杨 亭，严启荣，田世锋

（广东省理工职业技术学校，广州 510500）

1 引言

近年来，由于GaN基发光二极管（LED）具有体积小、寿命长、高效节能等优点，因此被广泛应用于固体照明、背光源和指示灯等领域。LED的发光原理是在外电场的作用下，P区的空穴和N区的电子扩散到PN结层复合发光。输入LED的电能只有一小部分转换为光能，其余能量都直接或间接地转换为热能消耗在LED内部，使得LED芯片结温上升。大功率LED应用对灯具的散热设计要求严格，否则会因散热不良对LED的光电特性产生很大的影响[1～2]。一般情况下，半导体器件PN结的正向电压随温度的升高而下降，二者近似线性关系[3]，这一关系是电学法测量半导体器件热阻的基础。LED老化失效的因素复杂，本文在分析LED性能时，研究了器件的正向电压温度特性[4]和伏安特性[5～6]，发现在温度较高的情况下正向电压随温度的变化偏离了线性关系，正向电压随温度的变化系数由负数变为正数，且驱动电流越大偏离越严重。另外，通过伏安特性实验发现器件在老化后出现在小电流驱动下漏电流增加的现象。通过与同样型号的老化器件进行实验对比，发现器件的正向电压随温度的变化并没有与文献报道产生明显矛盾[3]。

2 实验方案与理论分析

2.1 理论分析

实际的二极管可以看作是由一个理想二极管、等效串联电阻（Rs）和等效并联电阻（Rp）组成的。根据Shockley方程，电流与电压关系方程表示为：

由于并联电阻接近无穷大，即当Rp→∞时，式（1）变换为：

通过式（2）可求出串联电阻Rs，表示为：

其中Is是反向饱和电流，V和I分别是输入电压和输入电流，e为电子电荷，Rs是等效串联电阻，Rp是等效并联电阻，n为理论因子，k为玻耳兹曼常数。

反向饱和电流Is与温度和能带宽度的关系为：

A与半导体材料相关，EG(T)是温度为T时的能带宽度，Varshni公式可以很好地描述能带宽度和温度的关系，可以利用简单的一级近似描述为：

其中β为温度系数。

式（2）可表示为：

在正向电流恒定的情况下，对式（6）两侧求微分，电压随温度的变化关系为：

式（7）中，等号右边前两项可以看作常数，对电压随温度变化系数影响最大的是第三项，也就是等效串联电阻随温度的变化。

2.2 实验方案

国内某公司在白光LED灯具老化过程中，发现有小部分大功率3535灯珠在小电流驱动下出现偏暗现象。针对这种不良器件设计了3种测试实验方案，对大功率LED灯珠老化失效状况进行研究。

实验一：选择1个偏暗灯珠（样品a）和2个发光亮度一致的灯珠（分别为样品b和样品c）进行伏安特性（I-V）测试，电压变化范围为0～3.5 V。

实验二：对样品a和样品b进行正向电压温度特性（V-T）测试。将样品a和样品b放进恒温箱，箱体升温 范 围 为 40℃ 、55℃ 、70℃ 、85℃ 、100℃ 、120℃ 和150℃，分别通上驱动电流 1 mA、3 mA、5 mA、10 mA、30 mA、50 mA、100 mA、200 mA、300 mA、350 mA 和400 mA，测试LED的正向电压。测试过程严格控制流过LED的电流大小，测试原理图如图1所示。

在本次实验中，芯片到环境的热阻是固定的，在输入功率恒定的情况下，可以近似认为环境温度的改变量等于LED芯片温度的改变值。

图1 正向电压温度特性测试原理图

实验三：使用实验一和实验二的测试方法，选择另一家国内公司的2个相同封装方式的3535灯珠（样品X和样品Y）分别进行I-V测试和不同电流正向电压温度特性测试，以便对比。样品X为封存样品，即没有进行老化的灯珠；样品Y为在85℃恒温箱体老化约6000 h的灯珠。

3 实验结果分析

3.1 伏安特性实验与结果分析

通过实验一可得到样品a、样品b和样品c的正向I-V曲线，如图2所示。图中将曲线分成3个区域，分别为区域Ⅰ（0～1.25 V）、区域Ⅱ（1.25～2.5 V）和区域Ⅲ（2.5～3.5 V）。在常温下，GaN材料含有很低的本征载流子浓度，电子浓度为8×10-11cm-3，空穴浓度为2×10-9cm-3。虽然载流子浓度在耗尽层几乎为零，但是由于载流子会通过缺陷能级在耗尽层中复合，从而导致区域Ⅰ出现过剩电流。在区域Ⅱ中，可以利用I-V数据拟合计算LED的垒层势垒[7]，在3个样品中，样品a的势垒最低，该参数可反映载流子在器件有源区隧穿能力的强弱。这是由于器件老化后螺旋位错增多，势垒降低，有源区的隧穿电流增大，而样品a老化后更为严重。在区域Ⅲ，器件处于正常导通发光状态，由于欧姆接触产生的串联电阻使得I-V曲线接近线性状态。

图2 样品a、b、c的正向I-V曲线

LED在区域Ⅰ中处于未发光状态，只有非常微小的过剩电流，样品c的分流电流是最大的。进入区域Ⅱ后，样品a的分流最为厉害，当电压增加到接近启动电压时，3个器件都会发出亮度不强的光，但是样品a会由于分流电流较大导致发光更加微弱。在区域Ⅲ中，LED正常发光，可以认为并联电阻的分流电流减少为零，通过样品c有源层的电流相对较大，即样品c内阻（串联电阻）小，会相对较亮，其他器件发光亮度相当。

图3为样品X和样品Y的正向I-V曲线。由图中曲线可知，老化后的样品Y在小电流驱动下漏电流较为严重。

图3 样品X和样品Y的正向I-V曲线

可见，老化后的大功率白光LED在小电流驱动下，漏电流会出现不同程度的增大，其主要原因是由于器件老化后螺旋位错增多，势垒降低，隧穿电流增大，串联电阻也会增大[8～9]。

3.2 正向电压温度特性实验与结果分析

选择灯珠a和灯珠b进行正向电压温度特性测试，图4（a）和（b）分别为样品a和样品b在不同电流驱动下正向电压随温度变化的关系。结果发现LED在大电流驱动和高温条件下，正向电压随温度的变化偏离了线性关系，其变化系数由负数变为正数。

样品a的电流小于50 mA时，电压随着温度的变化关系近似保持了线性关系。在电流大于50 mA和温度小于100℃的条件下，器件的正向电压随温度的变化还能保持着线性关系，但是在大电流和高温下，器件的正向电压随温度的增加反而升高，偏离线性关系，特别是在电流大于300 mA且温度高于150℃时，器件的电压明显大于40℃的初始值，如图4（a）所示。样品b在电流大于200 mA的条件下，电压在温度大于120℃时开始偏离线性关系，并缓慢增大，见图4（b）。

当曲线的斜率由负值变成正值时，说明器件的性能出现了问题。由式（7）可知，串联电阻是温度的函数关系，即随温度的增大而增大。有关文献报道GaN基LED的等效串联电阻在一定的温度范围内相对恒定，超出这一温度范围后就会迅速增加[2]。初步判断该厂家芯片的欧姆接触存在质量问题，导致电压随温度的变化偏离了线性关系，这种串联电阻的不稳定性有可能会影响到器件的可靠性和稳定性，譬如压降增加、光通衰减等。

为了验证该批次样品实验的正确性，通过与不同公司相同型号的器件进行实验对比，发现器件的正向电压随温度的变化并没有与文献报道的产生明显矛盾[3]。图5（a）和（b）分别为样品X和样品Y在不同电流驱动下正向电压随温度变化的关系。在不同的电流驱动下，在一定结温范围内，样品X和样品Y的电压与结温的关系并没有偏离线性关系。从可靠性上分析，器件的串联电阻没有出现异常，性能比较稳定。

图5 样品X、Y在不同电流下正向电压随温度变化关系

4 结论

通过对大功率白光LED灯珠的正向电压温度特性和伏安特性的实验研究，发现在高温和大电流驱动的情况下器件的正向电压随温度变化偏离了线性关系，正向电压随温度的变化系数由负数变为正数，且器件在老化过程中散热不良会导致严重的电流溢出现象。通过对比实验发现，这种器件出现的反常现象会伴随着寿命和可靠性问题，主要是芯片的欧姆接触存在质量问题。漏电流出现的主要原因是由于器件老化后螺旋位错增多，势垒降低，隧穿电流增大，串联电阻也增大。本次实验的设备测试简易，理论和实验相结合，为LED的老化失效分析提供了一种简便方法。

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