温度和电流对白光LED发光效率的影响

第 29卷 　第 2期 2008年 4月 发 　光 　学 　报 CH INESE JOURNAL OF LUM INESCENCE Vol129 No12 Ap r. , 2008 文章编号 : 100027032 (2008) 0220358205 温度和电流对白光 L ED发光效率的影响 王　健 1, 2 , 黄　先 1, 2 , 刘　丽 1, 2 , 吴　庆 1, 2 , 褚明辉 1 , 张立功 1 , 侯凤勤 1 , 刘学彦 1 , 赵成久 1 , 范　翊 1 , 罗劲松 1 , 蒋大鹏 13 (1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 激发态物理重点实验室 , 吉林 长春 　130033; 2. 中国科学院 研究生院 , 北京　100049) 摘要 : 对大功率白光 LED发光效率进行了研究 ,得出温度和电流对 LED发光效率的影响 :随着温度的升高 , 势阱中辐射复合几率降低 ,从而降低了发光效率 ;电流的升高 ,使更多的非平衡载流子穿过势垒 ,降低了发光 效率。LED工作时 ,过高的工作温度或者过大的工作电流都会产生明显的光衰 :如果 LED工作温度超过芯片 的承载温度 ,这将会使 LED的发光效率快速降低 ,产生明显的光衰 ,并且对 LED造成永久性破坏 ;如果 LED 的工作电流超过芯片的饱和电流 ,也会使 LED发光效率快速降低 ,产生明显的光衰。并且 LED所能承载的温 度与饱和电流有一定关系 ,散热良好的装置可以使 LED工作温度相对降低些 ,饱和电流也可以更大 , LED也 就可以在相对较大的电流下工作。 关 　键 　词 : LED; 发光效率 ; 温度 ; 电流 ; 势垒 中图分类号 : O482. 31　　　PACC: 3250F; 7860　　　文献标识码 : A 　　收稿日期 : 2007208217; 修订日期 : 2007210226 　　作者简介 : 王健 (1980 - ) , 男 , 吉林长春人 , 硕士研究生 , 主要从事半导体发光材料与器件的研究。 E2mail: langchaoxishui@163. com 　　 3 : 通讯联系人 ; E2mail: jdp863@ciomp. ac. cn, Tel: (0431) 86176299 1　引　　言 大功率发光二极管以其节能、环保、寿命长、 高可靠性等特点 ,逐步成为取代传统光源的下一 代照明光源。进一步提高白光 LED发光效率已 经成为半导体照明项目的主要研究内容 [ 1, 2 ]。白 光 LED已被公认为 21世纪最具潜力之环保照明 光源 ,现今白光 LED发光效率已达到 40 lm /W以 上 ,在学术实验方面更已达到 100 lm /W ,与目前 发光效率 80 lm /W 的荧光灯相比有过之而无不 及 , LED依然在蓬勃发展中 ,相信当发光效率 100 lm /W的白光发光二极管可大量商品化时 ,就可 以全面性取代白炽灯与荧光灯 ,成为市场上另一 波照明光源主流。本文主要研究影响 LED发光 效率的几个因素 ,为提高 LED发光效率做了理论 工作。以前人们对白光 LED发光效率做了很多 研究 ,证明温度升高导致芯片的蓝光波峰向长波 方向偏移 ,使芯片的发射波长和荧光粉的激发波 长不匹配造成了白光 LED发光效率的降低 ,并且 还研究发现 ,当温度高于 50 ℃时 ,色温偏高 ,显色 指数变劣。主要是由于温度升高 ,蓝光波峰长移 , 荧光粉波峰变平坦而劣化 [ 3～7 ]。本文结合实验和 理论 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,也对白光 LED发光效率进行研究 ,得 出温度的升高减小了芯片在发光区的辐射复合效 率 ,并且电流增加可能使非平衡载流子扩散出势 阱 ,不能有效的辐射光子 ,这两点也是白光 LED 发光效率下降的原因。 2　实　　验 选择同一批次的美国 Sem iLED s40m il大功率 蓝光芯片 ,用两种尺寸不同的热沉封装大功率 LED , A结构采用半径 10 mm ,厚度 1 mm铝基线 路板为热沉 ,封装单个 LED蓝光芯片 ; B结构采 用 180 mm ×120 mm ×2 mm的长方体铝基线路 板为热沉 ,集成封装 8个 LED蓝光芯片。两种结 构都采用发散角为 90°透镜封装 ,中间填充物采 用有机硅凝胶 ,以减少光学界面 ,提高光的输出效 率。使用 QGJ27球型光度计和 MPF24荧光光度 计测光系统来测量 LED 的光通量 ,使用 M INT2 EMP测量热沉温度。用以上设备测量 LED的光 　第 2期 王 　健 , 等 : 温度和电流对白光 LED发光效率的影响 359　　 通量、温度、电流、电压等数据 ,经数据整理 ,得到 稳定工作中的 LED的光通量随电流变化曲线和 发光效率随电流变化曲线。 3　结果与讨论 图 1给出了两种散热结构 (A 结构和 B 结 构 )随电流增大温度升高曲线。从图 1可以看 出 , B结构的散热效果远远好于 A结构 ,在 A散 热结构中 ,当电流增大至 750 mA 时 ,温度达到 393 K,在 B散热结构中 ,当电流增大至 1 300 mA 时 ,温度只有 370 K。图 2给出了两种结构的光 通随着电流的变化曲线。图 2显示 , A 结构的 饱和电流为 700 mA,而 B 结构的饱和电流为 1 250 mA。　　 图 1　A, B散热结构 LED随着电流的温升曲线 Fig. 1　T2I curves of LED with structure A and B. 结合图 1和图 2,我们可以看出 , A结构由于 散热效果差 ,它的饱和电流只有 700 mA ,电流高 于 700 mA出现明显的光衰。同样的芯片在 B结 构中 ,当电流达到 1 000 mA时没有看到明显的光 衰 ,因此 ,我们认为 A结构中的光衰主要是由于 温升造成的 ,这种芯片的最大承载温度为 383～ 393 K。另外我们也可以看出 ,由于 B结构的散热 图 2　 A, B散热结构 LED的Φ2I曲线 Fig. 2　Φ2I curves of LED with structure A and B. 效果好 ,它的饱和电流达到 1 250 mA,电流低于 1 250 mA时没有发现明显光衰 ,由于 1 250 mA 时 ,温度只有 367 K,没有达到芯片的承载温度 , B 结构 LED的光衰主要来自于工作电流的增加。 以前人们就注意到白光 LED发光效率是随 着温度的升高而下降的 ,并且认为温度的升高使 蓝光芯片的发射波长红移 ,这样芯片的发射波长 和荧光粉的激发波长越来越不匹配 ,所以降低了 白光 LED的发光效率。我们得出 ,即使不存在波 长匹配的问题 ,白光 LED的发光效率也会随着温 度的升高而下降。如图 3所示 ,不涂荧光粉的蓝 光芯片的发光效率随着温度升高是减小 ,因此 ,由 蓝光芯片与涂覆其上的荧光粉所转化成白光的发 光效率也会随着温度的升高而下降。所以 ,白光 发光效率随着温度升高而下降 ,就不仅仅是以前 人们认为的芯片的发射波长和荧光粉的激发波长 不匹配造成的 ,还包括有芯片本身的发光效率随 着温度升高而下降所造成的。 图 3　A结构在 50 mA下发光效率随温度变化曲线 Fig. 3　η2T curve of LED2A operating at 50 mA. 发光效率随着温度升高而减小的原因从理论 上分析如下 : 根据 Van RoosbrÊck2Shockley关系 [ 8 ] ,物体的 发射率为 L (ν) ≈ 8πν2 n2α(ν) exp ( - hν/ kB T) / c2 　 (1) n是折射率 ,α(ν)是吸收系数。 对于电致发光的 LED结型半导体 , 频率为ν的光 子发射率 L (ν) = nu nlW em = n2iW e (2) nu 是上能级被占据的电子态密度 , nl 是下能级的 空穴态密度 , ni 是本征激发载流子密度。式 (1)、 (2)联立得为单位体积辐射跃迁几率 W em = 8πν2 n2α(ν) exp ( - hν/ kB T) / ( c2 n2i ) 　 (3) 本征激发载流子密度的平方 360　　 发 　　光 　　学 　　报 第 29卷 n 2 i = 2. 32 ×1030 (m 3p m3n /m0 ) 3 /2 T3 exp ( - Eg / kB T) (4) 联立式 (3)、(4)得单位体积辐射跃迁几率 W em = 3. 45 ×10- 30πν2 n2α(ν) (m 3p m 3n /m 0 ) - 3 /2 · exp [ ( Eg - hν) / kB T ]·1 / ( T 3 c2 ) ∝ exp [ ( Eg - hν) / kB T ] / T3 (5) 由公式 (5)看出频率为ν的光子辐射跃迁几率是 温度的减函数。也就是温度的升高降低了辐射复 合率 ,因此发光效率也会降低。 简单分析如图 4的电子能带图 ,在温度较低 时 ,电子占据导带底部的量子态 ,随着温度的升 高 ,电子能量也会升高 ,电子就会占据导带中能量 高些的量子态。如图 4所示 ,导带中小矩形 K1 是 低温 T1 下电子占据较低的量子态 ,大矩形 K2 是 高温 T2 下电子占据较高的量子态。随着温度的 升高 ,电子受到热激发跃迁到较高能态 ,电子占据 的量子态也由 ( - k1 , k1 )范围扩大为 ( - k2 , k2 )。 GaN基蓝光芯片发光是直接复合发光 ,其电子跃 迁的选择定律为 : k′= k。由图上可以看出电子占 据量子态范围小的 ( - k1 , k1 )满足选择定律的几 率更大 ,发生辐射复合的几率也大。电子占据量 子态范围大的 ( - k2 , k2 )满足选择定律的几率相 对小 ,发生辐射复合的几率也小。因此温度的升 高降低了辐射复合率 ,从而发光效率也会降低。 图 4　能带图 Fig. 4　Energy band. 我们观察到同一温度下 , LED发光效率随着 工作电流的增大而下降 ,如图 5是 A结构 LED在 353 K下的 η2I曲线 ,这是内量子效率降低造成 的。随着电流 I的增加 ,注入势阱中电子数量增 加 ,电子扩散出势阱的数量也将增加 ,扩散出势阱 中的电子越多 ,内量子效率越小 [ 9, 10 ]。 如图 6所示 ,在电流为 I时 ,电子扩散到位置 a处 ,并且随着外加电流 I的增加 , a也将增大。把 图 5　LED2A在 353 K下 ,发光效率和电流的关系 Fig. 5　η2I curve of LED2A at 353 K. 图 6　势阱中电子浓度分布 Fig. 6　The electron concentration distribution in potential well. 电子浓度分布近似成一定斜率的线段。势阱区域 是 0～x0 ,在势阱左侧是 n型半导体 ,在势阱右侧 是 p型半导体。可以推出电子浓度分布 : n ( x) = N d (1 - x / a) (6) 在 (0, x0 )中的电子总数 N (势阱内 ) = N 1 = ∫∫∫νn ( x) dν = A ∫ x0 0 n ( x) dx = AN d ( x0 - x20 /2a) (7) 在 ( x0 , a)内的电子总数 N (势阱外 ) = N 2 = ∫∫∫νn ( x) dν = A ∫ a x0 n ( x) dx = AN d [ a /2 + ( x20 /2a) - x0 ] (8) 其中势阱内的电子总数和总共注入电子数量之比 记为 M ,称为有效电子比例。M 越大 ,内量子效 率越高。 M = N 1 N 1 + N2 = x0 (2a - x0 ) / a2 (9) M 对 a求导得 dM da = 2x0 ( x0 - a) / a3 < 0 (10) 随着注入电子数量的增加 , a也逐渐增大。 a越 　第 2期 王 　健 , 等 : 温度和电流对白光 LED发光效率的影响 361　　 大 , M 越小 ,内量子效率也越小。 M 对 x0 求导得 dM dx0 = 2 ( a - x0 ) / a2 > 0 (11) 增加势阱宽度可以增加有效电子比例 M ,也就增 加了内量子效率。 因此 ,随着注入电子数量的增加 ,使更多的电 子扩散出势阱 ,发生无辐射复合 ,降低了芯片的内 量子效率 ,进而降低了发光效率。同时 ,推导的公 式 (10)得出了适当增加势阱宽度可以增加内量 子效率。 4　结　　论 由蓝光芯片加黄色荧光粉组成的白光 LED , 影响其发光效率的因素有三个方面。首先 ,温度从 327 K升高到 380 K时 ,发光效率降低了 20% ,这是 因为温度的升高降低了蓝光芯片的辐射复合效率 , 减少了蓝光的发射 ,相应的白光发光效率就会下降 ; 其次 ,电流从 50 mA增加到 350 A时 ,发光效率降 低了 35% ,这是因为注入势阱中的电子增多 ,使 更多的电子扩散出势阱 ,发生无辐射复合 ,降低了 芯片内量子效率 ,从而降低了发光效率 ;再次是以 前人们研究的 ,随着电流的增加 , LED 的温度升 高带来的蓝光芯片的发射波长红移 ,而和黄色荧 光粉的激发波长不匹配造成的。此外合理的制备 封装结构来降低 LED 的工作温度 ,可以让 LED 工作的电流大一些。同时我们从理论上得出适当 增加势阱宽度可以增加内量子效率。 参 　考 　文 　献 : [ 1 ] Chen Ting, Chen Zhizhong, L in L iang, et a l. 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The thesis experimentally demonstrates lum inous efficiency of large2area, high2power blue2light LED s. W e study the high power blue LED and discover the influence of temperature and current on lum inous efficiency. W hen operation temperature increases from 327 K to 380 K, the light efficiency of LED decreases 20%. The temperature rising, the radiation at the potential well decreases, so as to decrease the lum inous effi2 ciency. W hen operation current increases from 50 mA to 350 mA, the lum inous efficiency of LED decreases 35%. The current increasing, the more nonequilibrium electron diffuse out of the potential well, so as to de2 crease lum inous efficiency. Enhancing the heat dissipation efficiency and increasing the width of potential well can imp rove the lum inous efficiency. LED should be working under the lim it temperature and the saturated current. LED can work at high current relatively when the thermal dissipation is good. The heating generation will decay the lighting performance. Therefore, the thermal dissipation controls the development of the LED and the goal of our investigation is to increase the efficiency of the thermal dissipation. A good packaging tech2 nology is the way to solve the heat dissipation p roblem. But it is a challenge to develop this technology in the lim i ted space of LED. The purpose of heat dissipating technology for LED is to decrease the working tempera2 ture of LEDpis chip. It is necessary to reduce the thermal resistance of LED package. The efficiency and reliabi2 lity of solid state lighting devices depends strongly on successful thermal management, because the junction temperature of the chip is the p rime driver for effective operation. A s the power density continues to increase, the integrity of the package electrical and thermal interconnects become extremely important. Key words: LED; lum inous efficiency; temperature; current; potential well; diffusion 　　Received date: 2007208217