GaN基白光LED的结温测量

GaN基白光LED的结温测量

第27卷　第3期

2006年6月

发　光　学　报

CHINESEJOURNALOFLUMINESCENCE

Vol127No13

Jun.,2006

文章编号:100027032(2006)0320407206

GaN基白光LED的结温测量

陈　挺,陈志忠,林　亮,童玉珍,秦志新,张国义

(北京大学物理学院;人工微结构与介观物理国家重点实验室,北京　100871)

3

摘要:用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种方法测量GaN基白光LED的结温,获得了较为准确的结温,

误差可以控制在4℃以内。正向电压法在恒定电流的条件下,得到了正向电压与结温的线性关系;蓝白比法在不同环境温度和不同注入电流两种情况下,都得到了蓝白比与结温较好的线性关系。提出了蓝白比法可能的物理机制,提高环境温度和增大注入电流都会使结温升高,蓝光峰值波长也会改变,这两个因素都会影响荧光粉的激发和发光效率。降低结温需要考虑的主要因素有白光LED的接触电阻、串联电阻和外量子效率,封装材料的热导率,反射杯和管脚的设计,以及空气散热部分的散热面积等。关　键　词:GaN基白光LED;结温;正向电压;管脚温度;电致发光谱中图分类号:O482.31;TN312.8　　　PACC:7860F　　　文献标识码:A

1　引　　言

大功率GaN)、环保光源的关键技术,但是结温升高会使白光LED的光度、色度

[1～3][4～6]

学性能变差以及寿命变短。对结温的测量现已广泛用于电子器件的可靠性研究,红外摄像法是常用的测量结温分布的方法,但是其成本高,速度慢,而且器件是未封装或开封的状态。目前对于利用电学和热学性质来测量结温已有一些研究,但是利用白光LED的光度和色度学性质来

[7]

测量结温的报道还很少。本文研究了用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种方法测量GaN基白光LED的结温。正向电压法是利用LED电输运的温度效应,通过测量工作电流下的正向电压来确定结温;管脚法是利用LED的管脚温度,通过耗散功率和热阻系数求得结温;蓝白比法是一种非接触的测量方法,是利用白光LED电致发光谱中蓝光与白光的功率比值来测量结温。本文还讨论了蓝白比法可能的物理机制以及降低结温需要考虑的主要因素。

2)被用来控制LED

,1℃。自制的LED支架(2)可以方便的固定LED(3)以及测量电路和热电阻(4)(Pt100标准热电阻)。热电阻被焊接在LED的阳极管脚上,它的电阻值由万用表(5)(VC9802A)来测量。电源(6)(SSP3112光谱仪

的稳流电源)给LED提供恒定直流。另一只万用表(7)(VC9802A)用来测量LED的正向电压。LED发出的光通过透镜(8)汇聚后,透过恒温箱

的玻璃窗口(9),进入光谱仪(10)(SSP3112光谱仪)的积分球。计算机(11)连接在光谱仪上用来分析光学测量的结果。

2　实　　验

图1是结温测量的实验装置示意图。恒温箱

图1　实验装置示意图

Fig.1　Illustrationofexperimentapparatus1

收稿日期:2004208222;修订日期:2005201224　　基金项目:国家“863”计划资助项目(2001AA313110,2001AA313060,2001AA313140)　　作者简介:陈挺(1981-),男,江苏扬州人,博士研究生,主要从事光电子物理和纳米半导体方面的研究。

E2mail:chenting@,Tel:(010)62751618

3:通讯联系人;E2mail:zzchen@,Tel:(010)62759726,Fax:(010)62752585

GaN基白光LED的结温测量

　408发　　光　　学　　报第27卷

3　结果与讨论

3.1　正向电压法

以内,按照图2中的规律,换算成结温误差约在2℃以内。第二是输运机制的原因,正向电压除

了主要降落在p2n结处,还有较大部分降落在p型接触电阻以及串联电阻上,所以严格来说,正向电压与结温并不是简单的线性关系,而需要综合考虑多个因素;而且在测量过程中,LED的老化和缺陷猝灭等原因也会导致正向电压的变化。考虑刚通电时的结温升高和初始电压测量的随机性,测量点对线性拟合直线的偏离,以及其他仪器测量的误差,斜率-202.1的误差小于10,因为

(Vj-V0)值最大约0.2V,所以由斜率系数引入的误差小于2℃。而3.805V实际对应的结温与95.0℃的误差在2℃之内,所以计算得到的稳定

[7]

正向电压法是利用LED电输运的温度效应,通过测量工作电流下的正向电压来确定结温

。

我们对蓝光峰值波长为469.4nm的白光LED的初始电压和初始结温进行了测量,结果如图2所

示。初始电压是指LED刚通电(电流固定)时测得的正向电压,初始结温是指刚通电时的结温,近似等于环境温度。从图中看出,在恒定电流(20mA)改变环境温度(35～100℃)测量的情况下,初始电压与初始结温符合很强的线性关系

。

结温Tj的总误差<4℃。

图3,可以看)30～40℃,,。这可,温度升高,,使得结温升高增加

。

图2　初始结温与初始电压关系

Fig.2　Initialjunctiontemperatureversusinitialforward

voltage(I=20mA)1

如果线性关系成立,就可以通过测量正向电压确定结温:

Tj=T0+

V-VK

其中T0是作为参考的环境温度,V0是在T0下的初始电压;Tj和Vt分别是稳定时的结温和正向电压。整个测量过程中,电流要保持恒定。系数K可以通过测量两组不同的参考温度和电压得到

K=(V1-V0)/(T1-T0),也可以通过测量多组参

图3　初始和稳定结温与初始电压关系

Fig.3　Initialandfinaljunctiontemperatureversusinitial

forwardvoltage(I=20mA)1

3.2　管脚温度法

管脚温度法是利用LED器件的热输运性质,通过测量管脚温度和芯片耗散的热功率,以及热阻系数来确定结温得到:

Tj=Tp+Pj×RΘj2p

[7,8]

考温度和电压作线性拟合得到。选择靠近拟合直

线的测量点(95.0℃,3.805V)作为参考点,实验中LED通电后稳定时的结温可以由下面的公式来确定:

Tj=[9510-20211×(Vj-31805)]℃

。结温可以通过换算公式

误差需要考虑两方面:第一是实验方法的原因,刚通电时结温升高比较快,测得的正向电压值所对应的结温并不等于环境温度。实验中对通电后结温升高的规律进行了估测,测量时从接通电源到显示示数大约需0.5s,估计读数误差在0.01V

其中Tp是管脚温度,Tj是结温;Pj是LED芯片耗

Θj2p是从结到管脚的热阻系数,可散的热功率;R

以由厂家给出,或者由实验确定,本实验中结合电压法测量来确定热阻系数。

图4是管脚温度与正向电压的关系。从图中可以看出,Tp和Vt满足很好的线性关系。因为结

GaN基白光LED的结温测量

　第3期陈　挺,等:GaN基白光LED的结温测量　409

温Tj与正向电压Vt满足较好的线性关系,那么

Θj2p=Tp和Vt的线性关系说明Tj-Tp=Pj×R(If×Θj2p与Vt满足很好的线性关Vt-Plight)×R

着结温的升高,荧光粉的发光效率降低。蓝白比法正是利用芯片的蓝光发光与荧光粉发光随结温变化的不一致来确定结温。定义W为光谱中整个白光的功率,B为蓝光部分的功率,那么比值

R=W/B应该是结温的函数。在以往的文献中,

系,这从一方面支持了在管脚温度法中可以用

一个不变的RΘj-p值来近似,也说明了Plight变化的影响是次要的,事实上在功率项中Plight可以认为是小量,而它的变化是二阶小量,可以忽略。在用正向电压法的结果估算热阻系数RΘj2p值时,对每个测量点都计算了相应的值,然后取平均得到:

RΘj2p=400℃/W

得到了R与结温较好的线性关系

[7]

。而且对于

不同蓝光峰值波长的同一批白光LED,虽然线性关系直线的截距不同,但是直线的斜率是近似相等的。实验中在不同环境温度和不同注入电流两种情况下,对<5mm环氧树脂封装的GaN基YAG∶Ce的白光LED进行了测量。图5是恒定

Θj2p=(Tj-　　由于热阻系数由正向电压法估算R

Tp)/Pj,所以电压法中的误差将转移到这里,Tj的误差小于4℃;Tp由Pt100热电阻测量,考虑到实验中的焊接措施,Tp项的误差<0.2℃;分母

Pj值大致在70～80mW,误差<0.1%。这样综合

电流(20.0mA)改变环境温度(31.2～90.0℃),对蓝光峰值波长为469.4nm的白光LED测量的结果,测量的是白光LED阵列轴向的光谱。图6是恒定环境温度(23.6℃)改变电流(10.0～30.0

,.nm的LED测量的

Θj2p的误差小于60℃/W。对不同测量点来说,R

Θj2p的计算结果,R

Θj2pj得到由R

于5.0℃。Θj2p的值能够通过其他压法得到热阻系数,如果R

途径得到而且足够准确,那么管脚法测结温的误Θj2p的误差能够控制在差可以很小。例如如果R

5℃/W以内,那么管脚温度法测得的结温误差

将不超过0.5℃

。

图5　恒定电流改变环境温度时469.4nm白光LED的

W/B值与结温的关系

Fig.5　W/Bversusjunctiontemperatureof469.4nmwhite

LEDwhenambienttemperatureis

changedwithuni2formcurrentI=20mA1

图4　管脚温度与正向电压关系

Fig.4　Pintemperatureversusforwardvoltage(I=20mA)1

3.3　蓝白比法

利用白光LED的发光光谱分布(SPD)来测量结温,最大的优点是不需要破坏器件的整体性,是一种非接触的结温测量方法。从结温对白光LED的光度色度学影响知道,随着结温的升高,

图6　恒定环境温度改变电流时460.1nm白光LED的

W/B值与结温的关系

Fig.6　W/Bversusjunctiontemperatureof460.1nmwhite

LEDwhencurrentischangedwithuniformambienttemperature1

蓝光LED芯片的发光和荧光粉发光的强度都会下降,而且荧光粉的下降更为显著。这是因为随

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　410发　　光　　学　　报第27卷

结果,测量的是单只LED的球面积分光谱。结温是利用管脚温度法得到的结果。从图中看出,两种情况下,蓝白比R与结温都有较好的线性关系,可通过测量光谱算得R值,然后用下面的换算公式得到结温:

Tj=T0+

R-RKr

强度的降低除了来自于蓝光强度的降低,而且随着温度的升高,荧光粉的光转化效率也在减小,所以荧光粉发光的减弱比蓝光更显著。

改变注入电流(恒定环境温度)时,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,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的色度学性质的变化。Nakamura等报道了在InGaN/GaN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InGaN/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]

其中T0为参考结温,Tj是要测量的结温;R0和R分别是结温为T0和Tj时的蓝白比;Kr是比例系数,可以通过测量两组不同的参考结温和蓝白比

得到Kr=(R0-R1)/(T0-T1),也可以通过测量多组已知结温情况下的蓝白比作线性拟合。对于图5,在恒流条件下1/Kr=-29817℃,结温Tj=T0-29817℃×(R-R0),如果取参考测量点(R0=1.6414,T0=105.9℃),那么换算公式可

。如果按照Nakamura等报道的“蓝移”现

以写成:

Tj=10519℃-29817℃×(R-116414)

象,,这时候“蓝;,结温升,,可能抵。我们在实验中观察到了类似的现象据

[11]

[3]

,分别计算R=W,。

由R1/Kr值的误差<(01005/012)×29817℃≈715℃,而(R-1.6414)项的

。利用GaN基材料的一般参数

[3]

[10]

以及一般<5mm封装GaN基白光LED的典型数

,我们分析了一维简化的热阻模型

。从分

值最多约0.1,而且误差也在0.005,这样由R值误差带来的结温Tj的误差ΔTj(1)<(715×011+01005×29817)℃≈212℃。此实验中所用的结

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

温由管脚温度法得到,而管脚温度法中的热阻系数是结合了正向电压法算得的,所以相应的误差也会延续到这里ΔTj(2)<510℃。相比较而言,ΔTj(2)项是这里的主要误差,如果RΘj2p的误差能够控制在5℃/W以内,那么ΔTj(2)将不超过0.5℃,总的误差将不超过3℃。3.4　讨论

的材料来制成散热片和增大散热面积。

4　结　　论

分别用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种不同方法测量GaN基白光LED的结温,获得了准确、简便的结温测量方法。在正向电压方法测量中,我们得到了正向电压随环境温度变化有较好的线性关系,通过最小二乘法线性拟合所得到的结温误差在2℃以内;另一方面考虑到结温的瞬态特性,我们估算由此引入的系统误差约2℃,因此正向电压法测得的结温误差小于4℃。管脚法是利用Pt电阻测量LED的管脚温度,然后通过耗散功率和热阻系数求得结温。管脚法的误差决定于封装的热阻的误差,如果热阻误差在5℃/W以内,结温误差将不超过0.5℃。蓝白比法是一种非接触的测量方法,它利用的是白光LED的电

改变环境温度(恒定注入电流)时,随着结温升高,蓝光LED芯片不仅电学输运性质发生变化,正向电压降低,而且内量子效率的降低也导致发光效率的降低,这使得发光强度降低。结温升高,发光效率的降低主要是由于缺陷的影响增加,从而引起注入效率和复合效率的降低,而效率降低又使得发热严重,从而又对缺陷影响进一步增加。另外结温升高会导致蓝光部分的峰值波长红移,这归因于GaN基半导体材料的禁带宽度与温度的依赖关系。由于蓝光峰的红移,荧光粉(YAG∶Ce)的有效激发效率降低了。荧光粉发光

GaN基白光LED的结温测量

　第3期陈　挺,等:GaN基白光LED的结温测量　411

致发光(EL)谱中,蓝光与白光的功率比值随结温变化的关系来测量结温。实验中蓝白比法自身的误差约在2℃左右。对蓝白比法在不同环境温度和不同注入电流两种情况下进行了测量,发现它们的蓝白比与结温都有较好的线性关系。提高环境温度和增大注入电流都会使结温升高,并且GaN基蓝光LED芯片的峰值波长也会改变,这两

个因素都会影响荧光粉的激发发光效率,从而使荧光粉发光功率的降低趋势比蓝光更显著,这是蓝白比法可能的物理机制。要想降低LED器件的结温,需要考虑的主要因素有:白光LED的接触电阻、串联电阻和外量子效率,封装材料的热导率,反射杯和管脚的设计,以及空气散热部分的散热面积等。

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MethodsforDeterminingJunctionTemperatureofGaN2basedWhiteLEDs

CHENTing,CHENZhi2zhong,LINLiang,TONGYu2zhen,QINZhi2xin,ZHANGGuo2yi

(NationalKeyLaboratoryofArtificialMicrostructureandMesoscopicPhysics;

SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China)

Abstract:Threemethods,namelyVoltage2Method,Pin2MethodandSpectra2Method,fordeterminingthejunctiontemperatureofGaN2basedwhiteLEDswerestudied.IntheVoltage2Method,weshowthattheforwardvoltagedependsonthejunctiontemperaturelinearlywithuniformcurrent.

IntheSpectra2Method,weshow

thattheratioR=W/Bisstronglylinearwiththejunctiontemperatureaschangingtheambienttemperatureorchangingtheforwardcurrent,whereWandBaretheentireandthebluepartradiantpoweroftheLED′semis2sion,respectively.ThephysicalmechanismofSpectra2Methodandthefactorsofcontrollingthejunction

GaN基白光LED的结温测量

　412发　　光　　学　　报第27卷

temperaturewerealsodiscussed.IncreasingeithertheambienttemperatureortheforwardcurrentcanleadtotheriseofjunctiontemperatureandtheshiftofemissionpeakwavelengthofGaN2basedLEDchips.ThesetwofactorscancausethedecreaseofexcitationandemissionefficiencyofphosphormuchgreaterthanthatofLEDchips.Tolowerthejunctiontemperatureofwhite2LEDs,weneedtoconsiderthecontactandseriesresistance,theemissionefficiency,thethermalconductivityofencapsulationmaterial,thedesignofreflectorcupandpins,andthecoolingsurfacearea.

Keywords:GaN2basedwhiteLED;junctiontemperature;forwardvoltage;pintemperature;electro2

luminescentspectra

Receiveddate:2004208222

会议消息

第1(海口　2006.11

由中国物理学会发光分会、中国稀土学会发光专业委员会主办,中国科学院激发态物理重点实验室和海南大学理工学院联合承办的第1届掺杂纳米材料发光性质学术会议将于2006年11月5～10日在海口市举行。该会议旨在通过大会报告、专题研讨等活动,总结、交流近年来掺杂纳米发光材料及其相关应用领域所取得的研究进展和成果。在此基础上凝炼科学目标、探讨和规划未来的学科发展方向,并集中国内的优势资源攻克该领域的重大科学问题,使我国在该研究领域更具国际竞争力。本次大会主席为徐叙

院士和苏锵院士,学术委员会主任和组织委员会主任分别由北京大学

严纯华教授和中科院长春光机与物理所申德振研究员担任,秘书长为中科院长春光机与物理所宋宏伟研究员。

会议的征文内容:1.新型纳米发光材料与新的纳米合成、组装技术;2.纳米材料发光中的激发态过程:电子跃迁、晶格弛豫与能量传递,上转换纳米发光材料;3.纳米材料中的限域效应、表面效应及其诱导的新现象;4.表面修饰与核壳结构的纳米材料;5.一维纳米材料线、管及纳米薄膜的结构与发光性质;6.掺杂纳米材料发光中的新概念、新理论;

7.纳米微结构材料、有机Ο无机复合纳米材料的光发射性质;8.纳米发光材料的模板组装、介孔与分子筛发光材料;9.

纳米发光材料在生物探测中的应用。

征文要求:《会议论文集》来稿应是论文详细摘要,每篇1～2页(包括图表),内容依次为:论文题目、作者姓名、单位、地址、邮编、正文。字体:一律为宋体,标题为小2号、其他均为5号;页面设置:上、下、左、右边距均为3cm,单倍行距;请将文件用电子邮件的Attachement功能发来,格式为DOC,来稿请寄nmlpΟ2006@。会议全文经审查后择优在《发光学报》和《中国稀土学报》发表,细则另行通知。

会议的筹备日程:2006年7月30日前寄回执;2006年8月15日前寄论文(详细摘要),编辑出版《会议论文集》。

2006年8月上旬发出第二轮通知,明确报到时间、地点、日程安排、收费办法及有关参观考察等具体事宜。

会议初步日程安排:11月5日:会议注册;11月6～7日:学术报告;11月8～10日:海口、三亚两地参观考察。注册费:正式代表:1000元(不含考察费),1600元(含考察费)。学生:500元(不含考察费),1100元(含考察费)。

会议筹备委员会负责人通讯地址:中科院长春光机与物理所激发态物理重点实验室宋宏伟研究员地　　址:长春市东南湖大路16号　　　　　　　　邮　　　编:130033电子邮件:nmlpΟ2006@电话和传真:(0431)6176320网　　址:NMLPΟ2006@

第1届掺杂纳米材料发光性质学术会议筹委会

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