GaN基LED電流擴(kuò)展對(duì)其器件特性的影響

1、第卷第期年月量子電子學(xué)報(bào)文章編號(hào)：（）基電流擴(kuò)展對(duì)其器件特性的影響孫重清，鄒德恕，顧曉玲，張劍銘，董立閩宋穎娉，郭霞，高國，沈光地（北京工業(yè)大學(xué)光電子試驗(yàn)室，摘北京）要：基的表面電流擴(kuò)展對(duì)于器件的特性起著很重要的作用。制作環(huán)狀電極的器件在正向電壓、總輻射功率、器件老化等特性方面較普通的電極都有很大的提高。通過一系列的實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)狀電極和普通電極進(jìn)行了比較，在外加正向電流為時(shí)，正向電壓減小了，總輻射功率也略有提高，工作小時(shí)后，總輻射功率相差，驗(yàn)證了環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)有利于器件電流擴(kuò)展，減少器件串聯(lián)電阻，減少了焦耳熱的產(chǎn)生，提高了電光特性和可靠性。關(guān)鍵詞：光電子學(xué)；固態(tài)照明；環(huán)狀電極；總輻射功率；電流擴(kuò)展中

2、圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：引言隨著基的迅速發(fā)展，已經(jīng)成為下一代主要照明工具的主要候選者，雖然要實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明工程還有一段很長的路要走。隨著材料生長技術(shù)的快速進(jìn)步，近些年，器件在總輻射功率和發(fā)光效率方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，極大的推動(dòng)了的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，使固態(tài)照明得以真正的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)今，在基的發(fā)展過程中主要存在三個(gè)方面的問題）器件內(nèi)量子效率的提高；光提取效率的提高；）器件的電流擴(kuò)展和散熱。在器件的內(nèi)量子效率和光提取效率和散熱方面，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表了很多這類文章】，提出了很多提高效率的方法，諸如有源區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、倒裝焊技術(shù)的應(yīng)用、表面粗化和倒金字塔結(jié)構(gòu)的提出等等。應(yīng)用有效的封裝結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)使的散熱特性得到進(jìn)一

3、步提高。器件表面電極的結(jié)構(gòu)以及歐姆接觸的制作對(duì)于改善器件電流擴(kuò)展是非常重要的，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化電流擴(kuò)展分布，減少器件串聯(lián)電阻，進(jìn)而減少焦耳熱的產(chǎn)生，以達(dá)到改善器件特性的目的。本文將從兩種不同的表面電極結(jié)構(gòu)，來分析和比較這兩種電極結(jié)構(gòu)的器件，并且把器件倒裝在支架上，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)封裝，對(duì)器件的電流電壓曲線，電流總輻射功率曲線等進(jìn)行測(cè)試和比較。器件的制作本文使用的芯片是采用技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長的。一層型的作為緩沖層，然后在其上生長的型，摻雜濃度為×，而后生長的和的，中間含有周期的超晶格，而后生長對(duì)的和的作量子阱，最后生長的型，摻雜濃度為×，隨后采用兩套不同電極結(jié)構(gòu)的版圖制作

4、電極和電基金項(xiàng)目：國家計(jì)劃（）、北京市教委項(xiàng)目（）和北京市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（）收稿日期：；修改日期：第期孫重清等：基電流擴(kuò)展對(duì)其器件特性的影響極。一種結(jié)構(gòu)我們稱作為，一種我們稱作為，如圖所示：所示版圖制作的接通外接電流后，外接電流從電極流入器件，電流全部通過中所示的圓弧區(qū)流向電極，從而這部分區(qū)域在器件工作的過程中集聚了大量電流，導(dǎo)致這部分區(qū)域電流密度很大，這部分電流產(chǎn)生很大焦耳熱，而在其他區(qū)域由于電流分散的流向這個(gè)圓弧，使得其他區(qū)域的電流密度較圓弧區(qū)小很多，這部分產(chǎn)生的焦耳熱較圓弧區(qū)也小很多。在器件工作過程中，圓弧區(qū)溫度過高，使得這部分區(qū)域的有源區(qū)非輻射復(fù)合增加，內(nèi)量子效率下降，并且過高的工作溫度

5、很容易損壞器件。而在其他區(qū)域流過有源區(qū)的電流密度將相對(duì)的要小，離圓弧區(qū)域越遠(yuǎn)電流密度越小，這些區(qū)域有源區(qū)的輻射復(fù)合的能力減弱，而導(dǎo)致總輻射功率和發(fā)光效率的降低。如圖中所示版圖，在結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將電極制作成環(huán)形的，這種情況下器件接通外接電流后，外接電流從電極流過圖中，區(qū)域流向電極，這樣電流分散著流向電極，器件的電流分布更加均勻，避免了中因電流集中在局部而產(chǎn)生很多焦耳熱，溫度過高而損壞器件。實(shí)驗(yàn)和分析為了驗(yàn)證我們的分析，我們把兩種版圖分別制作的管芯倒裝焊在與之相配的支架上，并且進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)的封裝，封裝完成的器件如圖所示。我們對(duì)封裝完成的器件進(jìn)行了測(cè)試，得到了器件的電流電壓曲線，電流總輻射功率曲線和總輻射

6、功率隨時(shí)間的變化曲線。如圖所示，在相同的輸入電流條件下，結(jié)構(gòu)器件的電壓要高于，并且隨著電流的增加，結(jié)構(gòu)的電壓增加較結(jié)構(gòu)要小，并趨于飽和。結(jié)構(gòu)隨著電流的增加，其電壓增加非常明顯，說明隨著電流的增加結(jié)構(gòu)圓弧區(qū)域的溫度很高，而器件的半導(dǎo)體電阻也隨著溫度的增加而增加。結(jié)構(gòu)由于其電流分布較結(jié)構(gòu)均勻，所以電壓的增加沒有結(jié)構(gòu)明顯，有利于器件的工作。器件的總輻射功率使用杭州遠(yuǎn)方的（增強(qiáng)型）紫外一可見一近紅外光譜分析系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得到的電流與總輻射功率曲線如圖所示，在起始外加電流為時(shí)，的總輻射功率略大于，這是由于在發(fā)光面積相同的情況下，由于電流擴(kuò)展均勻，增加了器件的有效發(fā)光區(qū)，而剛開始只是小電流，電流擴(kuò)

7、展不平衡帶來的負(fù)面影響對(duì)于器件的影響不明顯。隨著電流的增加，和的總輻射功率都增大，可是增加的速度較迅速?？墒钱?dāng)電流增加到時(shí)，結(jié)構(gòu)器件的總輻射功率趨于飽和，而結(jié)構(gòu)還有增加的趨勢(shì)。這是由于電流增加時(shí)，結(jié)構(gòu)電流分布的不均勻性導(dǎo)致局部區(qū)域溫度過高而局部區(qū)域的電流擴(kuò)展不充分，兩個(gè)原因?qū)е铝私Y(jié)構(gòu)器件總輻射功率的飽和速度大于結(jié)構(gòu)，并且和總輻射功率在增加的過程中這兩因素所起的作用越來越明顯，所以的總輻射功率始終大于，并且隨著電流的增加，兩者的差距增大。隨后我們又對(duì)兩種器件的可靠性進(jìn)行了測(cè)試，總輻射功率的測(cè)試還是使用杭州遠(yuǎn)方測(cè)試儀。器件在溫度為的空氣環(huán)境中接通外加電流（ ），并每隔小時(shí)對(duì)器件總輻射功率進(jìn)行一次測(cè)

8、試。由于和量子電子學(xué)報(bào)卷，九，看，圖中同樣的原因，結(jié)構(gòu)器件在剛接通外加電流的時(shí)候總輻射功率較略大，隨著時(shí)間的延長，由于環(huán)氧樹脂材料不是良好的導(dǎo)熱體，所以、兩種結(jié)構(gòu)的器件總輻射功率都有一些衰減，當(dāng)器件工作時(shí)間達(dá)到個(gè)小時(shí)時(shí)，結(jié)構(gòu)器件的衰減已經(jīng)是結(jié)構(gòu)器件的三倍。這是由于工作時(shí)間短的情況下，結(jié)構(gòu)所存在的電流分布不均勻性導(dǎo)致的溫度分布不均勻的負(fù)面影響不是很明顯，但是隨著工作時(shí)間的延長，結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)就越發(fā)明顯，當(dāng)工作時(shí)間達(dá)到小時(shí)時(shí)，結(jié)構(gòu)器件的總輻射功率衰減了，而結(jié)構(gòu)器件衰減了近，并且結(jié)構(gòu)有趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)則有繼續(xù)衰減的趨勢(shì)。結(jié)論和兩種電極結(jié)構(gòu)，在表面上只是一個(gè)是傳統(tǒng)的塊狀電極和一個(gè)是電極周圍有一個(gè)環(huán)形電極的區(qū)別，可是當(dāng)隨著電流的增加以及器件工作時(shí)間的延長，電極結(jié)構(gòu)的電流分布不均勻所帶來的缺點(diǎn)相對(duì)于結(jié)構(gòu)來講是很明顯的，隨著電流的增加，大大惡化了器件的工作特性和可靠性。結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的溫度過高影響了器件的內(nèi)量子效率，我們對(duì)于兩種電極結(jié)構(gòu)的基器件進(jìn)行了比較，對(duì)器件的電流電壓特性，電流總輻射功率曲線，以及器件工作狀態(tài)下的老化曲線進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了環(huán)狀電極結(jié)構(gòu)有利于器件電流擴(kuò)展，減少器件串聯(lián)電阻，減少了焦耳熱的產(chǎn)生，提高了電光特性和可靠性。參考文獻(xiàn)：（量子電子學(xué)