结温对GaN基白光LED光学特性的影响

钟文姣，魏爱香，招 瑜

(广东工业大学材料与能源学院，广东广州 510006)

1 引 言

发光二极管(LED)具有耗电低、寿命长、响应时间快、绿色环保等优点，被称为继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯后的第四代光源［1］。随着LED芯片材料、结构和封装技术的不断进步，LED的应用将越来越广泛，在照明领域有着巨大的发展潜力［2］。pn结的结温是大功率LED的重要参数之一，它对LED器件的出光效率、光色、器件可靠性和寿命均有很大影响，准确测量LED器件的结温对制备大功率LED芯片、器件封装和应用有很大的指导意义。

目前，测量LED结温的方法主要有正向电压法［3］、管脚温度法［4］、峰值波长定标法［5］、蓝白比法［6］以及红外摄像法［7］等。温度的浮动对 LED光源的特性有很大的影响，结温升高会出现光输出显著变化和峰值波长漂移等现象。因此，研究LED结温与光谱特性的相关性是很有意义的。本文采用一种新的结温测量方法，研究了结温与LED器件的峰值波长、显色指数、色温、光通量的关系。

2 实 验

首先在来自于台湾晶元公司的芯片(45 mil)上涂覆YAG∶Ce3+黄色荧光粉，制备了一个白光LED样品。该芯片具有两个独立的N电极，在两个N电极上分别引线与支架的两端相连，将电源的正极加在P电极端，负极接在任意一个N电极端均可点亮LED样品，这两个N极间的电阻可用伏安法进行测量。将封装好的LED置于鼓风干燥箱里，采用Keithley 2400测量这两个独立N电极之间的n-GaN材料在不同温度下的电阻。

用脉冲电源Gwinstek PSW30-36驱动LED，高占空比的电流用来确保LED的工作状态与直流电源驱动的效果接近。在脉冲电源的输出电流为0时，用Keithley 2400测量两个独立N电极之间GaN材料的电阻。利用上面拟合得到的结温与电阻的关系，得到LED工作状态的结温。

将LED样品放入浙大三色的光谱辐射分析仪SL-300的积分球里，将脉冲电源 Gwinstek PSW30-36设置为恒流输出，电流大小为0.32 A，占空比为97.5%，驱动LED的时间为10 min。用Keithley 2400测量两个独立N电极之间GaN材料的电阻，10 min后将脉冲输出改为直流输出，用浙大三色的光谱辐射分析仪SL-300对LED的光学特性进行测量。其测试电路如图1所示。改变积分球底板的温度，使其从25℃上升到65℃，每次上升5℃，达到改变LED结温的目的。测量不同的积分球底板温度下，LED芯片内的GaN材料的电阻及其光学参数，得到结温与LED器件的峰值波长、显色指数、色温、光通量的关系。

图1 测试电路示意图Fig.1 Schematic of the measurement circuit

3 实验结果与分析

3.1 结温的测量

在分析测量结果之前，我们建立了一套方程来描述半导体材料的电阻随温度变化的规律。在所测量的温度范围内，中等掺杂的n型GaN材料可以认为是完全电离的，即n=ND，ND为施主杂质浓度。

这里l和S分别为电阻的长度和横截面积，q代表一个电子所带电荷量的绝对值，本文将这3个参数当成常数，受温度的影响忽略不计。因此，只考虑电阻与电子迁移率μn成反比。GaN材料的电子迁移率μn可用如下公式［8］来描述:

其中 μmax、B、α、β 是模型参数，T0是当时测量的环境温度。将式(2)代入式(1)，电阻的公式可以表示为:

这里R(T0)为 n-GaN在环境温度下的电阻。在我们的测试中，R(T0)=4.763 4 Ω，当时的室温为T0=297.8 K，利用最小二乘法对实验数据按照公式(3)进行拟合，结果如图2所示。拟合结果和电阻测量值高度吻合，拟合结果如下:B=11.906，α =0.393，β =4.05。通过拟合，我们得到了所用LED器件GaN材料的电阻与温度的关系。

图2 不同干燥箱温度下的n-GaN的电阻Fig.2 Resistance of n-GaN as a function of oven temperature

得到LED样品两个独立N电极之间GaN材料的电阻与结温的关系之后，要得到LED的结温，只需测量两个独立N电极之间GaN材料的电阻即可。由于LED的工作电压的影响，无法对LED两个独立N电极之间GaN材料的电阻进行测量。我们采用占空比为97.5%的脉冲电源Gwinstek PSW30-36来驱动LED，即脉冲电源的输出电流在0.975 个周期内为0.32 A，剩余的0.025个周期内为0。用Keithley 2400在脉冲电源输出电流为0时测量LED两个独立N电极之间GaN材料的电阻，每次测量的时间长于LED的结温达到稳定的时间。

3.2 结温与峰值波长的关系

以蓝光LED芯片为激发源，激发荧光粉发出峰值为560～580 nm的黄绿色光与芯片自身发出的蓝光组成白光是获得白光LED的方法之一。光谱仪所测得的峰值波长还是芯片发出的蓝光的峰值波长，有源区的禁带宽度所决定。当芯片的温度升高时，由有源区的禁带宽度变窄，峰值波长红移［9］。

图3为白光LED样品的光谱曲线。图中左边部分为芯片直接发射的蓝光，其峰值波长约为450 nm;右边部分为激发出的荧光，其峰值波长为550 nm左右。图4为不同结温下白光LED的峰值波长。在结温从室温上升到125℃的过程中，该样品的峰值波长由445.5 nm增加到446.8 nm。通过线性拟合，由图4知结温升高引起的波长漂移的平均温度系数为0.015 6 nm/℃，这一结果与文献［10］报道的热效应引起的峰值波长的平均温度系数为0.028 57 nm/K和0.039 29 nm/K接近，数值不同是由于所用的芯片来自于不同的厂家，其有源区多量子阱结构不同。

图3 不同结温下白光LED的光谱Fig.3 PL spectra of white LED at different temperature

图4 不同结温下白光LED的峰值波长Fig.4 Peak wavelength of white LED at different temperature

3.3 结温与色温的关系

图5为LED样品结温与色温的关系。随着结温的升高，LED的色温逐渐增大，且与结温呈现出线性关系。当积分球底座的温度从20℃调节到70℃时，结温从38.11℃变到了97.28℃，色温从8 448 K升高到9 198 K。通过线性拟合，得到LED色温随结温的变化系数约为7.664 K/℃。LED色温随着结温的升高而升高，是因为结温升高了，光源发出的光的颜色发生了变化，蓝绿光的组分增多或者说黄光的组分减少。温度升高则峰值波长红移，蓝光的辐射通量降低，黄光的辐射通量也会降低;同时温度升高会影响荧光粉的性能，导致黄光的辐射通量进一步降低。

图5 不同结温下白光LED的色温Fig.5 Color temperature of white LED at different temperature

3.4 结温与显色指数的关系

显色性是光源的重要指标。太阳光的显色指数(Ra)定义为100。显色指数大于80的光源就可以认为是较好质量的白光，适用于对显色性要求较高的室内照明;而大于95则可应用于视觉要求高的场合。

图6为LED结温与显色指数的关系。随着结温的上升，LED的显色指数逐渐增大，且与结温呈现出线性关系。通过线性拟合，得到LED显色指数随结温的变化系数约为0.022/℃。显色指数随结温的上升而增大的原因与色温相同，均由于光的颜色中蓝光所占的比例增大，黄光所占的比例减小。

图6 不同结温下白光LED的显色指数Fig.6 Rendering index of white LED at different temperature

3.5 结温与光通量的关系

光通量是表征电光源质量高低的一个重要指标。假设某辐射体发出的光线是波长为λi的单色光，该辐射体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量Fi，该能量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量φi，它表示单位时间流出光能的大小，单位是lm。光通量是人的眼睛对辐射通量的反应程度的物理量。国际照明委员会(CIE)根据对许多人的大量观察结果，用平均值法确定了人眼对各种波长的平均相对灵敏度，称为人眼的视见函数。我们把单色辐射通量ΔFi与视见函数ν(λi)之积称为波长 λi的单色光通量 Δφi，Δφi=ΔFiν(λi)，把所有的单色光通量加起来就是光通量φ:

其中，e(λ)为光谱辐射能通量，也称为辐射功率;ν(λ)为人眼的视见函数。

图7为LED结温与光通量的关系。随着结温的上升，LED的光通量由47.861 lm减少到45.842 lm，且与结温呈现出线性关系。通过线性拟合，得到LED光通量随结温的变化系数约为－0.032 5 lm/℃。由图8可以看出，随着点亮时间的增加，结温上升，但光通量在结温上升的过程中增大，表明LED的峰值波长红移，使得蓝光部分的辐射通量与视见函数的积分变大，而黄光部分的辐射通量与视见函数的积分变小，蓝光部分的辐射通量与视见函数的积分变大的量小于黄光部分的辐射通量与视见函数的积分变小的量，所以白光的光通量随温度的升高而变小。

图7 不同结温下白光LED的光通量Fig.7 Luminous flux of white LED at different temperature

图8 蓝光LED的光通量的瞬态特性Fig.8 Transient behaviour of luminous flux of bule LED

4 结 论

通过对自制的LED样品两个独立N电极之间的GaN材料的电阻进行测量，发现其电阻随着温度的升高而增大，并且呈一定的指数关系，利用这一关系可较为准确地测得LED的结温。对LED的光学特性与结温的关系进行测量，发现结温升高，白光LED的色温、峰值波长、显色指数均增大，且呈一定的线性关系。结温升高，白光LED的光通量降低，同样呈现出一定的线性关系。

［1］Steranka F M，Bhat J，Collins D，et al.High power LEDs—Technology status and market applications［J］.Phys.Status Solidi(a)，2002，194(2):380-388.

［2］Zhang J P，Liu Y，Cheng G L，et al.Constant stress accelerated life test of white OLED based on MAM［J］.Chin.J.Liq.Cryst.Disp.(液晶与显示)，2012，27(1):61-65(in Chinese).

［3］Klassen D B M.A unified moblity model for device simulaton I.Model equations and concentration dependence［J］.Solit-State Electronics，1992，35:953-959.

［4］Hong E，Narendran N.A method for projecting useful life of LED lighting systems［J］.SPIE，5187:93-99.

［5］Gu Y，Narendran N.A non-contact method for determining junction temperature of phosphor-convertedwhite LEDs［J］.SPIE，5187:107-114.

［6］Chen T，Chen Z Z，Lin L，et al.Methods for determining junction temperature of GaN-based white LEDs［J］.Chin.J.Lumin.(发光学报)，2006，27(3):408-411(in Chinese).

［7］Vaitonis Z，Vitta P，Zukauskas A.Measurement of the junction temperature in high-power light-emitting diodes from the high-energy wing of the electroluminescence band ［J］.Appl.Phys.，2008，103(1):93-110.

［8］Mnatsakanov T T，Levinshtein M E，Pomortseva L I，et al.Carrier mobility model for GaN［J］.Solid State Electron.，2003，47(1):111-115.

［9］Senawiratne J，Chatterjee A，Detchprohm T.Junction temperature，spectral shift，and efficiency in GaInN-based blue and green light emitting diodes［J］.Thin Solid Films，2010，518(6):1732-1736.

［10］Ding T P，Guo W L，Cui B F，et al.The effect of temperature on the PL spectra of high power LED ［J］.Spectrosc.Spect.Anal.，2011，31(6):1450-1453.