專利名稱：一種檢測氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)溫的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的檢測方法，特別是指一種檢測氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)溫的方法。
背景技術(shù)：
LED的基本結(jié)構(gòu)是一個半導(dǎo)體PN結(jié)。當(dāng)電流流過LED器件時，PN結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說，PN結(jié)區(qū)的溫度就是LED的結(jié)溫。通常由于器件芯片具有很小的尺寸，因此常把LED芯片的溫度視為結(jié)溫。在LED工作時，存在五種情況促使結(jié)溫不同程度的上升一、器件不良的電極結(jié)構(gòu)，窗口層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，構(gòu)成LED器件的串聯(lián)電阻。電流流過這些電阻時，產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度升高。二、PN結(jié)的不完美性使器件注入效率不會達(dá)到100％，由N區(qū)注入到P區(qū)的電子不會產(chǎn)生光電效應(yīng)，而是以發(fā)熱的形式消耗掉。三、注入到PN結(jié)的部分有用電荷與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷結(jié)合變成熱。四、由于半導(dǎo)體材料的折射率比較高，芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光子會在界面上產(chǎn)生全反射，返回到芯片內(nèi)部并通過多次內(nèi)部反射最終被芯片材料或襯底吸收并以晶格振動的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。五、環(huán)氧樹脂、襯底、管殼、銀漿等材料的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，導(dǎo)致LED器件的熱散失能力差。LED工作時，結(jié)溫不斷上升。LED PN結(jié)溫度上升會引起其光電參數(shù)退化，如內(nèi)量子效率降低、電阻率和正向電壓下降，；非輻射復(fù)合率增加，發(fā)光強度降低；發(fā)光波長位移，光輸出通量降低。同時，過高的結(jié)溫還會引起LED封裝材料如環(huán)氧樹脂、熒光粉等物理性能的變化，嚴(yán)重時導(dǎo)致LED失效，所以降低PN結(jié)溫，是應(yīng)用LED的重要關(guān)鍵所在。
結(jié)溫是衡量一個LED器件性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。GaN基半導(dǎo)體材料是制造藍(lán)、綠和白光發(fā)光二極管的重要材料。對GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管性能參數(shù)的準(zhǔn)確表征是對其進(jìn)行充分利用的重要過程。因此，通過實驗準(zhǔn)確測量GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)溫具有重要的實際意義。
目前，測量LED結(jié)溫的方法很多，常用的有三種方法。一種是根據(jù)LED發(fā)光光譜高能邊斜率的大小確定其結(jié)溫，但這種方法測得的主要是器件內(nèi)載流子的溫度，用其來表示結(jié)溫會導(dǎo)致測量結(jié)果偏高。另外兩種方法是根據(jù)發(fā)光峰位和LED前向電壓隨結(jié)溫的變化關(guān)系來判斷結(jié)溫，主要步驟是首先在不同的脈沖電流及不同環(huán)境溫度下，獲得不同注入電流下，發(fā)光峰位和前向電壓隨溫度的一系列對應(yīng)關(guān)系，作為發(fā)光峰位和前向電壓隨結(jié)溫變化的標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系；然后在直流電流下測量室溫下的發(fā)光峰位和前向電壓，將此值代人標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)變化關(guān)系中得到室溫下的結(jié)溫。用這兩種方法確定的結(jié)溫受電壓表及光譜儀精確度的影響很大，而且在確定不同溫度下的結(jié)溫時，操作過程比較繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種能夠同時檢測不同注入電流和不同溫度下的GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)溫的方法。
本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下1.將被測樣品GaN基LED置于溫度可控的烘箱中。接通直流電源使LED發(fā)光，通過光纖將LED所發(fā)的光引到顯微-拉曼熒光光譜儀的CCD探測器上。所說的烘箱也可用半導(dǎo)體制冷器來代替，并直接將其與LED一起置于顯微-拉曼熒光光譜儀的物鏡下，調(diào)節(jié)焦距，將物鏡焦點聚在LED發(fā)光面上，這樣可省略光纖。
2.在起始溫度T0下，調(diào)節(jié)LED注入電流的大小，獲得可用顯微-拉曼熒光光譜儀探測到LED發(fā)光光譜的最小注入電流I0。
3.在最小注入電流I0下，調(diào)節(jié)烘箱或半導(dǎo)體制冷器的溫度，從起始溫度T0開始以5-20℃的間隔逐步增加，同時由光譜儀的CCD探測器采集不同溫度下LED的電致發(fā)光光譜。所說的起始溫度可根據(jù)實際需要確定，如需要室溫以下，可采用半導(dǎo)體制冷器調(diào)節(jié)。
4.對采集的每一幅光譜中位于峰值的2/3數(shù)值大小以上的光譜段采用高斯線形進(jìn)行擬合，以便有效地降低噪聲帶來的峰位讀取誤差，獲得其準(zhǔn)確的發(fā)光峰位；并繪制在此最小注入電流下，LED發(fā)光峰位與烘箱溫度的變化關(guān)系對應(yīng)點，將這些點線性擬合形成一條線作為LED發(fā)光峰位隨烘箱溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)線性對應(yīng)關(guān)系Ej線。
5.增大LED注入電流I，I值的選取不能超出其最大工作電流，重復(fù)步驟3，4，獲得注入電流I下的發(fā)光峰位與烘箱溫度的變化關(guān)系對應(yīng)點。
6.對步驟5所得的溫度相對高的基本呈線性變化區(qū)域的對應(yīng)點進(jìn)行線性擬合，可獲得高溫下發(fā)光峰位與烘箱溫度的線性變化關(guān)系EH線，延長EH線與發(fā)光峰位軸相交，EH線與Ej線相互平行，其同一溫度點的能量差ΔE電流為電流屏蔽效應(yīng)所引的能量增加值。
7.步驟5所測的對應(yīng)點中的發(fā)光峰位值與ΔE電流的差即為去除電流屏蔽效應(yīng)后，純粹與結(jié)溫相關(guān)的發(fā)光峰位。
8.將步驟7所得的純粹與結(jié)溫相關(guān)的發(fā)光峰位值代入到標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系Ej線，便可得到步驟5注入電流下的，各種溫度下的LED的結(jié)溫。改變注入電流，便可得到不同注入電流下，不同溫度下的LED的結(jié)溫。
本發(fā)明的方法是基于GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管中存在壓電效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)，注入電流的大小和PN結(jié)區(qū)溫度都會改變量子阱或量子點中導(dǎo)帶與價帶間的第一子帶間躍遷能量，引起發(fā)光峰位的變化。注入電流增大，結(jié)溫升高，躍遷能減小，發(fā)光峰位紅移；同時電流屏蔽效應(yīng)又會使躍遷能增大，發(fā)光峰位藍(lán)移，因此，屏蔽效應(yīng)和PN結(jié)區(qū)溫度對發(fā)光峰位的影響是兩者競爭的結(jié)果。本發(fā)明首先在很低注入電流即由電流引起的屏蔽效應(yīng)和熱效應(yīng)都可忽略的情況下，通過改變LED芯片溫度獲得結(jié)溫與發(fā)光峰位的標(biāo)準(zhǔn)變化關(guān)系；在大注入電流下，LED器件中存在熱效應(yīng)和屏蔽效應(yīng)，為了避開屏蔽效應(yīng)對發(fā)光峰位的影響，分別測量得到高溫下和低溫下發(fā)光峰位的變化關(guān)系。由于在高溫下，溫度對發(fā)光峰位的影響起主導(dǎo)作用；低溫下，兩者相當(dāng)。因此，步驟5所得的高溫段的發(fā)光峰位與溫度的變化關(guān)系與步驟1所得到的標(biāo)準(zhǔn)變化關(guān)系具有相同的斜率，且它們的能量差值為電流屏蔽效應(yīng)所引的起躍遷能量的增加值。用在某一溫度下的發(fā)光能量值減去電流屏蔽效應(yīng)的作用就可得到由結(jié)溫確定的發(fā)光峰位，再代入步驟1中所得到的標(biāo)準(zhǔn)變化關(guān)系便可得到在此溫度下LED的結(jié)溫。
本發(fā)明可在很小的誤差范圍內(nèi)表征GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管PN結(jié)區(qū)的實際溫度，有利于GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能表征和優(yōu)化研究。


圖1為LED發(fā)光峰位隨結(jié)溫變化的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系圖。
圖2為注入電流為I時，LED發(fā)光峰位與結(jié)溫的變化關(guān)系及結(jié)溫獲取圖。
具體實施例方式
以下通過實施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
實施例測量室溫下注入電流為80mA時，GaN基LED的結(jié)溫。
選用顯微-拉曼熒光光譜儀測量發(fā)光峰位的變化。光譜儀中的CCD探測器和不同放大倍數(shù)的物鏡有利于測量在很低注入電流下LED的電致發(fā)光光譜。
1.將被測樣品GaN基LED置于溫度可控的烘箱內(nèi)；接通直流電源使LED發(fā)光，通過光纖將LED所發(fā)的光直接引到顯微-拉曼熒光光譜儀的CCD探測器上。
2.在室溫下，輸入可用顯微-拉曼熒光光譜儀探測到LED發(fā)光光譜的最小注入電流I0，本實施例的最小注入電流為10uA。
3.在步驟2所述的最小注入電流I0下，從室溫開始以20℃的間隔增加烘箱內(nèi)的溫度，同時由光譜儀的CCD探測器采集不同溫度下LED的電致發(fā)光光譜。
4.對采集的每一幅光譜中位于峰值的2/3數(shù)值大小以上的光譜段采用高斯線形進(jìn)行擬合，以便有效地降低噪聲帶來的峰位讀取誤差，獲得其準(zhǔn)確的發(fā)光峰位；并繪制在此最小注入電流下，LED發(fā)光峰位與烘箱內(nèi)溫度的變化關(guān)系圖，作為LED發(fā)光峰位隨結(jié)溫變化的標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系Ej，如圖1所示，E0＝2.7954eV為室溫下，注入電流為I0時，LED的發(fā)光峰位。所述的烘箱溫度就是LED芯片溫度，通常由于器件芯片具有很小的尺寸，因此常把LED芯片的溫度視為結(jié)溫。
5.增大LED注入電流至I＝80mA，重復(fù)步驟3，4，獲得發(fā)光峰位與溫度的變化關(guān)系圖。所不同的是步驟3的升溫間隔，在低溫段可采用5℃間隔，目的是為了便于讀取低溫段的結(jié)溫，高溫段可采用10℃間隔，是因為高溫段溫度對發(fā)光峰位的影響起主導(dǎo)作用，其基本是一種線性關(guān)系。
6.對步驟5所得關(guān)系圖中的高溫段70℃-130℃段進(jìn)行線性擬合，可獲得高溫下發(fā)光峰位與溫度的線性變化關(guān)系EH線，延長直線EH與發(fā)光峰位軸相交，截?fù)?jù)為Ef＝2.8184eV。直線EH與Ej相互平行，其能量差Ef-E0＝ΔE電流＝0.023eV，如圖2所示。這里的高溫指的就是高于其結(jié)溫的烘箱溫度。在不同注入電流下，這個高溫區(qū)域是不同的。為了能涵蓋大范圍的注入電流，測量烘箱溫度在比較大的范圍內(nèi)的發(fā)光峰位變化，在溫度相對高的基本呈線性變化的區(qū)域為高溫區(qū)域。如果注入電流很大，高溫區(qū)域就比較小。
7.室溫下的發(fā)光峰位值EI＝2.8115eV與ΔE電流的差即EI-ΔE電流＝ET＝2.7885eV，如圖2所示。
8.將步驟7所得發(fā)光峰位ET＝2.7885eV代入步驟4所得LED發(fā)光峰位與結(jié)溫變化的對應(yīng)關(guān)系Ej線，便可得到注入電流為I時，室溫下LED的結(jié)溫為Tj＝45℃，如圖2所示。
本發(fā)明是針對GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管。對于綠光、藍(lán)光發(fā)光二極管測量其主發(fā)光峰位的變化；對于白光發(fā)光二極管，由于是使用藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉發(fā)光，只需測量其芯片所發(fā)藍(lán)光峰位的變化。
以上所述的實施例僅為了說明本發(fā)明的技術(shù)思想及特點，其目的在于使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，本發(fā)明的范圍并不僅局限于上述具體實施例，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的同等變化或修飾，仍涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種檢測氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)溫的方法，其特征在于具體步驟如下A.將被測樣品氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管置于溫度可控的烘箱中；接通直流電源使半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光，通過光纖將半導(dǎo)體發(fā)光二極管所發(fā)的光引到顯微-拉曼熒光光譜儀的CCD探測器上；所說的烘箱也可用半導(dǎo)體制冷器來代替，并直接將其與半導(dǎo)體發(fā)光二極管一起置于顯微-拉曼熒光光譜儀的物鏡下，調(diào)節(jié)焦距，將物鏡焦點聚在半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光面上；B.在起始溫度T0下，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體發(fā)光二極管注入電流的大小，獲得可用顯微-拉曼熒光光譜儀探測到半導(dǎo)體發(fā)光二極發(fā)光光譜的最小注入電流I0；C.在最小注入電流I0下，調(diào)節(jié)烘箱或半導(dǎo)體制冷器的溫度，從起始溫度T0開始以5-20℃的間隔逐步增加，同時由光譜儀的CCD探測器采集不同溫度下發(fā)光二極管的電致發(fā)光光譜；所說的起始溫度可根據(jù)實際需要確定，如需要室溫以下，可采用半導(dǎo)體制冷器調(diào)節(jié)；D.對采集的每一幅光譜中位于峰值的2/3數(shù)值大小以上的光譜段采用高斯線形進(jìn)行擬合，以便有效地降低噪聲帶來的峰位讀取誤差，獲得其準(zhǔn)確的發(fā)光峰位；并繪制在此最小注入電流下，半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光峰位與烘箱溫度的變化關(guān)系對應(yīng)點，將這些點線性擬合形成一條線作為半導(dǎo)體發(fā)光二極管發(fā)光峰位隨烘箱溫度變化的標(biāo)準(zhǔn)線性對應(yīng)關(guān)系Ej線；E.增大半導(dǎo)體發(fā)光二極管注入電流I，I值的選取不能超出其最大工作電流，重復(fù)步驟C，D，獲得注入電流I下的發(fā)光峰位與烘箱溫度的變化關(guān)系對應(yīng)點；F.對步驟E所得的溫度相對高的基本呈線性變化區(qū)域的對應(yīng)點進(jìn)行線性擬合，可獲得高溫下發(fā)光峰位與烘箱溫度的線性變化關(guān)系EH線，延長EH線與發(fā)光峰位軸相交，EH線與Ej線相互平行，其同一溫度點的能量差ΔE電流為電流屏蔽效應(yīng)所引的能量增加值；G.步驟E所測的對應(yīng)點中的發(fā)光峰位值與ΔE電流的差即為去除電流屏蔽效應(yīng)后，純粹與結(jié)溫相關(guān)的發(fā)光峰位；H.將步驟G所得的純粹與結(jié)溫相關(guān)的發(fā)光峰位值代入到標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)關(guān)系Ej線，便可得到步驟E注入電流下的，各種溫度下的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)溫；改變注入電流，便可得到不同注入電流下，不同溫度下的半導(dǎo)體發(fā)光二極管的結(jié)溫。
全文摘要
一種檢測氮化鎵基半導(dǎo)體發(fā)光二極管結(jié)溫的方法，包括1.在很低注入電流下，通過控制其周圍溫度獲得發(fā)光峰位隨結(jié)溫的變化關(guān)系；2.在一定注入電流下，測量其在不同溫度下發(fā)光峰位的變化關(guān)系，從中得出高溫下發(fā)光峰位的變化關(guān)系，并外推至坐標(biāo)軸，得到去除電流屏蔽效應(yīng)后，在某一溫度下的發(fā)光峰位；3.將此發(fā)光峰位數(shù)值代入從1得到的結(jié)溫與發(fā)光峰位的關(guān)系判斷在此注入電流及溫度下發(fā)光二極管PN結(jié)區(qū)的溫度。本發(fā)明可在很小的誤差范圍內(nèi)表征在不同注入電流及溫度下GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管PN結(jié)區(qū)的實際溫度，有利于GaN基半導(dǎo)體發(fā)光二極管的性能表征和優(yōu)化研究。
文檔編號G01N33/00GK1786690SQ20051011136
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者陸衛(wèi), 夏長生, 李志鋒, 張波, 李寧, 陳效雙, 陳明法 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 上海藍(lán)寶光電材料有限公司