驱动电流对大功率白光LED荧光粉转换效率[2]

　　目前报道的GaN 基蓝光LED普遍存在发光波长随注入电流的变化问题[16]，如Koike等报道的结果为正向电流50mA时峰值波长变化5nm，Wu等报道的结果为正向电流50mA 时峰值波长变化6nm以上。而在实际应用中，蓝光波段5nm 左右的波长变化已经足以让人眼感觉到颜色的差异。造成这种蓝光LED峰值波长蓝移的主要原因，是由于In-GaN/GaN多量子阱区强烈的极化效应，包括压电极化和自发极化[16]，这与Ⅲ族氮化物半导体材料的极化效应有关。一方面，Ⅲ族氮化物半导体材料在LED中的晶格结构为纤锌矿结构，缺少变换对称性，因此在材料内部将产生自发极化;另一方面，在MOCVD的生长中，由于InGaN和GaN晶格常数不匹配产生的应力导致出现压电极化现象。由于两种极化现象，极化率在界面处的急剧变化将产生大量极化电荷，直接使体系内出现内建电场[17]。

　　在考虑极化效应时，InGaN/GaN量子阱的能带结构如图4所示。这个内强电场将阻止发光器件中载流子的注入，引起显著的量子限制斯塔克效应(QCSE)[18]，导致能带倾斜，发光波长向长波段方向移动(即红移)。随着注入电流的增大，由于载流子在导带(或价带)内的驰豫时间(约ps量级)比载流子寿命(约ns量级)要短得多，这样多量子阱区的自由载流子增加，产生方向与极化电场方向相反的电场，屏蔽了部分内建电场，削弱了QCSE效应。阱中基态升高，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[19]。这就是蓝光LED峰值波长随注入电流变化的内在机理。

　　极化场强是影响蓝光波长稳定性的关键因素，只有尽量降低极化场强的大小，才能从根本上解决波长稳定性问题。InGaN材料中起主导作用的压电极化场强与器件的总应变量成正比，而在InGaN 和GaN界面处晶格常数失配产生应力存在强烈的压电极化现象。从表1可以看出，不同结构的GaN基蓝光芯片随着注入电流的增加峰值波长漂移的程度不同。C样品漂移最小，B样品的漂移最大。使用X射线双晶衍射仪测得C样品的蓝光芯片失配程度最小，芯片内部产生的应力最小，所以漂移程度较小。B样品的蓝光芯片失配程度最大，芯片内部产生的应力最大，所以漂移程度最大。图5是B样品的蓝光图4　考虑极化效应时，InGaN/GaN量子阱的能带结构Fig.4　InGaN/GaN　quantum-well　band　structureconsidering　the　polarization　effect图5　不同电流下蓝光LED的EL光谱Fig.5　EL　spectra　of　blue　LED　atdifferent　driving　current　values芯片的EL谱随电流的变化，可以看出，随着电流的增大，芯片峰值波长持续蓝移。

　　实验所用的YAG：Ce3+ 荧光粉的激发波长主峰是460nm，PL谱的主峰是570nm。蓝光LED芯片的峰值波长与荧光粉的激发波长越接近，蓝光转换为黄光的效率越高。如果蓝光峰值波长发生漂移，蓝光峰值波长与荧光粉的激发波长主峰失配严重，就会降低蓝光转换为黄光的效率，影响荧光粉转化效率。图6是实验所用的YAG：Ce3+ 荧光粉在不同波长激发下的PL谱。随着蓝光波长的变小，峰值波长和荧光粉的激发波长主峰失配加剧，荧光粉的转换效率明显降低。

　　辐射通量和主波长也是表征LED性能的主要参数。图7是黄光辐射通量占整个光谱辐射通量的比例随电流的变化曲线，图8是主波长随电流的变化曲线。从图7、图8可以看出，随着LED驱动电流的增加，黄光辐射通量所占比例逐渐减少，而黄光主波长发生红移。在白光LED中，黄光辐射通量占很大比例，黄光的质量与稳定直接影响到白光LED的性能。