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1、第5 7卷第1期2 0 0 8年1月1 0 0 0. 3290/2008, 57 （ 0 1 ） 1 0 4 7 7. 05物理学报ACTAPHYS I CAS INI CAV01. 57, No. 1, January。2 0 0 8 2 0 0 8Chin. Phys. Soe.大功率G aN基发光二极管等效用联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响*李炳乾1 刘玉华1 冯玉春2 1 ）（佛山科学技术学院光电子与物理学系，佛山5 2 8 0 0 0 ）2）（深圳大学光电子学研究所，广东省光电子器件与系统重点实验室，光电 子器件与系统教育部重点实验室，深圳5 1 8 0 6 0 ）（2007年3
2、月14日收到；2007年5月24日收到修改稿）由于自加热效应的存在，大功率GaN基发光二极管（LED）的芯片温度有 可能高出环境温度很多，实验中，芯片温度超出环境高达1 4 7K.从实验测量的 大功率L ED电流电压特性曲线中，将p n结和等效用联电阻上的电压降落分离 出来，得到了大功率LED等效用联电阻随芯片温度的变化情况.在输入电功率自 加热效应的影响下，大功率GaN基LED等效用联电阻呈现出剧烈的变化，其阻 值由低输入功率时的1 . 2 0降低到0 . 9 Q,然后再升高到1 . 9Q,等效用联电阻的功率耗散在输入功率中所占的比例也随着输入功率的增加迅速 增加，最高时接近5 0%,成为大
3、功率输入时影响L ED流明效率的主要因素.关键词：自加热，等效用联电阻，发光二极管，流明效率PACe: 7280E, 7865P, 7860F, 7840G对L E D的光电特性产生很大的影响b o.1 .引言6 m i t t i n g实际的C aN基L ED可以看作由一个理想的二极管和一个等效用联电阻组 成，本文通过大功率发光二极管（lightdiodes。LEDs）的发光LED的电流.电压特性曲线，将耗散在P. n结和等效用联电阻上的功率分离出来，研究了它们对于大功率L ED发光效率的影响， 指出了 P型G aN基材料电阻率过大仍然是影响G aN基大功率L ED发光效率的 主要因素，降
4、低P型GaN基材料的电阻率，可以效率包括内量子效率（光的产生效率）和提取效率两个部分，其中提取效率由 芯片及封装的几何结构和材料光学特性决定，内量子效率反映出载流子在结区的辐 射复合概率.内量子效率表现出很强的温度依赖特性，发光强度随温度的变化而改 变，同时温度还会改变材料的能带宽度，使得LED的波长产生有效降低大功率L E D的等效用联电阻以及消耗在等效用联电阻上面的电功率，提高大功率L ED发光效率.飘移怛J.由于所谓的自加热效应，在LED使用过程中，发光波长也会随着输入电流改变而发生变化 1 .大功率LED被认为是 全固体照明的基本器件，只有2 .自加热效应对能带宽度和反向饱和电流的影响
5、半导体材料的能带宽度表现出很强的温度依赖特性，随着温度的升高，能带宽 度呈现出单调下降的趋势，其关系可以用V a r s h n 1公式 描述为当单个封装L ED输入功率达到5 W,流明效率达到2 0 0 1 m/W时，半导体照明技术才有可能同传统照明光源展开全面竞争1 .输入LED的电功率，除了一部分转换为可以输出的光能量之外，其余能量都 直接或间接地转换为热量耗散在LED中，引起所谓自加热”效应。使LED芯片温度升高.在大功率输人情况下，即使对于经过严格散热设计，热阻很小的E c (丁)= E c ( o ) 南，0个2r(1)其中，r是绝对温度，单位为K, EG (r)和E。(0)分别是
6、温度F和。 K的能带宽度，单位为eV, 口，9是大功率L E D ,自加热效应引起的芯片温度改变也会*广东省自然科学基金（批准号：0 4 0 1 1 6 4 2 ）,佛山市科技发展专项 基金（批准号：0 4 0 3 0 0 2 1 ）,教育部光电子器件与系统重点实验室开放基 金资助的课题.4 7 8物理Va r s h n i温度系数.根据文献报道，在GaN材料中,口 =8. 32 X10 e V/K, J9 = 835. 6K, Ino. J4Ga o .断N材料I的t 1 / = 1 0 XI 0 e V/K, 口= 1 1 9 6 K.由于本文采用的发 光层组分IIlo. sG a o
7、. 8N材料（石=0.20）与文献8 （菇= 0.14）的材料组分接近，因此，忽略弯曲因子不会出现很大误差，在忽略弯曲 因子的情况下，可以得到Ino. 2 0 G a o .帅N材料的口= 10.72XI 0一 e V/K, J 9 =1 3 5 0. 4 K.反向饱和电流，0是二极管方程中的重要参数，与温度和能带宽度的关系可以 用下列公式描述：I o = A e ,占.（r ）2 2）式中A是与P. n结的类型、掺杂浓度、几何尺寸以及构成P. n结的材料等 有关的系数，厅为理论因子，k为玻耳兹曼常数.从（2）式可以看出，一方面， 温度的增加可以直接引起（2）式中指数部分单调减小，另一方面，温
8、度增加还会引起能带宽度的减小，在这两方面的共同作用下，反向饱和电流表现出很强的温度 依赖特性，影响着LED的，.y特性.3 .自加热效应对芯片温度的影响实验中，采用美国CREE公司生产的商品化大功率蓝光LED芯片(CA6 0 XB 9 0 0 ),这种芯片采用C R E E公司特有的S i C衬底技术，在衬底上依 次淀积有n型G a N层、多量子阱(multi, quantum well,M QW)发光层，P型G a N层.芯片尺寸900gtm X9 00/. t m,其中发 光区域尺寸8 4 8g m X8 4 8t t m .封装时，将芯片共晶焊接在导热性能极佳的A IN陶瓷基座中，陶瓷基
9、座焊接在2 0n 1 n 1 X2 0n u n的金属线路板上，另外，A 1N陶瓷基座上还制备有与外界形成电路连接的金属电极.在完成引线焊接 之后，在芯片表面涂敷适量的荧光粉以及起到保护作用的硅胶和环氧树脂.在分析 自加热效应时，如果能够将器件热阻分解为P n结到衬底热阻、芯片焊接热阻、 金属线路板热阻三个部分，将会大大提高实验的准确性和科学性，由于电学法测量 热阻| 9 的局限性，仅得到大功率LED的P . n结到金属线路板的总的热阻由约1 4 C/W,散热性能大大优于传统的引线封装结构.测量时，将大功率白光LED固定在直径4 5 mm,长度为6 0mm的紫铜基座上，使其满足无限大热沉条件，
10、这时，p n结到环境的热阻卜近似等于通电后，一部分电能转换成光能量输出，其余部分以学报5 7卷热量形式耗散在L ED芯片中，这种输入功率引起的自加热效应将导致芯片温 度升高，芯片p n结(发光区)温度瓦可以表示为T i = (Po -P。) i c +T c ,(3)式中，Po =, *丫是输入电功率，Po为LED输出光功率，。为P n结到环境的热阻，t为环境温度.图1 (a)是大功率白光LED的输入电功率和输出光功率关系曲线，图1 (b)是根据(1)式得到的芯片温度随输入功率的变化关系曲线，测量时环境温 度保持在2 5C,从图中可以看出，开始时，输出光功率随着输入电功率的增加而 增加，但是其
11、增加的速率随着输入电功率的增加而减小，直至出现光输出饱和现象，即光输出不随电 功率增加而增加，这时，如果继续增加输入电功率，光功率输出反而会出现下降的 情况，输入电功率和输出光功率二者关系严重偏离线性，但是芯片温度与输入电功 率近似成线性关系，这主要是因为输入LED的电功率中，只有不到2 %的电能转 换为输出光能量，P, . Po简化为P,也不会给芯片温度计算带来很大误差.另 外，由于芯片尺寸很小，芯片内部各层的温度差别很小，将P. n结温度理解为整个芯片的温度将会给数据分析和处理带来很大方便，而 且不会造成实验结果出现大的误差.，。/w图1大功率白光L ED输出光功率和芯片温度随输入功率的关
12、系4.自加热效应对等效用联电阻的影响实际的二极管可以看作一个理想二极管与等效电阻串联而成，L ED工作时的 额定电流往往达到十几mA甚至几百mA （功率型），满足大注入条件，在这种情 况下，欧姆接触引起的压降也不能忽略，可以1期李炳乾等：大功率G aN基发光二极管等效用联电阻的功率耗散及其对发光效 率的影响4 7 9将LED看作一个理想二极管与等效电阻串联而成，其电流.电压方程近似写 为,F = , o e 一矿， 0口（ y F R。，F）（4）其中V,分别是输入电压和输入电流，q为电子电荷，Ro是等效用联 电阻.为了描述方便，上式可以改写为心字，n （鲁）+平旭t （六）图2 （ a）给出
13、大功率白光L ED电流.电压特性曲线.当电压在02. 65 v之间，电流小于2 0 mA,降落在串联电阻上的电压与降落在p n结上的电压相比可以忽略，LED的二y特性主要由(5)式右边第一、二项决定，由于此 时输入功率很小，自加热效应引起的芯片温度升高不到0 . 2 K,温度变化对能带 宽度和反向饱和电流的影响可以忽略，可以近似将温度r和能带宽度E。看作常 数.对这一部分的二y特性实验数据进行拟和，得到忽略白加热效应时理想二极管 的特征参数，1=2. 50,。= 8. 24 XI 0 8 mA,这里，理想因子的 数值大于2,主要是因为在异质结和多量子阱结构p-n结中，载流子辐射复合概 率很高造
14、成的，与理论结果非常接近训.随着输入功率增加，LED芯片的温度 变化对Zy特性的影响变得重要起来，这时，应该将自加热效应引起的温度升高的 影响考虑进去，图2 (b)是考虑了自加热效应后，理想二极管的二y特性.对比 图2 (a)的实验数据和图2 (b)上理想二极管的电压降落，可以得到不同电流 下等效用联电阻上的电压降落，如图2 (c)所示，从图中可以看出等效用联电阻 上的电压与电流并不是线性关系，曲线的斜率dV。I d 1 ,随着电流和电压的增 加呈现出增加的趋势，也就是说在大功率输入的情况下，LED的等效用联电阻并 不是一个常数.对于GaN基LED,等效用联电阻由P型层电阻、n型层电阻以及p
15、n结 电阻等三部分组成，由于G a N基材料P型的电阻率比n型电阻率高出一个数量级 以上，可以认为等效用联电阻主要产生在P型层中.为了更进一步分析等效用联 电阻随输入功率的变化情况。以芯片温度为纵坐标，图3给出了等效用联电阻随温 度的变化关系，这里温度的变化主要由自加热效应引起.从图中可以看出，等效用 联电阻呈现出先降后升的变化趋势，影响等效电阻值的因素主要有电离杂质和品格 散射两种机理.在温度较低时，电阻率主要由电离杂质决定，随着温度升高，电离 的杂质数量增加，材料的迁移率增大，相应的电阻g璜粤电压/V图2大功率白光LED电流.电压特性曲线a艇图3等效电阻值与芯片温度的变化关系率下降（图3中A段）.在温度较高时，杂质已经全部电离，本征激发还不十 分显著，晶格振动散射加剧，使得迁移率随温度升高而降低，电阻率随温度升高而 增大（图3中C段），在4 2 6 K时，等效用联电阻达到1 . 8 8- 1 .在图3 中B段，杂质电离和晶格散射共同作用，二者对电阻率的影响互相抵消，在这个温 度范围里，电阻率随温度的变化较小，等效用联电阻基本上在0 . 9 5Q左右，约 为4 2 6 K时的1/2 .5 .等效用联电阻功率耗散对大功率白光L ED流明效率的影响
