelightfromInGaN/conjugatedpolymerhybridlight2emittingdiodes[J].Appl.Phys.Lett.,1997,70(20):266422666.

&&&&& [9]ParkJK,LimMA,KimCH,etal. Whitelight2emittingdiodesofGaN2basedSr2SiO4:Euandtheluminescentproperties[J].Appl.Phys.Lett.,2003,82(5):6832685.

&&&&& [10]蒋大鹏,赵成久,侯凤勤,等.白光发光二极管的制备技术及主要特征[J].发光学报,2003,24(4):3852390.

&&&&& [11]陈志忠,秦志新,胡晓东等.大功率白光LED的制备和表征[J].液晶与显示,2004,19(2):83286.

&&&&& [12]刘熙娟,温　岩,朱绍龙.白光LED的使用寿命的定义和测试方法[J].光源与照明,2001,4:16222.

&&&&& [13]赵同森.静电的危害及防护措施[J].航空精密制造技术,1994,30(2):16217.