1.1功率LED 结温和热阻在不同电流下性质研究
通过对不同驱动电流下各种颜LED 结温和热阻测量, （1）发现各种颜LED 的热阻值均随驱动电流的增加而变大, （2）其中基于InGaN 材料的蓝光和白光LED 工作在小于额定电流下时, 热阻上升迅速; 驱动电流大于额定电流时, 热阻上升速率变缓。其他颜LED 热阻随驱动电流变化速率基本不变。（3）结温也随驱动电流的增加而变大。（3）相同驱动电流下, 基于AlGaInP 材料的1W 红、橙LED 的结温要低于基于InGaN 材料的蓝、绿、白LED 的结温。分别用正向电压法和红外热像仪法测量了实验室自制的1 mm ×1 mm 蓝光芯片结温, 比较了两种方法的优缺点。结果表明, 电学法测量简单快捷, 测量结果可以满足要求。 1. 结温随驱动电流的增加
（1） 分析认为, 随着驱动电流的加大, 会导致LED 内部产生电流拥挤效应, 电流拥挤会导致光输出效率的减少( 辐射复合减少) , 因此导致结温上升, 而结温的升高会导致LED材料热导率的变化。一些小组研究得出GaN 导热系数在25～175 °C 时从2. 50 W/ ( cm·K) 下降到1. 75W/
( cm·K ) [ 4] ; 其他人研究说温度从25～125 °C时, GaN 导热系数由2. 0 W/ ( cm·K) 下降至1. 6W/ ( cm·K) [ 5] 。反过来, 材料导热系数的下降又会制约LED 的热传导, 进一步提高LED 结温, 如此相互制约, 甚至会形成恶性循环。另外, 过大的电流还会导致LED 各接触层之间失配度的变化、焊料的退化等[ 6] , 也会导致LED 温度的升高。
（2）其次, 从表中可以看出, 由AlGaInP 材料制作的红、橙LED 结温在相同驱动电流下结温差距不大, 由InGaN 材料制作的蓝、绿、白LED 的结温也很相似, 而由AlGaInP 材料制作的LED 的结温要远远低于InGaN 材料制作的LED。这是由于材料禁带宽度差异, 在相同输入电流下InGaN 材料制作的LED 电压值要高于AlGaInP 材料制作的红、橙LED, 虽然InGaN 材料LED 的光电转换效率要高些, 但其电功率转换成热功率的值仍要大于Al-GaInP 红、橙LED。即在相同驱动电流下, In-GaN 材料LED 产生的热功率要大于AlGaInP 材料的红、橙LED。而且, 由于InGaN 材料的P 型掺杂浓度低于AlGaInP 材料, 导致InGaN 芯片的串联欧姆电阻要大于AlGaInP 材料的串联欧姆电阻, 大电流条件下串联欧姆电阻产生的热量[ 7] 也是导致两种芯片LED 结温不同的重要因素。
（3）再次, AlGaInP 材料制作的红LED 的结温要低于相同芯片材料的橙LED, 反证了文中关于图2的解释是合理的。
1. 2电流拥挤效应对GaN基发光二极管可靠性的影响
GaN 基LED的退化机理主要包括封装材料退化、金属的电迁移、p型欧姆接触退化、深能级与非辐射复合中心增加等。
由于n型GaN 层的横向电阻远比p 型欧姆接触层的电阻大, 电流通过通道A 比通过通道B受到的阻力小, P- N 结电流不均匀, 使得靠近n 型电极的台面边缘电流密度大于靠近p型电极焊盘的地方, 导致产生了电流拥挤效应。
( 1)台面边缘局部区域产生过多焦耳热, 热量不能有效扩散, 致使器件的结温比较高; ( 2)局部区域电流密度大, 使得金属的电迁移在该局部比较严重, 加速了器件退化。另外我们认为这种电流拥挤效应会随着器件老化而更加严重, 形成恶性循环, 最终使得器件失效, 而电流有效均匀扩展可以明显提高器件的可靠性。
电流-输出功率：我们测量不同电流下的光输出, 发现随着正向注入电流增加, 光输出功率呈亚线性增加, 但是当电流大于某个值时, 光输出会出现饱和, 在饱和区域,光输出不再随着注入电流增加而增加, 反而会下降,说明注入的部分电子是以非光辐射的形式释放自身能量的。
在LED器件中, 产生光输出饱和的可能原因有载流子溢出和自身发热等。X. Y Guo用不同占
空比的脉冲电流研究G aN / InGaN LED 光输出饱和特性, 发现当注入占空比小的脉冲电流时, 光饱和现象不明显, 表明热的产生是光功率饱和的主要原因[ 13] 。从图4可以看出, B 版LED 器件在100mA电流下即出现光输出饱和, 而A 版器件在140mA 光输出还未出现饱和。我们认为大电流下B 版电流拥挤严重, 在靠近n型电极台面边缘局部区域产生过多热量, 不能有效耗散, 造成光输出饱和。而A版器件电流扩散比较均匀, 产生的热量易于耗散, 而
且环状n型电极有利于散热, 所以其光输出饱和现象不明显。
1.3GaN基白光LED的结温测量
改变注入电流(恒定环境温度)时, （1）一方面随着电流的增大, 蓝光LED 芯片光谱发生变化, 峰值波长变化, （2）另一方面, 随着电流增大, 结温在升高, 这两个因素都会导致荧光粉光转化效率的降低。由于蓝光和荧光粉发光部分随结温升高的变化规律不一样, 这必然导致白光LED的度学性质的变化。Nakamura 等报道了在InGaN /G aN 量子阱LED 电致发光谱中, 随着注入电流的增加光谱表现出一种“蓝移”现象。蓝移的物理机理是电流的增加促使I nGaN /GaN 量子阱载流子增加,并对量子阱中的强极化压电场起到了库仑屏蔽作用[ 9] 。如果按照N akamura 等报道的/ 蓝移0现象, 在电流较小时, 结温升高不明显, 这时候/ 蓝 移0应该起主要作用; 当电流逐渐增大, 结温升高, 这时候结温升高导致的红移变得重要, 可能抵消蓝移甚至起主要作用。我们在实验中观察到了类似的现象[ 3] 。利用GaN 基材料的一般参数[ 10]以及一般<5mm封装GaN 基白光LED的典型数据[ 11] , 我们分析了一维简化的热阻模型[ 3 ] 。从分析中看出, 要想降低LED 器件的结温, 需要考虑的主要因素有: ( 1)减小接触电阻和串联电阻, 增大外量子效率, 使器件的总热功率降低; ( 2)提高封装材料(目前常用的是环氧树脂) 的热导率;( 3)改进杯架和管脚的结构设计; ( 4)用热导率高的材料来制成散热片和增大散热面积。
1.4大功率LED结温测量及发光特性研究
微电偶接触测量法，红外成像法。正向电压法
Vf = V-f junct in + I @ (Rconductor + Rcontact) 温度- 电压系数K
同种结构芯片的温度系数K 虽然离散但比较接近, 不同结构芯片K 明显不同; 采用热导率更
高的粘接材料和共晶焊工艺固定LED 芯片, 这样会明显降低封装层次引入的热阻。大功率白光LED 的光通量和大功率蓝光LED 的光辐射功率随着结温的升高都会存在一定程度的衰减, 不同芯片、不同封装热阻的LED 器件衰减速率不同。结温对光辐射功率有直接影响, 若保持结温恒定, 光辐射功率随电流增大线性增加; 若保持外部散热条件不变, 热阻大的芯片内部热量积累较快, 导致结温上升速度更快, 光效随电流增加而下降的趋势也更为严重。因此, 为适应大功率应用, 应尽可能减少封装引入的热阻, 同时使LED 处于良好的外部散热条件下, 减少结温上升引起的光效衰减效应。
综合上述两组实验结果可见, 结温是影响LED 光效的直接因素, 当保持结温不变时, LED 驱动电流增大其光效基本保持不变; 但随结温上升, LED 非辐射跃迁增加, 光效将不断下降; 热阻大的器件, 随电流增加其内部热量积累较快, 结温上升更快, 因此存在图4 所示的光辐射功率随电流的变化曲线偏离线性现象。
1.5GaN 基蓝光LED 峰值波长蓝移现象分析及解决措施
是由于InGaN/GaN 多量子阱区强烈的极化效应。
GaN 基半导体材料存在大功率白光led3种晶体形态[3] ：纤锌矿（Wurtzite）结构，属六方相，为稳定结构；闪锌矿Zincblende）结构，属立方相，为亚稳态结构；岩盐（Rock salt）结构，需要在高压下才能形成。由于GaN晶格排列缺乏反演对称性，因此表现出强烈的极化效应。它表现为两个方面：1）沿（0001）晶向生长的纤锌矿结构GaN材料缺少变换对称性，GaN薄膜结构中Ga原子集合和N原子集合的质心不重合（c/a =1.633时，GaN 原子集合的质心重合），从而形成电偶极子，在材料内部产生固有的自发极化（S P ）。2 ）在M O C V D 外延生长量子阱时，由于InGaN 和GaN 存在较大的晶格失配和热膨胀系数失配产生应力，导致形成压电极化（PE）。拉伸应变时，对于Ga 面系材料，自发极化PSP和压电极化P P E 方向相同，压缩应变则相反，且其极化系数比传统Ш - Ⅴ族GaAs 材料高（见表1[4]）。
对于一个应力层来说，有效压电极化强度PPE 为：ε1，其中，ε1 是层内应力，且ε1 ＝εxx ＋εyy；C31 和C33 是弹性常数。在InGaN 材料中，由于InxGa1-xN 和GaN 的自发极化强度之差很小，为Δ PSP ＝ 1.88x × 1012（e·m-2），而GaN 上的InxGa1-xN层是处在压应力作用下，且PPE ＝ 1.1x × 1014（e·m-2），如果InN 的摩尔分数为0.15，那么PPE＝1.65x×1013（e·m-2），此时压电极化占支配地位。由于Ш族纤锌矿氮化物存在较大的压电极化系数，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[5]。
在考虑极化效应时，InGaN/GaN 量子阱的能带结构如图2 所示。
在通常使用的InGaN/GaN量子阱的（0001）方向上，内建电场强度粗略计达到MV/cm 量级[6]。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）[7]，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，屏蔽了部分内建电场，削弱了QCSE 效应，阱中基态升高，从而使L E D峰值波长向短波方向移动[8]。这种蓝移就是LED 峰值波长随注入电流变化的内在原因。由于量子限制斯塔
克效应的影响，应力诱导极化场，激子跃迁能量减少大致为eEpd（Ep 为压电场，d 为量子阱厚度），一般当InGaN/GaN 量子阱宽超过3 nm 时，阱内电子空穴波函数空间分裂严重，波函数重叠积分大大减小，电子空穴对的复合辐射几率降低，限制了器件内量子效率的提高[9]。
GaN 基蓝光LED 目前主要采用InGaN/GaN 多量子阱结构，而这种结构由于InGaN 和GaN 晶格常数失配产生应力存在强烈的压电极化现象，造成LED 的峰值波长蓝移，引起LED 在实际应用中出现一系列的问题。本文研究了造成峰值波长不稳定的原因，介绍了目前提高波长稳定性的主要解决措施。根据以上分析，笔者认为：采用非极性的G a N 衬底，在M Q W 之前引入用于改善外延材料应力的InGaN/GaN 超晶格，优化外延生长条件，将是提高GaN 基蓝光LED 峰值波长稳定性的最优方案。
1.6Ga N基蓝光发光二极管峰值波长偏移的研究
我们对红光L ED 和蓝光L ED 分别进行直流和脉冲电流下的变电流测试,其峰值波长情况如图1所示。本实验采用的蓝光L ED 用MOCVD 方法生长在蓝宝石(Al2 O3 ) 衬底上,其有源区为5 个周期的In0. 2 Ga0. 8N/ GaN 量子阱, InGaN 层和GaN 层的厚度分别为3 nm 和10 nm。从表1 中我们看到,在不同大小的脉冲电流注入下,红光的峰值波长没有变化,一直保持在626 nm , 而蓝光L ED 的峰值波长出现曲线波动。但在同样的直流电流注入范围内,蓝光L ED 的峰值波长偏移量相比红光L ED 小得多:红光的峰值波长从10 mA 下的627 nm 移动到100 mA 下的640 nm ,移动幅度达13 nm ,而蓝光L ED 的变化幅度仅有6 nm。红光L ED 峰值波长在直流电测试时相对脉冲测试出现的红移是由热效应造成的。在直流电作用下,结温升高导致带隙收缩,因此峰值波长红移。注意到在直流电作用下,蓝光L ED 的峰值波长是先蓝移后红移,且其峰值波长在一定注入电流范围内(30～60 mA) 保持不变。既然热效应是使峰值波长红移,那么在GaN 基L ED 中必然还存在另一个因素使峰值波长向短波方向移动。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,这种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。自发极化和压电极化的共同作用致使量子阱内部存在一很强的电场。这个内建电场的
存在导致显著的量子限制斯塔克效应(QCSE) [2 ] ,量子阱中的能带发生倾斜;随着注入电流的增大,多量子阱区的自由载流子增加,阱中基态升高,从而使L ED 的峰值波长向短波方向移动[3 ] 。这种蓝移正是L ED 的峰值波长随注入脉冲电流变化的内在原因。这种由极化引起的蓝移部分抵消GaN 基L ED 由于热效应导致的红移,从而使得蓝光L ED 峰值波长总的偏移量较红光L ED 小。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议