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一种利用发光光谱估计LED正向电压的方法[2]

2013-4-3  来源:重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室  作者:马跃东 文静 文玉梅 李平 庄伟 赵学梅  有6824人阅读

式中:Eg(T)和Eg(0)分别为TK和0K时LED发光材料的禁带宽度,单位为eV;α和β是Varshni温度系数,为跟材料有关的常数。由式(9)、式(10)可知,LED发光光谱的形状只受到结温T 的影响,这样就在理论上建立了光谱与结温的联系。

  可以由LED的发光光谱得到峰值波长和半高宽(FWHM)等参数。峰值波长的变化是载流子屏蔽效应、带填充效应、热效应、压电效应以及载流子弛豫到低能态、能带重整和带隙窄化等相互竞争的结果。其中,带填充效应和热效应是主要的影响因素。带填充效应一般引起峰值波长的向短波长移动(蓝移),而热效应则引起峰值波长向长波长移动(红移)。由于AlGaInP红光LED主要受到热效应的影响,其峰值波长随结温的变化具有规律性,峰值处的光子能量ωpeak满足[13]

  将式(10)代入式(11),又由结温在253K 至343K的范围内温度系数βT,可得

  式中:Eg(0)、kB和α 均为常数;峰值处的光子能量ωpeak=hc/λpeak,式(12)在理论上建立了AlGaInP红光LED峰值波长和结温近似线性的关系。

  与红光LED不同,InGaN 绿光LED同时受到带填充效应和热效应的影响,而且两者的影响都十分显著。这是因为,InGaN 基材料固有的极化效应致使多量子能带倾斜,产生量子限制斯塔克效应,随着注入电流的的升高,多量子阱区的自由载流子增加,电子和空穴的空间局域性在一定程度上屏蔽了内建电场,减弱了量子限制斯塔克效应,使LED发光的峰值波长不断蓝移[14]。而热效应又同样使得峰值波长红移,在两种效应的同时作用下,绿光LED的峰值波长变化不规律,故不能利用绿光的峰值波长来确定结温。由位行坐标模型可知,光谱半高宽随温度的变化趋势一致,两者的变化关系为[15]

  即随结温T 的增加,光谱的FWHM 将逐渐展宽,但展宽幅度逐渐减小。式(13)可知,由发光光谱的FWHM 可以估计InGaN绿光LED的结温。

  综上所述,可以由LED发光光谱的峰值波长和FWHM 等参数估计结温,然后由结温和光谱中得到的禁带宽度值递推得到正向电压。这样就以LED的结温为桥梁,建立了LED的发光光谱和正向电压VF的联系。

  3 实 验

  实验样本为AlGaInP红光LED和InGaN绿光LED,这两种LED 目前被广泛使用,属于市场上的主流芯片,因此具有很强的代表性。AlGaInP红光LED样本采用MOVPE技术生长的多量子阱结构外延片制成,中心标称波长632nm,面积为294μm×294μm,厚为225μm。InGaN 绿光LED样本由采用MOCVD技术生长的多量子阱结构外延片制成,芯片中心标称波长为520nm,面积为294μm×294μm,厚为225μm。

  实验系统如图1所示,激励光由紫光激光器(Cohrent Cube 305-100)产生,峰值波长为305nm,最大输出功率为100mW,分辨率为0.1mW。利用USB2000-UV-VIS型光谱仪采集发光光谱,有效波长范围200~850nm,分辨率为0.3nm,灵敏度为86个光子计数。滤光片的透射区间为445~110nm,平均透射率80%。数据采集卡(NI-DAQmx 6014E)采集发光光谱、正向电压和光生短路电流。在PL实验中,将LED样本置于高低温交变湿热试验箱(GDJS-150)中,温度变化范围-40~150℃,分辨率为0.1℃。在激光器之前放置快门将连续激光截断为脉冲激光,快门的触发时间为1/125s。

  实验步骤为:

  1)采集不同光注入强度下LED的正向电压和发光光谱。图1的PL系统中,紫光激光器的输出光功率为10~100mW 之间,每间隔10mW 选取1个测量点,共计10个测量点。脉冲激光经透镜聚焦后入射到LED芯片上,此时LED发出的光经过透镜聚焦,最终透过滤光片被光谱仪采集。数据采集卡采集各个测量点处的开路电压和光生短路电流。

  2)采集不同温度下LED的EL光谱。图1的EL系统中,LED样本置于恒温箱中,恒温箱的温度变化范围设定在-20~70℃之间,间隔为10℃。注入电流的强度与光生短路电流一致,以保证PL光谱和EL光谱的一致性。在不同的温度下,采集红光LED样本和绿光LED样本的EL的光谱,为减少误差,每组光谱数据采集3次取平均。

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