白光LED的加速老化特性

关键词：GaN基白光LED; 老化; 电流-电压; 电容-电压; 光通量; 寿命; GaN-based white LEDs; aging; current-voltage; capacitance-voltage; luminous flux; lifetime; 摘  要：对两组GaN基白光发光二极管(LED)进行了对比温度加速老化实验,环境温度分别是80,100℃。随着老化温度的升高,电流-电压(I-V)曲线的隧道电流段、扩散电流段以及反向漏电电流均增加,而串联电阻段则变化较小,这是位错密度升高和金属杂质沿着螺旋位错聚集及移动的结果;电容-电压(C-V)曲线中反向偏压下电容减少,正向偏压下电容增大,这是由于螺位错和混合位错产生了漏电的通道;电致发光光谱中黄光荧光成分比重增加;光通量随时间开始缓慢降低,在某一个时刻突然急剧降低,显示各个老化因素累积的影响会在某一时刻导致白光LED突然失效。最后使用阿列纽斯关系计算出所用白光LED的寿命为2.3万小时。 GaN-based white LEDs are becoming the most promising next generation lighting sources,but the normal encapsulated white LEDs luminous flux declines very quickly.It is very necessary to research on the aging mechanisms of white LEDs luminous efficiency,chromatic properties,and so on.Temperature accele-(rated) aging experiments on two groups of white LEDs have been performed at 80 ℃ and 100 ℃.Both before and after the aging experiments,the current-voltage(I-V) curves of the white LEDs were measured.In the tun... 1　引言 GaN基白光发光二极管(LED)因为节能、环保的优点,正在成为取代传统电光源的最有潜力的下一代照明光源。但是普通封装的白光LED的光衰非常严重,寿命只有几千小时,仅约为蓝光芯片封装的LED寿命的1 /10。因此对白光LED的发光效率、色度等的老化机理进行研究就显得十分必要。人们通过I2V 特性等手段对各种LED老化中缺陷的影响进行了一些研究[ 1～10 ] 。据报道,反向漏电电流的空间分布是很不均匀的,且对肖特基势垒高度的变化不敏感,可以猜测反向漏电电流的通道主要是螺旋位错和混合位错[ 2 ] ;用TEM显微镜和X射线的能量散射谱技术( EDS)得到了直接的证据,证明高温下金属沿螺旋位错的移动和扩散导致I2V 特性中产生欧姆短路[ 3 ] ;降低螺位错影响的新的衬底材料AlN /蓝宝石被设计出来,用它制作的LED的I2V 特性没有隧道电流区域[ 5 ] ; 老化导致非辐射复合增加,表现在I2V特性上为正向曲线的小电流端上移[ 6 ] 。各种接触性质的变化对LED的老化影响显著,人们对欧姆接触进行了大量的研究[ 7, 8 ] ,欧姆接触的电阻在340 ℃时开始显著升高[ 9 ] 。目前已有的报道集中在量子阱中载流子衰退机制[ 10 ] 、缺陷的影响欧姆接触的演变等方面,还缺少对白光LED封装产成品老化特性的研究。以往对GaAs基二极管老化的研究通常采用温度、电流等加速寿命实验[ 11～13 ] ,研究方法多采用对I2V 特性等进行分析,所以本文在对比温度加速老化实验的基础上,测量得到了白光LED老化过程中I2V、C2V 和发光光谱等的变化规律,提出了其性能退化机理的初步解释,使用阿列纽斯关系计算出了本实验所用白光LED的寿命。 2　实验 用环氧树脂与黄光荧光粉混合,然后涂抹在GaN / InGaN蓝光芯片上,最后再用透明环氧树脂封装成白光LED。环氧树脂与荧光粉的质量混合比例为20∶3,我们还在相同条件下封装了蓝光LED。白光LED和蓝光LED各取5只,插在老化板上通以20 mA的正向恒定电流,把老化板连同点亮的白光LED一起放在恒温干燥箱里进行温度加速老化实验,恒温干燥箱的箱内温度保持在80 ℃,实验时间为1 190 h。每隔一定时间测量一次数据,时间间隔根据老化的情况在10～50 h之间选取,使用GDM28145型数字万用表测量正向偏压,用SP3112型LED综合测试仪测量发光光谱和色度学参量,测量时把老化板取出,每次测量耗时0. 5 h,进行数据处理时从老化时间里扣除;对未老化的和老化后的白光LED都用HP4156B型参数分析器和HP28280A型C2V 测量仪测量其I2V 和高频Csc2V 特性,频率为1 MHz。完成上述实验后,另取两种荧光粉含量的白光LED 和蓝光LED各3只,把恒温干燥箱的箱内温度保持在100 ℃,实验时间为365 h,依据同样的程序进行测量白炽灯于1910年开始批量生产,此 后,又有荧光灯等新光源出现.但近20 年来,照明界深感有必要开发新世纪照 明光源.欧洲专门制订了COST五年行 动计划,它提出新型光源要符合三个条 件:高效,节能;不使用有害于环境的材 料;模拟自然光,其显色指数接近100. 美国有专家提出,半导体已在电子学方 面完成了一场革命,第二场革命将在照 明领域进行,到2020年左右,固体光源 的发光效率将达到200 lm / w ,能符合 COST计划提出的对新光源的要求,这 样,在国际上掀起了LED照明的热潮. 全球白光LED研制进展 白光LED分单芯片,双芯片和三芯 片,以下将按这一分类介绍: 单芯片 In Ga N ( 蓝)/ YAG 荧光粉 这是一种目前较为成熟的产品,其 中1W的和5W的 Lumileds 已有批量 产品.这些产品采用芯片倒装结构,提高 发光效率和散热效果.荧光粉涂覆工艺 的改进,可将色均匀性提高10倍.实验 证明,电流和温度的增加使LED光谱有 些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不 大.寿命实验结果也较好,Φ5的白光 LED在工作1.2万小时后,光输出下降 80%,而这种功率LED在工作1.2万 小时后,仅下降10%,估计工作5万小 时后下降30%.这种称为 Luxeon 的功 率LED最高效率达到44.3 lm / w ,最 高光通量为187 lm ,产业化产品可达 120 lm ,Ra为75-80 . In Ga N ( 蓝)/红荧光粉+绿荧光粉 Lumileds 公司采用460 nm LED 配以SrGa2S4:Eu2+(绿色)和SrS:Eu2+ (红色)荧光粉,色温可达到3000 K - 6000 K 的较好结果,Ra达到82-87 ,较 前述产品有所提高. In Ga N ( 紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉 Cree,日亚,丰田等公司均在大力 研制紫外LED.Cree公司已生产出 50mW,385 nm —405 nm 的紫外LED; 丰田已生产此类白光LED,其Ra大于 等于90,但发光效率还不够理想;日亚 于最近制得365 nm ,1mm2,4.6V, 500 m A 的高功率紫外LED,如制成白 色LED,会有较好效果. ZnSe和OLED白光器件也有进 展,但离产业化生产尚远. 双芯片 可由蓝LED+黄LED,蓝LED+黄 绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成, 此种器件成本比较便宜,但由于是两种 颜色LED形成的白光,显色性较差,只 能在显色性要求不高的场合使用. 三芯片(蓝色+绿色+红色)LED Philip s 公司用470 nm ,540 nm 和 610 nm 的LED芯片制成Ra大于80的 器件,色温可达3500 K .如用470 nm , 525 nm 和635 nm 的LED芯片,则缺少 黄色调,Ra只能达到20或30. 采用波长补偿和光通量反馈方法可 使色移动降到可接受程度.美国TIR公 司采用 Luxeon RGB 器件制成用于景 观照明的系统产品,用 Lumile ds 制成液 晶电视屏幕(22英寸),产品的性能都不 错. 四芯片(蓝色+绿色+红色+黄色) LED 采用465 nm ,535 nm ,590 nm 和 625 nm LED 芯片可制成Ra大于90的 白光LED. 此外, Norlu x 公司用90个三色芯 片(R,G,B)制成10W的白光LED,每 个器件光通量达130 lm ,色温为 5500 K . 照明用白光LED技术指标 照明用白光LED不同于传统的 LED产品,在技术性能指标上有一些特 殊要求:光通量一个Φ5LED的光通量 仅为1lm左右,而用作照明的白光功率 LED希望达到1Klm.当然,光通量为 0.1 Klm 和0.01 Klm 的功率LED也 能达到要求较低的照明需求.由于15W 白炽灯效率较低,仅8 lm / w ,所以一个 15W白炽灯的光通量,与25 lm / w 的白 光功率 LED 5 W 器件相当. 发光效率目前产业化产品已从 15 lm / w 提高到25 lm / w ,研究水平为 32 lm / w ,最高水平已达44.3 lm / w . 色温在2500 K - 6000 K 之间,最 好是2500 K - 3500 K 之间. 显色指数Ra最好是100. 稳定性波长和光通量均要求保持 稳定,但其稳定性程度依照明场合的需 求而定.寿命5万小时至10万小时. 白光LED应用展望 白光LED亮度和功率的每一次提 高,都进一步扩展了它的应用范围.从 2000年开始,功率型LED已被用于特 殊应用照明.2002年,三菱电机用它作 为可拍照移动电话的闪光灯,将 Lumileds 作为液晶电视屏的背光源,提 高了色彩保真度;小糸制作所用白光 LED制作汽车头灯.此外,目前白色 LED在景观照明,庭园灯等方面已大量 应用.本人估计,若白光LED以1lm/个 单位为基础,每单位降到1元将进入一 般家庭的户外照明;当降到0.5元可望 进入室内照明,走廊照明等市场;当降到 0.25元时将开始置换荧光灯.从发光效 率看,一旦跨进60 lm / w ,相当于20W 的荧光灯,白光LED将迅速普及.未来 5年到6年中,若发光效率突破80 lm / W,再加上单价继续下降,则到2008- 2010年,白光LED照明将逐渐普及至 一般家庭的各种照明灯具,正式担当21 世纪的照明新光源. 我国的封装产业经过近30年的发 展,包括白光LED在内的各种颜色的支 架式LED,普通片式LED的性能已经可 以与国外先进水平媲美,功率型LED部 分产品,如食人鱼型LED也已批量生产, 佛山国星光电正在对 PLCC4 封装的功 率型LED进行试产,而在大功率LED器 件封装方面,国内虽有少数厂家正研制 样品,但离商品化生产还有一段距离. 佛山国星光电的片式LED在2001 年达到0.8 mm 厚度,填补国内空白. 在此基础上,又推出了0.4 mm 和 0.6 mm 厚度的新品种,再次填补国内 空白,产品品质达到 SHARP 公司同 类产品水平,片式LED列入2002年国 家重点新产品行列. 早在2000年初,佛山国星光电已开 始用进口的蓝光LED芯片和荧光粉试制 白光LED,目前传统结构的白光LED已 形成规模生产;2002年,和中山大学化学 与化工学院建立了开发用于白光LED荧 光粉的合作关系,目前中山大学方面荧光 粉的研究已取得显著成果,多种配方的荧 光材料正在进行封装试验. 2001年佛山国星光电利用进口的 大功率蓝光芯片进行功率型白光LED 的开发试制工作,目前已做出单个器件 最高光通量输出达到20lm的白光 LED,并获得3项国家实用新型专 利,1项国家发明专利正在受理之中. 目前,佛山市国星光电科技有限公 司正在进行单芯片大功率和多芯片组合 封装大功率白光LED器件封装技术的 研究,已研制出若干样品. 佛山国星光电科技有限公司是国内 少数开展大功率LED研究,开发的企 业,目前已经在大功率LED器件结构 设计方面申请了数项专利.利用大尺寸 芯片和金属线路板COB技术制作的大 功率白光LED,因为在结构设计和工 艺流程方面充分考虑了器件的散热问 题,当工作电流达到800 m A 时仍未表 现出光电饱和特性.在350 m A 工作时, 典型输入功率为1.2W,流明效率为 11.08 lm / w ,单管输出光通量为13.84 lm,部分样品流明效率接近12 lm / w , 单管输出光通量超过15lm. 此外,在白光LED器件的可靠性 设计方面,公司进行了多种形式的白光 LED加速老化实验,建立快速的白光 LED老化,失效评价体系,为新型结 构器件和荧光粉的研制提供支撑. (余彬海) 从国际半导体照明工程发展趋势 看,发展半导体照明工程必须向红,黄 色乃至蓝,绿色LED方向发展,才会赶 上并达到国际先进水平.蓝,绿光的发 光二极管是20世纪末世界上最突出的 技术课题之一,特别是蓝,绿色LED的 问世,使全色大屏幕显示技术成为可 能,使超高亮度LED的应用前景更加广 阔,尤其是在照明方面,具有极大的潜 在市场.厦门三安电子有限公司是目前国内 最大的超高亮度发光二极管外延及芯片 产业化生产基地.公司已投入4.3亿元 人民币,建成了全色系超高亮度LED (红,橙,黄,蓝,绿)产业化生产基地,现 有洁净车间4000平方米,引进德国,日 本,美国,英国,韩国最为先进的LED外 延生长和芯片制造设备150多台(套), 其中4台 MOCVD 设备为目前世界上 最先进的外延生长设备. 公司核心产品超高亮度四元材料 AIG a In PLED 具有其他常规材料,例 如 Ga AIA s , Ga As P ,GaP不能达到 的性能水平. 在半导体照明专项方面,通过对高 亮度 Al Ga In P 红/黄发光二极管外延生 长,器件结构设计及工艺创新,使 Al Ga In P 亮度增加,于2002年10月 在接收设备后两个多月就实现了高亮度 Al Ga In P 红,黄发光管研制及产业化; 通过采用新工艺,使GaN蓝光LED外 延片功率达到5mW,蓝光波长为 460 nm —465 nm ;GaN绿光LED光强 达到180 mc ,绿光光强大于260 mcd (525 nm ) ;通过可靠性研制,使红,黄, 蓝,绿发光二极管寿命大于10万小时. 到目前为止,三安已生产GaN蓝,绿 LED外延片近2000片,芯片4000万 颗.通过对现有封装技术的创新,实现对 多电极 Al Ga In N 发光二极管的倒装,改 善了热特性.通过引进最新一代大产能 MOCVD 外延生产工艺系统,实现外 延材料的大批量生产. 公司在研发方面采取如下举措:一 是产,学,研相结合.借用外部力量为公 司提供新产品开发服务,加速了新产品 的开发进度.近年来,三安公司技术中心 与中电科技集团公司第13研究所及厦 门大学等单位建立了十分密切的关系, 开展了广泛的技术合作.二是引进技术 和自主开发创新相结合.在引进技术的 同时,三安公司技术中心近两年来自主 创新,取得了较好成效,公司目前拥有独 立的知识产权,已获得专利4项,通过专 利初审3项,已受理申请10项,并具有 3项区别于国外专利技术的专有技术. 三是开发与试制相结合.在新产品开发 中,技术中心为加速开发进度,提出了 开发与生产并重原则,试制计划紧接着 新产品开发计划下达,把新产品开发进 度作为考核各单位主要领导干部业绩 的重要指标.四是工程技术人员,管理 人员和工人相互之间紧密配合.因为采 用了"三结合"方式,仅用两个多月时间 就完成了红/黄LED研发,试制和批量 生产的工作,创造了我国红,黄LED产 业化进度最快的记录.五是技术攻克和 超标试验相结合.为了进一步提高新产 品的技术含量,领先同行业,技术中心把 技术攻克与"超标"试验结合起来,力创 行业先锋. 三安公司在全体人员的努力工作 下,已成功地步入了高速发展的轨道, 在拥有领先的技术水平,雄厚的人才力 量和先进的设备基础上,希望得到政府 优惠政策及专项资金的大力支持,在中 国光电子高科技领域内飞速发展,并在 国家半导体固体照明材料等高科技领域 的研发与普及应用中扮演重要角色,最 终将在厦门东海岸建成举世瞩目的中国 "光谷".(邵小娟) 功率LED作为半导体专用照明的固 体光源,由于其发光机理为载流子复合 发光,因而具有发热量低,安全可靠,无 红外辐射,单色性好,功耗低,寿命长等 特点.目前,功率LED已得到广泛应用. 中国电子科技集团公司第13研究所 是国内开展超高亮度LED研制最早的单 位之一,曾于1997年引进了国内第一台 生产型(德国2400型)M OCVD 设备,1999 年建成了 In Ga Al P 超高亮度LED生产 线,建立了河北汇能光电公司和河北立德 电子有限公司.多年来该所一直承担国家 "863"课题,率先实现了 In Ga Al P 超高亮 度LED外延片和芯片的产业化,于2000 年完成了 In Ga Al P 超高亮度LED芯片的 产品设计定型鉴定,并完成了"863超高 亮度LED外延片和芯片的产业化基地" 的建设.2002年13所又将超高亮度LED 产业化的成果成功地转移至福建厦门三 安电子有限公司. 13所最近在功率型LED新品开发 方面又取得了较大的进展.2003年13 所研制成谐振腔结构的大功率红外 LED取代了沿用已久的老产品,受到了 用户的好评.同时,他们还利用倒装结构 的单芯片完成了F002型可见光功率 LED光源封装产品设计定型,并通过了 企业标准的考核. 河北立德公司目前已具有单色,多 基色,白色等各种颜色,各种工作电压, 各种功率的多芯片集成LED功率光源 产品,最大集成功率已分别达到12W (彩色)和6W(白色).公司产品也批量供 应国内市场并开始出口到海外,包括日 本,欧洲等国家和地区.(张万生) 在发展策略方面,江西联创光电科 技股份有限公司把外延,芯片和封装作 为独立项目分别向前推进,并通过设置 项目间相互关联的目标,将产业链连接 起来.江西联创光电科技股份有限公司是 中国证券市场第一家直接以"光电"命 名的上市公司,公司总部位于南昌市 高新技术开发区,分别在江西南昌,吉 安,福建厦门等地设有产业基地. 公司以光电子为主业,多年来致 力于光电子产业的发展.在南昌高新 区投资5亿元建设了"联创光电科技 园",引进了大量国际先进的LED 外延片,芯片,高亮度及片式LED 器件等产品的科研和生产设备,重点 发展半导体发光材料,芯片,器件, 以及LED光源,灯具,室内外全彩 显示屏等应用产品,现已形成了年产 20万平方英寸液相红,绿光外延片, 10万平方英寸氮化镓蓝,绿光外延 片,2亿只片式发光器件,4亿只高 亮度发光二极管,60亿粒LED芯 片,2亿元销售额的LED背光源, 发光模块,点阵模块及全彩显示屏的 生产规模,形成了从LED外延片, 芯片,器件到应用产品完整的产业链 及规模化生产,成为国内最大的半导 体发光材料与器件产业化基地. 公司在进一步扩大现有产品规模 的同时,积极开展新型半导体发光材 料,半导体照明用大尺寸(1mm× 1mm)高亮度LED芯片,大功率 LED器件,半导体照明光源,灯 具,LED汽车灯等产品的研究与开 发,并以此作为公司今后的重点发展 方向.在大功率蓝光LED芯片研制 方面,已着手进行大尺寸/大功率蓝 光LED芯片的电极图形,新型倒装 芯片结构设计及大功率芯片关键制备 工艺技术研究工作,取得了较大的进 展;在大功率LED器件封装技术方 面,已进行大功率器件的倒封装工艺 技术研究.在LED外延材料方面, 与日本某国际知名的光电子企业合作 开发新型高光效的半导体发光材料; 在LED灯具方面,与日本某公司合 作开发LED全彩室内外装饰照明灯 具及系统,现已形成小批量生产能 力,与武汉某大学联合开展了LED 汽车外置信号灯和车内照明灯具的研 究开发,现已试制出样品并计划于 2004年通过国内某汽车生产厂的认 证.(蒋国忠) 白光LED引发照明技术革命 ■复旦大学方志烈教授 厦门三安电子有限公司: LED外延片与芯片研发提速 佛山市国星光电科技有限公司 大功率封装试制初见成效 江西联创光电科技股份有限公司: 打造LED完整产业链 中国电子科技集团公司第13研究所 大功率LED取得新进展 美国能源部预测,到2010年前 后,美国将有55%的白炽灯和荧光灯 被半导体灯具替代,每年仅节电就可达 350亿美元.日本计划,到2007年, 全国将有30%的白炽灯被置换为半导 体照明灯. 我国是仅次于美国的第二大发电 大国,2002年我国发电总量为1.65 万亿千瓦时,其中1.34万亿千瓦时 (8 0%)为火力发电,燃烧大量的原煤和 石油,产生大量的粉尘和SO,Co2等气 体,环境污染严重.照明用电量已超过 1500亿千瓦时,占总发电量的10%～ 12%(发达国家占20%左右),大大超过 三峡水力发电站年总发电量840亿千瓦 时.而半导体照明耗电量将是白炽灯的 八分之一,荧光灯的二分之一,其寿命 约为白炽灯的20倍到30倍,荧光灯的 10倍,是节能与环保的"富矿".所 以,发展高效,环保并节能的白光LED 照明光源是非常必要的. 目前我们常见的支架式和片式LED 由于热阻大,光衰减大,单个器件光 通量小,而不能胜任替代传统光源的 重任.大功率白光LED器件是LED光 源进入普通照明领域的必由之路.因 此,大功率白光LED器件的市场前景 十分巨大. 此外,白光LED照明产业具有技术 密集和劳动密集双重特点.因此,在我 国发展白光LED照明产业,不仅可以形 成新的产业和出口增长点,而且可以节 约能源,减少环境污染并充分发挥我国 劳动力资源优势,符合"十六大"提出 的走新型工业化道路的指导思想. 白光LED市场规模概况 LED的最大潜在应用是普通照 明.随着技术的进步,高亮度白光 LED正一步步进军潜力巨大的灯光照 明市场.根据 Frost & Sulliv an 的统计, 当前全球照明市场的年均增长率约为 5.5%,2000年仅白炽灯,荧光灯 的市场规模就达45亿美元.业界一 般认为,白光LED照明市场可望在 2010年左右趋于成熟.预计未来7 年内,高亮度LED对全球照明工业将 造成巨大的冲击. 有预测认为,白光LED的增长率高 达151.5%,未来几年内其平均年增长 率将高达250%以上. Reed Ele ctronic Re - search 的统计数据显示,1998年全球白 光LED的市场为7000万美元,估计去年 增至2.7亿美元. 背景链接 白光LED照明效益分析 白光LED市场概况 单位:百万美元 资料来源: Reed Ele ctronics Research 全球LED市场规模单位:百万美 资料来源: Strategies Unlim ited / PID A 2004年我国台湾省 光电业产值达283亿美元 美国与日本 关于白光LED照明效益分析 目前,白光LED技术主要有三种:一 是利用三基色原理将红,绿,蓝三种超高 亮度LED混合成白光;二是用 In Ga N 蓝色 LED管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧 光粉;三是用紫外光LED激发三基色荧 光粉或其他荧光粉,产生多色光混合成 白光.三种技术均已实现产业化,后两 种技术发展较快.由此制造出的半导体 灯小巧,可靠,寿命长,低压,节能, 无污染,堪称绿色光源,是照明方式的 一次革命.白光LED与白炽灯相比可节 省80%～90%的电能,且寿命可超过 10万小时.目前主要问题是芯片成本 高,但从电子产品性价比发展规律看, 半导体灯进入普通家庭已为期不远.目 前,高性能LED广泛用于一些特殊场所, 如军用装置,矿山,潜水,探险等行业.可 以肯定地说,高性能LED正在成为一种 极有竞争力的新型光源,它的商业化必 将带来照明技术的一场革命.