1W级大功率白光LED发光效率研究

李炳乾
( 佛山科技学院物理系,广东佛山528000)

摘　要: 　研究了1W 级大功率白光发光二极管(LED) 发光效率随功率变化的关系。实验结果表明,功率在0～0.11 W 的范围里,发光效率随功率迅速增加;功率达到0.11 W 时,发光效率为
15.6 lm/W; 当功率大于0.11 W 时,发光效率随功率增加开始减小,功率继续增加时,发光效率降低的速度越来越快。在器件额定功率1W 附近,发光效率为13 lm/W 。发光效率随功率增加而下降主要是由于芯片温度升高、电流泄漏等导致的载流子有效复合几率下降引起的。

关键词：大功率白光发光二极管; 半导体照明; 光通量; 发光效率

文章编号: 1001 -5868 (2005) 04 -0314 -03

中图分类号: TN383. 1 　文献标识码:: A 　　
Lumen Efficiency of 1 W2level High Power White LED
LI Bing2qian
(Dept.of Physics,Foshan University, Foshan 528000,CHN)
Abstract : 　The relationship of lumen efficiency with input power of high power white light2 emitting diodes (LEDs) is studied. The result shows that the lumen efficiency increases with input power in the range of 0～0.11W.At theinputpowerof0.11Wlumenefficiencyis15.6lm/
W. Then the lumen efficiency decreases with the increcse of input power over 0. 11 W ,and the decrease rate is more and more faster followed by the increase of the input power. At the rating power of 1 W , the lumen efficiency is close to 13 lm/ W. The main reasons which induced inefficiency of high power white light2emittingdiodesathighinputpowerare: (1) theincreaseof input power results in higher temperature of LED chip; (2) the increase of the current causes more leakage current.
Key words : 　high power white L ED ; semiconductor lighting source ; luminous flux ; lumen efficiency

1 　引言

以大功率白光发光二极管(LED) 器件为核心的半导体照明技术具有体积小、全固态、长寿命、环保、省电等优点,已经在状态指示和中小功率的特种照明领域得到广泛应用[1] 。目前,商品化的大功率白光L ED 功率已经达到5W, 发光效率也已经达到25lm/ W , 其发光效率(流明效率) 已经超过白炽灯,但是如果要进入民用照明市场,还需要在降低成本的同时,继续增加单个器件的功率,提高发光效率。根据美国光电产业协会(O IDA) 的研究报告[2] ,只有当单个封装的大功率L ED 器件功率达到7.5 W 以上,发光效率超过200 lm/ W , 才有可能替代现有的各种照明光源,成为民用照明的主要光源。对于以载流子复合为主要发光机理的LED , 如何在增加LED 功率的同时,提高发光效率,成为大功率LED 照明光源研究的核心问题。本文对大功率白光发光二极管光通量、发光效率随输入电功率变化的规律进行了研究,并且同白炽灯进行了比较, 指出大功率白光L ED 在照明领域应用过程中,降低器件及系统热阻[ 3 ] ,从而降低芯片温度;优化LED 外延层结构,减少电流泄漏,增加电子、空穴在结区的复合几率,是提高L ED 在大功率下发光效率的两个主要途径。2 　光通量和发光效率的测量光源的光通量Φ是指单位时间内通过4π立体角的可见光能量,它的单位是lm 。发光效率E< 是指光源所发出的光通量与消耗的电功率P 之比,单位是lm/ W , 光源的发光效率可以通过下式计算: E< = Φ/ P (1) 　　对于LED 和白炽灯等直流供电的光源,消耗的电功率P 等于加在光源两端的电压V 和流过电流I 的乘积。光通量和发光效率的测量采用杭州远方公司生产的L ED610 光通量测试仪, 测量原理如图1 所示[ 4 ] 。光源放在积分球的中心,积分球又称光通球或球形光度计,它是一个内部空的完整球壳,内壁涂白色漫反射层,球内放待测光源,光源发射并经球面漫反射的一部分光线通过球壁上的窗口射到光探测器上,在光探测器前面装V (λ) 滤光器,保证光探测器的测量值准确并接近人眼视觉函数。由探测器将光信号转化为光电流信号, 经过取样、放大后, 经AD 转化为数字信号送入微处理器,再经过计算和定校即可得到光通量值,通过仪表面板上光通量部分的数码管显示出来。光源采用恒流源供电,供电的同时测量光源两端的电压和流过LED 的电流。

 

图1 　LED 光通量和发光效率的测量原理

3 　大功率白光LED 的发光效率
3. 1 　样品制备
实验样品采用Cree 公司的大尺寸蓝光LED 芯片涂敷黄色YA G 荧光粉制作,芯片为正方形结构, 边长为900μm 。芯片采用Cree 公司特有的SiC 衬底,利用MOCVD 技术在衬底上依次生长GaN 缓冲层、n 型GaN 、In GaN 多量子阱发光层、p 型GaN 层[5 ] 。为了降低大功率白光LED 热阻,芯片采用倒装结构,封装时用共晶焊料将芯片焊接在AlN 管壳上,并将管壳焊接在金属线路板上,使得p n 结上产生的热量能够迅速传递到周围环境,保证p n 结在大输入电流下维持在较低温度,避免出现器件发光效率和可靠性随着功率提高而迅速降低的情况。芯片的标准工作电流为350 mA , 对应的电流密度为43 A/ cm2 ,接近常规小尺寸(350μm ×350μm) 蓝光LED 芯片电流密度的3 倍。3. 2 　光通量与功率的关系图2 是大功率LED 功率与输出光通量的关系, 从图中可以看出,在0～2. 7 W 的范围里,输出光通量一直随着功率的增加而增加,是功率的单调增函数,但是增长的幅度逐渐减小,当功率大于2. 7 W 时,这一增长几乎停止,呈现出饱和特性。

 

图2 　大功率LED 功率与输出光通量的关系

3. 3 　功率与发光效率的关系
图3 示出大功率白光LED 功率与发光效率的关系,从图中可以看出,大功率白光LED 发光效率并不是功率的单调减函数, 这点与相同结构蓝光LED 不同,当功率在0～0.11 W (对应的电流小于40 mA) 的范围里,发光效率随着功率迅速增加,在功率达到0.11 W 时达到最大, 此时发光效率为
15.6 lm/W 。出现这种现象的原因,我们认为是当功率较小时,虽然芯片本身的发光效率较高,但是因为强度太弱,而芯片上涂敷的荧光粉又有一定的厚度, 芯片发出的蓝光只能激发靠近芯片表面的一小部分荧光粉,而这一部分荧光粉受激发产生的黄光,大部分又被荧光粉外层所吸收,此时不仅发光效率很低, 而且发光的颜色也偏黄。随着功率增加,虽然芯片发光效率略有降低,但是发光强度大大增加,此时, 芯片发出的蓝光可以穿透荧光粉层,使得荧光粉层,特别是荧光粉外层被激发的几率大大增加,发光强度迅速增加。
当大功率白光LED 功率大于0.11 W 时,发光效率随功率增加开始缓慢减小,随着功率继续增加, 发光效率降低的速度也越来越快, 在功率为1W 时,白光LED 的发光效率为13lm/ W 。这种现象是在半导体照明中遇到的最大障碍之一,即发光效率与功率不能同时达到最大,但是可以通过分析这种现象产生的原因来尽量克服和减小这一矛盾。发光效率随功率增加而减小的主要原因有:
(1) 在相同的热阻下,功率的增加必然导致芯片温度升高,增加载流子非辐射复合几率,导致辐射复合几率下降,造成发光效率随着功率增加而下降,这也是在光通量和功率关系中出现饱和现象的原因。解决这一问题的途径之一就是降低p n 结到环境的热阻,如使用倒装芯片共晶粘片、低热阻封装等,使得pn 结维持在较低温度;另一种方法是改进材料生长工艺,降低芯片外延层的缺陷密度,不仅能够更加有效地减少非辐射复合几率,提高发光效率,而且可以大大提高芯片的工作温度和可靠性;
(2) 随着功率和电流密度的增加,会出现所谓
“电流泄露”现象,即发生在pn 结结区的载流子复合几率下降,造成LED 发光效率降低。通过设计新型发光层结构,如优化量子阱结构、增加电子反射层、采用量子隧穿结构等,都有可能减小电流泄露对发光效率的降低。

 

图3 　大功率白光LED 功率与发光效率的关系

4 　白炽灯的发光效率
白炽灯是传统照明光源的典型代表,也是半导体照明进入民用领域的第一个竞争对象,研究小功率白炽灯发光效率随功率变化规律,比较它与白光LED 的不同特点,对于大功率白光LED 进入小功率照明领域应用具有积极意义。采用图1 所示实验系统对额定功率为1 W 的白炽灯发光效率进行了研究。图4 是白炽灯发光效率随功率的变化规律,可以看出,白炽灯发光存在一个功率阈值,本文研究的白炽灯,这一阈值约为0. 4 W , 当小于阈值功率时,白炽灯基本不发光,功率大于阈值时,白炽灯发光效率随着功率的增加很快,而且发光效率增加的幅度也随着功率增加而增加。白炽灯发光效率随功率变化的规律是由其发光机理决定的,白炽灯是典型的热致发光,其发光特性可以用黑体辐射规律描述。在白炽灯系统热阻基本不变的情况下,增加功率引起灯丝温度升高,随温度升高白炽灯的辐射通量按四次方的关系极快地增加,同时在白炽灯丝的工作温度范围内,随着温度的升高,峰值波长也逐渐向可见光方向移动,有更多的辐射能量落在可见光的范围内。在总辐射通量增加
和峰值波长向可见光方向移动两种机理的共同作用下,白炽灯表现出发光通量和发光效率都随功率增加而迅速增加的情况。

 

图4 　白炽灯发光效率随功率的变化

5 　结果与讨论
半导体发光与白炽灯发光的机理不同,因此二者发光效率与功率的关系也完全不同,在大功率白光发光二极管的额定功率附近,发光效率随功率增加而减小,减少的主要原因是芯片温度升高和电流泄漏导致的载流子有效复合效率下降。白炽灯的发光效率总是随着输入功率的增加而迅速增加,增加的原因主要是灯丝温度升高不仅增加了总的辐射通量,同时还使得辐射的峰值由红外向可见光范围移动。大功率白光LED 和白炽灯发光效率与功率关系的不同,决定了在二者应用过程中,需要进行不同的热学设计。在白炽灯的使用中往往可以忽略的散热问题,在使用大功率白光LED 时成为主要考虑的问题。

参考文献:
[1] 　Nakamura S.A brightfuturefor blue/greenLEDs[J]. IEEE Circuits & Devices ,1995 ,11 (3) :19223.
[2] 　Jeff Y T. Light emitting diodes (L EDs) for general illumination (An OIDA technology roadmap update 2002 ) [ M ]. Washington: Optoelectronics Industry Development Association (OIDA) , 2002.
[3] 　李炳乾. 芯片键合材料对功率型L ED 热阻的影响[J ]. 半导体光电,2003 ,24 (6) ,4222424.
[4] 　吴继宗, 叶关荣. 光辐射测量[ M]. 北京:机械工业出版社,1989. 1742179.

[5] 　张万生, 布良基. 超高亮度L ED 的进展——功率L ED [J ]. 国际光电与显示,2001 , (12) :1872194.
作者简介:
李炳乾(1970 -) ,男,2000 年获西安交通大学固体电子与微电子专业博士学位,随后在西安交通大学和华南师范大学从事二站博士后研究,现为副研究员。曾从事过软X 射线激光、高速光电检测仪器、微电子机械系统、白光L ED 等方面的研究工作, 目前主要研究功率型L ED 的结构设计、制作工艺, 已在国内外著名刊物发表论文近30 篇。E2mail : li -bingqian @tom. com

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