大功率GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响

大功率 GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散 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 528000) 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 518060) ( 2007年 3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 147 K.从实验测量的大功率 LED电流电压特性曲线中, 将 p-n 结和等效串联电阻上的电压降落 分离出来, 得到了大功率 LED等效串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等效串联电阻呈现出剧烈的变化, 其阻值由低输入功率时的 112 8 降低到 019 8 ,然后再升高到 119 8 , 等效串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 50% ,成为大功 率输入时影响LED流明效率的主要因素 . 关键词: 自加热, 等效串联电阻, 发光二极管, 流明效率 PACC: 7280E, 7865P, 7860F, 7840G * 广东省自然科学基金(批准号: 04011642) ,佛山市科技发展专项基金(批准号: 04030021) ,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. 11引 言 发光二极管( light emitt ing diodes, LEDs)的发光 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 [ 1] ,同时温 度还会改变材料的能带宽度,使得 LED的波长产生 飘移[ 2] . 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 [ 3] . 大功率 LED被认为是全固体照明的基本器件, 只有 当单个封装 LED输入功率达到 5W, 流明效率达到 200lmPW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[ 4] . 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0效应, 使 LED芯片温度升高. 在大功率输 入情况下,即使对于经过严格散热设计,热阻很小的 大功率LED,自加热效应引起的芯片温度改变也会 对 LED的光电特性产生很大的影响[ 5] . 实际的 GaN基 LED可以看作由一个理想的二 极管和一个等效串联电阻组成, 本文通过大功率 LED的电流-电压特性曲线, 将耗散在 p-n结和等效 串联电阻上的功率分离出来, 研究了它们对于大功 率LED发光效率的影响,指出了 p型 GaN基材料电 阻率过大仍然是影响 GaN基大功率 LED发光效率 的主要因素,降低 p型 GaN 基材料的电阻率, 可以 有效降低大功率 LED 的等效串联电阻以及消耗在 等效串联电阻上面的电功率, 提高大功率 LED发光 效率. 2. 自加热效应对能带宽度和反向饱和 电流的影响 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Varshni公式[ 6]描述为 E G ( T ) = EG ( 0) - AT 2 B+ T , ( 1) 其中, T 是绝对温度, 单位为 K, EG ( T )和 EG ( 0)分 别是温度 T 和 0K的能带宽度,单位为 eV, A, B是 第 57 卷 第 1期 2008 年 1月 1000-3290P2008P57( 01)P0477-05 物 理 学 报 ACTA PHYSICA SINICA Vol. 57, No. 1, January, 2008 n 2008 Chin. Phys. Soc. Varshni温度系数.根据文献报道,在 GaN材料中 [ 7] , A= 8132 @ 10- 4 eVPK, B= 83516 K, In0114Ga0186N 材 料[ 8]的 A= 10 @ 10- 4eVPK, B= 1196 K.由于本文采用 的发光层组分 In0120Ga0180N 材料 ( x = 0120) 与文献 [ 8] ( x = 0114)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 In0120Ga0180N材料的 A= 10172 @ 10- 4 eVPK, B= 135014 K. 反向饱和电流 I 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 0 = Ae - E G ( T ) nkT , ( 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, n 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 I-V 特性. 31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 ( C460XB900) , 这种芯片采用 CREE公司特有的 SiC衬底技术,在衬底上依次淀积 有n 型 GaN 层、多量子阱( mult-i quantum-well, MQW) 发光层, p型 GaN层.芯片尺寸 900 Lm @ 900 Lm,其 中发光区域尺寸848 Lm@ 848 Lm.封装时,将芯片共 晶焊接在导热性能极佳的AlN陶瓷基座中, 陶瓷基 座焊接在 20 mm @ 20 mm 的金属线路板上, 另外, AlN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 ( j- b约 14 e PW,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 45mm, 长度为 60mm 的紫铜基座上, 使其满足无限大热沉 条件, 这时, p-n结到环境的热阻 ( -j a近似等于 ( -j b . 通电后,一部分电能转换成光能量输出,其余部分以 热量形式耗散在LED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 T j 可以表示为 T j = ( P e - Po ) ( j- c + T C, ( 3) 式中, P e = I* V 是输入电功率, P o 为LED输出光 功率, ( -j c 为 p-n结到环境的热阻, T c 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 25 e , 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, Pe- Po 简化为 p e 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. 图 1 大功率白光 LED 输出光功率和芯片温度随输入功率的 关系 41自加热效应对等效串联电阻的影响 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, LED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 478 物 理 学 报 57卷 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 IF = I 0e q( V F - R s I F ) nkT , ( 4) 其中 VF , I F 分别是输入电压和输入电流, q 为电子 电荷, Rs 是等效串联电阻. 为了描述方便, 上式可 以改写为 VF = nkT q ln I F A + EG ( T ) q + Rs I F. ( 5) 图 2( a)给出大功率白光 LED电流-电压特性曲 线.当电压在0 ) 2165 V之间,电流小于 20 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 I-V 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 012 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 T 和能带宽度E G看作常数.对这一部分的 I-V 特性 实验数据进行拟和, 得到忽略自加热效应时理想二 极管的特征参数 n = 2150, I o = 8124 @ 10- 18 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 造成的,与理论结果非常接近 [10] . 随着输入功率增 加, LED芯片的温度变化对 I-V 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 I-V 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 下等效串联电阻上的电压降落,如图 2( c)所示,从 图中可以看出等效串联电阻上的电压与电流并不是 线性关系, 曲线的斜率 d VSPdI F 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的等效串联电阻并不是一个常数. 对于GaN基LED, 等效串联电阻由 p型层电阻、 n型层电阻以及 p-n结电阻等三部分组成,由于 GaN 基材料 p型的电阻率比 n型电阻率高出一个数量级 以上[ 11] ,可以认为等效串联电阻主要产生在 p 型层 中.为了更进一步分析等效串联电阻随输入功率的 变化情况,以芯片温度为纵坐标,图 3给出了等效串 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,等效串联电阻呈 现出先降后升的变化趋势, 影响等效电阻值的因素 主要有电离杂质和晶格散射两种机理. 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 图 2 大功率白光LED电流-电压特性曲线 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426 K时,等效串联电阻 达到 1188 8. 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, 等效串联电阻 基本上在 0195 8 左右,约为 426 K时的 1P2. 51等效串联电阻功率耗散对大功率白 光 LED流明效率的影响 在大功率白光 LED中, 当输入电压小于开启电 压的时候,电流很小,等效串联电阻上的电压降落也 很小, 这时, 输入的电功率主要消耗在 p-n 结上. 随 着电压增加, 电流也开始迅速增加,等效串联电阻上 的电压降落迅速增加,相应地,消耗在等效串联电阻 上的功率 PR = VRIF 占总输入功率的比例也随着电 压和电流的增加迅速增加, 如图 4( a)所示, 在输入 电压在0 ) 2175V之间, P RPP e 在 1%以下,输入电压 4791 期 李炳乾等: 大功率 GaN基发光二极管等效串联电阻的功率耗散及其对发光效率的影响 在2175V ) 610V, P RPP e 迅速增加到 48%. 与此不同 的是, 虽然 p-n结消耗的功率 PD = VD IF 也在不断 增加,但是由于降落在 p-n 结的电压增长速度比较 慢, p-n结消耗的功率占总输入功率的比例却随着 输入电压增加开始减小, 如图 4( b)所示. 图 4 输入功率在 p-n结和等效串联电阻上的分配比例与输入 电压的关系 消耗在等效串联电阻上的功率都转换成热能耗 散掉, 对光子的产生没有任何贡献, 因此, 等效电阻 消耗功率的迅速增加必然会导致大功率白光 LED 流明效率的降低.为了描述等效电阻消耗功率对流 明效率的影响, 我们定义 p-n结流明效率 Gp-n =