LED器件的溫升效應及其對策

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上傳時間： 2007-02-08

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編者按：文章較詳盡地闡述了結溫升高對LED光輸出強度、LED P-N結的正向電壓及發光顏色的影響。指出當結溫升高時，輸出光強變弱，正向電壓減小，發光波長發生紅移。在結溫升得足夠高時，這些變化將從可逆變為不可恢復的永久性衰變。文章進一步指出，LED輸入功率是器件熱效應的唯一來源，設法提高器件的電光轉換效率及提高器件的散熱能力是減小LED溫升效應的主要途徑。

一、引言

眾所周知，LED是一種電發光器件，其基本的物理過程是電能向光能的轉變。所謂提高LED的功率，即是提高電輸入能量，同時又能獲得盡可能大的光功率輸出。通常將單位輸入功率所產生的光能（光通量）謂之光電轉換功率，簡稱光效。早期的LED由于光效很低（-0.1 lm/w），亮度很低，通常只用于表示亮、暗的狀態，作指示燈之用。上世紀九十年代初，超高亮四元系LED的出現，使器件亮度有了數量級的增長，特別是緊接著的GaN基藍、綠光及白光LED的出現，使LED的應用方向發生了巨大的改變。固態照明已成為21世紀人類追求的重要目標。顯然，不斷地提高LED的輸入功率與發光效率是實現通用照明的必由之路。假設LED的光效為100 lm/w，那么要達到一只40支光（瓦）的白熾燈所發出的600 lm的光通量，LED的輸入功率必須達到6w。然而，目前一只Φ5的標準LED的輸入功率通常為0.04～0.07w，遠不能滿足實用照明的需要。大量實踐表明，LED不能加大輸入功率的基本原因，是由于LED在工作過程中會放出大量的熱，使管芯結溫迅速上升，輸入功率越高，發熱效應越大。溫度的升高將導致器件性能的變化與衰減，甚至失效。本文就功率器件中的升溫效應對性能的影響及其如何減小這種升溫效應的途徑作一些簡明的討論。

二、LED器件溫升估計

設芯片面積為1.2×1.2mm2，厚度為200um，GaAs襯底。由于外延層很薄，忽略外延層材料與襯底之間的差異，不考慮電極的影響，那么芯片的體積約為2.88×10×4cm3。GaAs晶體的比重為5.318（克/cm3），故芯片重量約為15.3×10-4克。設器件的工作電流為100mA，如其中約90％的電功率轉變為熱，那么在不考慮芯片向周圍環境散熱的條件下，器件在接通電流20分鐘后，計算得芯片的溫度可達到5×105C，計算中使用的GaAs晶體比熱數據為0.33焦耳/克度。可見其溫升效應的嚴重性。這里只是把芯片作為一個均勻的發熱體加以考慮，如考慮到結處溫升的集中效應，情況將更加嚴重。慶幸的是，在芯片的升溫過程中，芯片不可能處于絕熱狀態，而總是以某種方式與其周圍的介質或環境進行著熱交換，最終達到熱平衡，使芯片的溫度維持在一個較低的水準上。

三、結溫對LED性能的影響

1、結溫對LED光輸出的影響
實驗指出，發紅、黃光的InGaAlP LED與發藍、綠光的InGaN LED，其光輸出強度均明顯依賴于器件的結溫。也就是說，當LED的結溫升高時，器件的輸出光強度將逐漸減小；而當結溫下降時，光輸出強度將增大，一般情況下，這種變化是可逆與可恢復的，當溫度回到原來的值，光強也會回復到原來的狀態。
圖1（a）指出了InGaAlP LED的光輸出相對量隨溫度的變化，這里以25C作為器件性能的基準點。由圖可知，InGaAlP 橙色的LED比紅色的LED具有更高的溫度靈敏度。當結溫升至100C時，琥珀色器件的輸出通量降去了75％。圖1（b）是InGaAlP LED的另一組光輸出的溫度數據，設25C時LED的值為100，那么當結溫升至100C時，640nm、620nm與590nm的InGaAlP LED的光輸出分別為原始值的42％、30％與20％。
結溫對光輸出影響的數學表達式如式（1）所示：
ΦV（T2）=ΦV（T1）e-kΔT （1）
其中，ΦV（T2）表示結溫T2的光通量輸出；ΦV（T1）表示結溫T1的光通量輸出；K為溫度系數；ΔT=T2- T1。
一般情況下，K值可由實驗測定，對于InGaAlP LED相關的K值如表1所示：
由上表可知，對于InGaAlP LED，溫度系數僅與器件的發光波長有關，而與襯底是否透明無關，進一步的實驗指出，InGaAlP的發光波長越短，K值越大。器件的出光通量隨溫度增加衰減得越快。對于InGaN系列的LED，出光通量隨溫度的變化遠小于InGaAlP LED。典型結果如圖２所示。由圖可知，隨著發光波長變短，光輸出通量隨溫度的變化越不明顯。表２列出了相對于25C而言，100C結溫時光輸出通量的相對數值。
式（2）指出了光輸出通量隨結溫變化的另一種表示形式
ΦT2=ΦT1e-（T2-T1/T0）（2）
這里T0代表一種特征溫度。T0值與材料有關，實驗指出，對于紅色的InGaAlP LED，T0=85C；對于琥珀色的InGaAlP LED，T0≈85C；而對于InGaN LED，T0值約為840C，表明InGaN器件的溫度系數遠小于發紅、黃光的InGaAlP器件，也即光通量隨溫度增加而減小的速率要比InGaAlP LED小得多。
一般情況下，光輸出通量隨結溫的增加而減小的效應是可逆的，也即當溫度回復到初始溫度時，光輸出通量會有一個恢復性的增長。這種效應的發生機制顯然是由于材料的一些相關參數會隨溫度發生變化，從而導致器件參數的變化。如隨溫度的增加，電子與空穴的濃度會增加，禁帶寬度會減小，電子遷移率也將減小。這些參量的變化必須引致器件輸出光通量的改變。然而當溫度恢復至初態時，器件參數的表化也將隨之消失，輸出光通量也會恢復至初態值。
表3是大功率器件AP-HLR-01的測試結果，每一次測量之間進行了-40C-140C的冷熱循環老化試驗。測量數據指出，每次測量的數據都能很好地重復，冷熱循環老化試驗也未改變器件的性能，表明在一定的條件下，LED器件的性能隨電流的變化是可逆的。顯然，在大電流時光效的變小是由于溫度上升所引起的，當測試電流減至小電流時，光效數據又恢復到初始值。
2、高溫下器件性能的衰變

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