GaN基白光LED电流加速老化特性研究_图文

1、2007年3月第21卷第1期南昌航空工业学院学报(自然科学版 Journal of Nanchang Institute of Aeronautical T echnology (Natural Science Mar. ,2007V ol. 21N o. 1G aN 基白光LED 电流加速老化特性研究乐淑萍, 肖慧荣, 易江林(南昌航空工业学院, 江西南昌330063关键词Al 2O 3; G aN 基白光LE D ; 加速老化; 荧光粉摘要本文对三组Al 2O 3衬底上生长G aN 基蓝光激发黄色荧光粉的白光LE D 进行了对比电流加速老化实验, 老化电流分别是30mA 、50mA 和70

2、mA 。随着老化电流的增大, G aN 基白光LE D ; 随老化时间的加长,30mA 电流驱动下, G aN 基白光LE D 寿命为457h 。中图分类号O484文献标识码A -(-R esearch into degradationL EDsShu , XI AO Hui -rong , YI Jiang -lino f Aeronautical Technology , Nanchang , Jiangxi 330063, China K ey w ords :Al 2O 3; G aN -LE Ds ;accelerated degradation ;phosphorsAbstract

3、 :In this paper , the current accelerated aging experiment on three groups of G aN -based white LE Ds produced on the Al 2O 3substrate have been performed at 30mA 、50mA and 70mA. With the increase of aging current , the light output power of G aN -based white LE D be 2comes faster with the degradati

4、on of time and when the aging time is lengthened , driven by 30mA current , the yellow gravity in the relative light spectrum of G aN -based white LE D is increased before being reduced. From the degradation pattern of optical output with respect to time , s ome preliminary results were obtained , w

5、hich show that G aN white LE Ds grown on Al 2O 3substrate exhibit preferable properties. The main factor causing the difference is due to the yellow phosphors for white LE D. Finally , the lifetime of the white LE Ds used in our experiments was calculated as 457h.二十世纪90年代以来, G aN 基蓝光LE D 的高亮度化实现了红、绿

6、、蓝三基色完备的发光体系。把红、绿、蓝发光二极管按比例组合起来就可以获得清晰的全彩色显示。由于LE D 的种种优势, 它除了应用在交通指示灯、大面积显示屏外, 在节能照明光源的应用也是日趋成熟, 很有潜力。高亮度的蓝光LE D 与特殊的荧光粉物质组合产生橙黄色光, 再与蓝光混合就可以得到白光。许多专家认为,LE D 将继第一代光源白炽灯, 第二代光源荧光灯, 第三代光源高强度气体放电灯, 成为第四代照明光源1-3。根据历史的发展规律, LE D 的发光效率每十年提高10倍。因此我们可以保守估计, 到2020年,LE D 的发光效率将提高到200lm/W (这个数字超过了现有的各种电光源效率 。

7、到那时, 即使白光LE D 只取代50%的传统光源, 全球每年也可以节约电费1000亿美元, 并减少3亿5千万吨C O 2等污染物的排放4。由此可见, 用G aN 基蓝光LE D 等所实现的白光LE D 对传统的照明光源带来了巨大的冲击。新一代G aN 基白光LE D 也成为了研究开发的热点。本文主要论述G aN 基白光LE D 老化后特征参数的变化, 并计算了加速电流下的预期寿命。1实验方法和内容以峰值波长为450470nm 的G aN 基LE D 发射的蓝光为基础光源, 其中一部分蓝光透过荧光粉发射出收稿日期2007-01-25基金项目航空高校基金(EC200608072作者简介乐淑萍(1

8、975- , 女, 讲师。第1期乐淑萍、肖慧荣、易江林:G aN 基白光LE D 电流加速老化特性研究11来, 另一部分激发荧光粉, 发出峰值为560580nm 的黄绿光, 混合形成的白光。采用电流加速老化实验法5-9, 在自行设计制作的老化试验装置(见图一 中对Al 2O 3衬底上生长的G aN 基白光LE D 进行了老化实验, 从样品中选出15只未漏电的二极管进行老化实验。老化实验条件为:分别采用30mA 、50mA 和70mA 驱动电流对每组5个LE D 进行老化; 老化过程中, 每隔一段时间进行一次参数测量; 累计老化时间达1266h , 所给出的结果为5只LE D 的平均值。所有测试

9、均在测试管卸下老化台后冷却1h 进行, 每次测量LE D 参数均回到正常工作电流20mA 下进行。测试设备为杭州远方出产的PMS -50型光谱分析仪, 光度测试准确度为一级, 波长精确度为011nm 。2实验结果与分析2. 1G aN 基白光LE D 寿命的计算图二显示了驱动电流分别为30mA 、50mA 和70mA 时,G aN 基白光LE D 相对光输出功率随老化时间的变化曲线(所有的光输出都是以初始光输出功率为标准所得到的相对值 。光输出功率P 随老化时间衰减的关系可以表示为9 :y =exp (-t (1式中, y 为相对光输出功率, 为衰减系数, t 为老化时间。图中点表示测量的光输

10、出数据, 曲线为利用公式12南昌航空工业学院学报 (自然科学版(1 拟合的结果。发现Al 2O 3衬底上G aN 基白光LE D 随着老化电流的增大光输出功率下降的速率越快, 以50%的光输出衰减率作为定义寿命的标准9, 得到驱动电流分别为30mA 、50mA 和70mA 时, G aN/Al 2O 3白光LE D 预期寿命分别为343、89、28h 。然而,LE D 的额定寿命一般为在20mA 额定驱动电流时的结果, 因此, 必须求解在20mA 驱动电流工作时的衰减系数。衰减系数和驱动电流之间进行拟合得到了相关常数高达01999的指数函数曲线。测试得到的两个变量的相关方程是:=5×

11、(2 10-5e I其中I 表示驱动电流(mA ; 为常数。根据公式(2 可以推导得出20mA 时, 衰减常数分别为010015。再利用公式(1 得到蓝宝石衬底上G aN 基白光LE D 的寿命为457h 。图三为驱动电流30mA 时G aN 基白光LE D 的相对光谱随时间的变化。LE D 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。30mA 下还是比较稳定且不易老化的, 致使黄光比例增加, , 荧光粉对短波长的光会产生散射作用, , 加剧了环氧的变黄。随时间的推移, , 同时主波长开始蓝移。,LE D 产生的热量不能及时散发出去, 使得LE D , LE D 芯片上的荧光粉在一

12、定程度上发生降解, 使得, , 并最终导致了白光LE D 光输出的减少和颜色的漂移 。3结论通过对Al 2O 3衬底上生长的G aN 基白光LE D 的电流加速老化实验, 本文得出如下结论:随老化电流的增大,G aN 基白光LE D 的光输出功率随时间的衰减速率相对加快; 随老化时间的加长,30mA 电流驱动下, G aN 基白光LE D 相对光谱中黄光比重先增加再减小。推测其原因为荧光粉受热降解导致转换量子效率降低和 第1期乐淑萍、肖慧荣、易江林:G aN 基白光LE D 电流加速老化特性研究13 LE D , 除了进, 这对于提高白光LE D 的发光性能4致谢本文的实验要感谢江风益教授的支

13、持和指导, 感谢南昌大学发光材料与器件工程研究中心提供的仪器设备, 感谢同事和同学的支持与帮助。参考文献1Liang Chunguang. Zhang Ji 1G aN -dawn of rd -generation -semiconductors J1chinese Journal of semiconduc -tors (半导体学报 . 1992. 20(22W en Shangsheng. S tudy and development of high brightness blue G aN based LE D J.Chinese Journal of Quantum E lectro

14、nics (量子电了学报 . 2003.20(10 (in Chinese .3W ang Sansheng , G u Biao 1Xu Y in et al 1G rowth methods and its applications in optoelectronic devices of G aN based semiconductor materialsJ.E lectronDevices (电子器件 . 2002,25(1 :1-8(in Chinese .4Fang Zhilie. Future applications of light emitting diodesJ.Phys

15、ics and Advanced T echnology (物理学和高新技术 ,2003,32(5 :295301(in Chi 2nese 5林亮, 陈志忠, 陈挺, 童玉珍, 秦志新, 张国义, 白光LE D 的加速老化特性J1发光学报,2005,26(5 :617-6216Pursiainen O , Linder N , Jaeger A , et al , Identification of aging mechanisms in the optical and electrical characteristics of light -emitting diodes J1Ap 2pl 1Phys 1Lett 1, 2001, 79(18 :2895-28997Lisa Sugiura , C om paris on of degradation caused by dislocation m otion in C om pound semiconductor light -emitting devi