張樓英 許金星 吳大軍 崔一平

(1.江蘇省中小企業(yè)電子產(chǎn)品創(chuàng)新工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心，淮安 223003;2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，淮安 223003;3.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，先進(jìn)光電子中心，南京 210096)

1 引言

雖然可見(jiàn)光發(fā)光二極管 (后面稱LED)的檢測(cè)目前世界上還沒(méi)有一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)，但一般公認(rèn)LED最重要的性能指標(biāo)是光學(xué)特性和電學(xué)特性。LED的光學(xué)性能主要涉及到光譜、光度和色度等方面的性能參數(shù)，主要有光通量、輻射通量、發(fā)光效率、主波長(zhǎng)、發(fā)光峰值波長(zhǎng)、光譜輻射帶寬、軸向發(fā)光強(qiáng)度、光束半強(qiáng)度角、色品坐標(biāo)、相關(guān)色溫、色純度和顯色指數(shù)等參數(shù)。顯示用的LED，主要是視覺(jué)的直觀效果，因此對(duì)相關(guān)色溫和顯色指數(shù)不作要求;而照明用的白光LED，色溫和顯色指數(shù)兩個(gè)參數(shù)就尤為重要，它是照明氣氛和效果的重要指標(biāo)，而對(duì)色純度和主波長(zhǎng)一般沒(méi)有要求。本文對(duì)不同批次的藍(lán)、白光大功率LED進(jìn)行了測(cè)試，分析了測(cè)試結(jié)果，并提出進(jìn)一步工作建議。

白光LED的色坐標(biāo)、顯色指數(shù)、色溫和發(fā)光效率與驅(qū)動(dòng)電流、溫度有關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電流的增加將引起藍(lán)光波峰的紅移，并隨電流的增大而增大，而熒光粉與激發(fā)波長(zhǎng)的不匹配可能會(huì)導(dǎo)致熒光粉的發(fā)光效率下降。

實(shí)驗(yàn)中用不同批次的大功率藍(lán)、白光LED進(jìn)行了測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 藍(lán)光光譜與正向電流關(guān)系

實(shí)驗(yàn)使用積分球光電測(cè)量系統(tǒng)［1～2］。光譜分布曲線是指LED發(fā)光的相對(duì)強(qiáng)度 (能量)隨波長(zhǎng)變化的分布曲線，它由材料的種類(lèi)性質(zhì)及發(fā)光機(jī)制決定。通過(guò)藍(lán)光、白光LED施加不同正向電流，觀察其發(fā)光譜，結(jié)果如圖1，圖2所示。

如圖1所示為不同正向電流時(shí)的大功率藍(lán)光LED光譜分布，電流分別是336mA、380mA，可以看出曲線稍有偏移，右上角為局部放大圖。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)以336mA為基準(zhǔn)，當(dāng)正向電流為350mA、360mA，它們的光譜曲線重合，當(dāng)正向電流為370mA時(shí)開(kāi)始逐漸左移，而電流增加到380mA時(shí)曲線右移。

圖1 不同正向電流的大功率藍(lán)光LED光譜

圖2 為不同正向電流的白光LED光譜分布，電流分別是325mA、380mA的白光光譜分布，右上角為局部放大圖。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著正向電流增加，從340mA開(kāi)始逐漸右移，直到389mA仍處于右移狀態(tài)。

圖2 不同正向電流的大功率白光LED光譜

可以看到大功率藍(lán)光LED的主波長(zhǎng)隨正向電流的增大有一定幅度的漂移，隨著電流的增大，LED的發(fā)光波長(zhǎng)先向短波長(zhǎng)方向移動(dòng) (藍(lán)移)［1－2］，但當(dāng)電流增加380mA時(shí)，發(fā)光波長(zhǎng)又會(huì)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng) (紅移)［1－2］。藍(lán)光 LED發(fā)光波長(zhǎng)隨注入電流的增大會(huì)藍(lán)移，是由于載流子在導(dǎo)帶 (或價(jià)帶)內(nèi)的弛豫時(shí)間比載流子壽命要短，因此多量子阱區(qū)的自由載流子增加，在一定程度上屏蔽了內(nèi)建電場(chǎng)，從而使LED的峰值波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移。而隨著電流增大，使得P-N結(jié)溫度升高，從而導(dǎo)致半導(dǎo)體帶隙減小;并且隨電流增大使得施主受主對(duì)俘獲的電子空穴對(duì)增加，施主受主對(duì)能級(jí)逐漸變寬，輻射復(fù)合光子能量減小，這樣的結(jié)果就是P-N結(jié)發(fā)光波長(zhǎng)紅移。這樣一來(lái)在應(yīng)用中將產(chǎn)生如下問(wèn)題:(l)波長(zhǎng)變化將為全彩色顯示控制增加難度，同時(shí)光譜寬會(huì)導(dǎo)致色彩不純，影響照明效果。(2)在照明領(lǐng)域，由于藍(lán)光波長(zhǎng)的變化將造成白光的顏色發(fā)生變化。

2.2 藍(lán)光LED光通量、光效與電流關(guān)系

第一批、第二批藍(lán)光LED光通量、光效與電流關(guān)系分別見(jiàn)表1、表2。

表1 第一批藍(lán)光LED光通量、光效與電流關(guān)系

在光度學(xué)中，光通量定義為能夠被人的視覺(jué)系統(tǒng)所感受到的那部分光輻射功率的大小的度量。LED的光通量的大小反應(yīng)了LED光源所發(fā)出的光輻射所引起的人眼光亮感覺(jué)的能力，是描述LED總光輸出的重要參數(shù)，也是LED性能優(yōu)劣的根本標(biāo)志。發(fā)光效能表示單位電功率下輸出的光通量，它表示注入的電功率轉(zhuǎn)化為出射的光輻射功率的效能。直接帶隙半導(dǎo)體InGaN內(nèi)電子-空穴復(fù)合，主要產(chǎn)生藍(lán)光子發(fā)射。復(fù)合產(chǎn)生的光子數(shù)同注人的電子-空穴對(duì)數(shù)量成正比。對(duì)于較小的正向電流，其他一些作用，如陷阱、無(wú)輻射及結(jié)溫等不利因素影響很小;隨著注入電流增加，電子-空穴對(duì)數(shù)量增多并充分復(fù)合，復(fù)合效率高，藍(lán)光發(fā)射光強(qiáng)度增強(qiáng)。隨電流的增加，可能是LED中無(wú)輻射成份逐漸上升為主要矛盾，陷阱和有害中心作用逐漸顯露和增強(qiáng)。當(dāng)電流大時(shí)，相當(dāng)多能量被晶格吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽Y(jié)溫更高，以致使光輻射產(chǎn)生溫度碎滅，半導(dǎo)體PN結(jié)溫升，使載流子動(dòng)能增大，可能易造成載流子泄漏等而使LED光通呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。藍(lán)光LED的光通變化隨正向電流增大而增大，其中相當(dāng)多的能量被晶格吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎?。功耗的增加超過(guò)了光通的增大，故藍(lán)光LED的光效隨電流的增加而逐漸下降，實(shí)驗(yàn)中我們用不同批次的大功率藍(lán)光LED作了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明了這點(diǎn)。

表2 第二批藍(lán)光LED光通量、光效與電流關(guān)系

2.3 白光LED光通量、光效與電流關(guān)系

第一批、第二批白光LED光通量、光效與電流關(guān)系分別見(jiàn)表3、表4。

表3 第一批白光LED光通量、光效與電流關(guān)系

表4 第二批白光LED光通量、光效與電流關(guān)系

如表3、表4所示，相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度與注入電流基本呈亞線性關(guān)系，隨著電流的增大，光強(qiáng)逐漸增大，相對(duì)光強(qiáng)的隨電流變化增幅較為均勻，反應(yīng)了載流子注入與輻射復(fù)合發(fā)光的關(guān)系。雖然LED的光通量隨電流的增大而逐漸增大，但發(fā)光效率卻逐漸減小，說(shuō)明大功率LED的發(fā)光效率受注入電流的影響非常大，總光通量雖然變大了，但每瓦電功率所貢獻(xiàn)的光通量卻大幅減小。其原因是當(dāng)電流較小時(shí)，注入的電流以空間電荷復(fù)合電流為主，缺陷位錯(cuò)等無(wú)輻射復(fù)合中心以及P-N結(jié)溫對(duì)復(fù)合的影響較小;隨著注入電流的增大，LED中的無(wú)輻射復(fù)合影響變大，雜質(zhì)和缺陷的危害逐漸顯露;當(dāng)注入電流更大時(shí)，以擴(kuò)散電流為主，由于P型載流子濃度不夠高，導(dǎo)致過(guò)剩載流子轉(zhuǎn)化效率不高，且大量載流子被無(wú)輻射復(fù)合中心俘獲，能量被晶格吸收，結(jié)溫更高，使光輻射產(chǎn)生溫度猝滅。當(dāng)功耗的增加超過(guò)了光通量的增加時(shí)，發(fā)光效率就隨電流的增大而下降，這對(duì)器件的穩(wěn)定性和壽命極為不利。因此為了減小無(wú)輻射復(fù)合中心對(duì)大注入電流的功率級(jí) LED的危害，LED器件制作中必須要求外延生長(zhǎng)出高質(zhì)量的GaN晶體，減小由于晶格失配、外界雜質(zhì)引入等因素導(dǎo)致的雜質(zhì)缺陷中心的形成，文獻(xiàn)［7］提到這點(diǎn)。

表3、表4中，第二批白光光通量和光效相對(duì)第一批白光大幅度提高，色坐標(biāo)也更接近等能白，施加較小電流時(shí)色坐標(biāo)更加接近等能白點(diǎn)，這和文獻(xiàn)［8］提出光通時(shí)增加，色坐標(biāo)增加趨勢(shì)是一致的。色溫也比第一批低了許多，更合適于照明使用。只是顯色指數(shù)不太理想。由以上測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，第二批LED藍(lán)、白光芯片具有較高的光通量和光效，具有使用價(jià)值。

2.4 白光LED的點(diǎn)亮實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用已工作2500小時(shí)的白光LED，進(jìn)行持續(xù)點(diǎn)亮試驗(yàn)。測(cè)量在持續(xù)點(diǎn)亮過(guò)程中，白光LED的光學(xué)參數(shù)變化，見(jiàn)表5。

表5 持續(xù)點(diǎn)亮過(guò)程中，白光LED光學(xué)參數(shù)的變化

實(shí)驗(yàn)可以看出，在持續(xù)點(diǎn)亮過(guò)程中，光效不斷下降，色溫下降，紅色比增大，顯色指數(shù)增大。提示我們?cè)谑褂么蠊β蔐ED作為照明用燈時(shí)，不能作長(zhǎng)明燈，應(yīng)該作間歇使用。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，間歇工作與持續(xù)工作相比，持續(xù)工作LED的明顯對(duì)燈的性能損害更大，僅持續(xù)點(diǎn)亮340小時(shí)就使燈失效了。

3 結(jié)論

本文使用光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)同一廠家的不同批次的大功率藍(lán)光、白光LED進(jìn)行了光譜測(cè)試，測(cè)試時(shí)施加了不同的電流。施加不同電流的藍(lán)、白光LED的光譜稍有偏移，藍(lán)光是隨電流增大先藍(lán)移，后紅移;白光是隨電流增大不斷紅移，由此在應(yīng)用注意選擇合適的正向電流，否則，發(fā)光波長(zhǎng)將會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)我們注意到隨電流增大，藍(lán)光、白光LED光通量也非線性增加，光效卻隨正向電流的增加而減小，這點(diǎn)提示在使用時(shí)要注意選擇合適的正向電流，從而兼顧光通量、光效，以取得最好的效果。實(shí)驗(yàn)中觀察了白光的色坐標(biāo)，注意到當(dāng)加較小的正向電流時(shí)，白光LED色坐標(biāo)更接近等能白點(diǎn)。進(jìn)行了持續(xù)點(diǎn)亮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)持續(xù)近100小時(shí)就可以讓LED燈失效，建議使用持續(xù)使用LED時(shí)間不超24小時(shí)。

［1］張樓英，崔一平，羅宗南，周麗．大功率LED整個(gè)壽命中的顏色漂移 ［J］．液晶與顯示，2010.4，25(2):210～214．

［2］張樓英，周麗，羅宗南，張家雨，崔一平．大功率LED的光衰機(jī)制研究 ［J］．半導(dǎo)體技術(shù)，2009.5，34(5):474～477．

［3］潘建根等．光譜較正積分光度法測(cè)量藍(lán)光LED光通量［J］．半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2006.5，27(5):932～936．

［4］呂正．LED光通量測(cè)試中的若干問(wèn)題 ［J］．中國(guó)照明電器，2005.12 29～30．

［5］呂正等．LED光通量測(cè)量中的自吸收效應(yīng)及校正 ［J］照明工程學(xué)報(bào)，2006.17(2)16～17．

［6］鮑超．發(fā)光二極管測(cè)試技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn) ［J］．物理學(xué)和高新技術(shù)，2003.32(5)319～324．

［7］李華平．大功率LED封裝及散熱基板的研究．

［8］吳慶等．色坐標(biāo)對(duì)白光LED光通量的影響．發(fā)光學(xué)報(bào)［J］2007.10，28(5):736～739．