采用質(zhì)心波長表征GaN基白光LED陣列的平均結(jié)溫

郭 杰，馬軍山，饒 豐，褚 靜

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.常州工學(xué)院 光電工程學(xué)院，常州 213002）

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)光二極管（LED）因其高效、綠色及壽命長等優(yōu)點(diǎn)迅速普及于各照明和顯示領(lǐng)域。P-N結(jié)溫度升高是阻礙大功率LED發(fā)展的主要因素[1-4]。因此，快速、準(zhǔn)確地測量LED結(jié)溫對LED芯片設(shè)計(jì)、封裝、失效檢測等環(huán)節(jié)十分重要。

正向電壓法是測量LED結(jié)溫的國際標(biāo)準(zhǔn)方法[5]。但在測量時(shí)往往受到燈具外殼及產(chǎn)品封裝等限制，一般難以接觸LED管腳，不能實(shí)現(xiàn)LED引腳兩端電壓的測量[6]。同時(shí)，其測量條件是在小電流狀態(tài)下進(jìn)行，無法及時(shí)掌握現(xiàn)場運(yùn)行的LED燈具結(jié)溫，這些問題令正向電壓法的應(yīng)用十分受限。因此，非接觸式LED結(jié)溫測量方法受到研究者的關(guān)注。在LED陣列結(jié)溫研究方面，Hong等[7]于2004年提出峰值波長法表征AlGaInP基LED陣列結(jié)溫，隨后張晶晶[8]于2014年研究了GaN基LED峰值波長隨結(jié)溫變化的關(guān)系，結(jié)果表明，結(jié)溫每變化1℃，峰值波長變化0.04nm。然而，采用峰值波長法測量陣列結(jié)溫時(shí)，光譜常會多峰重疊或峰值區(qū)域平坦，準(zhǔn)確判定峰值位置存在較大難度，同時(shí)受儀器精度限制，測量誤差較大。Chen等[9]于2013年提出中心波長法，采用歸一化光譜1/2高處的極限波長的平均值作為陣列平均結(jié)溫。近年來，本課題組提出采用質(zhì)心波長和相對光譜差異表征AlGaInP基LED陣列平均結(jié)溫，結(jié)果比中心波長法更為準(zhǔn)確，但在研究時(shí)尚未考慮電流的影響[10-11]。

GaN基白光LED陣列平均結(jié)溫的變化將導(dǎo)致每一波長對應(yīng)的相對輻射強(qiáng)度發(fā)生變化，而質(zhì)心波長、半高全款、光譜差異等特征參數(shù)與整個(gè)光譜分布相關(guān)。同時(shí)，在不同的驅(qū)動電流下，結(jié)溫對光譜的影響程度不同。因此，可以建立光譜參數(shù)與陣列平均結(jié)溫的關(guān)系?；诖?，本文研究了采用質(zhì)心波長表征GaN基LED陣列結(jié)溫的可行性。

1 測量原理

白光LED光譜受注入電流、結(jié)溫、燈體散熱能力等因素的影響。當(dāng)結(jié)溫、電流發(fā)生變化，其輻射強(qiáng)度必將發(fā)生變化。

質(zhì)心波長λc是LED光譜的幾何對稱波長，計(jì)算公式如下[12]：

當(dāng)給定驅(qū)動電流I0時(shí)，上述公式通過積分可表達(dá)為

式中：k為與結(jié)溫相關(guān)的光譜敏感系數(shù)，定義為質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)，它隨著驅(qū)動電流I的不同發(fā)生變化；為被測條件下的質(zhì)心波長。

式中，T0為初始溫度。

具體測量流程設(shè)計(jì)如下：

a.測量給定小電流驅(qū)動、不同溫度下的歸一化光譜功率分布，計(jì)算質(zhì)心波長，求出質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)k；

b.改變驅(qū)動電流，測量不同電流不同溫度下的歸一化光譜功率分布，得到一組隨驅(qū)動電流變化的k，通過擬合得出不同電流下的電流修正公式為

c.計(jì)算待測條件下對應(yīng)驅(qū)動電流I的k值；

d.測量待測條件Tj下的歸一化光譜功率分布，并計(jì)算質(zhì)心波長，結(jié)合初始溫度T0下的質(zhì)心波長和系數(shù)k，代入式（4）計(jì)算出待測結(jié)溫Tj；

e.將不同方法的測量結(jié)果進(jìn)行對比，得出該方法的適用性和準(zhǔn)確性。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用改變襯底溫度的方式來改變結(jié)溫，進(jìn)而研究光譜參數(shù)與結(jié)溫間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)選擇3只1WGaN基白光串聯(lián)焊接在鋁基板作為研究對象。由于鋁基板引入的熱阻并不影響本研究，將其放置在溫度控制器上，熱沉與鋁基板、鋁基板和溫度控制器之間填涂導(dǎo)熱硅膠，見圖1。這樣熱沉溫度的變化就等于溫度控制器的變化。先測量20mA驅(qū)動電流下，襯底溫度從25℃至65℃時(shí)白光LED陣列的光譜分布，間隔10℃，計(jì)算其質(zhì)心波長。然后改變驅(qū)動電流，測量100mA至500mA，間隔50mA條件下不同襯底溫度的白光LED陣列的光譜分布，計(jì)算質(zhì)心波長，最后分析質(zhì)心波長與結(jié)溫變化的關(guān)系。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic diagram of the test system

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)由LED300E恒流電源、TC-100溫控臺、積分球、Hass2000型光譜儀、待測LED陣列等組成。LED300E恒流電源負(fù)責(zé)給樣品LED供電，其誤差范圍為±1mA。TC-100溫控裝置為測試提供穩(wěn)定的測試襯底溫度，其誤差范圍為±1℃。

3 結(jié)果與討論

3.1 白光LED陣列的歸一化光譜功率分布

圖2 單顆燈珠與串聯(lián)陣列的歸一化光譜功率分布Fig.2 Normalized spectral power distribution of a single bulb and a tandem array

圖2為相同測試條件下的單顆燈珠和串聯(lián)陣列的歸一化光譜功率分布。兩者整體光譜的質(zhì)心波長分別為 536.8nm 和 535.3nm，差別為 1.5nm；半高寬分別為 165.1nm 和 158.9nm，差別為 6.2nm。由圖2可以觀察出，芯片發(fā)光光譜（左側(cè)峰）差別小，其質(zhì)心波長為447.9nm和448.4nm，差別為0.5nm，半高寬為33nm 和33.1nm，差別為 0.1nm；而對于熒光粉激發(fā)合成光譜（右側(cè)峰），其光譜數(shù)據(jù)差別比較大。因此，在光譜數(shù)據(jù)處理上，選擇芯片發(fā)光光譜作為研究對象。

3.2 恒定驅(qū)動電流時(shí)陣列質(zhì)心波長與結(jié)溫的關(guān)系

圖3為350mA驅(qū)動電流時(shí)樣品的質(zhì)心波長隨溫度控制器溫度（Tc）的變化曲線。由于電流恒定時(shí)，溫度控制器的變化等于平均結(jié)溫的變化，因此，可以看出，質(zhì)心波長隨結(jié)溫呈線性變化，其斜率就是質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)k，樣品1的k為0.028nm/℃。曲線的線性誤差平均值為0.011nm，相當(dāng)于結(jié)溫誤差0.4℃。

圖3 質(zhì)心波長隨溫度控制器溫度的變化Fig.3 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat

圖4 各驅(qū)動電流下的質(zhì)心波長隨溫度控制器溫度的變化Fig.4 Variation of centroid wavelengths with the temperature of thermostat under different driving currents

3.3 不同驅(qū)動電流時(shí)陣列質(zhì)心波長與結(jié)溫的關(guān)系

圖4為樣品在不同驅(qū)動電流時(shí)質(zhì)心波長和Tc溫度的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動電流恒定時(shí)，無論20mA小電流還是350mA大電流，質(zhì)心波長始終與結(jié)溫呈良好的線性關(guān)系。

由表1可見，隨著驅(qū)動電流的變化，雖然質(zhì)心波長與結(jié)溫呈線性關(guān)系，但直線斜率k發(fā)生變化。質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)k隨著電流的增加而增大。將各電流下的質(zhì)心波長結(jié)溫系數(shù)進(jìn)行擬合，從圖5可見，質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)與驅(qū)動電流呈指數(shù)形式增長，式（5）擬合系數(shù)分別為-0.0077，31.35，-0.0127，527.35，0.036。

表1 不同驅(qū)動電流下質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)Tab.1 Average junction temperature coefficients of the centroid wavelength under different driving currents

圖5 質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)隨驅(qū)動電流的變化Fig.5 Variation of average junction temperature coefficients of the centroid wavelength with different driving currents

這樣只需要知道待測條件下的驅(qū)動電流和歸一化光譜分布，代入式（4）就可以計(jì)算出實(shí)時(shí)點(diǎn)燈時(shí)的GaN基白光LED陣列的平均結(jié)溫。

3.4 測量精度分析

3.4.1 測量分辨率對比當(dāng)采用瞬時(shí)脈沖電流測量LED光譜時(shí)，由于溫控臺和風(fēng)扇的強(qiáng)制散熱，LED陣列所產(chǎn)生的熱量可忽略，LED陣列平均結(jié)溫近似為熱沉溫度。圖6是350mA驅(qū)動電流下，白光LED陣列的峰值波長、中心波長和質(zhì)心波長隨熱沉溫度的變化。從圖上可以看出，三者均隨熱沉溫度升高呈線性增加，其中質(zhì)心波長隨溫度變化的線性度最好，中心波長和峰值波長隨溫度變化呈現(xiàn)臺階狀上升，中心波長臺階小于峰值波長，這與實(shí)驗(yàn)中所采用的光譜儀的掃描步長有關(guān)。對于GaN基白光LED陣列，當(dāng)結(jié)溫變化20℃，峰值波長移動1nm；當(dāng)結(jié)溫變化10℃，中心波長移動1nm。采用最常用的1nm測量間隔的光譜儀，使用中心波長法或峰值波長法將無法精確測量出LED陣列平均結(jié)溫的變動。與中心波長和峰值波長相比，溫度每變化2℃，質(zhì)心波長移動0.05nm，質(zhì)心波長可分辨出更小的溫度變化，具有更好的技術(shù)優(yōu)勢。

圖6 3種波長隨熱沉溫度的變化Fig.6 Variation of three wavelengths with the heat-sink temperature

3.4.2 測量準(zhǔn)確度對比

利用本文方法測量實(shí)時(shí)工作時(shí)的LED光譜，根據(jù)式（4）計(jì)算陣列結(jié)溫，并與文獻(xiàn)[9-10]的中心波長法、質(zhì)心波長法進(jìn)行比較，如圖7所示，具體數(shù)值如表2所示。同樣測量條件下，中心波長法與質(zhì)心波長法最大偏差為3℃。同時(shí)，相較于AlGaInP基LED，GaN基LED由于器件結(jié)構(gòu)和封裝形式的影響，會導(dǎo)致質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)隨電流發(fā)生變化。電流差異越大，其質(zhì)心波長-平均結(jié)溫系數(shù)差異越大，對結(jié)溫計(jì)算的影響越大，本文提出的方法與不帶電流修正的質(zhì)心波長法最大偏差為2.3℃。

圖7 3種方法測量結(jié)果比對Fig.7 Comparison of measurement results by three methods

表2 3種方法所測量的結(jié)溫結(jié)果Tab.2 Results of junction temperatures measured by three methods

4 結(jié) 論

通過對不同驅(qū)動電流、不同襯底溫度下的GaN基白光LED串聯(lián)陣列的光譜進(jìn)行測量，研究了質(zhì)心波長與平均結(jié)溫的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)兩者始終保持良好的線性相關(guān)，同時(shí)其斜率隨驅(qū)動電流改變呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。依據(jù)此關(guān)系，本文提出了一種用質(zhì)心波長表征GaN基白光LED陣列平均結(jié)溫的新方法。研究結(jié)果表明，當(dāng)采用同等掃描步長光譜儀，相較于中心波長法和峰值波長法，用帶電流修正系數(shù)的質(zhì)心波長法測量白光LED陣列平均結(jié)溫具有更高的分辨率和準(zhǔn)確度。