功率型LED电压温度系数的研究

引言

功率型LED是向固体照明发展过程中的关键器件。而功率型LED的性能受结温的影响极大。LED的温升效应会降低发光效率。缩短寿命并影响其光度、色度与电气参数。因此，对功率型LED的结温进行准确快速测量就显得十分必要。测量LED结温的主要方法有：红外微相仪法，电学法，光谱法及光功率法。其中，电学法利用LED在恒定电流下正向电压与温度成线性反比关系来测量芯片的结温。该方法因其操作简单，精度高而得到广泛运用。

在利用电学法测量功率型LED结温时，首先要知道LED正向电压随温度的变化关系和小电流下电压温度系数的大小。LED电压温度系数还是一个随正向电流变化的物理量，研究其变化规律对LED结温测试的结果是至关重要的。文献中研究了各种LED的电压温度系数，但他们均来指出LED电压温度系数与正向电流的变化关系。本文理论和实验上研究了这个问题。

1、理论背景

　　式中Is为反向饱和电流，e为电子电量，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，n为理想因子。当载流子的主要输运机制为扩散电流时，n＝1；当载流子的主要输运机制为复合电流时，n＝2。因此对于扩散-复合模型n应介于1～2之间。Is是温度的函数，在半导体材料杂质全部电离、本征激发可以忽略的条件下有：

式中A是结面积；C是与结面积、杂质浓度等有关的常数；Vg0是绝对零度时PN结材料的导带底和价带顶的电势差。计算中假设载流子的扩散系数和平均寿命与温度无关。

串联电阻Rs为体电阻和接触电阻之和。接触电阻相对于体电阻很小，可忽略。对于PN＋型二极管，Rs主要由 P区材料的体电阻决定。对于P＋N型二极管，Rs主要由n区材料的体电阻决定。下面假设Rs主要由p区材料的体电阻决定。因此串联电阻RS可表示为：

　　这就是LED正向电压作为正向电流与温度的函数表达式。其中VJ为PN结压降，VR为LED上串联电阻的压降。

由以上可知，电压温度系数主要是由本征载流子浓度，正向电流表达式的指数项，载流子浓度等随温度变化而引起的。应当指出，由于实际LED样品不可能是一个理想的PN结，因此式（4）、（7）所描写的并不是严格的定量关系。

2、测试系统和实验方法

测试系统如图1所示，LED热沉紧贴在传热样品架上，使用真空泵抽真空绝热和利用ARS DE-202AI低温循环制冷系统控制功率型LED内部热沉的温度，达到精确控制结温的目的。LakeShore331温控器的控温精度为0.1k。YOKOGAWAGS610测量信号源具有可编程电流输出和自动扫描测量的功能。

实验样品由厦门华联电子有限公司提供的AIGalnP，In-GaN系1W功率型LED。图2为被测试功率型LED器件结构，器件使用多量子阱结构和金属镜面反射层提高出光效率，外延层的原衬底被移除并键合上热导率高的材料。

实验方法如下：变温范围为60～350K，待温度稳定在设定值时，测量LED的IV关系，电流源输出范围为0.1～200mA，采用脉冲模式线性扫描，脉冲宽度为1ms，占空比为0.1%，脉冲宽度足够短，可以忽略大电流对LED的加热影响。最后的实验数据传到计算机处理。

3、实验结果分析

图3为实验得到的3个LED在不同电流下的T-VF图。由图可知，AlGaInP红光LED的T-VF关系按温度范围明显可分为低温区与高温区，分界线依电流不同在110～200 K不等；InGN绿光LED低温区与高温区分界线在160K附近，但分界线相对AIGalnP LED模糊；InGN白光LED分界线也在160K附近，但更为模糊。它们的T-VF关系有以下几个特点：

1）在低温区正向电压随温度减小而突然急剧增大，这是因为当温度低到半导体材料杂质电离发生困难时，材料的体电阻率随着温度的下降急剧增大，所测得的电压主要是串联电阻

上的压降VR。且由式（6）可知，突变温度由受主杂质激活能，正向电流决定。低温区的T-VF关系可近似看做是线性关系。

2）在高温区两者为线性反比关系。这是因为在高温区，串联电阻上的压降VR反而很小，对正向电压VF的贡献主要在VJ上。在VJ中第三项是非线性的，但在温度足够高时，有。

所以在高温区可把VF看作两个线性函数之和，仍然是一个线性函数。LED电压温度系数的研究

3）正向电流越大高温区的线性变化范围越小，线性度越差。文献的实验结果也证实了这一点。文献中测的是在20～100mA间GaN基LD的T-VF关系，文献中测的是在10～100mA间AIGaN紫外LED的T-VF关系。文献中测的是在10～100mA间InGaN紫外、蓝光、绿光LED和AlGaInP红光LED的T-VF关系。

理论很好地解释了图3的实验结果。发现样品中红光LED在低温区时正向电压随温度变化的幅度较大，绿光LED次之，白光LED最小。高温区可视为LED正常工作温度范围。若在更高温区，即当温度升高到本征激发显著增加时，PN结正向电压随着温度的增加将变得比较缓慢，会造成新的非线性。根据本征激发载流于浓度

可知，在同样温度下，禁带宽度越大的材料，本征激发的载流子浓度越低，说明在高温区有较宽的线性范围。

下面分析高温区的电压温度系数与正向电流的关系。我们把实验数据中T-VF曲线的高温区（取260～350K）进行了线性拟合，相关系数都在0.99以上，得到电压温度系数S，并作出各个LED的IF-S图（如图4）。从式（7）可知，电压温度系数与正向电流，温度有关。其中式（7）的第 2项[（3nk/e）lnT]在高温区随温度变化较缓慢，可视为常数；第4项的[（1.5kT＋Ea）/2kT2]Rs因子在高温区近似为一很小的常数；其它项为常数。

因此在高温由式（8）可知，在高温区，小电流时电压温度系数与正向电流成负对数关系，图4的3个内置小图也证实了这一点；大电流时二者成线性正比关系，斜率与串联电阻有关，这在图4红光LED的IF-S图中得到很好