GaN基不同电极形状的LED性能比较

1、GaN 基不同电极形状的LED 性能比较112111董雅娟，张俊兵，林岳明，金豫浙，王书昶，曾祥华（1. 扬州大学物理科学与技术学院，江苏扬州225002；2. 扬州华夏集成光电有限公司，江苏扬州225009）摘要：对前期工作中使用Crosslight APSYS 软件模拟的6种优化电极的GaN 基InGaN /GaN多量子阱蓝光LED 芯片进行试制并测试分析，将实验结果与软件模拟结果进行比较，并进行可靠性分析。结果表明，优化电极的实验结果和软件模拟结果基本吻合，优化电极的光学、电学等特性的确有明显改善，芯片出光效率也有提升。对称型指形在光通量、光效和电压（电流为20mA ）等方面在这6种电极

2、中最优；旋转形电极的寿命在预测中最高，为37000h ，对称型指形位居第二；老化对优化电极的影响与未优化电极相差不多，所以综合考虑，对称型指形的性能最优。关键词：GaN ；电极形状；发光二极管；寿命；光电性能中图分类号：TN312. 8；TN304. 23文献标识码：A 文章编号：1003353X（2011）03017705Performances Comparison of GaN-Based LEDs withDifferent Electrode ShapesDong Yajuan 1，Zhang Junbing 1，Lin Yueming 2，Jin Yuzhe 1，Wang Shuc

3、hang 1，Zeng Xianghua 1（1. College of Physics Technology ，Yangzhou University ，Yangzhou 225002，China ；2. Yangzhou Huaxia Integrated OE System Co，Ltd，Yangzhou 225009，China ）Abstract ：The six kinds of optimizing electrodes GaN-based InGaN /GaNMQW blue LEDs simulated with Crosslight APSYS software simul

4、ation in the preliminary work were developed and analyzed ，and the experimental results were compared with the simulation results ，and reliability analysis was also executedThe results show that the experimental results are basically consistent with the software simulation results ，the optical and e

5、lectrical and other properties of the optimizing electrodes are significantly improved ，the extraction efficiency is also upgradedThe symmetrical finger is the best shape in the six kinds of electrodes for the luminous flux ，luminous efficiency ，voltage （current of 20mA ）and so on ，while the 37000h

6、life of the rotating finger is the highest in the six kinds of electrodes in the forecast ，with symmetrical finger is the secondWhile the impact of aging on the optimizing electrodes and non-optimized electrodes is very similarTherefore ，the symmetrical shape has the best performance based on the sy

7、nthetical considerationKey words ：GaN ；electrode shapes ；light-emitting diodes ；lifetime ；photoelectric property EEACC ：4260D ；2520D0引言目前LED 的出光效率普遍较低，这是由于晶格对光的吸收、衬底对光的吸收以及光在出射过程中反射、全内反射造成的损失等多方面的原因导致的。近年来，对提高LED 出光效率方面的研究也较多，其中改进LED 电极形状是一个新起的分支12。优化LED 的电极形状需要注意3个方面：使用n 电极环绕p 电极的方法，这样能够让电流在尽可能大的面积

8、上由p 电极进入n 电极，增加有效发光长度；n 与p 电极之间的距离应相等，使电流尽可能均匀的分布；n 电极要分布在外侧，这与的理由相同。提高了LED 的出光效率就在一定程度上提高了LED 的电光转换效率，对于LED 的节能优势有着重要的影响。但J. S. Yun 等人2只对常用的电极做简单优化，本文前期工作设计了复杂的优化电极，并通过软件模拟结果优化电极，提高了出光效率的结果。为对软件模拟的情况进行实验验证，本次实验对前期模拟的6种优化电极的蓝光芯片进行试制，并对理论结果与实验结果在光学、电学和可靠性等方面做详细的比较分析，用测试结果验证优化电极在各方面的优势，并对各种电极的寿命做出预测。1

9、实验实验样品的外延片波长为469. 02nm ，亮度为153. 33mcd ，电压为3. 27V ，尺寸为2英寸（50mm ），样品芯片的尺寸为14mm 14mm ，实际样品芯片参数与软件模拟一致。6种电极在封装前的芯片电极形状如图1所示，图1（a ） （f ）分别为普通指形电极、对称型指形电极、h 形指形电极、旋转形电极、中心环绕形电极和树形电极。各图中颜色稍亮的电极为P 电极，稍暗些的为N 电极，由于P 和N 电极处在不同的台面，N 电极的水平位置相对P 电极要低1300nm 左右，故拍下效果两种电极的颜色会不同。正是由于这种台面结构使得电流存在横向扩展，产生电流聚集效应3。由于优化电极在

10、芯片表面的电流密度分布更加均匀，会削弱电流聚集效应的影响，相应增加LED 的发光效率45。对6种电极形状芯片先挑选满足漏电流小于0. 2A 和波长在467. 1 471. 1nm 之间的芯片；再采用常规的环氧树脂封装，即圆形灯（Lamp-LED ，垂直LED ），直径为5mm ，金属底座无色透明环氧封装，如图2，封装后进一步挑选性能较稳定的一批样品进行测试。每种电极形状取11支样品进行测试，测试结果为11支样品中去除不良后的平均值，用这个值来估测样品整体性能。测试设备为杭州远方HAAS 2000LED 快速光色电综合测量系统，其光度测试准确度为一级，波长精确到0. 1nm ，测试及老化的环境温

11、度为25 ，保持恒温 。2结果与分析2. 1电学分析LED 的电学参数是评价LED 可靠性和失效性的一个标准，因此先从电压和电光转换效率的角度来分析各种电极的电学性能，如图3所示：6种形状电极中对称型指形的电压（20mA 电流情况下）最低为4. 80V ，同时这种形状电极的电光转换效率最高，为6. 7%，相对于普通指形电极的电压4. 94V ，降低2. 99%；相对于普通指形电极的电光转换效率6. 04%，提高10. 92%。这是由于对称型指形的电极形状是在对称性和电流分布的双重考虑下设计出来的，所以对称型指形的电流密度分布更加均匀，电流扩展能力更好，能够从芯片出射的光更多，这样减少了光转换为

12、热能的量，进一步提升了器件的光特性。此时电流聚集效应也在优化电极下降至最低；而对称型指形表面正负电极所覆盖的面积适中，能够充分提升芯片的外部量子效率，因此对称型指形的电压和电光转换效率最高，相应I-V 特性曲线也是6种电极中最好的。整体上优化电极的电压要比普通指形要低，电光转换效率要比普通指形电极要高，这与理论模拟的结果相一致，这是因为优化电极表面电流密度分布更加均匀，具有更好的电流扩展能力，芯片有更好的转换效率；且优化电极表面金属电极的面积适中使其有更好的电压特性。由于这批样品未采用透明电极ITO ，以及封装过程中打线等原因导致这批样品整体上电压较高，使样品的热效应加剧，也进一步加速LED

13、的衰减，可以预测本批样品的寿命要低于采用透明电极ITO 及封装较好的样品寿命 。图36种电极电压与电光转换效率（）Fig. 3Voltages and electro-optical conversion efficiencyfor six kinds of the electrodes为了将实验结果与软件模拟结果相比较，对样品进行了I-V 特性测试，测试温度为25 ，测试电流为0 100mA ，间隔为2mA 。图3中6种电极的名称（a ） （f ）与理论模拟结果中（B ）（G ）5相对应，下文中不再累述。测试结果如图4所示，图中为实验测得的6种电极的I-V 特性曲线。实验测得I-V 特性曲线

14、与理论模拟相似，由于实验测量时电流间隔要比软件模拟小，所以实验结果较模拟结果曲线更密集；各种优化电极在相同电流下的电压都要比普通指形电极要低，对称型指形的电压要远低于另外5种优化电极，这也与理论模拟的结果相同；但实验测得的电压整体要高于软件模拟的结果，这是因为软件模拟仅仅是对芯片模拟，而实际样品会由于焊线、金属电极等其他因素会增加串联电阻，使得相同电流下电压升高。从图中可以看到优化电极的电压整体上要低于（a ）指形电极的电压，说明测试结果基本与理论模拟结果一致，由此可见优化电极的可行性 。图4实验测得I-V 特性曲线Fig. 4Measured I-V curves from the expe

15、riment2. 2光学分析本文从光通量和光效两个角度来描述优化电极对LED 光学性能的影响，测试时的工作电流为20mA ，测试结果如图5中所示：可以明显看出，对称型指形的光通量和光效要远远高于另外5种电极形状，其光通量和光效分别为0. 48lm 和4. 98lm /W，相对于普通指形电极的光通量0. 43lm 和光效4. 36lm /W，分别提高了10. 83%和14. 22%，提高十分显著，有明显的光性能改善。另外4种优化电极的光通量和光效也要高于普通指形电极，主要是因为该电极形状能够使芯片的电流整体分布相对比较均匀，且金属电极面积适中，充分提升了芯片的外部量子效率 。图56种不同形状电极

16、的光效（K ）和光通量（）Fig. 5Luminous efficiency and luminous flux forsix kinds of the electrodes为了比较实验结果与软件模拟结果在光学部分的差异，选用电流光效曲线进行比较。在软件模拟中，光效随电流变化很小，总体呈下降趋势。如图6所示，实验中得到的6种电极在光效上随电流变化幅度较大，这与软件模拟有很大不同，这是因为芯片在大电流下工作时会产生大量的热量6，使器件的性能迅速下降；而在软件模拟中未考虑器件自身发热对光效的影响，导致在软件模拟中各种电极的光效变化幅度较小，且在软件模拟中未考虑芯片的实际功率情况 。图6实验得出的光

17、效随电流变化关系Fig. 6Experimental luminous efficiency changeswith the current如图6所示，从优化电极的光效角度来看，对称型指形的光效最高，且优化电极的光效均要高于普通指形电极。这主要是因为复杂电极形状的电流分布更为均匀，芯片热效应小，减小了热效应引起的非辐射性复合量，降低了芯片能带的内缩量，相对提高了芯片的外部量子效率，而导致光效的提升。2. 3可靠性分析寿命试验是可靠性试验的主要项目，对于大多数机电产品，其寿命试验只能进行加速试验，以节省费用和缩短产品开发周期。对于本批样品的寿命分析是通过电流加速寿命实验法7来掌握LED 的光输出

18、衰减情况，其中LED 寿命是单个LED 在工作电流为20mA 情况下亮度降到初始亮度的一半所经历的时间7。具体实验进行：老化隔一段时间测一次参数，累计老化时间达到500h 以上，每种电极形状采用11只相同的发光二极管同时进行测试，所给出的结果为11只实验管的平均值。所有的测试均在LED 卸下冷却1h 后进行的。2. 3. 1寿命原理电流加速寿命实验法是将LED 通以较大的电流（如30，40，50，60，70和80mA ）进行老化，在大电流工作下的LED 会产生更多的热量加速老化8。在这种情况下，其相对光功率会随时间而衰减。当驱动电流较小时，在老化的初始阶段衰减幅度较小。当相对光功率衰减到P /

19、P00. 8 0. 9以后，相对光输出功率与老化时间之间满足关系式1P P =ln （t t ）（1）00式中：是拟合直线的斜率，它与驱动电流无关，是一个常数为0. 27；将t 0定义为P /P0=1时的点，它是与电流强度的大小有关，可表示为t I 0=A F（2）式中：I F 为驱动电流强度，单位为mA 。根据实验得到蓝光LED 的经验值：A =4. 3 106，=2. 7。联立式（1），（2）就可以计算出光功率衰减到一半时（即P /P0=1/2时）的寿命t I 2. 7F =2. 73 F 107（3）式中t F 为老化时间，单位为h 。假设己经测得的测量驱动电流为40mA 时的寿命为t

20、F （40），则相应驱动2. 7电流为20mA 时的寿命为：t F （20）=t F （40）（2040）=6. 498 t F （40），即驱动电流为20mA 时的寿命为驱动电流为40mA 时寿命的6. 498倍。2. 3. 2寿命的结果与分析实验中将LED 通以较大的工作电流（本实验中用40mA ）进行老化。LED 的相对光功率与老化时间的衰减曲线遵循指数衰减关系9，其具体关系式为：y =e t，其中y 为相对光输出功率，为衰减系数，t 为老化时间。利用这个公式，对实验测量的相对光输出功率进行拟合，得到衰减系数，算出y =0. 5时的LED 寿命。以普通指形电极的相对光输出功率为例，对曲线

21、进行拟合，得到它的指数衰减曲线如图7，得出相应的衰减系数为0. 0064，算出相对光功率为0. 5时的寿命为1083. 04h ，再由寿命原理推算出工作图7普通指形电极的相对光功率衰减图Fig. 7Relative light power attenuation for the commonfinger electrode在20mA 电流下的寿命为7000h 。图7中的R 2为相关系数，其越接近1表明实验数据与拟合曲线符合得越好。以此类推，算出另外5种不同形状电极的寿命，如表1所示。表16种电极的寿命情况Tab. 1Six kinds of optimizing electrodes'

22、 life电极形状衰减系数相对于电极a 的提高量/%寿命排名普通000064006对称型00002614282h 形0000405713旋转00001242861中心环绕0000502865树形0000454294从表1中可以看出，旋转形电极的寿命最长，相对指形电极提高了428. 6%，达到37000h ，这与目前市场上常用的蓝光LED 寿命相近，再加上本批样品的电压由于未使用ITO 透明导电薄膜及封装中的问题导致电压要高于正常小功率LED 的电压，所以可以预测低电压下优化电极的LED 寿命将高于本实验中样品的寿命，相关实验也正在进行中。优化电极中对称型指形的寿命仅次于旋转形电极，并且优化电极

23、整体的寿命也要高于普通指形电极。2. 3. 3老化中的特性参数分析为了看到老化中电学、光学和色参数的变化，制作了表2，将6种电极结构的3个参数变化展现出来，在电学、光学和色参数中分别选用了电压、光通量和主波长的变化来体现老化对这3个方面的影响。如表2中所示：老化开始时优化电极的电压均要低于普通指形电极的电压，但随着老化的进行，首先各种电极的电压均越来越高，这是由于随着老化的进行，电流的热效应导致芯片温度升高，同时由于器件不能完全散热，使得热量不断积累，器件温度不断升高，进而导致LED 芯片中杂质扩散严重，使欧姆接触电阻变大，工作电压升高；其次，优化电极的电压变化幅度要稍高于未优化电极，这说明老

24、化对优化电极的影响稍大，这是因为优化电极表面的金属电极面积要高于普通指形电极，在相同情况下电阻变化量要高于指形电极，建议以后在芯片表面的电极宽度等方面适当减少。老化前对称型指形的光通量最高，但随老化的进行，其光通量的变化也稍高，可以看出老化对优化电极的光学参数也有影响，在以后的设计中也需考虑这方面的改进。6种电极的主波长均随着老化的进行而红移，原因可能是通入40mA 大电流时，随老化的进行，芯片温度升高，使蓝光LED 器件结构中的n 型施主杂质Si 和p 型受主杂质Mg 扩散到发光层，从而导致有效的禁带宽度变小，波长红移10；6种电极的主波长变化量均在2nm 以内，其中旋转形和中心环绕形电极的

25、变化量最小，说明老化对这两种优化电极的色参数影响较小，在一定程度上证明优化电极的优越性。表26种电极的电压（V）、光通量（）、主波长（）在老化中的变化T a b. 2S ix kinds of e le ctrode s' volta ge ，luminous flux ，domina ntwavelength changes in the agingV /V/lm/nm电极形状开始老化527h 开始老化527h 开始老化527h 普通5025980450304683046900对称型4866130490294690046958h 形4926000460284687347007旋转48

26、85900460294688746958中心环绕4916250420284687746958树形47059103202246750470903结论为了验证优化电极能够改善器件的光电性能，有更长的使用寿命，对6种芯片电极进行流片、封装和测试，并比较之前的模拟结果。实验发现，从整体上看优化电极在电压、电光转换效率、光通量和光效等方面均要优于普通指形电极，且对称型指形的电压最低，电光转换效率最高，光通量和光效要远远高于另外5种电极形状，提高十分显著；寿命方面，旋转型指形的寿命最长达37000h ，对称型指形的寿命仅次于旋转型电极。从老化对电极各方面参数的影响来看，对优化电极的影响要稍大于对普通指形电

27、极的，在以后的电极优化设计中需要改进。本次实验是针对小功率发光二极管而进行的，基于优化电极在光电性能上的优势，会继续对大功率LED 进行电极优化，并考虑使用透明电极ITO ，相关部分的实验正在进行中。J 光源与照明， 2001 （ 4 ） ： 16 22 测试方法 参考文献： 1 TU S H， CHEN J C， HWU F S， et al Characteristics of current distribution by designed electrode patterns for high power thin GaN LED J SolidState Electronics， 2010 ， 54 （ 11 ） ： 1438 1443 2 YUN J S，SHIM J I，SHIN D S Enhancing current spreading by simple electrode pattern design methodology in lateral GaN / InGaN LEDs J IEEE Electronics Letters， 2009 ， 45 （ 13 ） ： 703 705 3 H