电流及温度应力对LED电致发光光谱特性的影响.pdf

第１０卷第３期２０１６年９月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＩ。ＩＣＡＴＩＯＮＶ０１．１０，Ｎｏ．３Ｓｅｐｔ．２０１６———文章编号：１６７３９９８１（２０１６）０３０１８６０５电流及温度应力对ＬＥＤ电致发光光谱特性的影响＊王巧，刘宁炀，王君君，刘久澄，许毅钦，胡金花，陈志涛广东省半导体产业技术研究院，广东广州５１０６５０摘要：在恒温变电流及恒流变温条件下，研究了ＧａＮ基蓝光单色芯片的电致发光光谱（Ｅｌ。）特性．结果表明：在电流应力作用下ＥＬ谱能量的相对增益大于１，并且随着电流应力增加而不断变大，在长波波段相对增益与电流应力呈线性变化关系；在温度应力作用下，ＥＬ谱能量的相对增益在短波波段小于１，而在长波波段大于１．相对增益的这些变化趋势，与非平衡载流子不同的辐射跃迁行为有关．关键词：电致发光光谱；电流应力；温度应力；相对增益中图分类号：ＴＮ３１２．８文献标识码：ＡＬＥＤ具有节能环保、安全可靠及长寿命等特点，在室内照明、道路照明、景观装饰和背光显示等多个领域中获得了广泛地应用．随着人们对光源品质要求的不断提高，智能地、精确地调控光源的峰值波长、色温和色度等光谱参数等变得愈发重要．电流应力和温度应力对ＬＥＤ电致发光光谱（ＥＬ）特性具有直接而重要的作用，并最终影响着器件芯片的寿命［１］．电流应力作用下的载流子填充效应、量子限制Ｓｔａｒｋ效应、载流子泄漏等因素，以及温度应力作用下的禁带宽度和非辐射复合率变化，这都将影响ＥＬ谱的峰值波长及发光能量密度，进而影响色度、色温及显色指数等光源品质嵋３Ｉ．林巧明等人［４ｊ通过对蓝光和红光ＬＥＤ的直流、脉冲光电特性测试，研究了热效应和极化效应对ＥＬ谱峰值波长的影响．罗毅等人口］通过改善器件总应变量和金属有机物化学气相淀积（ＭＯＶＰＥ）工艺，研究了ＩｎＧａＮ／ＧａＮ蓝绿ＬＥＤ的波长稳定性．然而，为了进一步调控ＥＬ特性，需要量化分析电流及温度应力对ＬＥＤ芯片ＥＬ谱整个发光波段能量的影响，而这方面的相关研究报道较少．本文在恒温变电流及恒流变温条件下，研究了ＧａＮ基蓝光单色芯片的ＥＬ谱能量相对增益变化趋势，对于通过电流和温度应力调控ＬＥＤ芯片ＥＬ的特性具有参考意义．１实验部分１．１恒温变电流条件的光谱测量将蓝光ＬＥＤ芯片固定在控温支架上，置于积分℃球内部．由控温支架将环境温度控制在２５，施加８０～７２０ｍＡ的脉冲驱动电流，电流间隔为８０ｍＡ，占空比为２５％，使用ＨＡＡＳ一２０００光谱仪测量获得芯片的恒温变电流条件的ＥＩ。谱．在特定环境温度和工作电流下，ＬＥＤ芯片结温Ｔ．与工作电压Ｖｒ呈线性关系［６］：——１，１，≯丁，一Ｔｏ－ｔ一上．（１）。＾ｖＴ图１为施加脉冲驱动电流与结温的变化关系图．从图１可见，通过控制环境温度并采用脉冲电流驱动，基本能够保持器件恒温．收稿日期：２０１６一＊基金项目：国家自然科学基金（１１３４０４８）；广东省创新团队（２０１３Ｃ０６７）；广东省特支计划（２０１４ＴＱ０１Ｃ７０７）；广东省自然科学基金（２０１５Ａ０３０３１００２３）；广东省重大科技专项（２０１４８０１０１１９００３，２０１５８０１０１１２００２）；广东省应用型科技研发专项（２０１５８０１０１２９０１０）；广东省公益研究与能力建设项目（２０１６８０７０７０１０２３）．作者简介：王巧（１９８７一），女，湖北荆门人，助理工程师，硕士．万方数据第１０卷第３期王巧，等：电流及温度应力对ＬＥＤ电致发光光谱特性的影响１８７图１℃２５下对ＬＥＤ施加的脉冲驱动电流和结温变化Ｆｉ９．１ＤｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｊｕｎｃｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆＬＥＤａｔ℃２５１．２恒电流变温条件的光谱测量将蓝光ＬＥＤ固定在控温支架上，置于积分球内，脉冲驱动电流固定为３５０ｍＡ，通过控温支架施℃℃加３０～１７０的温度应力，温度间隔为２０，采用ＨＡＡＳ一２０００光谱仪测量记录各个温度下的ＥＬ谱．２结果与讨论２．１电流应力的影响图２为恒温变电流条件ＬＥＤ芯片的ＥＬ谱及相对增益盐线．图２（ａ）是在恒温变电流条件下测试得到的ＬＥＤ芯片ＥＬ谱，电流范围是４０～８００ｍＡｍＡ，间隔８０ｍＡ．从图２（ａ）可以看到，ＥＬ谱随着电流应力增加而不断增强，峰值波长出现不十分明显的蓝移和红移现象，由８０ｍＡ下的４５４．２ｎｍ蓝移到４００ｍＡ下４５２．３ｎｍ，再红移到７２０ｍＡ下的４５５．２ｎｒｆｌ．蓝移现象的发生是由于注入载流子对极化场的屏蔽及载流子填充效应，而红移现象是由于大注入条件下器件自发热导致的少量温度漂移．理论上ＬＥＤ的ＥＬ谱呈对称的高斯分布［７蜘，而实验测量得到的谱线在峰值波长两端呈并不完全对称分布．４００《！ｏ４４０４６０４８０５００５２０波长／ｎｍ图２恒温变电流条件的ＥＬ谱（ａ）及相对增益（ｂ）Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｐｅｃｔｒｕｍ（ａ）ａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎ（ｂ）ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｓａｔｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ为了更好地研究这种不对称性，以及电流应力作用下ＬＥＤ的ＥＬ谱变化趋势，我们考察不同电流应力下ＥＬ谱之间的能量相对增益，相对增益Ａ。（入）的计算公式如下：Ａ，（Ａ）一Ｐ堡ｏ．（２）式（２）中：Ｐ。是注入电流为Ｊ。时，在波长为入处的基准ＥＬ光谱能量；Ｐ．是注入电流为Ｊｉ时，在相同波长入处的光谱能量．在本研究中，基准ＥＬ谱对应注入电流选取为８０ｍＡ，经计算得到不同电流应力作用下ＥＬ谱之间的能量相对增益曲线（图２（ｂ））．从图２（ｂ）可以看到，不同电流应力作用下的ＥＬ谱能量的相对增益均大于１，且随着电流应力增加而不断变大．进一步研究不同波段相对增益随着注入电流的变化，得到各波段下相对增益与电流的关系曲线（图３）．从图３可以看到：在短波波段４２０～４５９ｎｍ（图３（ａ）），随着注入电流的增加，相对增益逐渐饱和；在长波波段４６０５２０ｎｍ（图３（ｂ）），相对增益随着电流增加基本都呈线性增长，且波长越长，线性斜率越大．这是因为位于高能级的非平衡态注入载流子易向下方能级进行带内跃迁，因此高能级对应的短波辐射发光相对增长缓慢，而下方能级对应的长波辐射发光增长较快，且波长越长（能级越靠下方），增长２Ｏ８６４２榴磐靛罂万方数据材料研究与应用２０１６速率越快．对于相对增益与电流应力具有线性关系的长波区域，可对ＬＥＤ芯片ＥＬ谱进行调控．如知道了驱动电流大小Ｊ，，则由线性关系曲线可以求得Ｌ对应的增益Ａ（Ｉｊ，Ａ），进而由式（２）求得Ｐｉ；或者知道了需求的ＥＬ谱能量Ｐ（Ａ，，．），由式（２）计算出需求的增益大小Ａ（ｊ．，Ａ），再通过线性关系，求得需要施加的驱动电流大小ｊ．值．对于非线性关系的短波区域，需要更复杂一些的模型才能进行类似的调控，将在以后的研究中再讨论．治蛰霞罂图３恒温变电流条件的相对增益随着电流应力的变化曲线（ａ）４２０～４５９ｎｍ；（ｂ）４６０～５２０ｎｍＦｉｇ．３ＲｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎＶＳｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ，ｉｎｒａｎｇｅｏｆｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｓａｔｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ２．２温度应力的影响图４为恒流变温条件的ＥＬ谱．图４（ａ）是在恒流变温条件下测试得到的ＬＥＤ芯片ＥＬ谱，选取的℃℃电流范围是３０～１７０，间隔２０．从图４（ａ）可见：ＥＬ谱随着温度应力增加而不断变小，同时峰值波长逐渐红移由４５２．１ｎｍ到４５８．６ｎｍ，ＥＬ谱能量的降低是由于温度应力增加后更多缺陷被激活，使非辐射复合增强，导致发光减弱；峰值波长红移现象对应着温度升高引起的禁带宽度变小．图４恒流变温条件的ＥＬ谱及相对增益（ａ）ＥＬ谱；（ｂ）相对增益Ｆｉｇ４Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｔｃｏｎｓｔａｎｔｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ（ａ）ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｐｅｃｔｒｕｍ；（ｂ）ｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎ为了更好地研究温度应力对ＬＥＤ芯片ＥＬ谱的影响，考察不同温度应力下ＥＬ谱之间的能量相对增益，相对增益Ａ。（Ａ）的计算公式如下：Ａ丁（Ａ）一再Ｐｊ．（３）式（３）中，Ｐ。是温度为丁。时基准ＥＬ谱在波长为Ａ处的光谱能量，Ｐ．是温度为ｔ时在相同波长Ａ处的光谱能量．在本研究中，基准ＥＬ谱对应温度选取为万方数据第１０卷第３期王巧，等：电流及温度应力对ＬＥＤ电致发光光谱特性的影响１８９℃３０，计算得到不同温度应力作用下ＥＬ谱之间的能量相对增益曲线（图４（ｂ））．从图４（ｂ）可以看到：温度应力作用下，短波波段及峰值附近ＥＬ谱能量的相对增益均小于１，且随着温度应力增加而不断变小；长波波段ＥＬ谱能量的相对增益大于１，且随着温度应力增加而不断变大．图５为恒流变温条件的相对增益随着温度的变化曲线．从图５（ａ）可见，在短波波段曲线斜率为负值，而在长波波段曲线斜率为正值．出现这种变化趋势是因为，随着温度上升ＬＥＤ量子阱更多的缺陷被３结论激活，在注入不变的情况下，更多载流子被缺陷相关的能级俘获，因此缺陷相关的长波波段发光增强，而短波波段发光减弱．在波段４８０～４８５ｎｍ内（图５（ｂ）），相对增益随着温度的变化曲线呈线性关系．在温度应力作用下，相对增益随着温度的变化曲线的线性窗口非常小，同样可以对ＬＥＤ芯片ＥＬ谱进行简单的调控，而非线性窗口的调控需要更复杂的参数模型．因此，相比之下恒温变电流的驱动模式更适合对ＬＥＤ芯片ＥＬ谱进行调控．图５恒流变温条件的相对增益随着温度的变化曲线（ａ）４００～５２０ｎｍ；（ｂ）４８０～４８５ｎｍＦｉ９．５ＲｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎＶｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓａｔｃｏｎｓｔａｎｔｄｒｉｖｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔ在恒温变电流及恒流变温条件下，研究了ＧａＮ基蓝光单色芯片的ＥＬ谱能量相对增益变化趋势．结果发现：在电流应力作用下ＥＬ谱能量的相对增益大于１，并且随着电流应力增加而不断变大；在温度应力作用下，ＥＬ谱能量的相对增益在短波波段小于１，而在长波波段大于１．相对增益的这些变化趋势与非平衡载流子不同的辐射跃迁行为有关，相对增益随着电流和温度应力的线性变化关系区域内可以直接用于调控ＬＥＤ芯片ＥＬ特性．参考文献：［１］余彬海，王矗浩．结温与热阻制约大功率ＬＥＤ发展口］—发光学报，２００５，２６（６）：７６４７６６．［２］丁天平，郭伟玲，崔碧峰，等．温度对功率ＬＥＤ光谱特性—的影响［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１１，３１（６）：１４５０１４５３．［３］王建，黄先，刘丽．温度和电流对白光ＬＥＤ发光效率的—影响［Ｊ］．发光学报，２００８，２９（２）：３５８３６５．［４］林巧明，郭霞，顾晓玲，等．ＧａＮ基蓝光发光二极管峰值波长偏移的研究［Ｊ］．半导体光电，２００７，２８（３）：—２７２０２７２３．［５］罗毅，郭文平，邵嘉平，等．ＧａＮ基蓝光发光二级管的波—长稳定性研究［Ｊ］．物理学报，２００４，５３（８）：２７２０２７２３．［６］费翔，钱可元，罗毅，等．大功率ＬＥＤ结温测量激发光特—性研究［Ｊ］．光电子激光，２００８，１９（３）：２８９２９３［７］朱继亦，任建伟，李葆勇，等．基于ＬＥＤ的光谱可调光源—的光谱分布合成［Ｊ］．发光学报，２００８，１９（３）：２８９２９３．［８］杨武，何国兴．ＬＥＤ和荧光粉光谱数学模型［Ｊ］．应用激—光，２０１２，３２（６）：５３２５３７．万方数据１９０材料研究与应用２０１６ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｐｅｃｔｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＬＥＤＷＡＮＧＱｉａｏ，ＬＩＵＮｉｎｇｙａｎｇ，ＷＡＮＧＪｕｎｊｕｎ，ＬＩＵＪｉｕｃｈｅｎｇ，ＸＵＹｉｑｉｎ，ＨＵＪｉｎｈｕａ，ＣＨＥＮＺｈｉｔａｏＧｕａｎｇｄｏｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０６５０，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｐｅｃｔｒｕｍｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ—ＧａＮｂａｓｅｄｂｌｕｅｍｏｎｏｃｈｒｏｍｅｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ（ＥＬ）ａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｃｕｒｒｅｎｔ，ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖａｒｉａｂｌｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＩｔｉｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎｏｆＥＬｓｐｅｃｔｒｕｍｅｎｅｒｇｙｉｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｏｎｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎｏｆｔｈｅｌｏｎｇｗａｖｅｂａｎｄｉｓｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎｏｆＥＬｓｐｅｃｔｒｕｍｅｎｅｒｇｙｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｏｎｅｉｎｔｈｅｓｈｏｒｔｗａｖｅｂａｎｄ，ａｎｄｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｉｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｏｎｅｉｎｔｈｅｌｏｎｇｗａｖｅｂａｎｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎｏｆｔｈｅｓｅｃｈａｎｇｅｓｉｓａｔｔｒｉｂｕｔｅｄｔｏｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｎｏｎｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｃａｒｒｉｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｐｅｃｔｒｕｍ；ｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｔｒｅｓｓ；ｒｅｌａｔｉｖｅｇａｉｎ万方数据