基于自动温控光谱测试系统的深紫外LED光电特性研究*

林 丹，王 巧，王君君，胡金花，卢瀚仑，刘宁炀，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650

紫外波段按照波长可以划分为: 长波紫外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，通常将发射波长短于300 nm的发光二极管(LED)称为深紫外LED.深紫外LED在生物医疗、卫生消毒、防伪鉴定、以及空气和水净化等领域具有广阔的应用前景[1].快速准确地测定器件工作电压、辐射通量、辐射波长、热阻和结温等参数，对于深紫外LED的器件研发、产品性能标定和实际应用具有关键的作用，然而当前深紫外LED光电参数的快速准确表征仍面临着巨大的挑战.一方面，由于高能辐射光子对传统积分球的硫酸钡高反射涂层具有显著的老化作用、器件辐射通量低以及缺少标准灯等因素，深紫外LED的准确测量对测试系统要求非常高，而相关权威标准尚未出台.另一方面，高Al组分AlGaN与蓝宝石等衬底之间存在很大的晶格失配，而随着Al组分增加器件掺杂受主激活能迅速增加、全反射临界角减小.目前，深紫外LED性能仍受到外延材料位错密度大、材料掺杂和器件接触工艺困难、C面光提取效率低等问题的严重限制[2-3].在此情况下，绝大部分深紫外LED的电光转换效率仍处于10%以下[4]，低的电光转换效率意味着大量输入功率可能在器件中转化为热量，使得热量和温度对器件光电性能的影响非常显著，不可忽略.本研究基于精确标定的自动温控深紫外光谱分析测量系统，对深紫外LED的工作电压、热阻以及辐射通量等关键光电参数进行了细致的分析表征，这对于深入了解深紫外LED器件的温度特性及其光电参数的准确表征方法具有积极的意义.

1 试验部分

1.1 试验样品与设备

试验中采用商品化的AlGaN基深紫外LED灯珠为测试样品，其辐射峰值波长约为274 nm，辐射通量在20 mA下约为2.0 mW，具有6060全无机封装结构.将深紫外LED灯珠进行六角梅花基板封装以便于测试，实物照片如下图1所示.

采用杭州远方光电信息股份有限公司生产的自动温控深紫外光谱分析测量系统对深紫外LED进行基板温度的精确控制和光电参数测试，设备型号为ATA-500 LED，控温范围5～105 ℃，控温精度± 0.5 ℃；波长覆盖范围200～450 nm，波长测试精度± 0.1 nm；电流测试精确度±(0.1%读数值+0.1%量程)；电压测试精确度±(0.1%读数值+0.1%量程)；辐射通量准确度±5%.使用专用紫外辐射标准对系统进行校准后，符合NIST标准.

图1 LED测试样品Fig.1 Test sample of LED

1.2 试验原理与方法

1.2.1 热阻的定义

热阻是半导体器件的一个基本特性和重要参数指标，定义为在热平衡的条件下，两个规定点(或区域)的温度差与产生这两点温度差的热耗散功率之比.对LED器件，热阻越大表明单位功率下LED的结温温升越大.常用的热阻计算公式为[5]：

(1)

其中，Rj-s为待测器件PN结到指定区域之间的热阻，TJ为LED的PN结结温，TA为环境或者散热基板的温度，P0为耗散功率的差额数值.目前，测量半导体热阻的方法主要有：红外微象仪法、光谱法、光热阻扫描法、电学参数法和光功率法等，其中电学参数法具有测试结构简单、稳定性高等优点[6].

1.2.2 电学参数法

电学参数法是利用在特定电流下LED的正向压降Vf与LED器件的温度关系得到温度系数.通过测量不同温度下的电压值，绘制电压-温度曲线，曲线斜率即为温度系数K值，单位为mV/℃.温度系数K与发光材料和衬底材料的导热率、芯片结面积尺寸等因素相关[7]，可由公式(2)近似地表达[8].

(2)

式(2)中e为电子电量，k为玻尔兹曼常数，n为理想因子，T为绝对温度，C是与结面积、杂质浓度相关的常数，IF为正向电流，Ea是受主杂质激活能，Rs是串联电阻.

得出温度系数K值后，根据所测电压即可得出特定电流下的结温.根据温度系数K和结温的关系，LED器件热阻的计算表达式可进一步表示为[9]：

(3)

式(3)中U2为热稳态条件下指定工作电流对应的工作电压值，U1为瞬态条件下指定工作电流对应的工作电压值，TA为稳定的环境温度或基板温度.PE为器件的电功率，PL为器件的辐射光功率.

测试原理电路图[10-11]如图2所示.其中I1为能使LED导通但不会引起明显结温上升时的瞬态电流，I2为加热电流.U为不同测试条件下的器件工作电压值.

图2 测试原理电路图Fig.2 Circuit diagram of test principle

1.2.3 试验条件

为保证测量结果的可靠性和准确度，本研究通过空调系统使实验室维持恒温恒湿环境(25℃，45%RH)，同时采用设备自带的控温系统精确控制样品的基板温度.设定基板温度在25～100 ℃之间，每递增2 ℃进行采点测试.采用恒流驱动模式，设定恒定工作电流为20 mA.

利用光栅光谱仪采集紫外LED样品不同波长的发射光子，波长范围为200～450 nm，以得到不同基板温度下的辐射光谱曲线.

绘制不同基板温度下的工作电压曲线，并进行线性拟合以得到温度系数K值.进一步对瞬态和稳态的工作电压进行测试，①驱动电流I1设定为20 mA，测得瞬态电流下的电压值为U1；②将电流I2设置为50 mA，通电流并稳定15 min，基本判定器件稳定后，迅速切换至测试电流20 mA，测得20 mA电流下的电压值为U2.

将驱动电流固定为20 mA，利用积分球对深紫外LED全周光发射能量进行采集，得到不同基板温度下器件的总辐射通量以及不同紫外波段成分的辐射通量，分别为ψe，ψUVA，ψUVB，ψUVC.

2 试验结果与讨论

2.1 温度系数与热阻

图3是电流为20 mA条件下获得的正向电压-温度关系曲线.从图3可以看到，随着温度升高，器件的工作电压呈近似线性下降.对正向电压-温度关系曲线进行线性拟合，拟合线性相关度达0.99.由斜率得到温度系数K值约为-8.79 mV/℃.在小电流条件下，串联电阻上的压降VR很小，对正向电压Vf的贡献主要来自结电压VJ.该深紫外LED器件的K值比一般蓝光、绿光、白光LED等器件的K值大，较大的温度系数可能是因为深紫外LED的p-AlGaN具有较低的掺杂浓度.因此，温度升高导致的热激活载流子浓度增加更为显著，使器件工作电压下降更为明显[8].

将瞬态和稳态工作电压的测试结果代入公式(3)，并结合温度系数，计算出该深紫外LED热阻约为20.8 ℃/W，与厂商标定的热阻值20.5 ℃/W非常接近，表明电学参数法适用于深紫外LED的热阻测量.LED热阻主要与芯片和基板材料的导热率、芯片面积、封装工艺等参量有关.热阻越小，表明散热性能越好，有利于提高LED寿命[12].LED热阻通常包括散热装置热阻、铝基板到散热装置的热阻、管壳引脚到铝基板的热阻以及PN结到管壳引脚之间的热阻.在本研究中，铝基板与散热装置紧密相接，二者的温度由温控系统精确控制，相当于散热装置热阻和铝基板到散热装置的热阻近乎为零，因此测得的热阻主要是PN结到管壳引脚之间的热阻.

图3 LED正向电压随温度的变化Fig.3 Forward voltage variation of LED with the temperature

图4 LED峰值波长随温度的变化Fig.4 Peak wavelength variation of LED with the temperature

2.2 温度对辐射光谱特性的影响

器件辐射峰值波长随温度变化的关系曲线如图4所示.由图4可看出，随温度升高器件峰值波长的稳定性基本良好，在25～100 ℃范围内波长差不超2 nm.能带填充效应和禁带宽度的负温度系数效应会分别使峰值波长发生蓝移或者红移，二者的共同作用使峰值波长维持稳定.温度较高时(>85 ℃)，峰值波长增大较为明显，表明此时禁带宽度的负温度系数效应占主导[13].

在不同基板温度下器件的半波宽如图5所示，由图5可看出，该深紫外LED的半波宽较小、单色性好；随着温度的升高，半波宽逐渐增大，近似呈线性关系.半波宽增大可能来源于温度升高后，更多缺陷态被激活，缺陷能级展宽变大.

图5 LED半波宽随温度的变化Fig.5 FWHM variation of LED with the temperature

2.3 温度对辐射通量的影响

图6是总辐射能量ψe以及ψUVA，ψUVB和ψUVC各分量随着温度变化的关系曲线.从图6可看出，随着温度升高，辐射光谱中UVC和UVA成分减少，UVB成分增加.UVC和UVA成分的减少可能是由于温度升高，器件缺陷态增多导致非辐射复合增强.UVB成分随着温度升高出现的反常现象表明，该发光成分可能来源于器件中低Al组分外延层吸收量子阱发光后的二次辐射.因为温度升高时材料吸收系数增大，更多的吸收能够导致二次辐射发光增强.

图6 LED 辐射通量随温度的变化Fig.6 Radiant flux variation of LED with the temperature

3 结 论

基于自动温控深紫外光谱分析测量系统获得了AlGaN基深紫外LED的工作电压、热阻、峰值波长、半波宽、以及辐射通量等光电参数.该深紫外LED的温度系数为-8.79 mV/℃.基于瞬态和稳态工作电压测试、结合温度系数可计算出该深紫外LED热阻约为20.8 ℃/W.随温度升高，该深紫外LED峰值波长的稳定性和单色性较好.随着基板温度升高，器件总辐射通量减少，其中UVA和UVC成分减少，UVB成分增加.UVB成分有可能来源于器件中低Al组分外延层材料吸收量子阱发光后的二次辐射.温度对深紫外LED光电特性有着重要的影响，而精确控温对于该类器件光电参数的准确测量是非常必要的.