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)展過程中的關鍵器件。而功率型LED的性能受結溫的影響極大。LED的溫升效應會降低發(fā)光效率?？s短壽命并影響其光度、色度與電氣參數(shù)。因此，對功率型LED的結溫進行準確快速測量就顯得十分必要。測量LED結溫的主要方法有：紅外微相儀法，電學法，光譜法及光功率法。其中，電學法利用LED在恒定電流下正向電壓與溫度成線性反比關系來測量芯片的結溫。該方法因其操作簡單，精度高而得到廣泛運用。

在利用電學法測量功率型LED結溫時，首先要知道LED正向電壓隨溫度的變化關系和小電流下電壓溫度系數(shù)的大小。LED電壓溫度系數(shù)還是一個隨正向電流變化的物理量，研究其變化規(guī)律對LED結溫測試的結果是至關重要的。文獻中研究了各種LED的電壓溫度系數(shù)，但他們均來指出LED電壓溫度系數(shù)與正向電流的變化關系。本文理論和實驗上研究了這個問題。

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為絕對溫度，n為理想因子。當載流子的主要輸運機制為擴散電流時，n＝1；當載流子的主要輸運機制為復合電流時，n＝2。因此對于擴散-復合模型n應介于1～2之間。Is是溫度的函數(shù)，在半導體材料雜質(zhì)全部電離、本征激發(fā)可以忽略的條件下有：

式中A是結面積；C是與結面積、雜質(zhì)濃度等有關的常數(shù)；Vg0是絕對零度時PN結材料的導帶底和價帶頂?shù)碾妱莶?。計算中假設載流子的擴散系數(shù)和平均壽命與溫度無關。

串聯(lián)電阻Rs為體電阻和接觸電阻之和。接觸電阻相對于體電阻很小，可忽略。對于PN＋型二極管，Rs主要由 P區(qū)材料的體電阻決定。對于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)表達式。其中VJ為PN結壓降，VR為LED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，正向電流表達式的指數(shù)項，載流子濃度等隨溫度變化而引起的。應當指出，由于實際LED樣品不可能是一個理想的PN結，因此式（4）、（7）所描寫的并不是嚴格的定量關系。

2、測試系統(tǒng)和實驗方法

測試系統(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，達到精確控制結溫的目的。LakeShore331溫控器的控溫精度為0.1k。YOKOGAWAGS610測量信號源具有可編程電流輸出和自動掃描測量的功能。

實驗樣品由廈門華聯(lián)電子有限公司提供的AIGalnP，In-GaN系1W功率型LED。圖2為被測試功率型LED器件結構，器件使用多量子阱結構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率高的材料。

實驗方法如下：變溫范圍為60～350K，待溫度穩(wěn)定在設定值時，測量LED的IV關系，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LED的加熱影響。最后的實驗數(shù)據(jù)傳到計算機處理。

3、實驗結果分析

圖3為實驗得到的3個LED在不同電流下的T-VF圖。由圖可知，AlGaInP紅光LED的T-VF關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關系有以下幾個特點：

1）在低溫區(qū)正向電壓隨溫度減小而突然急劇增大，這是因為當溫度低到半導體材料雜質(zhì)電離發(fā)生困難時，材料的體電阻率隨著溫度的下降急劇增大，所測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關系可近似看做是線性關系。

2）在高溫區(qū)兩者為線性反比關系。這是因為在高溫區(qū)，串聯(lián)電阻上的壓降VR反而很小，對正向電壓VF的貢獻主要在VJ上。在VJ中第三項是非線性的，但在溫度足夠高時，有。

所以在高溫區(qū)可把VF看作兩個線性函數(shù)之和，仍然是一個線性函數(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。文獻的實驗結果也證實了這一點。文獻中測的是在20～100mA間GaN基LD的T-VF關系，文獻中測的是在10～100mA間AIGaN紫外LED的T-VF關系。文獻中測的是在10～100mA間InGaN紫外、藍光、綠光LED和AlGaInP紅光LED的T-VF關系。

理論很好地解釋了圖3的實驗結果。發(fā)現(xiàn)樣品中紅光LED在低溫區(qū)時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LED正常工作溫度范圍。若在更高溫區(qū)，即當溫度升高到本征激發(fā)顯著增加時，PN結正向電壓隨著溫度的增加將變得比較緩慢，會造成新的非線性。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)與正向電流的關系。我們把實驗數(shù)據(jù)中T-VF曲線的高溫區(qū)（取260～350K）進行了線性擬合，相關系數(shù)都在0.99以上，得到電壓溫度系數(shù)S，并作出各個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。其中式（7）的第 2項[（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)；其它項為常數(shù)。

因此在高溫由式（8）可知，在高溫區(qū)，小電流時電壓溫度系數(shù)與正向電流成負對數(shù)關系，圖4的3個內(nèi)置小圖也證實了這一點；大電流時二者成線性正比關系，斜率與串聯(lián)電阻有關，這在圖4紅光LED的IF-S圖中得到很好