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半导体发光二极管(LED)作为新型固态光源,具有节能、寿命长、绿色环保等优点,被广泛应用于生产生活的各个方面。作为半导体照明的关键器件,传统的功率LED,在窗口层存在电流扩展问题和光吸收等问题,为解决这一问题,引入透明导电的锡掺杂的氧化铟(ITO)作为功率LED的窗口层。随着ITO在功率LED中的广泛应用,最终能否实现半导体照明的普及,取决于其可靠性问题的解决,而可靠性研究是提高其可靠性的前提和基础。
本论文在国家高技术研究发展计划(863计划)资助项口(No.2009AA03A1A3)、国家科技支撑计划项目(No:2011BAE01814)的支持下,研究了温度变化对具有ITO透明电极的功率GaN向光LED光电特性的影响,针对不同ITO厚度的功率LED的热特性及可靠性进行了研究,同时对功率LED器件进行了温度和电流加速寿命实验。具体研究内容如下:
(1)对功率GaN基白光LED的高低温特性进行研究。利用台湾和美国两家公司生产的不同结构的GaN基蓝光芯片相同封装成的1W白光功率LED样品,在不同温度条件下对LED的主要光电参数进行测量,给出了LED的性能参数与温度的关系曲线。随着温度的升高,LED的峰值波长红移,色温升高,辐射通量减少,正向电压下降,两种芯片因热效应引起的峰值波长漂移的平均温度系数分别为0.02857 nm/K,0.03929 nm/K.;光谱曲线中黄光辐射通量呈线性下降,蓝光辐射通量基本不变,热效应引起的黄光辐射通量变化的温度系数分别为-0.599mW/K,-0.494.mW/K;热效应引起的色温变化的温度系数分别为4.42 K/℃,4.97K/℃。分析了LED光电参数随温度变化的原因。
(2)利用电学参数法对具有ITO透明电极的功率蓝光、白光LED进行了结温和热阻特性的研究。研究了ITO厚度与热阻之间、荧光粉与热阻之间、散热基片尺寸与热阻之间的关系,同时测量了不同工作时间LED的热阻大小,找到了最优的测量LED热阻的工作时间。ITO厚度为240 nm的LED,其热阻明显大于厚度为300 nm的LED;荧光粉对热阻大小的变化影响不大;散热基片尺寸大的LED,热阻小;工作电流5mA,工作时间300～1200 s下运用电学参数法测LED的热阻最佳。
(3)对由美国和台湾某公司生产的GaN基蓝光芯片制得的白光LED,在85℃和55℃两个温度点,工作电流为350 mA的条件下,进行了温度加速应力寿命实验;研究了随着老化时问的增加,功率LED的光电参数的变化情况。利用阿伦纽斯模型推导了由美国和台湾某两家公司生产的GaN基蓝光芯片制得的白光LED的寿命和激活能,寿命分别为40426 h和42266 h,激活能分别为0.195 eV和0.166 eV。同时对失效的器件进行了失效机理分析。
(4)对国内某单位生产的ITO为240 nm、300 nm的蓝光LED和ITO为240nm蓝光芯片涂敷荧光粉制成的白光LED,在温度为25℃,工作电流为900 mA的条件下,进行电流加速应力寿命实验。利用逆幂律模型推导了国内某单位生产的两种蓝光功率LED和一种白光功率LED的寿命,蓝光功率LED的寿命分别为11311h和24264 h,白光功率LED的寿命为39533 h。