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。