基于自動(dòng)溫控光譜測(cè)試系統(tǒng)的深紫外LED光電特性研究*

林 丹，王 巧，王君君，胡金花，盧瀚侖，劉寧煬，陳志濤

廣東省半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510650

紫外波段按照波長(zhǎng)可以劃分為: 長(zhǎng)波紫外UVA(320～400 nm)、中波紫外 UVB(280～320 nm)、短波紫外UVC(200～280 nm)以及真空紫外VUV(10～200 nm).此外，通常將發(fā)射波長(zhǎng)短于300 nm的發(fā)光二極管(LED)稱為深紫外LED.深紫外LED在生物醫(yī)療、衛(wèi)生消毒、防偽鑒定、以及空氣和水凈化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1].快速準(zhǔn)確地測(cè)定器件工作電壓、輻射通量、輻射波長(zhǎng)、熱阻和結(jié)溫等參數(shù)，對(duì)于深紫外LED的器件研發(fā)、產(chǎn)品性能標(biāo)定和實(shí)際應(yīng)用具有關(guān)鍵的作用，然而當(dāng)前深紫外LED光電參數(shù)的快速準(zhǔn)確表征仍面臨著巨大的挑戰(zhàn).一方面，由于高能輻射光子對(duì)傳統(tǒng)積分球的硫酸鋇高反射涂層具有顯著的老化作用、器件輻射通量低以及缺少標(biāo)準(zhǔn)燈等因素，深紫外LED的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)測(cè)試系統(tǒng)要求非常高，而相關(guān)權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái).另一方面，高Al組分AlGaN與藍(lán)寶石等襯底之間存在很大的晶格失配，而隨著Al組分增加器件摻雜受主激活能迅速增加、全反射臨界角減小.目前，深紫外LED性能仍受到外延材料位錯(cuò)密度大、材料摻雜和器件接觸工藝?yán)щy、C面光提取效率低等問題的嚴(yán)重限制[2-3].在此情況下，絕大部分深紫外LED的電光轉(zhuǎn)換效率仍處于10%以下[4]，低的電光轉(zhuǎn)換效率意味著大量輸入功率可能在器件中轉(zhuǎn)化為熱量，使得熱量和溫度對(duì)器件光電性能的影響非常顯著，不可忽略.本研究基于精確標(biāo)定的自動(dòng)溫控深紫外光譜分析測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)深紫外LED的工作電壓、熱阻以及輻射通量等關(guān)鍵光電參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的分析表征，這對(duì)于深入了解深紫外LED器件的溫度特性及其光電參數(shù)的準(zhǔn)確表征方法具有積極的意義.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品與設(shè)備

試驗(yàn)中采用商品化的AlGaN基深紫外LED燈珠為測(cè)試樣品，其輻射峰值波長(zhǎng)約為274 nm，輻射通量在20 mA下約為2.0 mW，具有6060全無機(jī)封裝結(jié)構(gòu).將深紫外LED燈珠進(jìn)行六角梅花基板封裝以便于測(cè)試，實(shí)物照片如下圖1所示.

采用杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司生產(chǎn)的自動(dòng)溫控深紫外光譜分析測(cè)量系統(tǒng)對(duì)深紫外LED進(jìn)行基板溫度的精確控制和光電參數(shù)測(cè)試，設(shè)備型號(hào)為ATA-500 LED，控溫范圍5～105 ℃，控溫精度± 0.5 ℃；波長(zhǎng)覆蓋范圍200～450 nm，波長(zhǎng)測(cè)試精度± 0.1 nm；電流測(cè)試精確度±(0.1%讀數(shù)值+0.1%量程)；電壓測(cè)試精確度±(0.1%讀數(shù)值+0.1%量程)；輻射通量準(zhǔn)確度±5%.使用專用紫外輻射標(biāo)準(zhǔn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，符合NIST標(biāo)準(zhǔn).

圖1 LED測(cè)試樣品Fig.1 Test sample of LED

1.2 試驗(yàn)原理與方法

1.2.1 熱阻的定義

熱阻是半導(dǎo)體器件的一個(gè)基本特性和重要參數(shù)指標(biāo)，定義為在熱平衡的條件下，兩個(gè)規(guī)定點(diǎn)(或區(qū)域)的溫度差與產(chǎn)生這兩點(diǎn)溫度差的熱耗散功率之比.對(duì)LED器件，熱阻越大表明單位功率下LED的結(jié)溫溫升越大.常用的熱阻計(jì)算公式為[5]：

(1)

其中，Rj-s為待測(cè)器件PN結(jié)到指定區(qū)域之間的熱阻，TJ為L(zhǎng)ED的PN結(jié)結(jié)溫，TA為環(huán)境或者散熱基板的溫度，P0為耗散功率的差額數(shù)值.目前，測(cè)量半導(dǎo)體熱阻的方法主要有：紅外微象儀法、光譜法、光熱阻掃描法、電學(xué)參數(shù)法和光功率法等，其中電學(xué)參數(shù)法具有測(cè)試結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[6].

1.2.2 電學(xué)參數(shù)法

電學(xué)參數(shù)法是利用在特定電流下LED的正向壓降Vf與LED器件的溫度關(guān)系得到溫度系數(shù).通過測(cè)量不同溫度下的電壓值，繪制電壓-溫度曲線，曲線斜率即為溫度系數(shù)K值，單位為mV/℃.溫度系數(shù)K與發(fā)光材料和襯底材料的導(dǎo)熱率、芯片結(jié)面積尺寸等因素相關(guān)[7]，可由公式(2)近似地表達(dá)[8].

(2)

式(2)中e為電子電量，k為玻爾茲曼常數(shù)，n為理想因子，T為絕對(duì)溫度，C是與結(jié)面積、雜質(zhì)濃度相關(guān)的常數(shù)，IF為正向電流，Ea是受主雜質(zhì)激活能，Rs是串聯(lián)電阻.

得出溫度系數(shù)K值后，根據(jù)所測(cè)電壓即可得出特定電流下的結(jié)溫.根據(jù)溫度系數(shù)K和結(jié)溫的關(guān)系，LED器件熱阻的計(jì)算表達(dá)式可進(jìn)一步表示為[9]：

(3)

式(3)中U2為熱穩(wěn)態(tài)條件下指定工作電流對(duì)應(yīng)的工作電壓值，U1為瞬態(tài)條件下指定工作電流對(duì)應(yīng)的工作電壓值，TA為穩(wěn)定的環(huán)境溫度或基板溫度.PE為器件的電功率，PL為器件的輻射光功率.

測(cè)試原理電路圖[10-11]如圖2所示.其中I1為能使LED導(dǎo)通但不會(huì)引起明顯結(jié)溫上升時(shí)的瞬態(tài)電流，I2為加熱電流.U為不同測(cè)試條件下的器件工作電壓值.

圖2 測(cè)試原理電路圖Fig.2 Circuit diagram of test principle

1.2.3 試驗(yàn)條件

為保證測(cè)量結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確度，本研究通過空調(diào)系統(tǒng)使實(shí)驗(yàn)室維持恒溫恒濕環(huán)境(25℃，45%RH)，同時(shí)采用設(shè)備自帶的控溫系統(tǒng)精確控制樣品的基板溫度.設(shè)定基板溫度在25～100 ℃之間，每遞增2 ℃進(jìn)行采點(diǎn)測(cè)試.采用恒流驅(qū)動(dòng)模式，設(shè)定恒定工作電流為20 mA.

利用光柵光譜儀采集紫外LED樣品不同波長(zhǎng)的發(fā)射光子，波長(zhǎng)范圍為200～450 nm，以得到不同基板溫度下的輻射光譜曲線.

繪制不同基板溫度下的工作電壓曲線，并進(jìn)行線性擬合以得到溫度系數(shù)K值.進(jìn)一步對(duì)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)的工作電壓進(jìn)行測(cè)試，①驅(qū)動(dòng)電流I1設(shè)定為20 mA，測(cè)得瞬態(tài)電流下的電壓值為U1；②將電流I2設(shè)置為50 mA，通電流并穩(wěn)定15 min，基本判定器件穩(wěn)定后，迅速切換至測(cè)試電流20 mA，測(cè)得20 mA電流下的電壓值為U2.

將驅(qū)動(dòng)電流固定為20 mA，利用積分球?qū)ι钭贤釲ED全周光發(fā)射能量進(jìn)行采集，得到不同基板溫度下器件的總輻射通量以及不同紫外波段成分的輻射通量，分別為ψe，ψUVA，ψUVB，ψUVC.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 溫度系數(shù)與熱阻

圖3是電流為20 mA條件下獲得的正向電壓-溫度關(guān)系曲線.從圖3可以看到，隨著溫度升高，器件的工作電壓呈近似線性下降.對(duì)正向電壓-溫度關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合，擬合線性相關(guān)度達(dá)0.99.由斜率得到溫度系數(shù)K值約為-8.79 mV/℃.在小電流條件下，串聯(lián)電阻上的壓降VR很小，對(duì)正向電壓Vf的貢獻(xiàn)主要來自結(jié)電壓VJ.該深紫外LED器件的K值比一般藍(lán)光、綠光、白光LED等器件的K值大，較大的溫度系數(shù)可能是因?yàn)樯钭贤釲ED的p-AlGaN具有較低的摻雜濃度.因此，溫度升高導(dǎo)致的熱激活載流子濃度增加更為顯著，使器件工作電壓下降更為明顯[8].

將瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作電壓的測(cè)試結(jié)果代入公式(3)，并結(jié)合溫度系數(shù)，計(jì)算出該深紫外LED熱阻約為20.8 ℃/W，與廠商標(biāo)定的熱阻值20.5 ℃/W非常接近，表明電學(xué)參數(shù)法適用于深紫外LED的熱阻測(cè)量.LED熱阻主要與芯片和基板材料的導(dǎo)熱率、芯片面積、封裝工藝等參量有關(guān).熱阻越小，表明散熱性能越好，有利于提高LED壽命[12].LED熱阻通常包括散熱裝置熱阻、鋁基板到散熱裝置的熱阻、管殼引腳到鋁基板的熱阻以及PN結(jié)到管殼引腳之間的熱阻.在本研究中，鋁基板與散熱裝置緊密相接，二者的溫度由溫控系統(tǒng)精確控制，相當(dāng)于散熱裝置熱阻和鋁基板到散熱裝置的熱阻近乎為零，因此測(cè)得的熱阻主要是PN結(jié)到管殼引腳之間的熱阻.

圖3 LED正向電壓隨溫度的變化Fig.3 Forward voltage variation of LED with the temperature

圖4 LED峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化Fig.4 Peak wavelength variation of LED with the temperature

2.2 溫度對(duì)輻射光譜特性的影響

器件輻射峰值波長(zhǎng)隨溫度變化的關(guān)系曲線如圖4所示.由圖4可看出，隨溫度升高器件峰值波長(zhǎng)的穩(wěn)定性基本良好，在25～100 ℃范圍內(nèi)波長(zhǎng)差不超2 nm.能帶填充效應(yīng)和禁帶寬度的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)會(huì)分別使峰值波長(zhǎng)發(fā)生藍(lán)移或者紅移，二者的共同作用使峰值波長(zhǎng)維持穩(wěn)定.溫度較高時(shí)(>85 ℃)，峰值波長(zhǎng)增大較為明顯，表明此時(shí)禁帶寬度的負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)占主導(dǎo)[13].

在不同基板溫度下器件的半波寬如圖5所示，由圖5可看出，該深紫外LED的半波寬較小、單色性好；隨著溫度的升高，半波寬逐漸增大，近似呈線性關(guān)系.半波寬增大可能來源于溫度升高后，更多缺陷態(tài)被激活，缺陷能級(jí)展寬變大.

圖5 LED半波寬隨溫度的變化Fig.5 FWHM variation of LED with the temperature

2.3 溫度對(duì)輻射通量的影響

圖6是總輻射能量ψe以及ψUVA，ψUVB和ψUVC各分量隨著溫度變化的關(guān)系曲線.從圖6可看出，隨著溫度升高，輻射光譜中UVC和UVA成分減少，UVB成分增加.UVC和UVA成分的減少可能是由于溫度升高，器件缺陷態(tài)增多導(dǎo)致非輻射復(fù)合增強(qiáng).UVB成分隨著溫度升高出現(xiàn)的反?，F(xiàn)象表明，該發(fā)光成分可能來源于器件中低Al組分外延層吸收量子阱發(fā)光后的二次輻射.因?yàn)闇囟壬邥r(shí)材料吸收系數(shù)增大，更多的吸收能夠?qū)е露屋椛浒l(fā)光增強(qiáng).

圖6 LED 輻射通量隨溫度的變化Fig.6 Radiant flux variation of LED with the temperature

3 結(jié) 論

基于自動(dòng)溫控深紫外光譜分析測(cè)量系統(tǒng)獲得了AlGaN基深紫外LED的工作電壓、熱阻、峰值波長(zhǎng)、半波寬、以及輻射通量等光電參數(shù).該深紫外LED的溫度系數(shù)為-8.79 mV/℃.基于瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)工作電壓測(cè)試、結(jié)合溫度系數(shù)可計(jì)算出該深紫外LED熱阻約為20.8 ℃/W.隨溫度升高，該深紫外LED峰值波長(zhǎng)的穩(wěn)定性和單色性較好.隨著基板溫度升高，器件總輻射通量減少，其中UVA和UVC成分減少，UVB成分增加.UVB成分有可能來源于器件中低Al組分外延層材料吸收量子阱發(fā)光后的二次輻射.溫度對(duì)深紫外LED光電特性有著重要的影響，而精確控溫對(duì)于該類器件光電參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量是非常必要的.