GaN基不同电极形状的LED性能比较精.docx

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GaN基不同电极形状的LED性能比较精

GaN基不同电极形状的LED性能比较

112111

董雅娟，张俊兵，林岳明，金豫浙，王书昶，曾祥华

（1.扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州225002；2.扬州华夏集成光电有限公司，江苏扬州225009）

摘要：

对前期工作中使用CrosslightAPSYS软件模拟的6种优化电极的GaN基InGaN/GaN多量子阱蓝光LED芯片进行试制并测试分析，将实验结果与软件模拟结果进行比较，并进行可靠性分析。

结果表明，优化电极的实验结果和软件模拟结果基本吻合，优化电极的光学、电学等特性的确有明显改善，芯片出光效率也有提升。

对称型指形在光通量、光效和电压（电流为20mA）等方面在这6种电极中最优；旋转形电极的寿命在预测中最高，为37000h，对称型指形位居第二；老化对优化电极的影响与未优化电极相差不多，所以综合考虑，对称型指形的性能最优。

关键词：

GaN；电极形状；发光二极管；寿命；光电性能

中图分类号：

TN312.8；TN304.23文献标识码：

A文章编号：

1003－353X（2011）03－0177－05

PerformancesComparisonofGaN-BasedLEDswith

DifferentElectrodeShapes

DongYajuan1，ZhangJunbing1，LinYueming2，JinYuzhe1，

WangShuchang1，ZengXianghua1

（1.CollegeofPhysics＆Technology，YangzhouUniversity，Yangzhou225002，China；2.YangzhouHuaxiaIntegratedOESystemCo．，Ltd．，Yangzhou225009，China）

Abstract：

ThesixkindsofoptimizingelectrodesGaN-basedInGaN/GaNMQWblueLEDssimulatedwithCrosslightAPSYSsoftwaresimulationinthepreliminaryworkweredevelopedandanalyzed，andtheexperimentalresultswerecomparedwiththesimulationresults，andreliabilityanalysiswasalsoexecuted．Theresultsshowthattheexperimentalresultsarebasicallyconsistentwiththesoftwaresimulationresults，theopticalandelectricalandotherpropertiesoftheoptimizingelectrodesaresignificantlyimproved，theextractionefficiencyisalsoupgraded．Thesymmetricalfingeristhebestshapeinthesixkindsofelectrodesfortheluminousflux，luminousefficiency，voltage（currentof20mA）andsoon，whilethe37000hlifeoftherotatingfingeristhehighestinthesixkindsofelectrodesintheforecast，withsymmetricalfingeristhesecond．Whiletheimpactofagingontheoptimizingelectrodesandnon-optimizedelectrodesisverysimilar．Therefore，thesymmetricalshapehasthebestperformancebasedonthesyntheticalconsideration．

Keywords：

GaN；electrodeshapes；light-emittingdiodes；lifetime；photoelectricpropertyEEACC：

4260D；2520D

0引言

目前LED的出光效率普遍较低，这是由于晶格对光的吸收、衬底对光的吸收以及光在出射过程中反射、全内反射造成的损失等多方面的原因导致的。

近年来，对提高LED出光效率方面的研究也较多，其中改进LED电极形状是一个新起的分支

［1－2］

。

优化LED的电极形状需要注意3个方面：

①使用n电极环绕p电极的方法，这样能够让电流在尽可能大的面积上由p电极进入n电极，增加有效发光长度；②n与p电极之间的距离应相等，使电流尽可能均匀的分布；③n电极要分布在外侧，这与①的理由相同。

提高了LED的出光效率就在一定程度上提高了LED的电光转换效率，对于LED的节能优势有着重要的影响。

但J.S.Yun等人［2］

只对常用的电极做简单优化，本文前期工作设计了复杂的优化电极，并通过软件模拟结果优化电极，提高了出光效率的结果。

为对软件模拟的情况进行实验验证，本次实验对前期模拟的6种优化电极的蓝光芯片进行试制，并对理论结果与实验结果在光学、电学和可靠性等方面做详细的比较分析，用测试结果验证优化电极在各方面的优势，并对各种电极的寿命做出预测。

1实验

实验样品的外延片波长为469.02nm，亮度为153.33mcd，电压为3.27V，尺寸为2英寸（50mm），样品芯片的尺寸为14mmˑ14mm，实际样品芯片参数与软件模拟一致。

6种电极在封装前的芯片电极形状如图1所示，图1（a）（f）分别为普通指形电极、对称型指形电极、h形指形电极、旋转形电极、中心环绕形电极和树形电极。

各图中颜色稍亮的电极为P电极，稍暗些的为N电极，由于P和N电极处在不同的台面，N电极的水平位置相对P电极要低1300nm左右，故拍下效果两种电极的颜色会不同。

正是由于这种台面结构使得电流存在横向扩展，产生电流聚集效应

［3］

。

由于优化电极在芯片表面的电流密度分布更加均

匀，会削弱电流聚集效应的影响，相应增加LED的发光效率

［4－5］

。

对6种电极形状芯片先挑选满足

漏电流小于0.2μA和波长在467.1471.1nm之间

的芯片；再采用常规的环氧树脂封装，即圆形灯

（Lamp-LED，垂直LED），直径为5mm，金属底座无色透明环氧封装，如图2，封装后进一步挑选性能较稳定的一批样品进行测试。

每种电极形状取11支样品进行测试，测试结果为11支样品中去除不良后的平均值，用这个值来估测样品整体性能。

测试设备为杭州远方HAAS－2000LED快速光色电综合测量系统，其光度测试准确度为一级，波长精确到0.1nm，测试及老化的环境温度为25ħ，保持恒温

。

2

结果与分析

2.1

电学分析

LED的电学参数是评价LED可靠性和失效性

的一个标准，因此先从电压和电光转换效率的角度来分析各种电极的电学性能，如图3所示：

①6种形状电极中对称型指形的电压（20mA电流情况下）最低为4.80V，同时这种形状电极的电光转换效率最高，为6.7%，相对于普通指形电极的电压4.94V，降低2.99%；相对于普通指形电极的电光转换效率6.04%，提高10.92%。

这是由于对称型指形的电极形状是在对称性和电流分布的双重

考虑下设计出来的，所以对称型指形的电流密度分布更加均匀，电流扩展能力更好，能够从芯片出射的光更多，这样减少了光转换为热能的量，进一步提升了器件的光特性。

此时电流聚集效应也在优化电极下降至最低；而对称型指形表面正负电极所覆盖的面积适中，能够充分提升芯片的外部量子效率，因此对称型指形的电压和电光转换效率最高，相应I-V特性曲线也是6种电极中最好的。

②整体上优化电极的电压要比普通指形要低，电光转换效率要比普通指形电极要高，这与理论模拟的结果相一致，这是因为优化电极表面电流密度分布更加均匀，具有更好的电流扩展能力，芯片有更好的转换效率；且优化电极表面金属电极的面积适中使其有更好的电压特性。

③由于这批样品未采用透明电极ITO，以及封装过程中打线等原因导致这批样品整体上电压较高，使样品的热效应加剧，也进一步加速LED的衰减，可以预测本批样品的寿命要低于采用透明电极ITO及封装较好的样品寿命

。

图36种电极电压与电光转换效率（η）Fig.3Voltagesandelectro-opticalconversionefficiency

forsixkindsoftheelectrodes

为了将实验结果与软件模拟结果相比较，对样品进行了I-V特性测试，测试温度为25ħ，测试电流为0100mA，间隔为2mA。

图3中6种电极的名称（a）（f）与理论模拟结果中（B）

（G）［5］相对应，下文中不再累述。

测试结果如图4所示，图中为实验测得的6种电极的I-V特性曲线。

实验测得I-V特性曲线与理论模拟相似，由于实验测量时电流间隔要比软件模拟小，所以实验结果较模拟结果曲线更密集；各种优化电极在相同电流下的电压都要比普通指形电极要低，对称型指形的电压要远低于另外5种优化电极，这也与理论模拟的结果相同；但实验测得的电压整体要高于软件模拟的结果，这是因为软件模拟仅仅是对芯片模

拟，而实际样品会由于焊线、金属电极等其他因素会增加串联电阻，使得相同电流下电压升高。

从图中可以看到优化电极的电压整体上要低于（a）指形电极的电压，说明测试结果基本与理论模拟结果一致，由此可见优化电极的可行性

。

图4实验测得I-V特性曲线Fig.4

MeasuredI-Vcurvesfromtheexperiment

2.2光学分析

本文从光通量和光效两个角度来描述优化电极

对LED光学性能的影响，测试时的工作电流为20mA，测试结果如图5中所示：

①可以明显看出，对称型指形的光通量和光效要远远高于另外5种电极形状，其光通量和光效分别为0.48lm和4.98lm/W，相对于普通指形电极的光通量0.43lm和光效4.36lm/W，分别提高了10.83%和14.22%，提高十分显著，有明显的光性能改善。

②另外4种优化电极的光通量和光效也要高于普通指形电极，主要是因为该电极形状能够使芯片的电流整体分布相对比较均匀，且金属电极面积适中，充分提升了芯片的外部量子效率

。

图56种不同形状电极的光效（K）和光通量（φ）

Fig.5Luminousefficiencyandluminousfluxfor

sixkindsoftheelectrodes

为了比较实验结果与软件模拟结果在光学部分的差异，选用电流光效曲线进行比较。

在软件模拟中，光效随电流变化很小，总体呈下降趋势。

如图6所示，实验中得到的6种电极在光效上随电流变

化幅度较大，这与软件模拟有很大不同，这是因为芯片在大电流下工作时会产生大量的热量

［6］

，使

器件的性能迅速下降；而在软件模拟中未考虑器件自身发热对光效的影响，导致在软件模拟中各种电极的光效变化幅度较小，且在软件模拟中未考虑芯片的实际功率情况

。

图6实验得出的光效随电流变化关系

Fig.6Experimentalluminousefficiencychanges

withthecurrent

如图6所示，从优化电极的光效角度来看，对称型指形的光效最高，且优化电极的光效均要高于普通指形电极。

这主要是因为复杂电极形状的电流分布更为均匀，芯片热效应小，减小了热效应引起的非辐射性复合量，降低了芯片能带的内缩量，相对提高了芯片的外部量子效率，而导致光效的提升。

2.3

可靠性分析

寿命试验是可靠性试验的主要项目，对于大多数机电产品，其寿命试验只能进行加速试验，以节省费用和缩短产品开发周期。

对于本批样品的寿命分析是通过电流加速寿命实验法

［7］

来掌握LED的

光输出衰减情况，其中LED寿命是单个LED在工作电流为20mA情况下亮度降到初始亮度的一半所经历的时间

［7］

。

具体实验进行：

老化隔一段时间

测一次参数，累计老化时间达到500h以上，每种

电极形状采用11只相同的发光二极管同时进行测试，所给出的结果为11只实验管的平均值。

所有的测试均在LED卸下冷却1h后进行的。

2.3.1

寿命原理

电流加速寿命实验法是将LED通以较大的电流（如30，40，50，60，70和80mA）进行老化，在大电流工作下的LED会产生更多的热量加速老化

［8］

。

在这种情况下，其相对光功率会随时间而

衰减。

当驱动电流较小时，在老化的初始阶段衰减幅

度较小。

当相对光功率衰减到P/P0＜0.80.9以

后，相对光输出功率与老化时间之间满足关系式

1－

PP=αln（tt）

（1）

00

式中：

α是拟合直线的斜率，它与驱动电流无关，

是一个常数为0.27；将t0定义为P/P0=1时的点，它是与电流强度的大小有关，可表示为

tI－β

0=AˑF

（2）

式中：

IF为驱动电流强度，单位为mA。

根据实验

得到蓝光LED的经验值：

A=4.3ˑ106

，β=2.7。

联立式

（1），

（2）就可以计算出光功率衰减到一半时（即P/P0=1/2时）的寿命

tI－2.7

F=2.73ˑF

ˑ107（3）

式中tF为老化时间，单位为h。

假设己经测得的测

量驱动电流为40mA时的寿命为tF（40），则相应驱动－2.7

电流为20mA时的寿命为：

tF（20）=tF（40）

（2040

）=

6.498ˑtF（40），即驱动电流为20mA时的寿命为驱动电流为40mA时寿命的6.498倍。

2.3.2寿命的结果与分析

实验中将LED通以较大的工作电流（本实验中用40mA）进行老化。

LED的相对光功率与老化时间的衰减曲线遵循指数衰减关系

［9］

，其具体关

系式为：

y=e－αt

，其中y为相对光输出功率，α为衰减系数，t为老化时间。

利用这个公式，对实验

测量的相对光输出功率进行拟合，得到衰减系数α，算出y=0.5时的LED寿命。

以普通指形电极的相对光输出功率为例，对曲线进行拟合，得到它的指数衰减曲线如图7，得出相应的衰减系数为0.0064，算出相对光功率为0.5时的寿命为1083.04h，再由寿命原理推算出工作

图7普通指形电极的相对光功率衰减图

Fig.7Relativelightpowerattenuationforthecommon

fingerelectrode

在20mA电流下的寿命为7000h。

图7中的R2

为相关系数，其越接近1表明实验数据与拟合曲线符合得越好。

以此类推，算出另外5种不同形状电极的寿命，如表1所示。

表16种电极的寿命情况

Tab.1

Sixkindsofoptimizingelectrodes'life

电极形状衰减系数相对于电极a的提高量/%

寿命排名

普通0．000640．06对称型0．00026142．82h形0．0004057．13旋转0．00012428．61中心环绕0．0005028．65树形

0．00045

42．9

4

从表1中可以看出，旋转形电极的寿命最长，相对指形电极提高了428.6%，达到37000h，这与目前市场上常用的蓝光LED寿命相近，再加上本批样品的电压由于未使用ITO透明导电薄膜及封装中的问题导致电压要高于正常小功率LED的电压，所以可以预测低电压下优化电极的LED寿命将高于本实验中样品的寿命，相关实验也正在进行中。

优化电极中对称型指形的寿命仅次于旋转形电极，并且优化电极整体的寿命也要高于普通指形电极。

2.3.3

老化中的特性参数分析

为了看到老化中电学、光学和色参数的变化，

制作了表2，将6种电极结构的3个参数变化展现出来，在电学、光学和色参数中分别选用了电压、光通量和主波长的变化来体现老化对这3个方面的影响。

如表2中所示：

①老化开始时优化电极的电压均要低于普通指形电极的电压，但随着老化的进行，首先各种电极的电压均越来越高，这是由于随着老化的进行，电流的热效应导致芯片温度升高，同时由于器件不能完全散热，使得热量不断积累，器件温度不断升高，进而导致LED芯片中杂质扩散严重，使欧姆接触电阻变大，工作电压升高；其次，优化电极的电压变化幅度要稍高于未优化电极，这说明老化对优化电极的影响稍大，这是因为优化电极表面的金属电极面积要高于普通指形电极，在相同情况下电阻变化量要高于指形电极，建议以后在芯片表面的电极宽度等方面适当减少。

②老化前对称型指形的光通量最高，但随老化的进行，其光通量的变化也稍高，可以看出老化对优化

电极的光学参数也有影响，在以后的设计中也需考虑这方面的改进。

③6种电极的主波长均随着老化的进行而红移，原因可能是通入40mA大电流时，随老化的进行，芯片温度升高，使蓝光LED器件结构中的n型施主杂质Si和p型受主杂质Mg扩散到发光层，从而导致有效的禁带宽度变小，波长红移

［10］

；6种电极的主波长变化量均在2nm以内，其中旋转形和中心环绕形电极的变化量最小，说明

老化对这两种优化电极的色参数影响较小，在一定程度上证明优化电极的优越性。

表26种电极的电压（V

）、光通量（φ）、主波长（λ）在老化中的变化

Tab.2Sixkindsofelectrodes'voltage，luminousflux，dominant

wavelengthchangesintheaging

V/V

φ/lm

λ/nm电极形状开始老化527h开始老化527h开始老化527h普通5．025．980．450．30468．30469．00对称型4．866．130．490．29469．00469．58h形4．926．000．460．28468．73470．07旋转

4．88

5．900．460．29468．87469．58中心环绕4．916．250．420．28468．77469．58树形

4．70

5．91

0．32

0．22

467．50

470．90

3结论

为了验证优化电极能够改善器件的光电性能，有更长的使用寿命，对6种芯片电极进行流片、封装和测试，并比较之前的模拟结果。

实验发现，从整体上看优化电极在电压、电光转换效率、光通量和光效等方面均要优于普通指形电极，且对称型指形的电压最低，电光转换效率最高，光通量和光效要远远高于另外5种电极形状，提高十分显著；寿命方面，旋转型指形的寿命最长达37000h，对称型指形的寿命仅次于旋转型电极。

从老化对电极各方面参数的影响来看，对优化电极的影响要稍大于对普通指形电极的，在以后的电极优化设计中需要改进。

本次实验是针对小功率发光二极管而进行的，基于优化电极在光电性能上的优势，会继续对大功率LED进行电极优化，并考虑使用透明电极ITO，相关部分的实验正在进行中。

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474－477．究［（收稿日期：

2010－09－20）作者简介：

董雅娟（1988—），女，江苏宿迁人，硕士研究生，主要从事LED电极形状优化与辐照方向的研究；曾祥华（1965—），女，四川资阳人，博士，教授，硕士生导师，院长，微电子学与固体电子学学科带头人，目前主要研究领域为大功率GaN辐照效应及失效机理研究、ZnS半导体发光二极管的应用设计、粉末和薄膜的制备及辐照效应研究。