GaN基蓝光发光二极管正向电压温度特性研究
第
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物理学报
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李炳乾!郑同场夏正浩
（佛山科学技术学院光电子与物理学系，佛山
（#%%&年’月(日收到；#%%&年#月#)日收到修改稿）
对*+,基蓝光发光二极管（-./）正向电压温度特性进行了研究，发现在温度较高时，正向电压随温度的变化系数逐渐减小，直至出现拐点，正向电压随温度的变化系数由负数变为正数0此时若继续升高温度，则正向电压随温度升高迅速增加，并常常伴随有器件失效的现象发生0在小电流情况下，这种现象不很明显，随着电流的增加，现象表现得越来越明显，拐点出现的温度也越来越低，而且温度超过拐点之后，正向电压值增加得更快0通过与相同封装的另一组器件测试结果对比，排除了封装材料玻璃转换温度的影响0分析认为，这一现象的出现是由器件等效串联电阻迅速增加所致，而且主要是由器件1型层材料的迅速劣化引起的0研究结果表明通过测量不同电流下正向电压随温度的变化系数能够快速判断*+,基蓝光-./1型层的质量好坏，为研究者和生产者提供了一种快速、简便的测试方法0
关键词：发光二极管，氮化镓，正向电压，温度系数
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温度也越来越低0上述现象同传统的半导体理论以
’F引言
［2］
及以前的文献报道产生明显矛盾，初步分析认为
（98
称-./）由于具有发光效率高、全固态、长寿命等特点，其在照明领域的应用前景引起学术界和产业界的广泛关注0为了满足照明领域对高光通量的要求，单个器件的输出功率在不到十年时间里由最初的不
［’—5］足%F’I，达到目前接近’%I的水平0-./芯片
这一反常现象与-./器件质量有关（主要是1型
层），通过对比实验发现，出现反常现象的-./寿命和可靠性都存在问题0在研究中还发现正向电压随温度的变化系数也同测量电流有关，小电流时的电压随温度的变化系数明显大于大电流的情况，并对正向电压随温度的变化系数同电流的关系进行了定性的理论分析0
的工作温度对-./器件和模组的发光效率、可靠
性、光色等有很大影响，随着输入功率的增加，-./器件和模组的散热结构设计成为-./封装和应用
［)，
中最重要的问题之一0
衡量-./散热设计的主要特征参数之一是热阻0一般情况下，半导体器件1;结的正向电压随温
［(］
度的升高而下降，二者近似成线性关系，这一关系是电学法测量半导体器件和模组热阻的基础0本文在研究*+,基蓝光-./正向电压温度特性时发现，在温度较高时，正向电压随温度的变化严重偏离线性关系，直至会出现正向电压随温度的变化系数由负数变为正数的情况，而且这一转变出现的温度同实验所用的电流有关，随着电流增加，转变点出现的
#F电压随温度变化的物理机理及实验
系统
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，-./工作时的额定电流往往达到十几毫安甚至上千毫安，串联电阻引起的压降也不能忽略，电流6电压方程近似写为
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（
，（’）
其中!%是反向饱和电流，#4，!4分别是输入电压和输入电流，
（批准号：%)%’’()#）和佛山市科技发展专项基金（批准号：资助的课题0%)%5%%#’）!广东省自然科学基金
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卷
温度和能带宽度的关系可以用下列公式描述：
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$（$）#%，（&）
掺杂浓度、几何尺寸以及式中
构成’(结的材料等有关的系数，（$）是温度$#%时的能带宽度)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
［0］单调下降的趋势，用*+,-.(/公式可以很好地描述
能带宽度和温度的关系，在更多的情况下，能带和温度的关系可以用更加简单的一级近似描述为
#（%$）
$!$，（1）
其中!是温度系数)
为了描述方便，（2）式可以改写为
’
4((!3)
5#（%!）$3$5)-!3)（6）
789通电后，
一部分电能转换成光能量输出，其余部分以热量形式耗散在789芯片中)因为热阻的
存在，输入功率引起的自加热效应将导致芯片温度升高，芯片’(结（发光区）温度$:可以表示为
$:
（>）
来的影响)
基蓝光发光二极管正向电压温度特性研究
2
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#’(’3)
1)645’3，
（7）式中，等号右边前两项可以看作常数，对电压随温度
变化系数影响最大的是第三项，也就是等效串联电阻随温度的变化,在
的电阻很大［:］
，导致$%8基)*+的等效串联电阻比较大，其变化对电压随温度变化系数影响也大，而且这一影响随着驱动电流的增加会表现得更加明显,文献［-.］给出$%8基)*+的等效串联电阻在一定的温度范围内相对恒定，超出这一温度范围后就会迅速增加,初步判断是该批次的)*+芯片9型层或9型欧姆接触存在质量问题，在相对较低的温度范围内就开始迅速增加，从而导致了电压随温度的变化偏离了线性关系,这种9型层或9型欧姆接触存在的质量问题有可能会影响到)*+的可靠性和稳定性,为了验证这一点，对该批次的)*+进行了恒流老化实验，结果发现与分析情况类似，该批次的)*+在!.;
看出，虽然实验温度范围由0.—--./扩展为0.—
-!./，
最高温度增加了-./，但是在所有电流下（.B-—!=;
性关系
,
下降,在这一阶段，等效串联电阻基本不随温度变
0%I,物理学报+2卷
化，影响电压随温度的变化系数和电流关系的主要式等号右边第一项，该项中的理论因子!因素是（!）
是一个同复合电流与扩散电流比例相关的物理量
［%%］所占比例很大，，随着电!值往往数倍于同质#$结流的增大，扩散电流在总电流中的所占比例逐渐增
渐趋稳定，在这两方面的共同作用下，电压随温度的变化系数重新开始随电流的增加而增加（图*中范围
+7结论
大，复合电流所占比例下降
部分抵消了电流增加带来的影响，导致电压随温度的变化系数没有随)$
当!值下降造成的电压随温度的变化系数减小和电流增加带来的电压随温度的变化系数增加基本达到平衡时，就出现了图*中范围!的情况，电压随温度的变化系数基本保持不变
对894基蓝光&’(正向电压温度特性的实验
研究表明，通过测量正向电压随温度的变化系数可以反映出器件等效串联电阻的变化
简便性的研究者和&’(封装企业提供了一种快速、的测试方法
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Y5期李炳乾等：K(L基蓝光发光二极管正向电压温度特性研究
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