功率型GaN基发光二极管芯片表面温度及亮度分布的物理特性研究

陈焕庭; 吕毅军; 高玉琳; 陈忠; 庄榕榕; 周小方; 周海光

doi:10.7498/aps.61.167104

摘要

基于电流连续方程、欧姆定律及定性三维热流传导模型研究发光二极管(LED)芯片的电流密度分布、热量、温度之间的相互交叉关系,进而测试分析GaN基蓝光 LED电流扩展效应和亮度分布的关系,认为芯片亮度变化趋势可作为判别电流扩展性能的有效手段. 由于芯片表面温度、亮度分布和电流密度之间存在紧密的联结关系,通过测试芯片表面温度或亮度分布就可定性了解器件电流扩展性能, 从而为优化电极结构提供一种判定依据. 在不同电流和热沉温度下,进一步讨论了电流密度非均匀性和亮度分布的关系, 电流密度拥挤将导致芯片局部区域热量堆积,非辐射复合作用增强,限制出射光子数目, 因此热量是影响亮度分布的重要因素之一. 通过载流子传输机理进一步说明温度影响亮度均匀性的原因,并通过实验说明理论分析的可行性. 通过优化电极结构能改善器件的电流扩展效应以及亮度均匀性, 对提高大功率LED的可靠性具有重要作用.

关键词:

Abstract

In this paper, we study the relationship among current density distribution, heat and temperature based on current continuity equation, ohm law and three-dimensional heat transfer model. The relationship between luminance distribution and current spreading of GaN blue light emitting diode (LED) is studied. Luminance distribution is proved to be an effective method of distinguishing the performance of current spreading. Because of the close relationship among temperature, luminance distribution and current density, a qualitative method of optimizing electrode structure and current spreading is proposed. With different currents and heat sink temperatures, the current non-uniformity and the luminance distribution of LED are analyzed. Temperature or current density crowding results in heat accumulation, increase of non-radiative recombination and the restriction of the emitting photons, hence thermal flux is an important factor influencing the luminance distribution. Through carrier transport mechanism, the reason for the temperature influence on luminance distribution is explained. Optimized contact electrode structure can improve current spreading and luminance uniformity, also considerably increase the reliability of high power LED.

Keywords:

作者及机构信息

1.
漳州师范学院物理与电子信息工程系, 漳州 363000;

2.
厦门大学电子科学系, 福建省半导体照明工程技术研究中心, 厦门 361005

基金项目: 福建省科技计划重点项目(批准号: 2011H0021, 2012H0039); 福建省科技项目(批准号:2011H6025); 福建省自然科学基金(批准号: 2011J05162); 福建省教育厅A类科技项目(批准号: JA11175)和漳州师范学院科学研究资助项目(批准号:SJ1017)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Department of Physics and Electronic Information Engineering, Zhangzhou Normal University, Zhangzhou 363000, China;

2.
Fujian Engineering Research Center for Solid-State Lighting, Department of Electronic Science, Xiamen University, Xiamen 361005, China

Funds: Project supported by the Key Science Project of Fujian Province, China (Grant Nos. 2011H0021，2012H0039), the Science Project of Fujian Province, China (Grant No. 2011H6025), the Natural Science Foundation of Fujian Province, China (Grant No. 2011J05162), the Science Project of Education Bureau of Fujian Province, China (Grant No. JA11175), and the Foundation of Zhangzhou Normal University, China (Grant No. SJ1017).

参考文献

[1]	Kim H S, Lee J M, Huh C, Kim S W, Kim D J, Park S J, Hwang H S 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1903
[2]	Chen H T, Tao X H, Hui S Y R 2012 IEEE Trans. Power Electron. 27 2176
[3]	Li P L, Wang Z J, Yang Z P, Guo Q L 2011 Acta Phys. Sin. 60 047804 (in Chinese) [李盼来,王志军,杨志平,郭庆林 2011 60 047804]
[4]	Shen G D, Zhang J M, Zou D S, Xu C, Gu X L 2008 Acta Phys. Sin. 57 472 (in Chinese) [沈光地,张剑铭,邹德恕,徐晨,顾晓铃 2008 57 472]
[5]	Pan H P, Huang L W, Li R, Lin L, Chen Z Z, Zhang G Y, Hu X D 2007 Chin. J. Lumines. 28 114 (in Chinese) [潘华璞, 黄利伟, 李睿, 林亮, 陈志忠, 张国义, 胡晓东 2007 发光学报 28 114]
[6]	Deng Y L, Liao C J, Liu S H, Fan G H, Wen S S 2002 Chin. J. Lumines. 23 255 (in Chinese) [邓云龙, 廖常俊, 刘颂豪, 范广涵, 文尚胜 2002 发光学报 23 255]
[7]	Hwang S, Shim J 2008 IEEE Trans. Electron Dev. 55 1123
[8]	Guo X, Schubert E F 2001 Appl. Phys. Lett. 78 3337
[9]	Kim H, Park S J, Hwang H 2002 Appl. Phys. Lett. 77 1903
[10]	Chen H T, Lü Y J, Chen Z, Zhang H B, Gao Y L, Chen G L 2009 Acta Phys. Sin. 58 5700 (in Chinese) [陈焕庭,吕毅军, 陈忠,张海兵,高玉琳,陈国龙 2009 58 5700]
[11]	Huang S J, Wu H, Fan B F, Zhang B J, Wang G 2010 J. Appl. Phys. 107 054509
[12]	Zhao Y G, Mcinerney J G 1996 IEEE J. Quantum Electron 32 1950.
[13]	Zhang Y Y, Fan G H 2011 Acta Phys. Sin. 60 078504 (in Chinese) [张运炎, 范广涵 2011 60 078504]
[14]	Chen H T, Gao Y L, Lu L J, Chen G L, Chen Z 2012 Heat Transfer Engineering 33 255
[15]	Gärditz C, Winnacker A, Schindler F, Paetzold R 2007 Appl. Phys. Lett. 90 103506
[16]	Li B Q, Liu Y H, Feng Y C 2008 Acta Phys. Sin. 57 477 (in Chinese) [李炳乾, 刘玉华, 冯玉春 2008 57 477]

施引文献

[1]	Kim H S, Lee J M, Huh C, Kim S W, Kim D J, Park S J, Hwang H S 2000 Appl. Phys. Lett. 77 1903
[2]	Chen H T, Tao X H, Hui S Y R 2012 IEEE Trans. Power Electron. 27 2176
[3]	Li P L, Wang Z J, Yang Z P, Guo Q L 2011 Acta Phys. Sin. 60 047804 (in Chinese) [李盼来,王志军,杨志平,郭庆林 2011 60 047804]
[4]	Shen G D, Zhang J M, Zou D S, Xu C, Gu X L 2008 Acta Phys. Sin. 57 472 (in Chinese) [沈光地,张剑铭,邹德恕,徐晨,顾晓铃 2008 57 472]
[5]	Pan H P, Huang L W, Li R, Lin L, Chen Z Z, Zhang G Y, Hu X D 2007 Chin. J. Lumines. 28 114 (in Chinese) [潘华璞, 黄利伟, 李睿, 林亮, 陈志忠, 张国义, 胡晓东 2007 发光学报 28 114]
[6]	Deng Y L, Liao C J, Liu S H, Fan G H, Wen S S 2002 Chin. J. Lumines. 23 255 (in Chinese) [邓云龙, 廖常俊, 刘颂豪, 范广涵, 文尚胜 2002 发光学报 23 255]
[7]	Hwang S, Shim J 2008 IEEE Trans. Electron Dev. 55 1123
[8]	Guo X, Schubert E F 2001 Appl. Phys. Lett. 78 3337
[9]	Kim H, Park S J, Hwang H 2002 Appl. Phys. Lett. 77 1903
[10]	Chen H T, Lü Y J, Chen Z, Zhang H B, Gao Y L, Chen G L 2009 Acta Phys. Sin. 58 5700 (in Chinese) [陈焕庭,吕毅军, 陈忠,张海兵,高玉琳,陈国龙 2009 58 5700]
[11]	Huang S J, Wu H, Fan B F, Zhang B J, Wang G 2010 J. Appl. Phys. 107 054509
[12]	Zhao Y G, Mcinerney J G 1996 IEEE J. Quantum Electron 32 1950.
[13]	Zhang Y Y, Fan G H 2011 Acta Phys. Sin. 60 078504 (in Chinese) [张运炎, 范广涵 2011 60 078504]
[14]	Chen H T, Gao Y L, Lu L J, Chen G L, Chen Z 2012 Heat Transfer Engineering 33 255
[15]	Gärditz C, Winnacker A, Schindler F, Paetzold R 2007 Appl. Phys. Lett. 90 103506
[16]	Li B Q, Liu Y H, Feng Y C 2008 Acta Phys. Sin. 57 477 (in Chinese) [李炳乾, 刘玉华, 冯玉春 2008 57 477]

[1]	赵建铖, 吴朝兴, 郭太良. 无注入型发光二极管的载流子输运模型研究. , 2023, 72(4): 048503. doi: 10.7498/aps.72.20221831
[2]	蒋福春, 刘瑞友, 彭冬生, 刘文, 柴广跃, 李百奎, 武红磊. 基于光谱法的发光二极管稳态热阻测量方法. , 2021, 70(9): 098501. doi: 10.7498/aps.70.20201093
[3]	陈佳楣, 苏杭, 李婉, 张立来, 索鑫磊, 钦敬, 朱坤, 李国龙. 钙钛矿发光二极管光提取性能增强的研究进展. , 2020, 69(21): 218501. doi: 10.7498/aps.69.20200755
[4]	王党会, 许天旱. 蓝紫光发光二极管中的低频产生-复合噪声行为研究. , 2019, 68(12): 128104. doi: 10.7498/aps.68.20190189
[5]	瞿子涵, 储泽马, 张兴旺, 游经碧. 高效绿光钙钛矿发光二极管研究进展. , 2019, 68(15): 158504. doi: 10.7498/aps.68.20190647
[6]	毛清华, 刘军林, 全知觉, 吴小明, 张萌, 江风益. p型层结构与掺杂对GaInN发光二极管正向电压温度特性的影响. , 2015, 64(10): 107801. doi: 10.7498/aps.64.107801
[7]	王党会, 许天旱, 王荣, 雒设计, 姚婷珍. InGaN/GaN多量子阱结构发光二极管发光机理转变的低频电流噪声表征. , 2015, 64(5): 050701. doi: 10.7498/aps.64.050701
[8]	陈伟超, 唐慧丽, 罗平, 麻尉蔚, 徐晓东, 钱小波, 姜大朋, 吴锋, 王静雅, 徐军. GaN基发光二极管衬底材料的研究进展. , 2014, 63(6): 068103. doi: 10.7498/aps.63.068103
[9]	高晖, 孔凡敏, 李康, 陈新莲, 丁庆安, 孙静. 双层光子晶体氮化镓蓝光发光二极管结构优化的研究. , 2012, 61(12): 127807. doi: 10.7498/aps.61.127807
[10]	汤益丹, 沈光地, 郭霞, 关宝璐, 蒋文静, 韩金茹. 带介质分布式Bragg反射镜结构高性能共振腔发光二极管的研究. , 2012, 61(1): 018503. doi: 10.7498/aps.61.018503
[11]	王光绪, 陶喜霞, 熊传兵, 刘军林, 封飞飞, 张萌, 江风益. 牺牲Ni退火对硅衬底GaN基发光二极管p型接触影响的研究. , 2011, 60(7): 078503. doi: 10.7498/aps.60.078503
[12]	薛正群, 黄生荣, 张保平, 陈朝. 激光诱导p-GaN掺杂对发光二极管性能改善的分析. , 2010, 59(2): 1268-1274. doi: 10.7498/aps.59.1268
[13]	朱丽虹, 蔡加法, 李晓莹, 邓彪, 刘宝林. In组分渐变提高InGaN/GaN多量子阱发光二极管发光性能. , 2010, 59(7): 4996-5001. doi: 10.7498/aps.59.4996
[14]	李为军, 张波, 徐文兰, 陆卫. InGaN/GaN多量子阱蓝色发光二极管的实验与模拟分析. , 2009, 58(5): 3421-3426. doi: 10.7498/aps.58.3421
[15]	李炳乾, 郑同场, 夏正浩. GaN基蓝光发光二极管正向电压温度特性研究. , 2009, 58(10): 7189-7193. doi: 10.7498/aps.58.7189
[16]	沈光地, 张剑铭, 邹德恕, 徐晨, 顾晓玲. 大功率GaN基发光二极管的电流扩展效应及电极结构优化研究. , 2008, 57(1): 472-476. doi: 10.7498/aps.57.472
[17]	张剑铭, 邹德恕, 徐晨, 顾晓玲, 沈光地. 电极结构优化对大功率GaN基发光二极管性能的影响. , 2007, 56(10): 6003-6007. doi: 10.7498/aps.56.6003
[18]	刘乃鑫, 王怀兵, 刘建平, 牛南辉, 韩军, 沈光地. p型氮化镓的低温生长及发光二极管器件的研究. , 2006, 55(3): 1424-1429. doi: 10.7498/aps.55.1424
[19]	胡瑾, 杜磊, 庄奕琪, 包军林, 周江. 发光二极管可靠性的噪声表征. , 2006, 55(3): 1384-1389. doi: 10.7498/aps.55.1384
[20]	徐耿钊, 梁琥, 白永强, 刘纪美, 朱星. 低温近场光学显微术对InGaN/GaN多量子阱电致发光温度特性的研究. , 2005, 54(11): 5344-5349. doi: 10.7498/aps.54.5344

计量

文章访问数: 7781
PDF下载量: 769
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板