功率型LED電壓溫度系數(shù)的研究

引言

功率型LED是向固體照明發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵器件。而功率型LED的性能受結(jié)溫的影響極大。LED的溫升效應(yīng)會(huì)降低發(fā)光效率?？s短壽命并影響其光度、色度與電氣參數(shù)。因此，對(duì)功率型LED的結(jié)溫進(jìn)行準(zhǔn)確快速測(cè)量就顯得十分必要。測(cè)量LED結(jié)溫的主要方法有：紅外微相儀法，電學(xué)法，光譜法及光功率法。其中，電學(xué)法利用LED在恒定電流下正向電壓與溫度成線性反比關(guān)系來(lái)測(cè)量芯片的結(jié)溫。該方法因其操作簡(jiǎn)單，精度高而得到廣泛運(yùn)用。

在利用電學(xué)法測(cè)量功率型LED結(jié)溫時(shí)，首先要知道LED正向電壓隨溫度的變化關(guān)系和小電流下電壓溫度系數(shù)的大小。LED電壓溫度系數(shù)還是一個(gè)隨正向電流變化的物理量，研究其變化規(guī)律對(duì)LED結(jié)溫測(cè)試的結(jié)果是至關(guān)重要的。文獻(xiàn)中研究了各種LED的電壓溫度系數(shù)，但他們均來(lái)指出LED電壓溫度系數(shù)與正向電流的變化關(guān)系。本文理論和實(shí)驗(yàn)上研究了這個(gè)問(wèn)題。

1、理論背景

　　式中Is為反向飽和電流，e為電子電量，k為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，n為理想因子。當(dāng)載流子的主要輸運(yùn)機(jī)制為擴(kuò)散電流時(shí)，n＝1；當(dāng)載流子的主要輸運(yùn)機(jī)制為復(fù)合電流時(shí)，n＝2。因此對(duì)于擴(kuò)散-復(fù)合模型n應(yīng)介于1～2之間。Is是溫度的函數(shù)，在半導(dǎo)體材料雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的條件下有：

式中A是結(jié)面積；C是與結(jié)面積、雜質(zhì)濃度等有關(guān)的常數(shù)；Vg0是絕對(duì)零度時(shí)PN結(jié)材料的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)碾妱?shì)差。計(jì)算中假設(shè)載流子的擴(kuò)散系數(shù)和平均壽命與溫度無(wú)關(guān)。

串聯(lián)電阻Rs為體電阻和接觸電阻之和。接觸電阻相對(duì)于體電阻很小，可忽略。對(duì)于PN＋型二極管，Rs主要由 P區(qū)材料的體電阻決定。對(duì)于P＋N型二極管，Rs主要由n區(qū)材料的體電阻決定。下面假設(shè)Rs主要由p區(qū)材料的體電阻決定。因此串聯(lián)電阻RS可表示為：

　　這就是LED正向電壓作為正向電流與溫度的函數(shù)表達(dá)式。其中VJ為PN結(jié)壓降，VR為L(zhǎng)ED上串聯(lián)電阻的壓降。

由以上可知，電壓溫度系數(shù)主要是由本征載流子濃度，正向電流表達(dá)式的指數(shù)項(xiàng)，載流子濃度等隨溫度變化而引起的。應(yīng)當(dāng)指出，由于實(shí)際LED樣品不可能是一個(gè)理想的PN結(jié)，因此式（4）、（7）所描寫的并不是嚴(yán)格的定量關(guān)系。

2、測(cè)試系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)方法

測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，LED熱沉緊貼在傳熱樣品架上，使用真空泵抽真空絕熱和利用ARS DE-202AI低溫循環(huán)制冷系統(tǒng)控制功率型LED內(nèi)部熱沉的溫度，達(dá)到精確控制結(jié)溫的目的。LakeShore331溫控器的控溫精度為0.1k。YOKOGAWAGS610測(cè)量信號(hào)源具有可編程電流輸出和自動(dòng)掃描測(cè)量的功能。

實(shí)驗(yàn)樣品由廈門華聯(lián)電子有限公司提供的AIGalnP，In-GaN系1W功率型LED。圖2為被測(cè)試功率型LED器件結(jié)構(gòu)，器件使用多量子阱結(jié)構(gòu)和金屬鏡面反射層提高出光效率，外延層的原襯底被移除并鍵合上熱導(dǎo)率高的材料。

實(shí)驗(yàn)方法如下：變溫范圍為60～350K，待溫度穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)，測(cè)量LED的IV關(guān)系，電流源輸出范圍為0.1～200mA，采用脈沖模式線性掃描，脈沖寬度為1ms，占空比為0.1%，脈沖寬度足夠短，可以忽略大電流對(duì)LED的加熱影響。最后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)處理。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為實(shí)驗(yàn)得到的3個(gè)LED在不同電流下的T-VF圖。由圖可知，AlGaInP紅光LED的T-VF關(guān)系按溫度范圍明顯可分為低溫區(qū)與高溫區(qū)，分界線依電流不同在110～200 K不等；InGN綠光LED低溫區(qū)與高溫區(qū)分界線在160K附近，但分界線相對(duì)AIGalnP LED模糊；InGN白光LED分界線也在160K附近，但更為模糊。它們的T-VF關(guān)系有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）在低溫區(qū)正向電壓隨溫度減小而突然急劇增大，這是因?yàn)楫?dāng)溫度低到半導(dǎo)體材料雜質(zhì)電離發(fā)生困難時(shí)，材料的體電阻率隨著溫度的下降急劇增大，所測(cè)得的電壓主要是串聯(lián)電阻

上的壓降VR。且由式（6）可知，突變溫度由受主雜質(zhì)激活能，正向電流決定。低溫區(qū)的T-VF關(guān)系可近似看做是線性關(guān)系。

2）在高溫區(qū)兩者為線性反比關(guān)系。這是因?yàn)樵诟邷貐^(qū)，串聯(lián)電阻上的壓降VR反而很小，對(duì)正向電壓VF的貢獻(xiàn)主要在VJ上。在VJ中第三項(xiàng)是非線性的，但在溫度足夠高時(shí)，有。

所以在高溫區(qū)可把VF看作兩個(gè)線性函數(shù)之和，仍然是一個(gè)線性函數(shù)。LED電壓溫度系數(shù)的研究

3）正向電流越大高溫區(qū)的線性變化范圍越小，線性度越差。文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)。文獻(xiàn)中測(cè)的是在20～100mA間GaN基LD的T-VF關(guān)系，文獻(xiàn)中測(cè)的是在10～100mA間AIGaN紫外LED的T-VF關(guān)系。文獻(xiàn)中測(cè)的是在10～100mA間InGaN紫外、藍(lán)光、綠光LED和AlGaInP紅光LED的T-VF關(guān)系。

理論很好地解釋了圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)樣品中紅光LED在低溫區(qū)時(shí)正向電壓隨溫度變化的幅度較大，綠光LED次之，白光LED最小。高溫區(qū)可視為L(zhǎng)ED正常工作溫度范圍。若在更高溫區(qū)，即當(dāng)溫度升高到本征激發(fā)顯著增加時(shí)，PN結(jié)正向電壓隨著溫度的增加將變得比較緩慢，會(huì)造成新的非線性。根據(jù)本征激發(fā)載流于濃度

可知，在同樣溫度下，禁帶寬度越大的材料，本征激發(fā)的載流子濃度越低，說(shuō)明在高溫區(qū)有較寬的線性范圍。

下面分析高溫區(qū)的電壓溫度系數(shù)與正向電流的關(guān)系。我們把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中T-VF曲線的高溫區(qū)（取260～350K）進(jìn)行了線性擬合，相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，得到電壓溫度系數(shù)S，并作出各個(gè)LED的IF-S圖（如圖4）。從式（7）可知，電壓溫度系數(shù)與正向電流，溫度有關(guān)。其中式（7）的第 2項(xiàng)[（3nk/e）lnT]在高溫區(qū)隨溫度變化較緩慢，可視為常數(shù)；第4項(xiàng)的[（1.5kT＋Ea）/2kT2]Rs因子在高溫區(qū)近似為一很小的常數(shù)；其它項(xiàng)為常數(shù)。

因此在高溫由式（8）可知，在高溫區(qū)，小電流時(shí)電壓溫度系數(shù)與正向電流成負(fù)對(duì)數(shù)關(guān)系，圖4的3個(gè)內(nèi)置小圖也證實(shí)了這一點(diǎn)；大電流時(shí)二者成線性正比關(guān)系，斜率與串聯(lián)電阻有關(guān)，這在圖4紅光LED的IF-S圖中得到很好