李嘉祥， 潘 拴， 劉軍林， 吳小明

(南昌大學(xué) 國(guó)家硅基LED工程技術(shù)研究中心， 江西 南昌 330047)

1 引 言

從上世紀(jì)60年代世界上首支GaAsP紅光LED的誕生，到90年代GaN藍(lán)光LED的重大技術(shù)突破，再到LED廣泛應(yīng)用于固態(tài)照明、汽車車燈、交通指示燈以及植物照明等領(lǐng)域[1-5]，LED的科學(xué)研究及商業(yè)生產(chǎn)得到了巨大發(fā)展。隨著LED在照明領(lǐng)域應(yīng)用的擴(kuò)展與深入，市場(chǎng)也對(duì)LED光源提出了更高的要求，要實(shí)現(xiàn)節(jié)能、健康、智慧的半導(dǎo)體照明[6]。

目前市面上的白光LED多為藍(lán)光LED加熒光粉構(gòu)成，其中藍(lán)光成分占比較多，色溫偏高(大于5 000 K)，研究表明短波長(zhǎng)的藍(lán)光不僅會(huì)損傷視網(wǎng)膜色素細(xì)胞，還會(huì)抑制褪黑素的分泌，影響人體節(jié)律，導(dǎo)致失眠等現(xiàn)象[7-9]。人類在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中習(xí)慣了低色溫光源(小于3 000 K)，為滿足健康舒適的照明需求，LED光源的色溫要進(jìn)一步降低。Deng等[10]和李琪等[11]通過(guò)改變熒光粉中的紅光/藍(lán)綠光成分，分別制得色溫為3 774 K和3 000 K的暖白光LED。Zhong等[12]合成了無(wú)稀土的紅色熒光粉，采用UV LED+RGB熒光粉的技術(shù)路線制得3 255 K的暖白光LED。Chakrabarti等[13]和楊厚云等[14]通過(guò)使用LED芯片補(bǔ)償白光LED的方法，分別獲得了色溫為2 200 K左右和2 700 K的低色溫白光LED。目前各研究機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)界的低色溫LED光源主要是熒光粉LED，由于它存在能量損失、熒光粉失效和不易做到低色溫等問(wèn)題，另一條技術(shù)路徑即純LED照明技術(shù)成為了健康照明的更優(yōu)選擇[15]。

低色溫純LED照明技術(shù)的難點(diǎn)主要在于黃光LED的光效比較低，本單位研發(fā)的硅襯底InGaN黃光LED，在20 A/cm2驅(qū)動(dòng)下波長(zhǎng)565 nm黃光LED光效達(dá)26.7%，對(duì)應(yīng)164 lm/W，已達(dá)到實(shí)用化水平，為純LED照明技術(shù)提供了重要支撐[16-17]?；谠摳吖庑S光制備了低色溫?zé)o熒光粉LED光源[17]。低色溫?zé)o熒光粉LED光源作為純LED照明產(chǎn)品，相對(duì)于熒光粉LED光源來(lái)說(shuō)，完全避免了藍(lán)光危害，不存在激發(fā)熒光粉帶來(lái)的能量損失，使用過(guò)程中避免了熒光粉自身發(fā)熱帶來(lái)的可靠性問(wèn)題，并且節(jié)省了制備熒光粉所需的稀土元素這一國(guó)家戰(zhàn)略資源。夜間照明或家居照明使用這種無(wú)藍(lán)光、色溫較低的光源，既對(duì)人眼安全舒適，又能有效提高睡眠品質(zhì)。Lin等[18]通過(guò)光生物醫(yī)學(xué)觀測(cè)，證明了該低色溫?zé)o熒光粉LED光源在改善睡眠、保護(hù)眼睛和毛發(fā)再生等方面具有積極作用，適用于室內(nèi)照明并有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。同時(shí)該光源作為室外照明的路燈使用時(shí)，不僅集成LED節(jié)能環(huán)保和鈉燈暖色調(diào)的雙重優(yōu)勢(shì)，還具有健康不炫光、穿透能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

低色溫?zé)o熒光粉LED光源雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是作為一種新型人造光源，它的可靠性尚不明確。因?yàn)槠渲惺褂昧薎nGaN和AlGaInP兩種材料體系的芯片，可能會(huì)出現(xiàn)峰值波長(zhǎng)、半峰寬以及色溫等發(fā)生改變的情況，需要進(jìn)行系統(tǒng)研究[19]。本文通過(guò)高溫加速老化實(shí)驗(yàn)和溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了不同低色溫光源老化前后光電性能的變化，得到其衰減規(guī)律并分析失效機(jī)理，研究了其可靠性。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品分別為自制2 000 K無(wú)熒光粉樣品和市場(chǎng)采購(gòu)的2 000 K、3 000 K熒光粉樣品，以下依次記為樣品A、樣品B和樣品C。3種樣品采用相同的5050陶瓷封裝，具有相同的散熱條件。樣品A由兩顆1.143 mm(45 mil)黃光芯片和兩顆1.066 8 mm(42 mil)紅光芯片組成，4顆芯片之間采用兩串兩并的電路形式，如圖1(a)所示。樣品B和樣品C都是在單顆1.651 mm(65 mil)藍(lán)光芯片上涂敷黃色和紅色熒光粉，利用熒光粉的配比和厚度獲得不同的色溫。在25 ℃、400 mA工作電流下測(cè)得3種樣品的光電特性如表1所示。從表1中可以看出，作為純LED的低色溫樣品，樣品A已經(jīng)體現(xiàn)出了比同色溫?zé)晒夥蹣?2 000 K)更好的光電參數(shù)，顯色指數(shù)更高，光效更優(yōu)。隨著技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)品的更新，本單位目前研發(fā)的2 000 K無(wú)熒光粉LED光源，光效已經(jīng)提高至141.9 lm/W[17]，明顯好于相同或相近色溫的熒光粉光源。

表1 3種樣品在25 ℃及400 mA下的光電特性

在LED工作中，電流密度和溫度是兩個(gè)非常關(guān)鍵的因素。老化實(shí)驗(yàn)也多是根據(jù)電流密度和溫度進(jìn)行設(shè)計(jì)。在環(huán)境溫度和散熱條件相同的情況下，影響工作溫度的主要是電功率。但是因?yàn)樗{(lán)光LED和紅光、黃光LED在相同電流密度下工作電壓相差很大，無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)相同電流密度和相同電功率兩個(gè)條件。故在85 ℃的高溫加速老化實(shí)驗(yàn)中，以電流密度和電功率為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)每種樣品各設(shè)置了3個(gè)不同的老化條件，獲得兩組相同的電流密度和兩組相同老化功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表2所示。每個(gè)條件下選取4只LED老化2 000 h，老化過(guò)程中在一定的時(shí)間點(diǎn)拆下樣品測(cè)試其光電性能。

表2 85 ℃高溫加速老化應(yīng)力條件

Tab.2 Stress conditions of high temperature accelerated aging at 85 ℃

樣品種類老化電流/mA電流密度/(A·cm-2)電功率/W低色溫?zé)o熒光粉400201.9700353.61 000505.52 000 K和3 000 K熒光粉400201.21 000503.61 400675.5

溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中所有樣品的老化電流均為400 mA，將烘箱溫度設(shè)置從100 ℃開(kāi)始以20 ℃或者10 ℃為步長(zhǎng)逐漸升溫。樣品在每個(gè)溫度點(diǎn)維持點(diǎn)亮12 h，然后降至室溫進(jìn)行光電性能測(cè)試。每種樣品各取4只進(jìn)行老化。實(shí)驗(yàn)中用熱電偶測(cè)量鋁基板上固定點(diǎn)的溫度作為殼體溫度，測(cè)量位置如圖1(b)中的點(diǎn)T所示。

圖1 (a)低色溫?zé)o熒光粉LED光源兩串兩并電路;(b)殼體溫度測(cè)量點(diǎn)T。

Fig.1 (a)Simplified electrical circuit of low color temperature phosphor-free LED light source. (b)Temperature measurement point T of shell.

兩組實(shí)驗(yàn)所有樣品的光電性能，都是在25 ℃及400 mA的工作電流下，通過(guò)積分球系統(tǒng)測(cè)得。

3 結(jié)果與討論

樣品光通量隨高溫老化時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖2所示。從圖2(a)可以看出，當(dāng)老化電流密度為20 A/cm2(即工作電流密度)時(shí)，3種樣品的光通量變化趨勢(shì)基本一致，光通量在整個(gè)老化過(guò)程中保持穩(wěn)定，顯示出3種樣品都具有良好的可靠性。當(dāng)加速老化實(shí)驗(yàn)的電流應(yīng)力水平提高以后，三者的光通量衰減情況呈現(xiàn)明顯差異。由圖2(b)、(c)可以看出，在老化電流密度為50 A/cm2和老化功率為3.6 W時(shí)，光通量衰減從大到小排序?yàn)闃悠稡>樣品A>樣品C。由圖2(d)可以看出，當(dāng)老化功率增大到5.5 W時(shí)，光通量衰減從大到小排序?yàn)闃悠稡>樣品C>樣品A。上述結(jié)果表明，在工作電流密度下老化時(shí)，3種樣品的光通量都表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性，但是當(dāng)老化的電流應(yīng)力水平或電功率提高后，無(wú)熒光粉的樣品A光通量衰減一直小于同色溫的樣品B。對(duì)各老化功率下老化到2 000 h的樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得當(dāng)老化功率從3.6 W增大至5.5 W時(shí)，樣品A的光通量衰減增量(-0.3%)遠(yuǎn)小于樣品B(6.7%)、C(8.9%)。

為分析光通量隨老化時(shí)間的變化情況，以老化功率5.5 W實(shí)驗(yàn)的樣品為例，給出了不同老化時(shí)間節(jié)點(diǎn)的歸一化光譜曲線，如圖3所示。圖3(a)為樣品A的光譜曲線隨老化時(shí)間的變化，插圖顯示了黃光波段峰值強(qiáng)度的變化情況，由圖可知黃光部分在高溫大功率老化過(guò)程中略有衰減，紅光部分相對(duì)穩(wěn)定。由圖3(b)、(c)可以看出，在熒光粉衰減方面，樣品B的熒光粉比樣品C的熒光粉衰減幅度更大。相比于樣品C，色溫較低的樣品B在制備過(guò)程中，需要增加熒光粉的厚度并增加紅色熒光粉所占比例，從而提高熒光粉光譜強(qiáng)度、降低藍(lán)光強(qiáng)度來(lái)達(dá)到低色溫的目標(biāo)，故樣品B光譜中藍(lán)光峰很弱。

得到不同樣品在老化過(guò)程中的光譜變化規(guī)律后，可以進(jìn)一步分析樣品的失效機(jī)理。從圖2(b)可以看出，當(dāng)老化電流密度為50 A/cm2時(shí)，3種樣品在老化過(guò)程中有不同程度的光通量衰減。樣品A的光通量在整個(gè)老化過(guò)程中緩慢下降，這主要是因?yàn)樵诟邷卮箅娏鲬?yīng)力下隨著老化的進(jìn)行，在LED有源區(qū)內(nèi)缺陷和非輻射復(fù)合中心增加，內(nèi)量子效率降低，并且非輻射復(fù)合會(huì)加劇晶格震動(dòng)，導(dǎo)致缺陷發(fā)生運(yùn)動(dòng)并進(jìn)一步增加，光通量衰減[20-23]。樣品B、C均為熒光粉樣品，但樣品B光通量衰減最大而樣品C衰減最小。出現(xiàn)差異的原因是，在兩者的熒光粉層中不同種類的熒光粉占比不同。兩種樣品的熒光粉層均由黃色YAG熒光粉、紅色熒光粉和硅膠通過(guò)一系列工藝制成。相對(duì)來(lái)說(shuō)樣品B的色溫更低，在樣品B的熒光粉層中，紅色熒光粉所占比例更大。相比黃色YAG熒光粉，紅色熒光粉性能更不穩(wěn)定，在老化過(guò)程中更易失效[24]。在加速老化過(guò)程中，由于紅色熒光粉轉(zhuǎn)換效率較低[25]，會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致熒光粉層溫度和LED結(jié)溫提高。隨著溫度的升高，芯片內(nèi)量子效率降低并且熒光粉光譜強(qiáng)度呈指數(shù)衰減，從而非輻射復(fù)合進(jìn)一步增加，產(chǎn)生更多熱量[26]，造成了光通量衰減，所以樣品B的光通量衰減大于樣品C。

圖2 不同老化應(yīng)力下的光通量隨老化時(shí)間的變化曲線。(a)20 A/cm2；(b)50 A/cm2；(c)3.6 W；(d)5.5 W。

Fig.2 Change curves of luminous flux with aging time under different aging stresses. (a)20 A/cm2. (b)50 A/cm2. (c)3.6 W. (d)5.5 W.

從圖2(c)、(d)可以看出，樣品A在兩個(gè)不同老化功率下的光通量衰減基本一致，并且在5.5 W老化功率下的光通量衰減小于其他兩種熒光粉樣品，體現(xiàn)了在大功率條件下工作的優(yōu)勢(shì)。隨老化功率的提高，樣品B和樣品C的光通量衰減幅度增加。這是因?yàn)槔匣β试龃蠛驦ED發(fā)熱量增加，結(jié)溫會(huì)明顯升高。通過(guò)管腳溫度法可以測(cè)量樣品的結(jié)溫[27]，對(duì)各老化功率下老化到2 000 h的樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得當(dāng)老化功率從3.6 W增大至5.5 W時(shí)，樣品B的結(jié)溫從163 ℃升高到217 ℃，樣品C的結(jié)溫從148 ℃升高到170 ℃。溫度過(guò)高使得芯片內(nèi)量子效率降低和熒光粉衰減，最終導(dǎo)致光通量的衰減。

光譜中不同波段衰減的差異會(huì)導(dǎo)致光源色溫的變化，可能會(huì)引起照明品質(zhì)的下降，為此我們研究了老化過(guò)程中色溫的變化。所有樣品在20 A/cm2的工作電流密度下老化時(shí)，色溫均保持穩(wěn)定，老化2 000 h后色溫改變量不超過(guò)±30 K。下面給出了樣品在3.6 W和5.5 W下老化的色溫變化情況。圖4所示為色溫改變量隨老化時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)老化功率為3.6 W時(shí)，樣品A、B的色溫在老化初期下降然后趨于平穩(wěn)，樣品C的色溫基本不變。當(dāng)老化功率為5.5 W時(shí)，3種樣品的色溫均呈下降趨勢(shì)，且下降幅度幾乎一致?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著老化功率的增大，樣品B、C的色溫下降更快。

圖3 5.5 W老化功率下光譜曲線隨老化時(shí)間的變化。(a)樣品A；(b)樣品B;(c)樣品C。

Fig.3 Spectral curve changes with aging time at 5.5 W aging power. (a)Sample A. (b)Sample B. (c)Sample C.

樣品A色溫的改變主要取決于紅光和黃光輻射通量的相對(duì)比例。從圖3(a)可以看出，隨著老化的進(jìn)行，黃光衰減比紅光更明顯，也就是說(shuō)色溫更低的紅光占比增加，導(dǎo)致樣品A的色溫降低。導(dǎo)致樣品B、C色溫降低的原因是藍(lán)光部分占比越來(lái)越少。藍(lán)光占比減少的主要原因可能是：在高溫及強(qiáng)光輻照下熒光粉層透光率下降，使藍(lán)光的出射減少[24，28]。所以藍(lán)光部分衰減大于熒光粉部分衰減，最終藍(lán)光部分在總輻射通量中占比減少。

工作電壓的改變和LED芯片性能緊密相關(guān)，為探究長(zhǎng)時(shí)間高溫老化對(duì)LED芯片性能的影響，我們對(duì)正向電壓的變化進(jìn)行了研究。圖5所示為電壓改變量隨老化時(shí)間的變化曲線。由圖可見(jiàn)在兩個(gè)不同的老化功率下，3種樣品在整個(gè)老化過(guò)程中的電壓變化趨勢(shì)相差不大，老化至2 000 h電壓變化量均在0.05 V左右，沒(méi)出現(xiàn)明顯變化，說(shuō)明3種樣品的芯片都具有很好的穩(wěn)定性。

圖4 不同老化應(yīng)力下色溫改變量隨老化時(shí)間的變化曲線。(a)3.6 W;(b)5.5 W。

Fig.4 Change curves of color temperature with aging time under different aging stresses. (a)3.6 W. (b)5.5 W.

從上述討論可知，隨著高溫加速老化實(shí)驗(yàn)電流應(yīng)力水平的提高，3種樣品的光通量和色溫的變化規(guī)律也相應(yīng)地發(fā)生改變。為了探究樣品在不同溫度應(yīng)力下的工作性能，選用85 ℃下可以穩(wěn)定工作的20 A/cm2工作電流密度進(jìn)行了溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，橫坐標(biāo)為樣品基板溫度?？梢钥闯鲭S著溫度升高，樣品A的光通量在整個(gè)老化過(guò)程中直至200 ℃都未出現(xiàn)大幅度衰減，而樣品B、C的光通量在175 ℃附近出現(xiàn)急劇衰減，并且樣品B在195 ℃已有50%的實(shí)驗(yàn)樣品失效(流明維持率小于70%)，說(shuō)明無(wú)熒光粉的樣品A可以承受更高的工作溫度。3種樣品的色溫變化規(guī)律存在差異，樣品A的色溫在整個(gè)老化過(guò)程中先保持不變?nèi)缓舐晕⑾陆?。樣品B、C的色溫在175 ℃前略有降低，原因與高溫加速老化實(shí)驗(yàn)中所述一致。在175 ℃后色溫呈上升趨勢(shì)，這是因

圖5 不同老化應(yīng)力下電壓改變量隨老化時(shí)間的變化曲線。(a)3.6 W；(b)5.5 W。

為隨著老化溫度的逐漸升高，LED內(nèi)量子效率以及熒光粉轉(zhuǎn)換效率衰減加劇[29-30]，并且熒光粉的失效更為嚴(yán)重，所以藍(lán)光部分在總輻射通量中占比增加，色溫升高。所有樣品的電壓在整個(gè)老化過(guò)程中基本維持穩(wěn)定，變化量均小于0.025 V。

圖6 溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)光通量變化曲線；(b)色溫改變量變化曲線；(c)電壓改變量變化曲線。

Fig.6 Temperature step-stress test results. (a)Light flux change curves. (b)Color temperature change curves. (c)Voltage change curves.

在溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩種熒光粉LED光源均有部分樣品出現(xiàn)芯片表面發(fā)黑的現(xiàn)象，如圖7所示。隨著老化時(shí)間的增加和溫度應(yīng)力的不斷提高，溫度升高的同時(shí)熒光粉轉(zhuǎn)換效率持續(xù)下降，最終導(dǎo)致熒光粉層中的硅膠發(fā)生碳化即芯片表面發(fā)黑[31-32]，使得光通量急劇下降。

圖7 溫度步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)前(a)、后(b)的LED實(shí)物圖。

Fig.7 Image of LED before(a) and after(b) temperature step-stress test

4 結(jié) 論

對(duì)低色溫?zé)o熒光粉LED光源和熒光粉LED光源進(jìn)行高溫加速老化實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其光電參數(shù)的變化，分析了不同LED光源的失效機(jī)理；通過(guò)溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)，給出了溫度應(yīng)力進(jìn)一步提高以后各種樣品工作性能的優(yōu)劣。結(jié)果表明，在85 ℃工作電流下各LED性能均保持穩(wěn)定，老化2 000 h的光通量衰減為1.6%～2.1%,但隨著電流應(yīng)力或溫度應(yīng)力的提高，熒光粉層對(duì)LED可靠性的影響逐漸明顯。當(dāng)功率增加到5.5 W、加速老化2 000 h后，低色溫?zé)o熒光粉LED光源的光通量衰減為6.5%,2 000 K和3 000 K熒光粉LED光源的光通量衰減分別為19%和12.4%,衰減的差異主要是由大功率條件下產(chǎn)生的熱量增加、溫度升高、熒光粉性能變差引起的。在溫度步進(jìn)應(yīng)力實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)溫度高于175 ℃后，部分熒光粉LED光源出現(xiàn)硅膠碳化的現(xiàn)象。而低色溫?zé)o熒光粉LED未出現(xiàn)明顯劣化，其光電性能及可靠性均優(yōu)于同色溫的熒光粉LED，并且可靠工作的溫度上限更高，制得的光源能夠更廣泛地適用于溫度不同的各種工作環(huán)境中。