WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 5 Влияние джоулева разогрева на квантовую эффективность и выбор теплового режима мощных голубых InGaN/GaN светодиодов,¶ © А.А. Ефремов, Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, Д.А. Лавринович, Ю.Т. Ребане, Д.В. Тархин, Ю.Г. Шретер Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 194251 Санкт-Петербург, Россия Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 19 сентября 2005 г. Принята к печати 10 октября 2005 г.) Рассмотрена тепловая модель светодиода с InGaN/GaN-квантовой ямой в активной области. Исследовано влияние температуры и рабочих токов светодиода, а также размера и материала радиатора на выход света и эффективность голубого светодиода. Показано, что при оптимальном теплоотводе уменьшение эффективности светодиода с ростом тока накачки до 100 мА связано с влиянием электрического поля на эффективность инжекции носителей заряда в квантовую яму. При дальнейшем росте тока до 400 мА причиной снижения эффективности является джоулев нагрев. Показано, что рабочие токи светодиодов можно увеличить в 5–7 раз при оптимальном отводе тепла. Даны рекомендации по охлаждению светодиодов в зависимости от их мощности.

PACS: 85.60.Jb, 85.35.Be, 78.67.De 1. Введение 2. Методика проведения эксперимента Исследовались неупакованные светодиодные структуЭффективность преобразования электричества в ры (чипы) и маломощные индикаторные светодиоды свет — основная проблема при создании ламп высокой (потребляемая мощность W = 80 мВт) с InGaN/GaNяркости на основе светодиодов. Эффективность лучших квантовой ямой шириной 30, выращенные методом промышленных светодиодов на основе GaN достигает MOCVD на сапфировых подложках и люминесцирую15-35%, и, следовательно, 65-85% электроэнергии щие на длине волны 465 нм. Детали структуры светодиуходит в тепло [1]. Увеличение рабочего тока с целью ода приведены в [4,5]. Размеры светодиодной структуры повысить яркость светодиодной лампы приводит к уве340 340 мкм.

личению тепловыделения и, как следствие, к повышению Измерения токов и напряжений проводились с потемпературы активной области светодиодной структуры.

мощью прибора Keithley 238. Мощность излучения свеПерегрев светодиода уменьшает квантовый выход света тодиодных структур измерялась кремниевым фотодиои ограничивает максимальную оптическую мощность и дом ФДУК. При измерениях светодиодные структуры срок службы [2].

выдерживались достаточное время для установления Приборы на основе нитрида галлия являются перспектеплового равновесия между светодиодным чипом, радитивными для создания осветительных ламп благодаря атором и окружающей средой. Температура окружающей большой ширине запрещенной зоны и высокой теплосреды составляла 24C.

проводности. Эти свойства обеспечивают возможность повышения рабочих токов, допустимой рабочей темпе3. Результаты и их обсуждение ратуры светодиодных структур и получение большой яркости света. Для решения этой задачи необходимо 3.1. Тепловая модель светодиода дальнейшее улучшение качества материала, и прежде всего уменьшение плотности дислокаций и точечных На рис. 1 показаны устройство стандартного индидефектов в GaN [3]. В то же время грамотно скон- каторного светодиода и его тепловая модель, а также струированный теплоотвод позволяет уже на настоящем обозначены перепады температур между основными уровне технологии увеличить рабочий ток и выход света элементами конструкции светодиода. Основным каналом обычных коммерческих светодиодов. отвода тепла от светодиодной структуры является катодный вывод. Тепло, выделяемое в активной области В настоящей работе рассматриваются вопросы, свясветодиодной структуры p-GaN/InGaN/n-GaN, отводится занные с увеличением рабочих токов и отвода тепла в окружающую среду через последовательные тепловые от индикаторных InGaN/GaN-светодиодов. Предлагается сопротивления p-n-перехода R, сапфировой подложки j классификация светодиодов по мощности в зависимости Rsap, теплового контакта подложка–монтажное основаот способа охлаждения и обращается внимание на необние Rsp и сопротивление между выводом и окружаходимость разработки приборов, способных работать ющей средой Rl-a, которое складывается из теплового при высоких температурах 200-300C.

сопротивления вывода (от основания до радиатора) Rl и ¶ E-mail: eartm@mail.ru теплового сопротивления передачи тепла от радиатора 622 А.А. Ефремов, Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, Д.А. Лавринович, Ю.Т. Ребане, Д.В. Тархин, Ю.Г. Шретер циент теплопроводности материала монтажного основания. Так, при закреплении чипа на Al (или Cu) пластине Rsp 10 K/Вт (5K/Вт), а на стеклянной пластине — Rsp 2000 K/Вт. Таким образом, при оптимальном теплоотводе достижимый минимальный перегрев активной области ограничивается тепловым сопротивлением сапфировой подложки. Внутреннее тепловое сопротивление индикаторного светодиода может быть уменьшено до Rmin 30 K/Вт.

3.2. Влияние температуры на выход света и эффективность светодиода 3.2.1. Влияние температуры на выход света и деградацию. Для изучения влияния температуры на оптичеРис. 1. Конструкция и тепловая модель индикаторного скую мощность светодиода было проведено исследоваInGaN/GaN-светодиода. 1 — анодный вывод светодиода, ние работы чипа светодиода в условиях фиксированной 2 — эпоксидный корпус, 3 — монтажное основание светодиотемпературы материала радиатора. Светодиодная струкда с катодным выводом, 4 —светодиодный чип, 5 — отражатура закреплялась на алюминиевой пластине-радиаторе ющая чашка катодного вывода, 6 — контактные провода.

сапфировой подложкой вниз. Алюминиевая пластина в свою очередь приклеивалась с помощью термопасты АлСил-3 на элемент Пельтье. Элемент Пельтье нагревался (или охлаждался) до фиксированной температуры к окружающему воздуху Rrad : Rl-a = Rl + Rrad. Отвод в диапазоне 25-75C. Измеренные в этих условиях затепла через корпус, выполненный из эпоксидной смолы, висимости интенсивности электролюминесценции (ЭЛ) и проволочные контакты незначителен (по оценкам, от тока L(I) приведены на рис. 2, a кривые 1–3. Для < 1%) и не учитывается. Перегрев активной области сравнения на рисунке приведена также зависимость L(I) Tj-a определяется полным тепловым сопротивлением для этой же светодиодной структуры, установленной на между активной областью и охлаждающей средой R :

j-a стеклянной пластине (кривая 4). Этот случай может считаться грубым приближением отсутствия дополниTj - Ta Tj-a =(1 - eff)WR, j-a тельного теплоотвода от чипа.

где Tj и Ta — температура p-n-перехода и окру- При увеличении тока мощность излучения светодиода жающей среды соответственно, W — потребляемая выходит на насыщение, а затем начинает падать. При светодиодом электрическая мощность, eff — эф- дальнейшем увеличении тока на 10-50 мА происходит фективность светодиода, R = R + Rsap + Rsp + Rl-a, катастрофическая деградация структуры. Уменьшение j-a j Tj-a = Tj + Tsap + Tsp + Tl-a — температурные пе- яркости структуры с ростом тока служило сигналом для репады на тепловых сопротивлениях R, Rsap, Rsp и Rl-a прекращения эксперимента.

j соответственно.

Эти эксперименты демонстрируют возможность увеВнутреннее тепловое сопротивление светодиода с личения яркости индикаторного светодиода за счет увеплощадью активной области S = 6 · 10-4 см2 может личения рабочего тока от 20 до 350 мА при оптимальj быть определено как Rint = R + Rsap + Rsp. Оценки по- ном теплоотводе. Как видно из рис. 2, a при температуре j казывают, что вследствие малой толщины слоев GaN материала теплоотвода 25C (кривая 1) интенсивность и высокой теплопроводности GaN (коэффициент тепло- света увеличивается с током вплоть до I = 350 мА проводности kGaN = 1.3Вт · см-1K-1) тепловое сопро- (W = 2.5Вт). Оценка температурного перегрева активтивление p-n-перехода мало, составляя при толщине ной области, учитывая величину Rmin 30 K/Вт, состаслоев GaN 2-3мкм R 0.26-0.38 K/Вт. Тепловое со- вит Tj-a = RminW 75C, при этом Tj 100C.

j противление сапфировой подложки может быть оценено Как следует из кривой 3, даже в нагретой до 75C по формуле Rsap = dsap/(ksapS) и при типичной для инди- светодиодной структуре с отводом тепла алюминиевой каторых светодиодов толщине подложки dsap = 100 мкм, пластиной падение мощности излучения начинается при при S = 1.16 · 10-3 см2 и ksap = 0.35 Вт · см-1K-1 со- токе I 300 мА (W = 2Вт), значительно большем, чем ставляет 25 K/Вт. Тепловое сопротивление растекания ток, при котором падает мощность структуры, установRsp определяется теплопроводностью материала мон- ленной на стеклянной пластине (I 80 мА). Эти данные тажного основания, на котором закреплен чип. При позволяют оценить максимально допустимую темпеSsp S и dsp a, где Ssp и dsp — площадь и толщина ратуру активной области: Tmax = RminW + Ta 135C.

монтажного основания, a (S)1/2 — линейный размер Таким образом, достаточный теплоотвод позволяет изчипа светодиода, Rsp может быть оценено в соответствии бежать катастрофической деградации светодиода при с формулой Rsp (a1/2ksp)-1 [6], где ksp — коэффи- увеличении рабочего тока до 300 мА.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Влияние джоулева разогрева на квантовую эффективность и выбор теплового режима... 3.2.2. Влияние температуры на эффективность све- при tp = 0.3 мкс, наблюдающееся при токах I < 200 мА, тодиода. Из сравнения кривых 1 и 4 рис. 2, a также по-видимому, обусловлено переходными процессами, следует, что до тока I 20 мА яркость светодиода прак- связанными с туннелированием электронов на состояния тически не зависит от режима теплоотвода. При токах гетерограниц InGaN/GaN [5].

I > 20 мА дифференциальная эффективность светодиода, определяемая из наклона кривой L(I), eff dL/dI, уменьшается с ростом тока тем сильнее, чем хуже теплоотвод. Тем не менее из рис. 2, a видно, что падение эффективности с ростом тока начинается уже при малых токах, и в этой области уменьшение эффективности не связано с ростом температуры активной области.

Отметим, что в стационарном режиме работы максимальная эффективность наблюдается у светодиодов на основе GaN при малых токах I = 0.1-1мА [7].

Падение эффективности с ростом тока до номинального значения I = 20 мА связывается с протеканием электронов „над“ квантовой ямой [7] или туннелированием электронов „под“ квантовой ямой и их безызлучательной рекомбинацией с дырками на гетерограницах InGaN/GaN [5].

Для того чтобы разделить инжекционные потери в отсутствие джоулева разогрева активной области протекающим прямым током и потери, вызванные джоулевым разогревом, было проведено сравнение вольт-яркостных характеристик в импульсном и стационарном режимах работы светодиода. В случае, если длительность и частота следования токовых импульсов таковы, что активная область успевает нагреваться во время импульса тока и не успевает охлаждаться в промежутках между импульсами, перегрев структуры определяется средней рассеиваемой мощностью. Характерные времена адиабатического нагрева слоев GaN, GaN, и сапфировой подложки, sap, оцененные по формуле = cd2/k (где c — удельная теплоемкость, — плотность, d — толщина и k — коэффициент теплопроводности соответствующего слоя структуры), составляют GaN = 10-7 с и sap = 10-3 с. Так как характерное время охлаждения структуры превышает sap, то при tp > 10-7 с и -f > 10-3 с перегрев структуры определяется средней рассеиваемой мощностью Wp = tp f W и при tp f = const и заданной амплитуде импульса температура активной области не зависит от длительности импульса.

На рис. 2, a (кривые 5, 6) приведены зависимости интенсивности ЭЛ от тока светодиода, измеренные в импульсном режиме при токах в импульсе до 400 мА и длительности импульсов tp = 0.3 и 3 мкс при частоте Рис. 2. a — зависимости интенсивности света от тока для следования f = 1000 и 100 Гц соответственно. При этом InGaN/GaN-светодиодной структуры (1–4), установленной на рассеиваемая мощность составляет менее 0.03% мощэлементе Пельтье (1–3) или на стеклянной пластине (4), в ности, рассеиваемой при протекании постоянного тока, стационарном режиме и для светодиода в импульсном режиравного амплитуде импульсного тока. Это позволяет ме (5, 6). Температура теплоотвода, C: — 1, 4 — 25, 2 — 50, считать, что перегрев активной области практически 3 — 75. Длительность импульса, мкс: 5 —3, 6 — 0.3. Частота отсутствует (Wp < 1.3мВт). Как видно из сравнения следования, Гц: 5 — 100, 6 — 1000. b — токовые зависимости кривых 5 и 6 рис. 2, a, при уменьшении длительнодифференциальной квантовой эффективности светодиода в сти токового импульса от 3 до 0.3 мкс и постоянной импульсном режиме (1), светодиодной структуры, установленсредней рассеиваемой мощности при токах I > 200 мА ной на элементе Пельтье (2) при температуре теплоотвода эффективность практически не зависит от длительно- 25C, и светодиода фирмы Nichia вблизи n-контакта (3) и сти импульса. Некоторое уменьшение эффективности p-контакта (4). tp, мкс: 1 —3; f, Гц: 1 — 100.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 624 А.А. Ефремов, Н.И. Бочкарева, Р.И. Горбунов, Д.А. Лавринович, Ю.Т. Ребане, Д.В. Тархин, Ю.Г. Шретер Токовые зависимости дифференциальной эффективно- методы используют температурные изменения напряжести eff(I) светодиода в импульсном режиме и светоди- ния на p-n-переходе [8], максимума или коротковолодной структуры, установленной на элементе Пельтье, нового края спектра излучения [9], микро-рамановского в стационарном режиме при температуре теплоотво- рассеяния [10], рубиновой линии фотолюминесценции сапфира [11]. Точность определения температуры активда 25C представлены на рис. 2, b, кривые 1 и ной области бесконтактными методами не превышает соответственно. В импульсном режиме, в отсутствие джоулева разогрева, эффективность падает с ростом то- нескольких градусов [8–11].

При прямом определении температуры перехода терка до 100 мА, оставаясь постоянной при дальнейшем мопару обычно располагают в точке выхода катодного росте тока до 400 мА. Из сравнения кривых 1 и следует, что в условиях эффективного теплоотвода пе- вывода из корпуса светодиода или в точке контакта вывода с монтажной печатной платой, что понижает регрев структуры не влияет на эффективность вплоть до точность определения Tj. Так как точность определения токов 180 мА (при этом W = 1Вт и Tj = 55C), почти температуры Tj повышается при приближении точки на порядок превышающих номинальный ток светодиода контакта термопары к активной области структуры, для индикаторных светодиодов. При дальнейшем росте мы для определения температуры активной области тока эффективность падает из-за перегрева структуры.

провели измерения с помощью термопары, помещенной Следует отметить, что рассмотренная выше тепв непосредственной близости к контакту сапфировой ловая модель светодиода предполагает однородность подложки с монтажным основанием.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.