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摘要：为了研究大功率 LED 的光衰机制，选用了一系列的大功率白光、蓝光发光二极管分别进行恒流点亮，在点亮不同时间阶段测量其 光通量、发光光谱及伏安特性。发现在光衰过程中，光通量有时会上升；通过LED光谱测定，发现光谱分布有明显变化；同时，pn结内阻也逐渐变大。研究表明大功率LED光衰有较为复杂的过程：其中荧光粉老化及pn 结性能退化是最主要的。
关键词：大功率LED；光衰机制
引言
目前，LED 在发光强度、发光效率、寿命等方面都得到了极大提高，并迅速商业化，在图像显示、信号指示和照明领域得到了广泛的应用，成为当今照明技术的发展热点。与传统光源白炽灯及荧光灯相比，LED具有体积小、发热量低、耗电量小、反应速度快、耐震、亮度高、没有污染等优点，在照明市场的发展潜力值得期待，10年内有望成为替代传统照明器具的一大潜力商品。理论上认为 LED 的 寿命可长达105 —106h，即在连续点亮的情况下可达l0多年甚至100 年，人一辈子也用不坏一盏灯。但是，从1996 年第一个白光LED 诞生至今的时间不过1O余年，如何能确定LED的寿命可达106 h呢? LED的实际寿命成为业内最为关注的问题之一。
1.试验
试验仪器、设备：光电测试系统 （东南大学先进光电子中心，积分 球直径 1.25m ）；大功率白光、蓝光二极管及与之相配的恒流源、F900 荧光光谱仪。测量系统见下图：
以50％的光输出衰减率作为定义寿命的标准，试验中测试的LED 寿命小于1000h，远低于通常所说的106 h，表明这属于光衰特别严重的样品。从图中可以看出，蓝光 LED衰减没有白光LED 衰减快，白光是由蓝光激发荧光粉产生黄绿光与部分蓝光混合而成的。对于这样快的光衰速率，有人认为白光 LED 的衰减主要由蓝光的衰减引起。也有人指出荧光粉转换效率是随时间指数下降的，试验结果在一定程度上呈现这样的趋势。白光衰减应该是荧光粉效率下降与蓝光衰减两种因素共同产生的。在芯片一致性较好的情况下，白光LED的光输出衰减要快一些，这也表明白光 LED 的工艺还有待进一步改善。由于过热会引起环氧基树脂密封材料和荧光粉的降解，制造商们正在努力设计更好的散热方法来增强半导体元件的散热，研发长寿命的荧光粉。还可以看到在光通量不断下降过程中，有时还会出现光通量反常上升的现象，说明 LED 在老化过程中同时存在两种矛盾机制，即光输出增加机制和衰减机制。有人认为这是由于在老化前期，基体的P型掺杂层 Mg—H化合物分解产生激活的Mg，使受主浓度增加，引起P型层电导率上升，正向电压下降；另一方面也使少数载流子的复合概率增加，从而增强了光输出。此后，随着杂质能级和非辐射复合中心的增加，老化过程中出现了很多新能级，导致光输出下降，从而出现光通量增加和衰减两种现象。但是，目前国内绝大多数的相关文献都没有提到，这个现象还有待进一步研究。
2.2 LED的发光光谱
LED的光谱曲线反映了各单色光的功率分布，光谱曲线所包含的面积可反映其总的辐射通量，不同波段曲线所包含面积的对比则可反映其光谱功率分布随时间的变化。图为蓝光 LED 在320mA点亮不同时间段的发射光谱图的重叠。由图可见蓝灯在点亮过程中光发射的通量几乎完全集中在以460nm为中心的主峰内。
图中右上角部分为谱线重叠后顶部的局部放大，靠左边为初始蓝光 LED 发光光谱，而靠右边为点亮650 h的蓝光LED发光光谱，值得注意的是，蓝光LED这个主峰随着点亮时间的延长，在点亮100～150h后，主峰开始向长波长方向缓慢移动，这表示光量子的能量有少许下降，伴随这一过程的发生，光通量总体呈下降之势，这极有可能是在点亮初期在禁带中仅存在少量的杂质与缺陷，而后在点亮过程中不断有新的杂质与缺陷产生，它截获了越来越多的有效电子，使光强下降。下图为第二批含YAG 荧光粉的白光LED 319mA在点亮不同时间段的发射光谱，该批光衰要明显低于第一批次。由图可见白光 LED 在点亮初期除了有以460nm为中心的主激发峰外 （这正好与 YAG 荧光粉相匹配激发出绿光与黄光从而组合成白光），在480—680nm范围内有一饱满的荧光峰（黄绿色）。初始时蓝光激发的荧光峰最高，随着点亮时间延长荧光峰开始下降。说明它激发的荧光减少，导致荧光峰减弱。实验中观察到，在白光LED点亮100h 后激发峰开始红移。
对比上面两张图的光谱分布与变化就显而易见：随点亮时间的增加，激发主峰逐渐下降，光通量总体呈不断下降趋势，在下降过程中也偶有上升。 由上面两张图对比可见，荧光粉对460 nm的蓝光最敏感，随着点亮时间的延长，蓝光的减弱与激发荧光粉效率下降，使得黄绿光减少，总的发光强度会减少，色度也产生漂移。LED老化后所产生的光谱变化表明 LED 老化过程中在禁带中有新的缺陷能级产生。进一步研究这些禁带中能级产生的机制，对于改进 LED 材料与工艺的改进，进一步提高LED的寿命有十分重要的意义。
2.3 LED荧光粉激发光谱的测定
试验测量了不同老化阶段的白光LED的荧光粉激发光谱，如下面两张图。图1为新白光 LED的荧光粉激发光谱，监测波长为540nm。有两个激发峰，分别是 342、467nm，图2为经过点亮700 h的白光LED，从试验看出经过一段时间的老化，342 nm的峰消失。342nm激发峰的消失，可能是荧光粉的结构和状态在寿命过程中产生了些新的变化，导致高能量的光量子照到荧光粉上，使得在浅表层就有了很大吸收衰减，无法深入到荧光粉的内部有效地激发出560nm的荧光，对此可进行深入的探讨。当然在实际的LED中并不存在342 nm的激发光，按理不会影响光效，但激发光谱的这一变化可以从另一个侧面反映了荧光粉的内在变化。
结束语
不同的半导体材料、荧光粉及工艺对LED的光衰有着明显的影响，目前正在进行的新一批次的LED的光衰速率要明显低于前一批次，机理尚在进一步探讨中。
参考文献
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论文作者:姚涛
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/12
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