大功率LED结温测量及发光特性研究[1]

　　1　引　言

　　与白炽灯、荧光灯等传统光源相比,大功率白光LED固体光源具有节能和环保等优点。现在白光LED出光效率的最高水平已经达到70lm/W,在芯片尺寸保持1mm×1mm不变的条件下,随着LED功率的提高,LED芯片到热沉的热流密度也在增加,如果散热解决不好,芯片内部热量聚集,结温不断升高,就会引起发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化和使用寿命缩短等一系列问题。热阻是衡量大功率LED散热状况的主要参数,不同结构和粘结工艺的器件热阻存在明显差别。

　　确定热阻首先要测量器件的结温。由于化合物半导体器件的发热层通常是位于其内部nm量级的量子阱有源区,温度测量困难。微电偶接触测量法一般只能够接触到芯片电极表面或者出光面,获取的是芯片表面裸露在空气中、与热电偶直接接触的平均温度,并且对已经封装荧光粉和透镜的LED无法进行测量。采用红外成像法,则由于芯片不同层次热红外信息互相干扰形成噪声,也无法准确感应内部有源层温度,同样对于封装后的白光器件更难测量。

　　本文采用正向电压法的原理自行研制的测量系统实现了大功率LED结温的精确测量,对改善大功率LED散热特性及进行寿命评价等都具有很大的参考价值。同时利用该系统对不同芯片结构和不同封装工艺的大功率LED进行了热阻比较,并对不同结温下大功率LED发光特性进行了测量与对照分析。

　　2　测量原理与装置

　　2.1　正向电压法测量结温的原理及测量过程

　　在一定注入电流I下,LED的正向工作电压Vf可以表达为

　　其中:Vfjunction为PN结的结电压;Rconductor为注入电流路径上各体材料的电阻;Rcontact为电流路径上不同材料间的接触电阻。

　　从最基本的Shockby方程,得到结电压Vfjunction与结温T的关系为

　　其中:k为玻尔兹曼常数;e为电子能量;ND为施主杂质浓度;NA为受主杂质浓度;NC为导带底的状态密度;NV为价带顶的状态密度;α、β为半导体禁带宽度随温度变化关系中的2个正常数。化合物半导体器件一般工作在本征激发产生的载流子浓度ni远小于施主受主杂质离化浓度的强电离区间,可以认为ND与NA基本不随温度变化,而NC与NV与结温的关系为

　　其中:mn为电子的态密度有效质量,mp为空穴的态密度有效质量。从式(3)可知,式(2)中的第1项为负值。式(2)中,α、β为2个正常数,它们与材料相关。因此,式(2)中的结电压对结温的导数为负常数,这一数值与半导体材料、掺杂相关。对于GaN材料,α=0.77meV/K2,β=600K,若施主与受主杂质的掺杂浓度NA=ND=2×1016cm3,则可计算得出结电压Vfjunction的温度系数为1.74mV/K。而从式(1)可见,正向电压不仅包括结电压Vfjunction,还与电流路径上各体材料的电阻Rconductor、不同材料间的接触电阻Rcontact有关,这些因素也随温度存在一定的变化,对温度电压关系具有一定的贡献。不同芯片结构下,Rconductor与Rcontact的组成材料和接触状况不同,温度电压系数K可能存在差异。

　　实验表明,在输入电流恒定情况下,绝大多数半导体器件的正向电压与其结温具有良好的线性关系,只需要测量某结温下的电压,根据线性关系和某一结温电压基点即可求出该结温的准确值,因此首先要测量温度电压系数K。选择在小电流下静态定标(要求该电流不能对结温造成较大的影响,通常在正常工作电流的1%以下),获得在小电流条件下的K值,然后动态测量功率LED器件在工作大电流向小定标电流转换的瞬间正向电压的变化趋势,进而获得结温的准确值。

　　测量过程为:

　　1)定标。这是结温定量测量的关键,目的是要得到各类器件的温度电压特性。在选定定标电流Is后,保持器件的PN结处于不同的恒定温度场中,测量不同结温下器件的正向电压,拟合出K。

　　2)动态测量。将LED通电保持在工作状态,达到热平衡时的结温为待测工作状态下的结温。断电使LED脱离工作状态,同时接通定标电流,正向电压随时间呈指数上升,高速精密采样测量LED在冷却过程中正向电压的变化,得到结温的动态变化曲线。

　　图1　正向电压法测量LED结温过程

　　3)数据处理。分析电压随时间的指数变化趋势反向求出断电时刻LED正向电压,利用线性关系计算结温准确值。根据结温、发热功率及相应热沉部位的温度,可以计算结到热沉位置的热阻。

　　2.2　测量装置

　　自行研制的基于正向电压法的结温测试系统能够获得不同芯片的K,能够精确测量不同环境温度、不同工作电流下LED工作状态的结温,结温测量精度达到±0.5℃,并依据结温计算芯片有源区到热沉的热阻,同时能够测量LED从工作状态降温到稳定状态的整个动态过程中LED结温的变化规律。本系统对具有PN结结构的化合物半导体器件都能够进行结温和热阻的测量。

　　图2　测量系统框图