第49卷第11期人工晶体学扌艮Vol.49No.11 2020年11月J0URNAL0F SYNTHETIC CRYSTALS N wem b ew2020硅基金黄光led器件性能及应用研究
郭醒1>2，王光绪1>2，徐龙权V，熊新华2，杨俊宁3，张建立V，江风益"
(1.南昌大学，国家硅基LED工程技术研究中心，南昌330096*2-南昌硅基半导体科技有限公司，南昌330096；
3.江西金黄光智慧照明有限责任公司，南昌330031)
摘要：可见光发光二极管(LED)范围内，因“黄光鸿沟”这一世界难题的存在，照明用白光LED主要通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来实现。然而，由于荧光粉的光光转换效率在自身发热所产生的高温环境中易出现衰退的现象，导致荧光型白光LED在使用过程中容易出现光衰、色温飘移等问题。本团队在高光效InGaN黄光LED取得突破的基础上，利用高光效的红、黄光LED合成了一种新型的低色温LED光源器件，其具有无荧光粉、无蓝光的技术特点，本文称之为“硅基金黄光LED”。当LED芯片工作电流密度为20A/cm2时，硅基金黄光LED器件的色温为2170K，光效为156lm/W，显色指数Ra为77，当LED芯片工作电流密度为1A/cm2时，光效可达217lm/W。本文报道了这一新型LED器件的光效和色温随电流和环境温度的变化趋势，同时对该器件的空间光谱分布进行了优化研究。此外，开展了该器件的高温、高温高湿、冷热冲击等可靠性型式试验，验证了硅基金黄光LED器件具有高可靠性的特点。最后，本文介绍了
硅基金黄光LED器件在道路照明、隧道照明等领域的示范应用，以及在母婴灯等家居照明领域的推广应用。
关键词：硅基金黄光LED；多基色LED；无荧光粉；无蓝光；可靠性；照明应用
中图分类号:TN312;.8文献标识码:A文章编号：1000电85X(2020)^电161电8 Rearch on Performance and Application of Silicon Bad GolOen
Light LED Device
GUO Xing1，2，*4NG Guangxu1，2，XU Loogquan1，2，XIONG Xinhua2，YANG Junning3，
allokZHANG Jianln，2，JIANG Feng'
(1-National Institute of LED on Si Substrate，Nanchang Univewity，Nanchang330096，China；
2.Nanchang Silicon-bad Semiconductor Technology Co.Ltd.，Nanchang330096，China；
3-Golden Light Intelligent Lighting Co.Ltd.，Nanchang330031，China)
国家考试中心网Abstract:Within visible light-3miFina diode(LED)range，becau of the the worlO problem of+yellow
gap”，the white LED is bad on yellow phosphor conversion of blue LED.However，the light-to-light conversion Cficiency of the phosphor is prone to decline in the high temperature environment generated by O-heating，which leads to the problems of luminous decay and color temperature drift.Bad on the breakthrough of high luminous efficience InGaN yellow LED，our group has develop a new type of Ow color temperature LED light source by using high luminous efficience wd and yellow LED，which has the technical characteristics of no phosphor and no blue light.In thO paper，we named O the siCcon-bad golden light LED.
When the current density of LED is20A/cm2，the color temperature of2170K，luminous efficience of156lm/W，and color rendering index Ra of77is ob/iend for this siCcon-bad golOen light LED device.When the current density of LED is 1A/cm2，the luminous efficience can reach217lm/W.This paper reports the variation of luminous efficience and color temperature of this new type LED device with changes of input current and ambient temperature.A-the same/me，the spatial spectrum distriCution of the device has been optimized.In addition，the high-temperature，high-temperature&high-humidity，and thermal shock reliability tests of the device have been carried out，which verified the high reliability of the silicon-bad 基金项目：国家重点研发计划(2020YFB0407900ZL，2016YFB0400600)；国家自然科学基金(51705230，62074072，61604066)；
江西省重点研发计划(20171ACE50029)；中央引导地方基金(2018ZDD20003，20201ZDE04011)
作者简介：郭醒(1990—)，男，江西省人，博士，助理研究员。E-mail：guoxing@ncu.edu.a
通讯作者：王光绪，博士，畐!)研究员。E-mail:guanexuwang@ncu.edu.a
2162研究论文人工晶体学报第49卷
golOen light LED device.Fina/y,this papas introduces the applications of siCcon-bad golden light LED devices in road lighting,tunnel lighting and othes fielOs,as well as the promotion and application in home lighting fields such as maternal and chill lighting•
Key words:silicon-bad golden light LED；celos mixed LED；no phosphor；no blue light；reliability；lighting application
°引言经典英文歌曲排行榜>记叙文技巧>不定代词的用法
发光二极管（light emitting dCdv,LED）的发光效率远超过白炽灯和荧光灯等传统照明光源，具有显著的节能优势，同时还具有使用寿命长、环保无污染、体积小、重量轻和响应时间短等优点，在众多领域得到了广泛应用，如室内照明、户外照明（道路、公园、隧道等）、显示器背光源、显示屏及景观
照明等。纵观人类进化与文明发展历程，长期以来人们夜间照明使用的是低色温光源。原始社会使用火把，到农业社会使用蜡烛，再到工业社会使用煤油灯，光源均是自然界的火光，其色温为1800K左右；第一代电光源白炽灯的色温约为2700K左右，仍是一种暖色调的低色温光源；直到1938年日光灯（色温约为5000K）的出现，人类夜晚才进入了冷色调的高色温照明时代。当前使用的LED灯的色温也较高，普遍为3000-6000K之间的白光。总体看来，在几百万年的进化历程中，人们夜间在心理与生理上更适应暖色调的低色温光源,80多年来夜间高色温照明光源的使用给人们带来了很多健康风险，近几年有关光安全、光健康方面的研究受到了广泛的重视'"打
当前，白光LED照明技术路线主要是采用蓝光LED结合黄色荧光粉方法，利用蓝光LED激发黄色荧光粉产生黄光、蓝光和黄光混合形成白光^，通过控制荧光粉的量，调节蓝黄光的比例，可以实现不同的色温。然而，荧光粉光光转换中存在能量损失，转换效率通常只有70%左右，损失的能量变为热量，在荧光粉内部形成较高的温度，加剧了荧光粉光光转换性能随使用时间的老化，导致LED出现光衰、色温漂移以及寿命降低等问题。综上所述，这种荧光型白光LED利于实现高色温光源，在低色温时存在光效不高、光衰较大等问题。采用多基色LED混合合成白光的方式，能够避免荧光粉的使用，消除荧光粉带来的器件性能衰退问题。根据美国能源局发布的半导体照明研发技术路线图可知，荧光型白光LED的理论极限发光效率约为250lm/W，而多基色LED合成白光的效率有望达到340lm/W，多基色LED合成白光比荧光型白光LED具有更大的节能潜力［8］。并且，基于多基色LED合成白光利于实现高品质的智能照明，是半导体照明技术的发展趋势。
基于多基色LED直接合成白光的优势以及低色温LED照明光源的需求，在本团队硅衬底InGaN黄光LED取得突破的基础±［9-10］，利用高光效的红、黄光LED合成了一种新型的低色温LED照明光源，其具有无荧光粉、无蓝光的技术特点，称之为“硅基金黄光LED”。本文对硅基金黄光LED的性能进行了系统报道：分析了光效和色温随电流和环境温度变化趋势；优化了器件的空间光谱分布；报道了可靠性型式试验数据；介绍了硅基金黄光LED在路灯、隧道灯等市政照明领域，在母婴灯等家居照明领域应用的技术特点。
1金黄光LED光源的光学性能
硅基金黄光led是将高光效的硅基黄光LED（主波长为（560±5）nm）与红光LED（主波长为（622±3）nm）组合，采用热电分离式的氮化铝陶瓷基板，结合硅胶moulding封装技术和一次光学设计，形成了这种无蓝光、无荧光粉、低色温、高光效的新型硅基金黄光led器件。硅基垂直结构LED芯片具有高的光提取效率和良好的散热性能，且具有单面出光的优势，利于一次、二次光学设计。硅基金黄光LED器件经远方HASS2000积分系统测试，色温为2170K，光效为156O/W，显色指数Ra为77，其光谱图如下图1（a）所示，虽然金黄光LED光源不包含短波长蓝光光谱成分，但是由于其色坐标坐落在黑体辐射曲线附近，因此其依然有较高的显色指数，能够满足一般照明的需求。采用T3star热阻测试仪，对硅基金黄光LED器件进行热阻测试，测试结果表明，热阻仅为1.55K/W，如图1（c）所示。综上所述，采用氮化铝陶瓷基板的硅胶moulding封装技术，具有高密度、低热阻、高提取效率
等特点，特别适用于具有垂直结构的大功率LED芯片。
第11期
郭 醒等：硅基金黄光LED 器件性能及应用研究2163・n d M .ti s u 呂启 P O Z 二e u u o n 0 8 6 4 L O.O.O.2
O.03
O.80
Wavelength/nm (a) Spectrum curve (b) Color coordinate diagram (CIE 1931)x ^/(K-W-1)(c) Result of thermal resistance test 图1硅基金黄光LED 光谱及色坐标Fig. 1 Spectrum and color coordinate of silicon-bad golden light LED 1.1硅基金黄光LED 器件光效和色温随电流的变化
光LED 器件的光 数随 的变化曲线如图2 。从 中可 ，随着 的增大，光效呈现先增大后减小的趋势，当输入电流20 mA 情况下（LED 芯片的电流密度为1 A/cm 2 % ，光效达 到了最大值，为217 1m/W 。 随着 的增大 增大 渐稳定的趋势，基本稳定在2 170 K ）右。当工作 400 mA （ LED' 的 密 20 A/cm 2 % ，光 156 lm/W , 2 170 K ，显色指数Ra 为77o 光 随着电流增大而降低主要是由于黄光LED
光LED 的电流droop 导致的，金黄光LED 器件的 在大 状 相 定。
1.2
基金 LED 器 效和 度的变化光LED 器件的光 数随环境 的变化曲 3 o 中，器件工作电流为
400 mA （ LED 芯片的电流密度为20 A/cm 2 ）。从图中可知，随着环境温度的增大，光效呈现减小的趋势，当 环境 从25 C 升高到85 C ，
光LED 器件的光效从156 lm/W 降低为121 lo/W ，降低了22.5%，当环境
进 升高到115 C ，光效降低了 38. 6% o 随着环境 的增大呈现增大的趋势，当环境
从25 C 升高到85 C 时， 从1 820 K 增大为2 040 K ，当环境 进 升高到115 C ，增大至2 380 K o 光 随着环境
增大而降低主要是由于黄光LED 光LED 的发光效率随 升降所导致的， 随着环境 升 增大， 光LED 的 droop 大于黄光LED 的 :Fig. 2 Variation of luminous efficienca and color temperature of
silicon-bad golden light LED with input current Fig. 3 Va/ation of luminous efficienca and color temperature of silicon-bad golden light LED with ambient temperatures 1.3硅基金黄光LED 器件中的多色混光工艺研究
由于不同
光的光型不匹配，会导致 光LED 器件的出光在空间各个位置 现 不一致的现象， 4
°空 致将降低 器件的光品质 。 光问题，可于散射结构的光学 来改善混光。散射结构主要利用封装
中添加散射颗 封装
材料表
2164 研究论文人工晶体学报第49卷制作微结构阵列对光的散射作用实现混光 升。本文分别采用引入一次光学漫反射涂层和二次光学
透镜 微结构阵列两种方案，优化 光LED 器件的混光
。
图4硅基金黄光LED 器件中不同位置的多色岀光导致空间颜色不一致的原理示意图Fig. 4 Schematic diagram of space colas diHeyncc in silicon-bad golden light LED devices
引入 化钛微米颗粒（TC ）2）
合材料作为漫反射涂层 ，并通过喷 现 射涂层的制备。图 5 个 品不同— （C°o /18°。、
C451225。、C9°l27°。和 C1351315。）的相, 的最大相 差 1 。 试结 ，对于常规封装结构，由于不同 LED 的朗光不匹配，导致 离 大的相 差。 引入 射涂层，最大相 差从645 K 降低为33 K （ 相 约2150K ）。这是由于 射涂层 的光散射改 同 光的 方向，从而增 光， 空 。 试 ， 射 光杯封装结构的光提取效率约为常规封装结构的96.21%。这是由于
入射光被 射涂层 ，从 导致光提取效率降低。因此，采用 的射层封装结构，实现 光LED 优异的空 的光提取效率。
武汉学校
图5不同封装结构金黄光LED 的空间色温分布曲线
Fig. 5 Spa/at colas temperatuy distribution of golden light LED with diHeont packaging structuys
表1不同封装结构金黄光LED 最大相关色温偏差
Table 1 Maximum color temperathrr deviation of golden light LED with different pacCaging strrcthrr /K 品
C0°/180。C45V2250C9°o /270。C135°/315°球帽透镜结构631148368
645射涂层结构33363646ed westwick
同时，本文还提出了在灯具的二次光学透镜内表面引入微结构阵列来改善金黄光LED 灯具的混光效"6 别采用光滑透镜 微结构透镜时， 光LED 灯具的 。 ，采用光滑透镜结构边 现 显的色散现象。 微结构透镜可以有效改善色散现象， 边 现的分色问题，在 同空 角下得到 的灯具出光。 试 ，采用微结构透镜的金黄光LED 灯具
第11期郭 醒等：硅基金黄光LED 器件性能及应用研究2165的光提取效率约为光滑透镜灯具的101.2%。因此，可以得出结论，通过二次透镜内表面引入微结构阵列, 现 光LED 灯具 的空 。
(a) Smooth lens (b) Microstructure lens 图6采用不同结构二次透镜的金黄光LED 灯具的点亮效果图Fig. 6 Lighting photos of golden light LED lamps with diOewnt conday optics Ons
2金黄光LED 器件老化实验
种新型LED 器件的规
用，可靠性的评估非常重要。通常采用加速寿命实验来评估LED 器件可靠 寿命。LED 器件 寿命实验可采用 、 、湿度等 , 同
件下LED 光、 、 、 等数的变化。评 光LED 器件的可靠性，对20颗 光LED 器件进行 、 化
验。 化实验的环境 定为85 C,LED 的 密 定为25 A/cm 2。将 化
化前光作为评价光衰性能的指标。 光LED 光源老化2 h 、24 h 、48 h 、96 h &168 h 、500 h 、1 000 h 的光衰结果进行测试。所有器件的结果取 曲 7 ，随着老化 的增加，光 慢变
化,1 000 h 化，光 1.0%。马西诺
化 验的环境 定为85 C ，环境相 定为85%,LED 芯片的电流密度设定为25 A/cm 2。类似的，随着老化时间的增加，光衰缓慢变化,1 000 h 老化后，光衰
为 1.1%
lexi迪斯尼启蒙英语1.00
0.950.90
0.85
0.80
0.75—▲— @85°C,25A/cm 2@85°C,RH85%,25A/cm 2200 400 600 800 1 000
Aging time/h
0图7 高温(85 C )及高温高湿(85 C ,RH85%)条件下 光LED 器件光衰随老化 化曲Fig. 7 V a/ation of optical power decay of golden light LED devices with aying tioe at high temperature ( 85 C ) and
high /mpewtuy and humidity (85 C , RH85 % ) conditions
图8冷热冲击条件下金黄光LED 器件光衰随时间
化曲
Fig. 8 Variation of optical power decay of golden light LED devices with thermal shock cycles
随后，对20颗硅基金黄光LED 器件开展冷热冲击实验，冲击条件为- 45〜125 C 温度循环，每个循环周 期为30 min 。 光LED 器件冷 击100&200&300&400&500循环前后的光 试结果， 8 。随着冷 击循环的增加, 光LED 器件受冷热冲击前后性能稳定，冷 击循环500次，未见光衰及 漏电等可靠性问题
。
