大功率LED结温测量及发光特性研究

大功率LE D结温测量及发光特性研究3费　翔133,钱可元1,罗　毅1,2(1.清华大学深圳研究生院半导体照明实验室,广东深圳,518055;2.清华大学电子工程系,集成光电子学国家重点实验室,北京100084)摘要:介绍了基于正向电压法原理自行研制的大功率L ED结温测试系统,结温定量测量精度可达±0.5℃。

利用该系统对不同芯片结构与不同封装工艺的大功率L ED热阻进行了测量比较,并对不同结温的大功率L ED 发光特性进行了研究。

结果表明,不同结构芯片温度2电压系数K明显不同;采用热导率更高的粘结材料和共晶焊工艺固定L ED芯片,会明显降低封装层次引入的热阻。

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。

关键词:结温;大功率L ED;光辐射功率;光效中图分类号:TN312.8 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)0320289204Ju nction temp eratu re m easu rem ent and luminous prop erties research of high2pow er LE D FEI X iang133,QIAN K e2yuan1,LUO Y i1,2(1.Semiconductor Lighting Laboratory,G raduate S chool at Shenzhen,T singhua University,Shenzhen518055,Chi2 na;2.State K ey Laboratory on Integrated Optoelectronics,Department of Electronics and Engineering,T singhua U2 niversity,Beijing100084,China)Abstract:The junction temperature of high2power LEDs is accurately measured based on forward2voltage method,the preci2 sion with±0.5℃can be obtained.The thermal resistance of LEDs with different chip structure and package technology was compared,and the luminous properties influenced by junction temperature were measured.The results show that the temperature2voltage coefficient’K’of different chip structure is different.The thermal resistance in package can be reduced by using materials with larger heat conductivity and eutectic bonding technology.The radiation power is directly influenced by the junction temperature.K eeping junction temperature constant,the radiation power increases linearly when the current increases.While keeping cooling condition constant,junction temperature of LEDs with higher thermal resistance increases more rapidly,hence the lum inous efficiency decreases more obviously.K ey w ords:junction temperature;high2power L EDs;radiation power;luminous efficiency1　引　言 与白炽灯、荧光灯等传统光源相比,大功率白光L ED固体光源具有节能和环保等优点[1]。

现在白光L ED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L ED功率的提高,L ED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[2]。

热阻是衡量大功率L ED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[3],并且对已经封装荧光粉和透镜的L ED 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L ED结温的精确测量,对改善大功率L ED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L ED进行了热阻比较,并对不同结温下大功率L ED发光特性进行了测量与对照分析。

光电子・激光第19卷第3期　2008年3月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.19No.3　Mar.2008 3收稿日期:2007201224　修订日期:2007204216　3　基金项目:国家自然科学基金资助项目(60536020,60390074);国家重点基础研究发展计划“973”资助项目(2006C B302801,2006C B302804, 2006C B302806);国家高技术研究发展计划“863”资助项目(2006AA03A105)、北京市科委重大计划资助项目(D0404003040321)　33E2m ail:feix04@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,L ED 的正向工作电压V f 可以表达为 V f =V f 2junctin +I ×(R c onductor +R c ontact )(1)其中:V f 2junction 为PN 结的结电压;R conductor 为注入电流路径上各体材料的电阻;R contact 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V f 2junction 与结温T 的关系为[4]d V f 2junction d T ≈ke ln (N D N A N C N V )-αT (T +2β)e (T +β)2-3k e (2)其中:k 为玻尔兹曼常数;e 为电子能量;N D 为施主杂质浓度;N A 为受主杂质浓度;N C 为导带底的状态密度;N V 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n i 远小于施主受主杂质离化浓度的强电离区间,可以认为N D 与N A 基本不随温度变化[5],而N C 与N V 与结温的关系为 N C =2(2πm 3n k T )3/2h3∝T 3/2 N V =2(2πm 3p k T )3/2h3∝T 3/2(3)其中:m 3n 为电子的态密度有效质量,m 3p 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G aN 材料,α=0.77meV/K 2,β=600K,若施主与受主杂质的掺杂浓度N A =N D =2×1016cm 23,则可计算得出结电压V f 2junction 的温度系数为21.74mV/K 。

而从式(1)可见,正向电压不仅包括结电压V f 2junction ,还与电流路径上各体材料的电阻R conductor 、不同材料间的接触电阻R c ontact 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,R conductor 与R contact 的组成材料和接触状况不同,温度2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2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L ED 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2电压特性。

在选定定标电流I s 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L ED 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L ED 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L ED 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LE D 结温过程Fig.1　P rocess o f ju nction temp eratu re m easu rem entusing forw ard 2voltage m ethod 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L ED 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L ED 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L ED 从工作状态降温到稳定状态的整个动态过程中L ED 结温的变化规律。