CN114047224B - 氮化镓基蓝光led结温及温度分布测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，首先在激励电流下采集不同温度时LED自发光图片；施加激励电流的同时提供额定工作电流，在结温保持稳定后断开工作电流，同时连续采集图片，得到切换前后自发光图片；在不同温度的自发光图片上选取器件某个位置，拟合得到像素值随温度的变化关系；选取切换电流后的第一张自发光图片，得到同一位置的像素值，按照像素值随温度的变化关系获得结温；最后，选取不同位置，得到器件温度分布。采用加热和测试信号分离的切换电路，减小电流切换带来的误差，显著提高测量精度；基于LED发光强度和温度的关系获得每个像素点的温度，不仅测试方法简便，而且还可以得到单颗器件的精准温度分布。

Description

氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法

技术领域

本发明属于LED测试技术领域，具体涉及一种氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法。

背景技术

氮化镓(GaN)基发光二极管(LEDs)具有极高的发光效率，在固态照明和可见光通信等重要领域具有巨大的应用潜力。室温下，GaN基LEDs的工作电流一般为10mA以上，甚至高达500mA。然而，在高注入电流密度下，GaN基LED的发光效率会降低，并产生大量的热能，导致结温快速升高。在长时间高功率输出模式下，较高的结温将导致器件整体电学性能快速下降，甚至提前发生功能型失效。因此，精确测量结温对于研究高温所导致的LED性能退化具有实际意义。现有技术中常见的结温测量方法包括依据脉冲电流法带来的热瞬态效应提出的改进的直流测量方法；基于理想二极管和电阻串联的电路模型，提出可以从油浴实验中直接提取参数获得结温的方法；只需要在一个温度下进行校准的结温测试方法，上述研究多基于电学测试方法，利用LED在不同温度下的电学性质确定结温。但是以上方法的准确性都需要评估，并且也无法获得LED结温的空间分布。例如，传统的脉冲电流法，受到串联电阻分压效果的影响，脉冲电流法测得的结温偏低。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种基于自发光图片像素值的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，包括以下步骤：

S1:在激励电流下对氮化镓基LED进行不同温度下自发光图片的拍摄；

S2:在施加激励电流的同时，使用另一个电流源提供额定工作电流，在结温保持稳定后断开工作电流，同时采用相机进行连续采样，得到切换前后自发光图片；

S3:根据不同环境温度时拍摄的自发光图片，选取器件某个位置，经拟合得到此位置像素值随温度的变化关系；

S4:在相机连续采样的图片中，选取切换电流后的第一张自发光图片，得到器件相同位置的像素值，按照S3中像素值随温度的变化关系获得结温；

S5:根据选取的位置不同，可以得到器件不同位置的温度。

进一步地，步骤S1中，将LED置于温控探针台内，分别设置不同的环境温度，使用一个测试小电流作为激励电流，使用CCD相机配合显微镜获得不同温度时LED的自发光图像。

进一步地，所示温控探针台的温度控制精度为±0.1℃，CCD相机拍摄图片位深度为16bit，灰度值范围为0-65535。

进一步地，步骤S2中，测试小电流始终不断开：开关闭合时，同时打开工作电路和测试电路加热LED器件；开关打开时，工作电流关闭，只有测试小电流通过LED器件，开关切换时间为微秒量级。

进一步地，步骤S3中，使用Python输出某个选定坐标的像素值，且拟合时按照LED温度与光通量的变化关系。

进一步地，步骤S4中，连续采样时选取的采样时间应小于测试电流和加热电流的切换时间。

进一步地，步骤S5中，使用Python对采集到的图像进行图像处理，根据像素值得到不同位置的温度，根据温度大小赋予不同的颜色，即可得到LED自发热的温度分布。

进一步地，图像处理包括图像分割、边缘检测，得到LED器件的实际发光区域，再根据不同像素值对应的温度赋予伪彩，得到LED器件温度分布图。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，基于自发光图像像素值与温度的关系，可以准确得到氮化镓基蓝光LED的结温和温度分布，并且采用加热和测试信号分离的切换电路，减小了电流切换时间带来的误差，相对于传统的切换电路，能够显著提高测量结果的精度，可广泛应用于实际的产业研究。

本发明利用不同环境温度下拍摄的图片，获得一系列温度-灰度图数据，形成一个温度和像素值对应关系的数据图库，利于后续步骤中通过图片像素值反推出温度，直接给图片的任意位置赋予对应的温度，获得单颗LED芯片结温的精准空间分布，操作简单，精度高，适合推广应用。

附图说明

图1是氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法流程图；

图2是传统的采用单刀双掷开关的切换电路电流序列示意图

图3是本发明改进的切换电路原理图；

图4是发明改进的切换电路电流序列示意图；

图5是本发明LED自发光图像像素值与温度的关系曲线；

图6是不同温度下的LED发光分布图；

图7是不同加热电流时自发光图像；

图8是不同温度下的LED发光图像像素直方图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，实现本发明的结温及温度分布测试方法的测试设备包括温控探针台、CCD相机、显微镜、提供测试小电流的测试电流源，以及提供加热电流的加热电流源。

本发明的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，如图1所示，主要包括以下步骤，：

S1、首先对氮化镓基LED进行不同温度下自发光图片的拍摄，

在不同的环境温度下，使用一个小电流作为激励电流，使用CCD相机配合显微镜拍摄不同温度时LED的自发光图像，获得一系列温度-灰度图数据。

具体操作时，将LED置于温控探针台内，分别设置不同的环境温度，本实施例的环境温度分别设置50℃、60℃、70℃和80℃，温控探针台的温度控制精度为±0.1℃，在上述不同的环境温度下使用1uA的激励电流激励LED样品，使用高分辨CCD相机拍摄发光图，获得一系列温度-灰度图数据，形成一个温度和像素值对应关系的数据图库，利于后续步骤中通过图片像素值反推出温度，直接给图片的任意位置赋予对应的温度。

本发明使用CCD相机拍摄得到LED在不同温度下电致发光成像图，为了排除其他光线因素干扰，实验在密闭黑暗环境中进行。由于LED正向发光的发光强度对温度的依赖关系，不同温度下的图像亮度有所差异。本实施例所用CCD相机为滨松(Hamamtsu)ORCA-Flash4.0 LT+数字CMOS C11440-42U30，该相机光谱响应范围为400nm-1000nm，有效像素为2048(H)×2048(V)。选择拍摄图片位深度为16bit，灰度值范围为0-65535。

S2、在施加小电流的同时，使用另一个电流源提供额定工作电流(加热电流)，开启加热电流对器件进行电加热，在结温保持稳定后断开工作电流，同时CCD相机连续采样，得到切换前后自发光图片；

本发明测试结温采用微小电流作为激励电流，当测试电流很小时，器件的自热效应和串联电阻的分压影响都可以忽略，因此理论上采用微小测试电流可以有效提取LED的结温。本发明的测试电流选择在I-V曲线的拐点附近，因为：1)电压随着结温升高近似线性降低；2)二极管充分开启，以最大限度地减少表面漏电传导效应。

由于测试电流远小于器件的工作电流，因此LED达到热稳定的工作状态后，需要快速切换为测试电流。现有技术的传统切换电流结构，一般采用单刀双掷开关切换测试电路和工作电路，例如CN103728037A-大功率LED可靠性试验的结温监测电路系统，所公开的LED结温监测电路系统，其采用单刀双掷开关作为电路切换开关，电路切换时间较长，切换过程产生热量损失，导致结温测量结果不够精准，图2所示为传统单刀双掷开关切换电路的电流序列示意图。

为了获得更精准的结温测量结果，应尽量缩短切换时间以减小切换过程中的热量损失。一般情况，切换时间应为微秒量级，但由于设备的精度限制，实现上较为困难。因此为了实现微秒量级的切换时间，本发明对切换电路进行改进，图3为本发明改进的测试电路结构，采用了单开关的电流控制方式。当开关S闭合时，同时打开工作电路和测试电路加热LED器件，加热电流I_h和测试小电流I_m同时通过LED器件。开关S打开时，加热电流I_h关闭，只有测试小电流I_m通过LED器件。图4为电流序列示意图，可见该结构的电流切换时间基本可忽略。本发明采用示波器采集器件两端的电压信号，具有纳秒级的采集速率，能够保证瞬时温度的有效性。由于测试小电流始终未断开，切换时间取决于设备本身电气震荡，实际的切换时间远小于示波器观测所得时间。

具体测试时，开启加热电流I_h对器件进行电加热，待温度稳定后切换为1uA的测试小电流I_m，CCD相机连续采样，得到切换前后自发光图片的灰度图。图片连续采样时选取的采样时间应小于测试电流和加热电流的切换时间。

S3:根据不同环境温度时拍摄的自发光图片，选取器件某个位置，经拟合得到此位置像素值随温度的变化关系，如图5所示：

为了量化光强随温度的变化量，在LED器件表面选取两个固定位置，得到该点的像素值随温度的变化关系，如图5所示。可见，位置1和位置2的灰度值(发光强度)都随温度的增加而减弱，这对算法的简化具有帮助。

本发明使用Python输出某个选定坐标的像素值，且拟合时可以按照LED温度与光通量的变化关系。结温和光通量的关系可以表示为

式中，Φ(T_j2)为结温T_j2时的光通量，Φ(T_j1)为结温T_j1时的光通量，ΔT_j＝T_j2–T_j1(T_j2>T_j1)，k为温度系数，由不同材料和颜色的LED对温度的敏感程度决定，若T_j1为定值，ΔT_j越大，Φ(T_j2)越小，光通量随着结温上升而下降；这是由温度升高引起的内部缺陷增加以及衬底材料的热失配导致的，且这种变化是可逆的。

图6为不同环境温度下LED样品的发光图，为了显示图像灰度值的变化，根据灰度值不同，用Python编程语言对图像像素赋予了伪彩色，从图中可以看出不同温度下电致发光强度的空间分布情况。另外，可以看到，光分布不均匀，且随着温度的升高样品的整体亮度逐渐减小。这主要是由LED量子阱内非辐射复合速率随温度升高导致的，即由于温度的升高，导致LED器件缺陷增多，发光效率降低。如图8所示，是不同温度下的LED发光图像像素直方图，随着温度的升高，位于0-30000范围像素点的个数逐渐减少，说明图像亮度逐渐降低，LED的发光效率逐渐减弱。

S4、在CCD相机连续采样的图片中，选取切换电流后的第一张自发光图片，得到器件相同位置的像素值，按照S3中像素值随温度的变化关系获得结温。

本实例根据图5所示的像素值-温度关系，得到不同加热电流下位置1和位置2的温度值。图7所示分别为加热电流为70mA和100mA时的灰度图，以及位置1和位置2所对应的温度值。另外，可以看出，高电流下器件表面温度分布并不均匀，这可能与电流的拥挤效应有关。

S5、根据选取的位置不同，可以得到器件不同位置的温度。

根据任意像素点位置的灰度值与温度-灰度图数据库，确定该像素点所对应的温度值。最终，对图像的每个像素点位置进行遍历计算，即可得到整个器件的热分布图。使用Python对采集到的图像进行图像处理，根据像素值赋予不同的颜色，即可得到LED自发热的温度分布。

图像处理包括图像分割、边缘检测，得到LED器件的实际发光区域，再根据输出像素值的范围赋予伪彩，得到此LED器件温度分布图。

本发明提出的基于自发光图片像素值的结温光学测试方法对结温的测试结果与传统的脉冲电学法进行对比，结果如下表：

表1结温的不同测试方法结果对比

表1给出了利用不同结温测试方法获得的温度，可以看到，与光学法相比，脉冲电学法得到的温度偏低。这是由于选取加热电流作为测试电流，导致在标定温敏参数时的实际结温大于环境温度，导致测量所得结温偏低。而且光学法更不容易受到测试设备精度的限制，测试方法简单，且能直观看出不同温度下光强的分布情况，适用于LED制造企业研发应用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1: 在激励电流下对氮化镓基LED进行不同温度下自发光图片的拍摄；

将LED置于温控探针台内，分别设置不同的环境温度，使用一个测试小电流I _m 作为激励电流，使用CCD相机配合显微镜获得不同温度时LED的自发光图像；获得一系列温度-灰度图数据，形成一个温度和像素值对应关系的数据图库，利于后续步骤中通过图片像素值反推出温度，直接给图片的任意位置赋予对应的温度；

S2: 在施加激励电流的同时，使用另一个电流源提供额定工作电流，在结温保持稳定后断开工作电流，同时采用相机进行连续采样，得到切换前后自发光图片；

测试小电流始终不断开：开关S闭合时，同时打开工作电路和测试电路加热LED器件；加热电流I _h 和测试小电流I _m 同时通过LED器件，开关S打开时，加热电流I _h 关闭，只有测试小电流I _m 通过LED器件，实现微秒量级的切换时间；测试时，开启加热电流I _h 对器件进行电加热，待温度稳定后切换为1uA的测试小电流I _m ，CCD相机连续采样，得到切换前后自发光图片；

测试结温采用测试小电流I _m 作为激励电流，当激励电流很小时，器件的自热效应和串联电阻的分压影响都可以忽略，采用微小激励电流有效提取LED的结温；

S3: 根据不同环境温度时拍摄的自发光图片，选取器件某个位置，经拟合得到此位置像素值随温度的变化关系；

使用Python输出某个选定坐标的像素值，且拟合时按照LED温度与光通量的变化关系；结温和光通量的关系可以表示为

式中，Φ(T _j2 )为结温T _j2 时的光通量，Φ(T _j1 )为结温T _j1 时的光通量，ΔT _j  = T _j2 –T _j1  (T _j2 > T _j1 )，k为温度系数，由不同材料和颜色的LED对温度的敏感程度决定，若T _j1 为定值，ΔT _j 越大，Φ(T _j2 )越小，光通量随着结温上升而下降；

S4:在相机连续采样的图片中，选取切换电流后的第一张自发光图片，得到器件相同位置的像素值，按照S3中像素值随温度的变化关系获得结温；

S5:根据选取的位置不同，可以得到器件不同位置的温度；

根据任意像素点位置的灰度值与温度-灰度图数据库，确定该像素点所对应的温度值；最终，对图像的每个像素点位置进行遍历计算，即可得到整个器件的热分布图。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，其特征在于：所示温控探针台的温度控制精度为±0.1℃，CCD相机拍摄图片位深度为16 bit，灰度值范围为0-65535。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，其特征在于：步骤S4中，连续采样时选取的采样时间应小于测试小电流I _m 和加热电流I _h 的切换时间。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，其特征在于：步骤S5中，使用Python对采集到的图像进行图像处理，根据像素值得到不同位置的温度，根据温度大小赋予不同的颜色，即可得到LED自发热的温度分布。

5.根据权利要求4所述的氮化镓基蓝光LED结温及温度分布测试方法，其特征在于：图像处理包括图像分割、边缘检测，得到LED器件的实际发光区域，再根据不同像素值对应的温度赋予伪彩，得到LED器件温度分布图。

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