鐘文姣，魏愛香，招 瑜

(廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州 510006)

1 引 言

發(fā)光二極管(LED)具有耗電低、壽命長、響應(yīng)時間快、綠色環(huán)保等優(yōu)點，被稱為繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈后的第四代光源［1］。隨著LED芯片材料、結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)的不斷進步，LED的應(yīng)用將越來越廣泛，在照明領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?］。pn結(jié)的結(jié)溫是大功率LED的重要參數(shù)之一，它對LED器件的出光效率、光色、器件可靠性和壽命均有很大影響，準(zhǔn)確測量LED器件的結(jié)溫對制備大功率LED芯片、器件封裝和應(yīng)用有很大的指導(dǎo)意義。

目前，測量LED結(jié)溫的方法主要有正向電壓法［3］、管腳溫度法［4］、峰值波長定標(biāo)法［5］、藍(lán)白比法［6］以及紅外攝像法［7］等。溫度的浮動對 LED光源的特性有很大的影響，結(jié)溫升高會出現(xiàn)光輸出顯著變化和峰值波長漂移等現(xiàn)象。因此，研究LED結(jié)溫與光譜特性的相關(guān)性是很有意義的。本文采用一種新的結(jié)溫測量方法，研究了結(jié)溫與LED器件的峰值波長、顯色指數(shù)、色溫、光通量的關(guān)系。

2 實 驗

首先在來自于臺灣晶元公司的芯片(45 mil)上涂覆YAG∶Ce3+黃色熒光粉，制備了一個白光LED樣品。該芯片具有兩個獨立的N電極，在兩個N電極上分別引線與支架的兩端相連，將電源的正極加在P電極端，負(fù)極接在任意一個N電極端均可點亮LED樣品，這兩個N極間的電阻可用伏安法進行測量。將封裝好的LED置于鼓風(fēng)干燥箱里，采用Keithley 2400測量這兩個獨立N電極之間的n-GaN材料在不同溫度下的電阻。

用脈沖電源Gwinstek PSW30-36驅(qū)動LED，高占空比的電流用來確保LED的工作狀態(tài)與直流電源驅(qū)動的效果接近。在脈沖電源的輸出電流為0時，用Keithley 2400測量兩個獨立N電極之間GaN材料的電阻。利用上面擬合得到的結(jié)溫與電阻的關(guān)系，得到LED工作狀態(tài)的結(jié)溫。

將LED樣品放入浙大三色的光譜輻射分析儀SL-300的積分球里，將脈沖電源 Gwinstek PSW30-36設(shè)置為恒流輸出，電流大小為0.32 A，占空比為97.5%，驅(qū)動LED的時間為10 min。用Keithley 2400測量兩個獨立N電極之間GaN材料的電阻，10 min后將脈沖輸出改為直流輸出，用浙大三色的光譜輻射分析儀SL-300對LED的光學(xué)特性進行測量。其測試電路如圖1所示。改變積分球底板的溫度，使其從25℃上升到65℃，每次上升5℃，達到改變LED結(jié)溫的目的。測量不同的積分球底板溫度下，LED芯片內(nèi)的GaN材料的電阻及其光學(xué)參數(shù)，得到結(jié)溫與LED器件的峰值波長、顯色指數(shù)、色溫、光通量的關(guān)系。

圖1 測試電路示意圖Fig.1 Schematic of the measurement circuit

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 結(jié)溫的測量

在分析測量結(jié)果之前，我們建立了一套方程來描述半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化的規(guī)律。在所測量的溫度范圍內(nèi)，中等摻雜的n型GaN材料可以認(rèn)為是完全電離的，即n=ND，ND為施主雜質(zhì)濃度。

這里l和S分別為電阻的長度和橫截面積，q代表一個電子所帶電荷量的絕對值，本文將這3個參數(shù)當(dāng)成常數(shù)，受溫度的影響忽略不計。因此，只考慮電阻與電子遷移率μn成反比。GaN材料的電子遷移率μn可用如下公式［8］來描述:

其中 μmax、B、α、β 是模型參數(shù)，T0是當(dāng)時測量的環(huán)境溫度。將式(2)代入式(1)，電阻的公式可以表示為:

這里R(T0)為 n-GaN在環(huán)境溫度下的電阻。在我們的測試中，R(T0)=4.763 4 Ω，當(dāng)時的室溫為T0=297.8 K，利用最小二乘法對實驗數(shù)據(jù)按照公式(3)進行擬合，結(jié)果如圖2所示。擬合結(jié)果和電阻測量值高度吻合，擬合結(jié)果如下:B=11.906，α =0.393，β =4.05。通過擬合，我們得到了所用LED器件GaN材料的電阻與溫度的關(guān)系。

圖2 不同干燥箱溫度下的n-GaN的電阻Fig.2 Resistance of n-GaN as a function of oven temperature

得到LED樣品兩個獨立N電極之間GaN材料的電阻與結(jié)溫的關(guān)系之后，要得到LED的結(jié)溫，只需測量兩個獨立N電極之間GaN材料的電阻即可。由于LED的工作電壓的影響，無法對LED兩個獨立N電極之間GaN材料的電阻進行測量。我們采用占空比為97.5%的脈沖電源Gwinstek PSW30-36來驅(qū)動LED，即脈沖電源的輸出電流在0.975 個周期內(nèi)為0.32 A，剩余的0.025個周期內(nèi)為0。用Keithley 2400在脈沖電源輸出電流為0時測量LED兩個獨立N電極之間GaN材料的電阻，每次測量的時間長于LED的結(jié)溫達到穩(wěn)定的時間。

3.2 結(jié)溫與峰值波長的關(guān)系

以藍(lán)光LED芯片為激發(fā)源，激發(fā)熒光粉發(fā)出峰值為560～580 nm的黃綠色光與芯片自身發(fā)出的藍(lán)光組成白光是獲得白光LED的方法之一。光譜儀所測得的峰值波長還是芯片發(fā)出的藍(lán)光的峰值波長，有源區(qū)的禁帶寬度所決定。當(dāng)芯片的溫度升高時，由有源區(qū)的禁帶寬度變窄，峰值波長紅移［9］。

圖3為白光LED樣品的光譜曲線。圖中左邊部分為芯片直接發(fā)射的藍(lán)光，其峰值波長約為450 nm;右邊部分為激發(fā)出的熒光，其峰值波長為550 nm左右。圖4為不同結(jié)溫下白光LED的峰值波長。在結(jié)溫從室溫上升到125℃的過程中，該樣品的峰值波長由445.5 nm增加到446.8 nm。通過線性擬合，由圖4知結(jié)溫升高引起的波長漂移的平均溫度系數(shù)為0.015 6 nm/℃，這一結(jié)果與文獻［10］報道的熱效應(yīng)引起的峰值波長的平均溫度系數(shù)為0.028 57 nm/K和0.039 29 nm/K接近，數(shù)值不同是由于所用的芯片來自于不同的廠家，其有源區(qū)多量子阱結(jié)構(gòu)不同。

圖3 不同結(jié)溫下白光LED的光譜Fig.3 PL spectra of white LED at different temperature

圖4 不同結(jié)溫下白光LED的峰值波長Fig.4 Peak wavelength of white LED at different temperature

3.3 結(jié)溫與色溫的關(guān)系

圖5為LED樣品結(jié)溫與色溫的關(guān)系。隨著結(jié)溫的升高，LED的色溫逐漸增大，且與結(jié)溫呈現(xiàn)出線性關(guān)系。當(dāng)積分球底座的溫度從20℃調(diào)節(jié)到70℃時，結(jié)溫從38.11℃變到了97.28℃，色溫從8 448 K升高到9 198 K。通過線性擬合，得到LED色溫隨結(jié)溫的變化系數(shù)約為7.664 K/℃。LED色溫隨著結(jié)溫的升高而升高，是因為結(jié)溫升高了，光源發(fā)出的光的顏色發(fā)生了變化，藍(lán)綠光的組分增多或者說黃光的組分減少。溫度升高則峰值波長紅移，藍(lán)光的輻射通量降低，黃光的輻射通量也會降低;同時溫度升高會影響熒光粉的性能，導(dǎo)致黃光的輻射通量進一步降低。

圖5 不同結(jié)溫下白光LED的色溫Fig.5 Color temperature of white LED at different temperature

3.4 結(jié)溫與顯色指數(shù)的關(guān)系

顯色性是光源的重要指標(biāo)。太陽光的顯色指數(shù)(Ra)定義為100。顯色指數(shù)大于80的光源就可以認(rèn)為是較好質(zhì)量的白光，適用于對顯色性要求較高的室內(nèi)照明;而大于95則可應(yīng)用于視覺要求高的場合。

圖6為LED結(jié)溫與顯色指數(shù)的關(guān)系。隨著結(jié)溫的上升，LED的顯色指數(shù)逐漸增大，且與結(jié)溫呈現(xiàn)出線性關(guān)系。通過線性擬合，得到LED顯色指數(shù)隨結(jié)溫的變化系數(shù)約為0.022/℃。顯色指數(shù)隨結(jié)溫的上升而增大的原因與色溫相同，均由于光的顏色中藍(lán)光所占的比例增大，黃光所占的比例減小。

圖6 不同結(jié)溫下白光LED的顯色指數(shù)Fig.6 Rendering index of white LED at different temperature

3.5 結(jié)溫與光通量的關(guān)系

光通量是表征電光源質(zhì)量高低的一個重要指標(biāo)。假設(shè)某輻射體發(fā)出的光線是波長為λi的單色光，該輻射體單位時間內(nèi)所輻射的能量就是輻射通量Fi，該能量中能為人眼所感覺的那部分稱為光通量φi，它表示單位時間流出光能的大小，單位是lm。光通量是人的眼睛對輻射通量的反應(yīng)程度的物理量。國際照明委員會(CIE)根據(jù)對許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值法確定了人眼對各種波長的平均相對靈敏度，稱為人眼的視見函數(shù)。我們把單色輻射通量ΔFi與視見函數(shù)ν(λi)之積稱為波長 λi的單色光通量 Δφi，Δφi=ΔFiν(λi)，把所有的單色光通量加起來就是光通量φ:

其中，e(λ)為光譜輻射能通量，也稱為輻射功率;ν(λ)為人眼的視見函數(shù)。

圖7為LED結(jié)溫與光通量的關(guān)系。隨著結(jié)溫的上升，LED的光通量由47.861 lm減少到45.842 lm，且與結(jié)溫呈現(xiàn)出線性關(guān)系。通過線性擬合，得到LED光通量隨結(jié)溫的變化系數(shù)約為－0.032 5 lm/℃。由圖8可以看出，隨著點亮?xí)r間的增加，結(jié)溫上升，但光通量在結(jié)溫上升的過程中增大，表明LED的峰值波長紅移，使得藍(lán)光部分的輻射通量與視見函數(shù)的積分變大，而黃光部分的輻射通量與視見函數(shù)的積分變小，藍(lán)光部分的輻射通量與視見函數(shù)的積分變大的量小于黃光部分的輻射通量與視見函數(shù)的積分變小的量，所以白光的光通量隨溫度的升高而變小。

圖7 不同結(jié)溫下白光LED的光通量Fig.7 Luminous flux of white LED at different temperature

圖8 藍(lán)光LED的光通量的瞬態(tài)特性Fig.8 Transient behaviour of luminous flux of bule LED

4 結(jié) 論

通過對自制的LED樣品兩個獨立N電極之間的GaN材料的電阻進行測量，發(fā)現(xiàn)其電阻隨著溫度的升高而增大，并且呈一定的指數(shù)關(guān)系，利用這一關(guān)系可較為準(zhǔn)確地測得LED的結(jié)溫。對LED的光學(xué)特性與結(jié)溫的關(guān)系進行測量，發(fā)現(xiàn)結(jié)溫升高，白光LED的色溫、峰值波長、顯色指數(shù)均增大，且呈一定的線性關(guān)系。結(jié)溫升高，白光LED的光通量降低，同樣呈現(xiàn)出一定的線性關(guān)系。

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