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白光LED劣化原因到底是什么?

类别:行业知识 发布时间:2011-10-31
白光LED已经从移动电话、液晶电视光模块,正式跨足进入医疗、汽车、植物栽培等一般应用照明领域,国外业者甚至推出平价60W等级的白光LED灯泡,这类使用复数个白光LED的新世代照明光源,正快速取代传统荧光灯与白热灯泡。

  有关液晶电视背光模块或是大型照明,使用数量众多的白光LED,必须同时兼具成本与性能的传统课题,日本业者普遍认为2011年可望实现0.5日圆/lm、200lm/W的预定目标,其中芯片性能的提升、荧光体、封装技术的开发,一直扮演关键性的角色。可靠性是白光LED另外一项重要课题,它包含单体LED的耐久性,以及复数白光LED同时点灯时的辉度分布等等,为克服这些问题,国内外厂商已经积极展开技术开发。

  有关白光LED的耐久性亦即LED的劣化,一般认为光束、封装,以及芯片的时间性劣化,是造成寿命降低的主要原因,然而实际上这些劣化要因错综复杂,因此劣化模式的分析非常困难,特别是白光LED的寿命很长,不易进行劣化试验。传统劣化试验例如:电流加速试验、温度加速试验、加速耐候试验等等,接着本文要介绍“过电压劣化试验”的结果,以及白光LED劣化的分析结果。

  分析方法与评鉴项目

  图1是典型照明用白光LED的基本结构与劣化要因一览;表1是GaN系LED与相关材料主要评鉴项目,以及分析手法一览。穿插式电子显微镜(TEM;Transmission ELectron Microscope) 可以根据LED的断面结构直接观察转位与缺陷,劣化分析时微细部位的歪斜、应力、成分、载子浓度、缺陷评鉴非常重要,特别是奈米等级的载子浓度与缺陷评鉴分析,一般都使用:扫描型探针显微镜(SPM;Scanning Probe Microscope)、扫描型扩散阻抗显微镜(SSRM;Scanning Spread Resistance Microscopy)、扫描型容量显微镜(SCM;Scanning Capacitance Microscopy)、阴极发光法 (CL;Cathodo Luminescence)。


有关树脂与荧光体结构的评鉴,一般认为使用:傅立叶红外分光法(FT-IR;Fourier Transform Infrared Spectrometer)、固体核磁共鸣法(固体NMR;Solid-State Nuclear Magnetic Resonance)、拉曼 (Raman) 分光法可以获得预期效果。

芯片劣化的评鉴

  有关GaN系组件的问题点,由于它的缺陷密度比GaAs系高5位数,而且缺陷与转位问题非常严重,一般认为LED芯片的缺陷与转位,对LED的劣化、耐久性等特性具有直接、重大的影响。传统在蓝宝石基板上长膜的GaN单结晶膜,由于蓝宝石基板与GaN的格子定数差异极大,因此强大的压缩应力对GaN膜层有相关性,这也是形成缺陷与转位主要原因。最近业者大多改用格子定相近的SiC单结晶晶圆,或是格子定数相同的GaN单结晶晶圆长膜,制作低缺陷、低转位高质量的GaN磊晶(Epitaxial)。

  获得白色光源的方法有两种,分别是蓝光LED与黄色荧光体组合的拟似白光方式,以及高演色白光方式。拟似白光方式,主要是蓝光LED组合黄色荧光体,构成拟似白光的LED,蓝光LED芯片产生的蓝光一旦被黄色荧光体吸收,荧光体会产生黄光,该光线再与未被黄色荧光体吸收的蓝光混合,形成所谓的拟似白光,该白光LED的发光频谱具有白光与蓝光二种峰值。

  高演色白光方式,主要是蓝光LED组合绿色与红色荧光体,形成高演色白光LED,蓝光LED产生的蓝光一旦被荧光体吸收,绿色荧光体会产生绿色光线,红色荧光体则产生红色光线,该绿色光线再与红色光线,以及未被荧光体吸收的蓝光混合形成拟似白光,该白光LED的发光频谱具有红、蓝、绿三种领域的峰值,色再现性也比上述拟似白光方式优秀。

  拟似白光方式使用的典型蓝光LED断面结构如图2所示,发光层是由膜厚100nm以下GaN系化合物半导体量子井构成,发光时会形成缺陷与转位,它也是LED劣化原因之一。