热效应对白光LED光电参数的影响*

许毅钦，李炳乾，赵 维，张 康，王君君，张志清，刘宁炀，苏海常

广东省工业技术研究院(广州有色金属研究院)，广东 广州 510650

发光二极管(Light Emitting Diode，LED)作为一种新型的半导体发光器件，以其光效高、寿命长、结构牢固及节能环保等优点，已经在照明和指示场所中得到了广泛地应用，而且还被誉为第四代照明光源[1-3]．但是随着LED器件及灯具功率的不断增大，LED的发热问题也愈加严重，成为了阻碍LED发展的技术瓶颈之一．

LED作为新型的半导体光源，其性能与温度有着密切的联系．芯片温度上升会导致器件性能的变化和衰减，甚至失效．从根本上讲，温度上升降低了PN结发光复合的几率，导致发光亮度下降、LED的发光光谱偏移及色温变化.目前，主要是从LED的现实使用中了解到热对LED的影响，并未见热效应对LED光电参数的影响及其物理机制方面的文献报道．本文通过实验，深入分析热效应给白光LED带来的一系列参数的变化及相应的物理机制．

1 实验部分

将同波长的蓝光LED芯片固定在LED支架上，然后在芯片上面点涂黄色荧光粉胶，结构如图1所示．本实验制作了两种样品，分别为样品A和样品B，两种样品均采用相同的芯片、荧光粉和硅胶，样品A的荧光粉胶的量较少，样品B的荧光粉胶的量较多．为提高实验数据的准确性，每种样品各制作10个，分析时取10个数据的平均值．实验采用HASS-2000型光谱仪器进行测量，测量方式有两种，分别为20 ms快速脉冲测量(以下称脉冲测量)和20 s持续直流测量(以下称直流测量)，电流变化范围为50～1000 mA，测量时的外界温度为25 ℃.

图1 封装结构

2 结果与分析

样品A和样品B在350 mA电流下的发光光谱如图2所示．从图2可以看出，样品A的蓝光部分较多，而样品B的黄光部分较多．这是因为样品B的荧光粉量比样品A的多，因此更多的蓝光被吸收，而产生更多的黄光．

样品A和样本B的光通量及光效随电流增加的变化情况如图3和图4所示．从图3可以看出，随着电流增加，脉冲测量方式下样品A和样品B的光通量增速比直流测量下的快．这是因为直流测量方式采用持续20 s的工作电流，LED芯片发热大，降低了LED的发光效率．当电流增大到1000 mA时，样品A在直流模式下测量的光通量比在脉冲模式下测量的光通量下降了18.5%，样本B的光通量下降了23.9%．

图2 在350 mA电流下样品A和B的发光光谱

Fig.2The luminescence spectrum of sample A and sample B under current of 350 mA

图3 样品A和B的光通量随电流的变化

从图4可看到，两样品的光效均随电流的增大而减小，在直流测量方式下的光效减小更快．直流测量方式下，当电流从50 mA增加至1000 mA时，样品A的光效下降了63.71%，样品B的光效下降了62.98%；在脉冲测量方式下，样品A的光效下降了56.97%，样品B的光效下降了57.21%．由此可以看出，脉冲测量下，两种样品的光效下降均比直流测试下的光效下降小．

图5为实验所用的蓝光LED芯片在不同电流下峰值波长变化情况．由图5可以看出，脉冲下测量的蓝光芯片的峰值波长随着电流的增加持续降低，而直流下测量的蓝光芯片的峰值波长随着电流的增加，呈现先减少后增加的趋势．

图4 样品A和B的光效随电流的变化

图5 蓝光LED芯片的峰值波长随电流的变化

Fig.5The variation of the blue LED chip peak wavelength with the increasing current

这是由于载流子在导带(或价带)的弛豫时间比载流子寿命短，因此随着注入电流增大，多量子阱区的自由载流子增加，产生了与极化电场相反方向的电场，屏蔽了部分内建电场，削弱了斯塔克效应[4]，使量子阱中基态能升高，相当于InGaN的禁带宽度增大，从而使LED峰值波长向短波方向移动[5]．同时，PN结温度对蓝光LED芯片的峰值波长也有影响，PN结温度升高会引起LED芯片的带隙收缩[6]．随着PN结温度的升高，电子在晶体中的公有化运动加快，能级分裂严重，使得禁带宽度Eg变小，因此峰值波长发生红移.

主波长随温度的变化关系可以用下式表示[7]：λd(T2)=λd(T1)+ΔTj×0.2． 式中λd(T1)为结温T1时的主波长，λd(T2)为结温为T2时的主波长，ΔTj为结温的变化．该经验公式表明，结温每升高10 ℃，主波长向长波长移动约2 nm．

由于脉冲测量下电流注入时间仅为20 ms，可以忽略LED结温的变化，蓝光LED芯片的波长变化主要跟注入电流的大小有关，因此随着电流注入的增加，蓝光LED的峰值波长发生蓝移．直流测量下，当注入电流小于600 mA时，芯片发热较少，芯片的峰值波长随注入电流的增大发生蓝移；当电流大于600 mA时，蓝光芯片发热严重，热效应成为峰值波长变化的主要影响因素，蓝光芯片的发光波长发生红移．因此，直流测量下随着电流增加，蓝光芯片的峰值波长先蓝移再红移．

图6为在不同波长激发下实验所用的YAG∶Ce3+荧光粉的光致发光强度曲线．从图6可以看到，该荧光粉的最优匹配激发波长为463 nm，当蓝光LED的峰值波长偏离至463 nm时，荧光粉的转换效率降低.

图6 在不同波长激发下荧光粉的光致发光强度

Fig.6PL spectra of phosphor at different excitation wavelengths

图7为样品A和样品B光谱中蓝光和黄光的最高绝对峰值的比值随电流增加的变化情况．从图7可以看出，脉冲测量下样品A光谱中蓝光与黄光的最高绝对峰值比值随电流增加变化不大，样品B光谱中蓝光与黄光的最高绝对峰值比值随电流增加而增加．这是因为脉冲测量下可以忽略热对LED的影响，随着电流增加，蓝光LED的峰值波长持续蓝移，LED的峰值波长和荧光粉的激发波长主峰失配加剧，荧光粉的转换效率降低．因此，蓝光照射荧光粉蓝光转化成黄光部分的比值相应减少．同时随着电流增加，蓝光LED芯片的发光效率会相应减少，因此样品A光谱中蓝光与黄光的最高绝对峰值比值随电流增加变化不大，而样品B中荧光粉量比样品A的大，荧光粉转换效率下降引起的黄光减弱效果更加明显．因此，样品B光谱中蓝光与黄光的最高绝对峰值比值增加．

图7 样品A和B光谱中蓝光与黄光的最高绝对峰值的比值随电流的变化

Fig.7The variation of the samples absolute wavelength peak ratio of blue light and yellow light with the increasing current

(a) sample A；(b) sample B

直流测量下，样品A和样品B光谱中蓝光与黄光的最高绝对峰值比值均随着电流的增加而减少，表明样品A和样品B在直流测量下，其光谱的黄光比例随着电流增加而增加．这是因为直流测量下，蓝光LED的峰值波长随着电流的增加先蓝移再红移，引起了与荧光粉激发主峰的失配．同时直流测量方式使LED芯片PN结的温度及荧光粉温度升高，降低了蓝光LED芯片的出光效率及荧光粉的转换效率，样品A和样品B的蓝光与黄光的最高绝对峰值比值均随着电流增加而减少．由此可见，荧光粉转换效率的降低幅度比蓝光LED芯片出光效率降低的小．

图8为样品A和样本B的色温随电流增加的变化情况．由图8可以看出，随着电流增加，样本A和样品B的色温均随电流增加而增加，直流测量下的样品色温增速更快．

图8 样品A和B的色温随电流的变化

3 结 论

随着电流的增加，白光LED的色温增加幅度变大、光通量减少、荧光粉转换效率下降及光谱发生漂移现象．结果表明，LED散热效果的好坏是影响白光LED光品质及稳定性的关键因素之一．

参考文献：

[1] LIU Muqing，RONG Bifeng，SALEMINK H W M．Evaluation of LED application in general lighting [J].Optical Engineering，2007，46(7)：74002．

[2] YU Guiying,ZHU Xuping,HU Shuhong,et al.Thermal simulation and optimization design on a high-power LED spot lamp[J].Optoelectronics Letters,2011,7(2):1170121.

[3] SCHUBERT E F，KIM J K．Solid-state light sources getting smart[J]．Science，2005，308：1274.

[4] LEROUX M，GRANDJEAN N，LAUGT M，et al．Quantum confined stark effect due to built-in internal polarization fields in (AlGaN)/GaN quantum wells[J]．Physical Review B，1998，58(20)：13371-13374．

[5] TRAETTA G，CARLO A D，REALE A，et al．Charge storage and sereening of the internal field in GaN/AlGaN quantum wells[J]．J Crystal Growth，2001，230(3)：492-496．

[6] 林巧明，郭霞，顾晓玲，等．GaN基蓝光发光二极管峰值波长偏移的研究[J].半导体光电，2007，28 (3)：338-341．

[7] MUKAI T，YAMADA M，NAKAMURA S．Current and temperature dependences of electroluminescence of InGaN-based UV/blue/green light-emitting diodes[J]．Jpn J Appl Phys，1998，37(11B)：L1358-L1361．