CN101435852B - 一种电学法测量结型半导体发光器件光效退化参数的方法 - Google Patents

Abstract

一种电学法测量结型半导体发光器件光效退化参数的方法属于半导体发光器件产品的质量监控领域。半导体发光器件(发光管和激光器)的发光效率η是决定产品退化和工作寿命的重要参数。发光效率的测量通常使用光学仪器。本技术利用光效与器件温升和热阻的关系，通过使用电学参数方法，测量器件的温升和热阻随老化工作时间的变化关系，测出发光器件光效的退化参数。本技术适用于半导体发光器件产品的质量监控，可靠性分析和寿命预测的生产和研究等领域。

Description

一种电学法测量结型半导体发光器件光效退化参数的方法

技术领域

本发明适用于半导体发光器件产品的质量监控，可靠性分析和寿命预测的生产和研究等领域。

背景技术

半导体发光器件(发光管和激光器)的发光效率η(简称光效，也是能量辐射效率)是决定产品退化和工作寿命的重要参数。发光效率的测量通常使用光学仪器，如积分球等。在发光器件的可靠性分析方面，器件的工作温升和热阻的变化是另外经常需要测量的重要参数。采用本发明技术，即可在测量温升和热阻的同时，测量出发光效率的退化。可以省略了发光效率测量设备和步骤，大大提高测量效率。

发明内容

本技术的目的是利用光效与器件温升和热阻的关系，通过使用电学参数方法，测量器件的温升和热阻随老化工作时间的变化关系，测出发光器件光效参数的退化。

电学法测量半导体发光器件的工作温升是利用正向小电流下，半导体PN结结电压随温度升高，线性减少，即V_j＝V_j0-αT。只要在已知的两个温度下，测出其温度系数α，再测量出器件工作时其恒定小电流下的V_j的减少量ΔV_j，除以温度系数α，就得到了其工作的温升ΔT＝ΔV_j/α。

当器件的工作电压为V，电流为I，功率为W＝V*I施加到器件上之后，会产生温升ΔT。但是这些功率中，有部分功率是以光能Wop的形势发射出去，实际产生温升的热耗散功率W_th＝W-W_op，比值Rth-r＝ΔT/W_th就是器件的真实热阻。但是实际测量时，光学输出功率Wop需要使用光学仪器测量。

另外一方面，电学测量电学功率W＝V*I非常方便，引进热阻Rth-a＝ΔT/W，定义为表观热阻。光效η＝Wop/W，因此Rth-a与Rth-r两者之间的关系：

Rth-a＝Rth-r(1-η)    (1)

大量实验表明：发光器件的退化敏感参数是光效η。可以认为器件的真实热阻Rth-r不变，上面公式变为：

R_th-a0(0)＝R_th-r×(1-η₀)

R_th-a(t)＝R_th-r×(1-η(t))

$\frac{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)}{R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right)}=\frac{R_{\mathrm{th}-r}\×(1-{\mathrm{\η}}_0)}{R_{\mathrm{th}--r}\×(1-\mathrm{\η}\left(t\right))}$

$\mathrm{\η}\left(t\right)=\frac{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)-R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right)+R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right){\mathrm{\η}}_0}{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)}$

$\mathrm{\η}\left(t\right)=1-\frac{R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right)}{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)}(1-{\mathrm{\η}}_0)---\left(2\right)$

Rth-a(0)是未开始进行老化实验时的表观热阻，Rth-a(t)是老化过程中时刻t时的表观热阻。光学参数光效退化的测量完全可以通过电学参数表观热阻的退化表现出来，省略了每次利用光学仪器测量光效的过程。

通常光效η随工作时间，或老化时间退化关系为：η＝η₀exp(-t/τ)(3)

η₀是器件的尚未工作的初始光效，τ是退化的时间常数。

光效的退化参数可以通过下式测得：

$\ln (1-\frac{R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right)}{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)}(1-{\mathrm{\η}}_0))=\ln {\mathrm{\η}}_0-\frac{t}{\mathrm{\τ}}---\left(4\right)$

通过测量上式左侧数值与时间t的线性关系，其直线的斜率就是1/τ。

本发明的技术方案叙述如下：

(1)测量或获取被测器件的发光效率参数η₀，测量被测器件的表观热阻Rth-a(0)；

(2)对被测器件加工作电流或老化电流，工作一定时间t1后，测量器件正常工作条件下的表观热阻Rth-a(t1)；

工作电流是正常使用和工作时电流，老化电流是加速退化电流，一般为了加快退化过程，老化电流都要大于工作电流。

(3)再对被测器件施加步骤(2)相同大小的电流，工作一定时间t2后，测量器件正常工作条件下的表观热阻t1+t2时间后的Rth-a(t1+t2)；

(4)重复(3)步骤，得到一系列值：t1，t2，....tn，Rth-a(t1)，Rth-a(t1+t2)，...，...Rth-a(t1+t2+...tn)，按照公式 $\left(\text{1-}\frac{R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right)}{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)}(1-{\mathrm{\η}}_0)\right)=\mathrm{\η}\left(t\right),$ 得到光效的退化曲线；

(5)光效η退化满足η＝η0exp(-t/τ)，按照公式： $\ln (1-\frac{R_{\mathrm{th}-a}\left(t\right)}{R_{\mathrm{th}-a}\left(0\right)}(1-{\mathrm{\η}}_0))=\ln {\mathrm{\η}}_0-\frac{t}{\mathrm{\τ}}$ 做直线，该直线的斜率就是1/τ，即是光效退化参数。

此方法可应用于所有用半导体发光管和半导体激光器的光效退化测量。

本发明通过电学法发光器件的表观热阻，随时间的变化，可以得到发光效率随时间的变化关系，进而得到光效的退化参数，省略不断使用光学仪器测量光效的过程。本技术适用于半导体发光器件产品的质量监控，可靠性分析和寿命预测的生产和研究等领域。

附图说明

图1是本发明的光效退化曲线与实际测量的曲线对比图

具体实施方式

被测样品为氮化镓(GaN)基绿光正装LED，直插式封装，额定电流I为20.0mA，工作电压V为1.584V，额定功率P为0.0317W。

(1)将被测器件连接到专用的热阻测试仪或其他测试设备上，在额定功率下测量其工作温升，即ΔT＝10.1℃。按照公式ΔT/W计算表观热阻，测量结果记为R_th-a0＝318℃/W。

(2)将被测器件连接到积分球或其他测试设备上，测量其发光效率，或根据器件的技术文档得到其发光效率，记为η₀＝9.3％。

(3)对被测器件进行老化实验，老化电流为60mA，在老化时间为t时重复步骤(1)，结果记为R_th-a(t)。老化时间为3h时，表观热阻R_th-a(3)＝318.5℃/W，类似测得R_th-a(6)＝320.9℃/W，R_th-a(9)＝323.9℃/W。

(4)根据式(2)计算出老化时间为t后的发光效率η(t)，作为老化实验的失效参数。

测量的利用热阻获取的光效退化曲线与实际测量的曲线对比图见图1。

从两者的测量结果看，依据本方法测得的发光效率退化曲线与实际采用光学仪器测量的光效曲线符合的很好，误差在5％之内。误差的原因有：1、采用光学仪器测量的光效本身就存在一定误差；2、图中可见，本方法测量的光效退化略快于光学方法测量的结果。这是因为，采用热阻退化机理中，还包含了其它退化因素，如器件的粘接材料退化等。说明采用本方法判定器件退化失效更为综合。

Claims (1)

1.一种电学法测量结型半导体发光器件光效退化参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测量或获取被测器件的发光效率参数η₀，测量被测器件的表观热阻R_th-a(0)；

(2)对被测器件加工作电流或老化电流，工作一定时间t1后，测量器件正常工作条件下的表观热阻R_th-a(t1)；

(3)再对被测器件施加步骤(2)相同大小的电流，工作一定时间t2后，测量器件正常工作条件下的表观热阻t1+t2时间后的R_th-a(t1+t2)；

(4)重复(3)步骤，得到一系列值：t1，t2，...tn，R_th-a(t1)，R_th-a(t1+t2)，...，...R_th-a(t1+t2+...tn)，按照公式

得到光效的退化曲线，R_th-a(t)是老化过程中时刻t时的表观热阻，R_th-a(0)是未开始进行老化试验时的表观热阻；

(5)光效η退化满足η＝η₀exp(-t/τ)，η₀是被测器件尚未工作的初始光效，τ是退化的时间常数，按照公式：

做直线，该直线的斜率就是1/τ，即是光效退化参数。

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