CN103217229B - 一种发光二极管的结温测量方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光二极管的结温测量方法及应用，结温测量方法包括以下步骤：测试不同温度下发光二极管器件中半导体材料的电阻与温度的定标关系；在发光二极管工作时监测半导体材料的电阻变化，并利用定标关系得到发光二极管工作时的结区温度，所得温度即为所要测量的发光二极管结温。所述测温方法应用于垂直结构或平面结构的发光二极管芯片结温测量；或应用于正装或倒装的发光二极管芯片结温测量。该发明可使用成本较低的普通测量装置简单高效的获取LED的结温。由于只需一次定标测量，测量误差小；操作简单易行；仅需常规的电学测试装置。

Description

一种发光二极管的结温测量方法及应用

技术领域

本发明涉及LED测试与应用技术领域，更具体地，涉及一种基于半导体材料的电阻温变特性的发光二极管结温测量方法及应用。

背景技术

发光二极管Light Emitting Diode（简称LED），是一种固体发光器件。它是通过在芯片的P型与N型材料两端施加正向电压，将电子由基态激发到高能态，通过材料内部的电子空穴对复合而引起发光，发光波长由半导体材料自身的禁带宽度决定。与传统的热辐射光源不同，LED是一种电致发光器件，它直接将电能转换为光能，这就使LED作为发光器件较之传统光源更优越的特点：耗电低、寿命长、响应时间快、耐冲击、体积小、重量轻、可控性好、绿色环保。因此LED被称为继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯后的第四代光源。要使LED完全代替传统照明光源，首先就是光效以及光通量要大大提高，而光通量的提高仅依靠传统的小功率芯片是无法达到的，因此大功率LED的研究显得尤为重要。然而由于目前半导体制造技术的限制，大功率LED的输入功率中只有20%~30%（这个数值随着半导体材料的不同而改变）转换为光能，而其余的70%~80%则以热能的形式被耗散掉了。如此巨大的热量，如果不断积累的话，会导致LED的结温升高，从而严重影响LED的光通量、寿命、可靠性等，并会导致发射光谱红移、封装材料黄化等。因此，准确测量结温具有重要的实际意义。

目前已报道了多种测量方法，主要有正向压降法和管脚测温法等接触测量法，峰值波长法、蓝白比法，红外摄像法，有限元法和PN结电阻等非接触式方法。这些方法有着各自的优缺点，正向压降法通过标定LED工作电流下的电压随温度变化的关系，进而测量不同工作状态和散热条件下的结温，而如果工作电流发生改变，又需要重新标定；管脚测温法实际试验中，一般要求结温比管脚的温度差大于50℃。峰值波长法测试时会给测试结果带来不小的误差，若采用高精度的光谱仪，则会大大增加测试成本。蓝白对比法仅适用于InGaN+ YAG 白光LED，对于其他LED，如RGB 三基色混合白色LED和单色LED，该方法就不适用了；红外摄像法成本较高，而且要求被测器件必须是未封装或开封的状态，同时由于芯片不同层次热红外信息互相干扰形成噪声，该方法也无法准确感应内部有源层温度，因此，测试结果有较大的误差；有限元法是建立在一些假设的基础上，而实际应用中，这些假设不一定均成立，同时该方法需要复杂的计算。申请号CN201010548423.9的专利申请公开了一种利用PN结电阻来测量结温的方法，该方法是在LED工作状态时对PN结的电阻进行定标，由于芯片工作时会产生热量，对定标准确性有很大的影响，并且LED的PN结电阻与温度并非简单的线性关系，定标时同样需要测量不同工作电流下的电阻温度系数。

其利用半导体材料的电阻随温度明显变化的原理，通过监测LED工作时自身的半导体材料的电阻率的变化，并和事先测量的标定进行对比，获得LED器件内部的半导体材料的温度，从而获得了LED芯片工作状态的结温。此方法原理和操作均相对简单，定标实验只须进行一次，定标关系可适用于任意工作电压和电流的LED结温的测量，且利用万用表即可完成测量，不涉及复杂昂贵的测试仪器，有利于技术的推广应用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有测量方法的技术局限，使用成本较低的测量装置简单高效的获取LED的结温，为得到上述目的，本发明提出一种基于LED芯片内部半导体材料的电阻与温度关系的结温测量方法。

本发明的技术方案为：

一种发光二极管的结温测量方法，包括以下步骤：

测试不同温度下发光二极管器件中半导体材料的电阻与温度的定标关系；

在发光二极管工作时监测半导体材料的电阻变化，并利用定标关系得到发光二极管工作时的结区温度，所得温度即为所要测量的发光二极管的结温。

其中，所述发光二极管中半导体材料电阻定标包括以下步骤：

S11.对发光二极管进行电极的焊线和封装，引出第一N型电极、第二N型电极和第一P型电极；

S12.将步骤S11处理后的发光二极管放置在温度可控的鼓风干燥箱内，设定鼓风干燥箱的温度，测量此时第一N型电极和第二N型电极两端的电阻；

S13.改变鼓风干燥箱内的温度，记录不同温度下发光二极管的N型半导体材料的电阻值，从而获取发光二极管半导体材料的电阻-温度的变化曲线；即发光二极管中半导体材料电阻定标。

其中，获取半导体材料电阻定标关系还可以包括以下步骤：

S21. 对发光二极管进行电极的焊线和封装，引出第一N型电极、第一P型电极和第二一P型电极；

S22.将步骤S21处理后的发光二极管放置在温度可控的鼓风干燥箱内，设定鼓风干燥箱的温度，测量此时第一P型电极和第二P型电极两端的电阻；

S23.改变鼓风干燥箱内的温度，记录不同温度下发光二极管的P型半导体材料的电阻值，从而获取发光二极管半导体材料的电阻-温度的变化曲线；即发光二极管中半导体材料电阻定标。

进一步的，所述发光二极管的半导体材料为GaN基、GaAs基、GaP基的二元、GaP基的三元或GaP基的四元化合物中的任一种。

进一步的，所述发光二极管的衬底是蓝宝石、SiC、Si、GaN、或金属转移衬底中的任意一种。

进一步的，所述在发光二极管工作时监测半导体材料的电阻变化的具体方式为：

在第一P型电极和第一N型电极上分别接入脉冲电源或信号发生器的正负极，脉冲电源或信号发生器提供的正向脉冲电压，实现明暗相间的驱动方式；调整脉冲电源的占空比使发光二极管在直流驱动下工作，在暗的时间用快速测量电表测量LED的半导体材料的电阻，并与定标关系进行对比，获取发光二极管的芯片结温。

进一步的，所述步骤S12中测温方式为使用高精度快速测量电表测量第一N型电极和第二N型电极两端电阻，或使用伏安法进行第一N型电极和第二N型电极两端的电阻测量；

所述步骤S22中测温方式为使用高精度快速测量电表测量第一P型电极和第二P型电极两端电阻，或使用伏安法进行第一P型电极和第二P型电极两端的电阻测量。

本发明的又一目的在于一种发光二极管的结温测量方法的应用，该测量方法既能应用于垂直结构或平面结构的发光二极管芯片结温测量；又能应用于正装或倒装的发光二极管芯片结温测量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：1）由于只需一次定标测量，测量误差小；2）操作简单易行；3）仅需常规的电学测试装置。

附图说明

图1为本发明实施例1提出的测量方法所涉及的LED芯片结构示意图；

图2为LED芯片的半导体材料的电阻与温度的关系示意图；

图3为本发明实施例1提出的测量方法示意图；

图4为本发明实施例2提出的测量方法所涉及的LED芯片结构示意图；

图5为本发明实施例3提出的测量方法所涉及的LED芯片结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述，但本发明的实施方式并不限于此。

图中各图标分别为：1-为衬底或基板、2-N型GaN材料层、3-InGaN/GaN单量子阱或多量子阱、4-P型GaN材料层，5-第一N型电极、6-第一N型电极、7-第一P型电极，8-第二P型电极。

本发明的发光二极管LED结温测量方法是基于半导体材料的电阻随温度明显变化的原理，测量并定标半导体材料电阻随温度变化的关系；在发光二极管工作过程中，实时测量发光二极管中半导体材料的电阻，并与定标数据相比较，实现任意工作电压和电流下的发光二极管结温的测试。

其具体是通过在原器件已有的P型和N型电极的基础上，制作和引出另一附加的N型（或P型）电极来实现发光二极管中N型半导体材料（或P型半导体料）的电阻测量；或是利用某些大功率芯片本身的独立的双N电极（或双P电极结构）来实现发光二极管中N型半导体材料（或P型半导体料）的电阻测量。

发光二极管的半导体材料可以是GaN基、或GaAs基、或GaP基的二元、三元和四元化合物。

发光二极管的衬底可以是蓝宝石、或SiC、或Si、或GaN、或各种金属转移衬底等。

此测量方法可以应用于垂直结构或平面结构的发光二极管芯片结温测量；此测量方法可应用正装或倒装的发光二极管芯片结温测量。

实施例一

本实施例提供的发光二极管结温测量方法包括：对发光二极管半导体材料电阻与温度关系的标定和实际工作状态下的发光二极管的结温测试，电路中包括一台作为LED驱动的脉冲电源或信号发生器（一个或两个独立输出端口），一台高精度快速测量万用表。进行结温测量的发光二极管具有图1所示结构，包含两个独立的N型电极，分别为第一N型电极5和第二N型电极6，和第一P型电极7。

发光二极管中半导体材料电阻定标包括以下步骤：

1)在LED支架上对LED芯片上进行电极的焊线和封装，主要目的是将第一N型电极5、第二N型电极6和第一P型电极7分别引出。

2)使用高精度万用表测量第一N型电极5和第二N型电极6两端电阻。或使用伏安法进行第一N型电极5和第二N型电极6两端的电阻测量，具体方法为，使用直流电源在第一N型电极5和第二N型电极6两端加载1mV~100mV的小电压U0，U0不宜太大，以免引起电阻发热，影响测量的准确性；同时在第一N型电极5和第二N型电极6的支路串联电流表，测量串联电流I0，根据欧姆定律R= U0/ I0,计算得到LED芯片第一N型电极5和第二N型电极6两端的N型半导体材料的电阻值。

3)将 LED放在温度可控的鼓风干燥箱里，设定鼓风干燥箱的温度T，等鼓风干燥箱的温度稳定后，芯片内部温度将和环境温度达到稳定，采用步骤（2）的方法测量LED芯片的N型半导体材料的电阻。

4）改变鼓风干燥箱的温度T，记录不同温度T下的LED芯片的N型半导体材料的电阻值，获得类似于图2所示的LED芯片的半导体材料的电阻随温度的变化关系。

实际工作状态下的LED结温测试包括以下步骤：

1)将脉冲电源、快速测量电表、LED芯片，如图3所示连接成闭合回路。其中，第一P型电极7和第一N型电极5分别接入脉冲电源或信号发生器的正负极，脉冲电源或信号发生器提供合适的正向脉冲电压，实现明暗相间的驱动方式；脉冲电源的占空比应该尽量大，以获得接近LED正常直流驱动下的工作状态。在驱动过程中，保持电阻定标中的步骤（2）所述的电阻测量，并记录在暗的时间内LED的半导体材料的电阻。

2）将记录的电阻和LED芯片的半导体材料的电阻随温度的定标关系进行比较，得到对应的半导体材料的温度，即LED芯片的结温。

实施例二

实施例二的测量原理与实施例一相同，测量步骤相似，区别在于，进行结温测量的LED芯片具有图4所示结构，包含两个独立的P型电极，分别为第一P型电极7和第二P型电极8，和第一N型电极5。

相应的，在定标步骤中，LED芯片中测量的是P型半导体材料的电阻，即测量第一P型电极7和第二P型电极8 两端的电阻；

同时，在实际工作状态下的LED结温测试中，第一P型电极7和第一N型电极5分别接入脉冲电源或信号发生器的正负极；第二P型电极8和第一P型电极7之间串联一快速测量电表。

其它步骤与实施例一相同。

实施例三

实施例三的测量原理与实施例一的测量原理相同，测量步骤亦相同，区别在于，进行结温测量的LED芯片具有图5所示结构，此芯片为垂直结构的倒装芯片，同样具有第一N型电极5和第二N型电极6，但此结构的衬底或基板1为金属或掺杂半导体，可作为P型电极，因此，在定标和结温测量过程中，具体实施例1中连接第一P型电极7的地方改为连接LED芯片衬底或基板1，其它步骤相同。

另外，此测量方法还可应用于上述步骤所描述的结构之外的其它的垂直或平面结构的LED芯片的结温测量；或是应用于可应用于上述步骤所描述的结构之外的正装或倒装的LED芯片结温测量。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发光二极管的结温测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

测试不同温度下发光二极管器件中半导体材料的电阻与温度的定标关系；

在发光二极管工作时监测半导体材料的电阻变化，并利用定标关系得到发光二极管工作时的结区温度，所得温度即为所要测量的发光二极管结温；

所述发光二极管中半导体材料电阻定标包括以下步骤：

S11.对发光二极管进行电极的焊线和封装，引出第一N型电极、第二N型电极和第一P型电极；

S12.将步骤S11处理后的发光二极管放置在温度可控的鼓风干燥箱内，设定鼓风干燥箱的温度，测量此时第一N型电极和第二N型电极两端的电阻；

S13.改变鼓风干燥箱内的温度，记录不同温度下发光二极管的N型半导体材料的电阻值，从而获取发光二极管半导体材料的电阻-温度的变化曲线；即发光二极管中半导体材料电阻定标。

2.根据权利要求1所述的发光二极管的结温测量方法，其特征在于，获取半导体材料电阻定标步骤替代为以下步骤：

S21. 对发光二极管进行电极的焊线和封装，引出第一N型电极、第一P型电极和第二P型电极；

S22.将步骤S21处理后的发光二极管放置在温度可控的鼓风干燥箱内，设定鼓风干燥箱的温度，测量此时第一P型电极和第二P型电极两端的电阻；

S23.改变鼓风干燥箱内的温度，记录不同温度下发光二极管的P型半导体材料的电阻值，从而获取发光二极管半导体材料的电阻-温度的变化曲线；即发光二极管中半导体材料电阻定标。

3.根据权利要求1或2所述的发光二极管的结温测量方法，其特征在于，所述发光二极管的半导体材料为GaN基、GaAs基、GaP基的二元、GaP基的三元或GaP基的四元化合物中的任一种。

4.根据权利要求1或2所述的发光二极管的结温测量方法，其特征在于，所述发光二极管的衬底是蓝宝石、SiC、Si、GaN、或金属转移衬底中的任意一种。

5.根据权利要求1或2所述的发光二极管的结温测量方法，其特征在于，所述在发光二极管工作时监测半导体材料的电阻变化的具体方式为：

在第一P型电极和第一N型电极上分别接入脉冲电源或信号发生器的正负极，脉冲电源或信号发生器提供的正向脉冲电压，实现明暗相间的驱动方式；调整脉冲电源的占空比使发光二极管在直流驱动下工作，在暗的时间用快速测量电表测量LED的半导体材料的电阻，并与定标关系进行对比，获取发光二极管的芯片结温。

6.根据权利要求2所述的发光二极管的结温测量方法，其特征在于，所述步骤S12中测温方式为使用高精度快速测量电表测量第一N型电极和第二N型电极两端电阻，或使用伏安法进行第一N型电极和第二N型电极两端的电阻测量；

所述步骤S22中测温方式为使用高精度快速测量电表测量第一P型电极和第二P型电极两端电阻，或使用伏安法进行第一P型电极和第二P型电极两端的电阻测量。

7.一种权利要求1-6任一项所述的发光二极管的结温测量方法的应用，其特征在于，所述测量方法应用于垂直结构或平面结构的发光二极管芯片结温测量；或应用于正装或倒装的发光二极管芯片结温测量。