結溫對GaN基白光LED光學特性的影響

鐘文姣，魏愛香，招 瑜

(廣東工業大學材料與能源學院，廣東廣州 510006)

1 引 言

發光二極管(LED)具有耗電低、壽命長、響應時間快、綠色環保等優點，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、結構和封裝技術的不斷進步，LED的應用將越來越廣泛，在照明領域有著巨大的發展潛力［2］。pn結的結溫是大功率LED的重要參數之一，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，準確測量LED器件的結溫對制備大功率LED芯片、器件封裝和應用有很大的指導意義。

目前，測量LED結溫的方法主要有正向電壓法［3］、管腳溫度法［4］、峰值波長定標法［5］、藍白比法［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，結溫升高會出現光輸出顯著變化和峰值波長漂移等現象。因此，研究LED結溫與光譜特性的相關性是很有意義的。本文采用一種新的結溫測量方法，研究了結溫與LED器件的峰值波長、顯色指數、色溫、光通量的關系。

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驅動LED，高占空比的電流用來確保LED的工作狀態與直流電源驅動的效果接近。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溫與電阻的關系，得到LED工作狀態的結溫。

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設置為恒流輸出，電流大小為0.32 A，占空比為97.5%，驅動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結溫的目的。測量不同的積分球底板溫度下，LED芯片內的GaN材料的電阻及其光學參數，得到結溫與LED器件的峰值波長、顯色指數、色溫、光通量的關系。

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

3 實驗結果與分析

3.1 結溫的測量

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

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個參數當成常數，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，T0是當時測量的環境溫度。將式(2)代入式(1)，電阻的公式可以表示為:

這里R(T0)為 n-GaN在環境溫度下的電阻。在我們的測試中，R(T0)=4.763 4 Ω，當時的室溫為T0=297.8 K，利用最小二乘法對實驗數據按照公式(3)進行擬合，結果如圖2所示。擬合結果和電阻測量值高度吻合，擬合結果如下: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材料的電阻與結溫的關系之后，要得到LED的結溫，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來驅動LED，即脈沖電源的輸出電流在0.975 個周期內為0.32 A，剩余的0.025個周期內為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的結溫達到穩定的時間。

3.2 結溫與峰值波長的關系

以藍光LED芯片為激發源，激發熒光粉發出峰值為560～580 nm的黃綠色光與芯片自身發出的藍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出的藍光的峰值波長，有源區的禁帶寬度所決定。當芯片的溫度升高時，由有源區的禁帶寬度變窄，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射的藍光，其峰值波長約為450 nm;右邊部分為激發出的熒光，其峰值波長為550 nm左右。圖4為不同結溫下白光LED的峰值波長。在結溫從室溫上升到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知結溫升高引起的波長漂移的平均溫度系數為0.015 6 nm/℃，這一結果與文獻［10］報道的熱效應引起的峰值波長的平均溫度系數為0.028 57 nm/K和0.039 29 nm/K接近，數值不同是由于所用的芯片來自于不同的廠家，其有源區多量子阱結構不同。

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

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

3.3 結溫與色溫的關系

圖5為LED樣品結溫與色溫的關系。隨著結溫的升高，LED的色溫逐漸增大，且與結溫呈現出線性關系。當積分球底座的溫度從20℃調節到70℃時，結溫從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色溫隨結溫的變化系數約為7.664 K/℃。LED色溫隨著結溫的升高而升高，是因為結溫升高了，光源發出的光的顏色發生了變化，藍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，導致黃光的輻射通量進一步降低。

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

3.4 結溫與顯色指數的關系

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

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

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

3.5 結溫與光通量的關系

光通量是表征電光源質量高低的一個重要指標。假設某輻射體發出的光線是波長為λi的單色光，該輻射體單位時間內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程度的物理量。國際照明委員會(CIE)根據對許多人的大量觀察結果，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。我們把單色輻射通量ΔFi與視見函數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。

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

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

圖8 藍光LED的光通量的瞬態特性Fig.8 Transient behaviour of luminous flux of bule LED

4 結 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，發現其電阻隨著溫度的升高而增大，并且呈一定的指數關系，利用這一關系可較為準確地測得LED的結溫。對LED的光學特性與結溫的關系進行測量，發現結溫升高，白光LED的色溫、峰值波長、顯色指數均增大，且呈一定的線性關系。結溫升高，白光LED的光通量降低，同樣呈現出一定的線性關系。

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