光谱法发光二极管结温测定技术的研究及应用

【摘要】发光二极管因高效节能、长寿命、固态发光和驱动灵活等优点而在越来越多的领域中得到应用。目前，研究和应用最多的是氮化镓基发光二极管，因为只要合理调节铟镓氮三元化合物中铟的含量，就能实现氮化镓基发光二极管从深紫外到近红外波长范围内的发光。然而不当的热管理、大电流密度下发光效率急剧衰减的现象和衬底不匹配等问题都会导致发光二极管发光效率随着使用时间的推移而出现极大的衰降。同时发光二极管有源区尺寸又小且衬底热导率低、散热效果差，从而会导致发光二极管pn结温度的迅速升高。因此人们可以通过测量pn结的温度来预测发光二极管的使用寿命和可靠性等特性，为发光二极管的筛选提供帮助。有鉴于此，本文基于半导体材料自身发光光谱和温度的关系发展了一种高效快捷的方法来测试发光二极管的pn结温度，具体工作和结果包括：1、基于半导体荧光光谱及对应的带隙宽度与温度的关系设计和实现了发光二极管pn结温度测试系统与样机。通过实验建立了发光二极管自身电致发光峰位与温度的线性依赖关系，然后发展了一种针对发光二极管光谱的高斯和洛伦茨混合线性模型和算法，制备了一套完整的、非接触式的、通过测量发光二极管光谱即可快速准确的测定pn结温度的样机，最后对所开发的系统和方法进行了验证和应用。该基于光谱法的测定系统测试速度快，单条光谱采集只需30ms，测试精度高达±1℃，并且系统具有良好的可重复性和可再现性。对比传统正向电压法的结果显示：不同定标电流幅值和样品批次下，光谱法温度定标系数的稳定性是正向电压法的30倍以上。此外验证结果还显示光谱法对定标电流幅值和样品批次的影响不敏感，定标系数的适用性也远远大于正向电压法。2、研究了氮化镓基蓝、绿光发光二极管中有源层的铟含量对其荧光和pn结温度定标系数的影响。根据对不同发光波长的氮化镓基蓝、绿光发光二极管的光致发光光谱随激发功率、温度变化的关系和改变注入电流、温度时的电致发光光谱的变化实验结果得出：有源层中的铟元素倾向于形成局域化的富铟区域，发光二极管的发光机制就主要是以发生在这些局域化富铟区域中的双分子(激子)辐射复合为主。铟含量与发光二极管的发光峰位基本成线性关系。铟相关的局域态作用使得光谱峰位蓝移，光谱半高宽快速展宽；而内建电场的屏蔽作用则会造成峰位蓝移，光谱半高宽变窄。发光二极管光致发光与电致发光受局域态和内建电场的影响与铟的含量有关。铟含量较低(<17%)的样品中，不论光致荧光还是电致荧光，局域态的效应显著；铟含量稍高(19%~26%)的样品中，电致发光主要受局域态的影响，而在光荧光的变功率实验中内建电场的屏蔽作用起主要作用。蓝、绿光发光二极管的pn结温度定标系数依赖于样品来源。对于同一来源的一定发光波长范围内的样品，pn结温度定标系数和局域态参数随着铟含量的增大而减小。3、研究了利用光谱法检测发光二极管灯具内芯片pn结温度的原理，基于此原理研制了发光二极管pn结温度测试样机，并在实际的工程项目中得到了良好应用。在此基础上，发展了发光二极管灯具的简化散热模型，提出了温差产生率和温差消除率等有效散热参数。通过改变环境温度、室温下的气流状况和驱动脉冲电流的占空比等条件获得了有效散热参数随环境变化的特点。实验结果表明温差产生率分别与环境温度和驱动电流的占空比成正比，斜率分别为0.04和0.027。温差消除率则基本不受两者的影响。同时发现发光二极管的pn结的温升对外界气流条件敏感，相对封闭环境，开放环境下发光二极管的温升曲线会显示出显著的二次散热的特点。稳态条件下，发光二极管灯具的pn结的温升与灯具温差产生率和温差消除率的比值相当，并与输入电流功率的变化同步。
【作者】何素明；
【导师】王金斌；陆卫；张波；
【作者基本信息】湘潭大学，材料科学与工程，2014，博士
【关键词】发光二极管；pn结温度；有效散热参数；光致发光；电致发光；

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