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專利名稱：一種發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及LED測試與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于半導(dǎo)體材料的電阻溫變特性的發(fā)光二極管結(jié)溫測量方法及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管Light Emitting Diode (簡稱LED),是一種固體發(fā)光器件。它是通過在芯片的P型與N型材料兩端施加正向電壓，將電子由基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，通過材料內(nèi)部的電子空穴對(duì)復(fù)合而引起發(fā)光，發(fā)光波長由半導(dǎo)體材料自身的禁帶寬度決定。與傳統(tǒng)的熱輻射光源不同，LED是一種電致發(fā)光器件，它直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，這就使LED作為發(fā)光器件較之傳統(tǒng)光源更優(yōu)越的特點(diǎn):耗電低、壽命長、響應(yīng)時(shí)間快、耐沖擊、體積小、重量輕、可控性好、綠色環(huán)保。因此LED被稱為繼白熾燈、熒光燈和高壓氣體放電燈后的第四代光源。要使LED完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明光源，首先就是光效以及光通量要大大提高，而光通量的提高僅依靠傳統(tǒng)的小功率芯片是無法達(dá)到的，因此大功率LED的研究顯得尤為重要。然而由于目前半導(dǎo)體制造技術(shù)的限制，大功率LED的輸入功率中只有20°/Γ30%(這個(gè)數(shù)值隨著半導(dǎo)體材料的不同而改變)轉(zhuǎn)換為光能，而其余的709Γ80%則以熱能的形式被耗散掉了。如此巨大的熱量，如果不斷積累的話 ，會(huì)導(dǎo)致LED的結(jié)溫升高，從而嚴(yán)重影響LED的光通量、壽命、可靠性等，并會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光譜紅移、封裝材料黃化等。因此，準(zhǔn)確測量結(jié)溫具有重要的實(shí)際意義。目前已報(bào)道了多種測量方法，主要有正向壓降法和管腳測溫法等接觸測量法，峰值波長法、藍(lán)白比法，紅外攝像法，有限元法和PN結(jié)電阻等非接觸式方法。這些方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，正向壓降法通過標(biāo)定LED工作電流下的電壓隨溫度變化的關(guān)系，進(jìn)而測量不同工作狀態(tài)和散熱條件下的結(jié)溫，而如果工作電流發(fā)生改變，又需要重新標(biāo)定；管腳測溫法實(shí)際試驗(yàn)中，一般要求結(jié)溫比管腳的溫度差大于50°C。峰值波長法測試時(shí)會(huì)給測試結(jié)果帶來不小的誤差，若采用高精度的光譜儀，則會(huì)大大增加測試成本。藍(lán)白對(duì)比法僅適用于InGaN + YAG白光LED，對(duì)于其他LED，如RGB三基色混合白色LED和單色LED，該方法就不適用了 ；紅外攝像法成本較高，而且要求被測器件必須是未封裝或開封的狀態(tài)，同時(shí)由于芯片不同層次熱紅外信息互相干擾形成噪聲，該方法也無法準(zhǔn)確感應(yīng)內(nèi)部有源層溫度，因此，測試結(jié)果有較大的誤差；有限元法是建立在一些假設(shè)的基礎(chǔ)上，而實(shí)際應(yīng)用中，這些假設(shè)不一定均成立，同時(shí)該方法需要復(fù)雜的計(jì)算。申請(qǐng)?zhí)朇N201010548423.9的專利申請(qǐng)公開了一種利用PN結(jié)電阻來測量結(jié)溫的方法，該方法是在LED工作狀態(tài)時(shí)對(duì)PN結(jié)的電阻進(jìn)行定標(biāo)，由于芯片工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，對(duì)定標(biāo)準(zhǔn)確性有很大的影響，并且LED的PN結(jié)電阻與溫度并非簡單的線性關(guān)系，定標(biāo)時(shí)同樣需要測量不同工作電流下的電阻溫度系數(shù)。其利用半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度明顯變化的原理，通過監(jiān)測LED工作時(shí)自身的半導(dǎo)體材料的電阻率的變化，并和事先測量的標(biāo)定進(jìn)行對(duì)比，獲得LED器件內(nèi)部的半導(dǎo)體材料的溫度，從而獲得了 LED芯片工作狀態(tài)的結(jié)溫。此方法原理和操作均相對(duì)簡單，定標(biāo)實(shí)驗(yàn)只須進(jìn)行一次，定標(biāo)關(guān)系可適用于任意工作電壓和電流的LED結(jié)溫的測量，且利用萬用表即可完成測量，不涉及復(fù)雜昂貴的測試儀器，有利于技術(shù)的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有測量方法的技術(shù)局限，使用成本較低的測量裝置簡單高效的獲取LED的結(jié)溫，為得到上述目的，本發(fā)明提出一種基于LED芯片內(nèi)部半導(dǎo)體材料的電阻與溫度關(guān)系的結(jié)溫測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，包括以下步驟:
測試不同溫度下發(fā)光二極管器件中半導(dǎo)體材料的電阻與溫度的定標(biāo)關(guān)系；
在發(fā)光二極管工作時(shí)監(jiān)測半導(dǎo)體材料的電阻變化，并利用定標(biāo)關(guān)系得到發(fā)光二極管工作時(shí)的結(jié)區(qū)溫度，所得溫度即為所要測量的發(fā)光二極管的結(jié)溫。其中，所述發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)包括以下步驟:
511.對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行電極的焊線和封裝，引出第一N型電極、第二 N型電極和第一 P型電極；
512.將步驟Sll處理后的發(fā)光二極管房子在溫度可控的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，設(shè)定鼓風(fēng)干燥箱的溫度，測量此時(shí)第一 N型電極和第二 N型電極兩端的電阻；
513.改變鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)的溫度，記錄不同溫度下發(fā)光二極管的N型半導(dǎo)體材料的電阻值，從而獲取發(fā)光二極管半導(dǎo)體材料的電阻-溫度的變化曲線；即發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)。其中，獲取半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)關(guān)系還可以包括以下步驟:
521.對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行電極的焊線和封裝，引出第一N型電極、第一 P型電極和第二一 P型電極；
522.將步驟S21處理后的發(fā)光二極管房子在溫度可控的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，設(shè)定鼓風(fēng)干燥箱的溫度，測量此時(shí)第一 P型電極和第二 P型電極兩端的電阻；
523.改變鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)的溫度，記錄不同溫度下發(fā)光二極管的N型半導(dǎo)體材料的電阻值，從而獲取發(fā)光二極管半導(dǎo)體材料的電阻-溫度的變化曲線；即發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)。進(jìn)一步的，所述發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料為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種。進(jìn)一步的，所述發(fā)光二極管的襯底是藍(lán)寶石、SiC、S1、GaN、或金屬轉(zhuǎn)移襯底中的任
意一種。進(jìn)一步的，所述在發(fā)光二極管工作時(shí)監(jiān)測半導(dǎo)體材料的電阻變化的具體方式為: 在第一 P型電極和第一 N型電極上分別接入脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器的正負(fù)極，脈沖電
源或信號(hào)發(fā)生器提供的正向脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)明暗相間的驅(qū)動(dòng)方式；調(diào)整脈沖電源的占空比使發(fā)光二極管在直流驅(qū)動(dòng)下工作，在暗的時(shí)間用快速測量電表測量LED的半導(dǎo)體材料的電阻，并與定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，獲取發(fā)光二極管的芯片結(jié)溫。進(jìn)一步的，所述步驟S12中測溫方式為使用高精度快速測量電表測量第一 N型電極和第二 N型電極兩端電阻，或使用伏安法進(jìn)行第一 N型電極和第二 N型電極兩端的電阻測量；
所述步驟S22中測溫方式為使用高精度快速測量電表測量第一 P型電極和第二 P型電極兩端電阻，或使用伏安法進(jìn)行第一 P型電極和第二 P型電極兩端的電阻測量。本發(fā)明的又一目的在于一種發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法的應(yīng)用，該測量方法既能應(yīng)用于垂直結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量；又能應(yīng)用于正裝或倒裝的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:1)由于只需一次定標(biāo)測量，測量誤差小；2)操作簡單易行；3)僅需常規(guī)的電學(xué)測試裝置。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提出的測量方法所涉及的LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖2為LED芯片的半導(dǎo)體材料的電阻與溫度的關(guān)系示意 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1提出的測量方法示意 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2提出的測量方法所涉及的LED芯片結(jié)構(gòu)示意 圖5為本發(fā)明實(shí)施例3提出的測量方法所涉及的LED芯片結(jié)構(gòu)示意具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不限于此。圖中各圖標(biāo)分別為:1-為襯底或基板、2-N型GaN材料層、3-1nGaN/GaN單量子阱或多量子講、4-P型GaN材料層，5-第一 N型電極、6-第一 N型電極、7-第一 P型電極,8-第二 P型電極。本發(fā)明的發(fā)光二極管LED結(jié)溫測量方法是基于半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度明顯變化的原理，測量并定標(biāo)半導(dǎo)體材料電阻隨溫度變化的關(guān)系；在發(fā)光二極管工作過程中，實(shí)時(shí)測量發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料的電阻，并與定標(biāo)數(shù)據(jù)相比較，實(shí)現(xiàn)任意工作電壓和電流下的發(fā)光二極管結(jié)溫的測試。其具體是通過在原器件已有的P型和N型電極的基礎(chǔ)上，制作和引出另一附加的N型(或P型)電極來實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管中N型半導(dǎo)體材料(或P型半導(dǎo)體料)的電阻測量；或是利用某些大功率芯片本身的獨(dú)立的雙N電極(或雙P電極結(jié)構(gòu))來實(shí)現(xiàn)發(fā)光二極管中N型半導(dǎo)體材料(或P型半導(dǎo)體料)的電阻測量。發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料可以是GaN基、或GaAs基、或GaP基的二元、三元和四元化合物。發(fā)光二極管的襯底可以是藍(lán)寶石、或SiC、或S1、或GaN、或各種金屬轉(zhuǎn)移襯底等。此測量方法可以應(yīng)用于垂直結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量；此測量方法可應(yīng)用正裝或倒裝的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量。實(shí)施例一
本實(shí)施例提供的發(fā)光二極管結(jié)溫測量方法包括:對(duì)發(fā)光二極管半導(dǎo)體材料電阻與溫度關(guān)系的標(biāo)定和實(shí)際工作狀態(tài)下的發(fā)光二極管的結(jié)溫測試，電路中包括一臺(tái)作為LED驅(qū)動(dòng)的脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器(一個(gè)或兩個(gè)獨(dú)立輸出端口)，一臺(tái)高精度快速測量萬用表。進(jìn)行結(jié)溫測量的發(fā)光二極管具有圖1所示結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)獨(dú)立的N型電極，分別為第一 N型電極5和第二 N型電極6，和第一 P型電極7。發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)包括以下步驟: I)在LED支架上對(duì)LED芯片上進(jìn)行電極的焊線和封裝，主要目的是將第一 N型電極5、第二 N型電極6和第一 P型電極7分別引出。2)使用高精度萬用表測量第一 N型電極5和第二 N型電極6兩端電阻?；蚴褂梅卜ㄟM(jìn)行第一 N型電極5和第二 N型電極6兩端的電阻測量，具體方法為，使用直流電源在第一 N型電極5和第二 N型電極6兩端加載ImV IOOmV的小電壓UO’ UO不宜太大，以免引起電阻發(fā)熱，影響測量的準(zhǔn)確性；同時(shí)在第一 N型電極5和第二 N型電極6的支路串聯(lián)電流表，測量串聯(lián)電流10，根據(jù)歐姆定律R= UO/ 10，計(jì)算得到LED芯片第一 N型電極5和第二N型電極6兩端的N型半導(dǎo)體材料的電阻值。3)將LED放在溫度可控的鼓風(fēng)干燥箱里，設(shè)定鼓風(fēng)干燥箱的溫度T，等鼓風(fēng)干燥箱的溫度穩(wěn)定后，芯片內(nèi)部溫度將和環(huán)境溫度達(dá)到穩(wěn)定，采用步驟(2)的方法測量LED芯片的N型半導(dǎo)體材料的電阻。4)改變鼓風(fēng)干燥箱的溫度T，記錄不同溫度T下的LED芯片的N型半導(dǎo)體材料的電阻值，獲得類似于圖2所示的LED芯片的半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度的變化關(guān)系。實(shí)際工作狀態(tài)下的LED結(jié)溫測試包括以下步驟:
I)將脈沖電源、快速測量電表、LED芯片，如圖3所示連接成閉合回路。其中，第一 P型電極7和第一 N型電極5分別接入脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器的正負(fù)極，脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器提供合適的正向脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)明暗相間的驅(qū)動(dòng)方式；脈沖電源的占空比應(yīng)該盡量大，以獲得接近LED正常直流驅(qū)動(dòng)下的工作狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)過程中，保持電阻定標(biāo)中的步驟(2)所述的電阻測量，并記錄在暗的時(shí)間內(nèi)LED的半導(dǎo)體材料的電阻。2)將記錄的電阻和LED芯片的半導(dǎo)體材料的電阻隨溫度的定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行比較，得到對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體材料的溫度，即LED芯片的結(jié)溫。實(shí)施例二
實(shí)施例二的測量原理與實(shí)施例一相同，測量步驟相似，區(qū)別在于，進(jìn)行結(jié)溫測量的LED芯片具有圖4所示結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)獨(dú)立的P型電極，分別為第一 P型電極7和第二 P型電極8，和第一 N型電極5。 相應(yīng)的，在定標(biāo)步驟中，LED芯片中測量的是P型半導(dǎo)體材料的電阻，即測量第一 P型電極7和第二P型電極8兩端的電阻；
同時(shí)，在實(shí)際工作狀態(tài)下的LED結(jié)溫測試中，第一 P型電極7和第一 N型電極5分別接入脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器的正負(fù)極；第二 P型電極8和第一 P型電極7之間串聯(lián)一快速測
量電表。其它步驟與實(shí)施例一相同。實(shí)施例三
實(shí)施例三的測量原理與實(shí)施例一的測量原理相同，測量步驟亦相同，區(qū)別在于，進(jìn)行結(jié)溫測量的LED芯片具有圖5所示結(jié)構(gòu)，此芯片為垂直結(jié)構(gòu)的倒裝芯片，同樣具有第一 N型電極5和第二 N型電極6，但此結(jié)構(gòu)的襯底或基板I為金屬或摻雜半導(dǎo)體，可作為P型電極，因此，在定標(biāo)和結(jié)溫測量過程中，具體實(shí)施例1中連接第一 P型電極7的地方改為連接LED芯片襯底或基板I，其它步驟相同。另外，此測量方法還可應(yīng)用于上述步驟所描述的結(jié)構(gòu)之外的其它的垂直或平面結(jié)構(gòu)的LED芯片的結(jié)溫測量；或是應(yīng)用于可應(yīng)用于上述步驟所描述的結(jié)構(gòu)之外的正裝或倒裝的LED芯片結(jié)溫測量。以上所述的本發(fā)明的實(shí)施方式，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神原則之內(nèi)所作出的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 測試不同溫度下發(fā)光二極管器件中半導(dǎo)體材料的電阻與溫度的定標(biāo)關(guān)系； 在發(fā)光二極管工作時(shí)監(jiān)測半導(dǎo)體材料的電阻變化，并利用定標(biāo)關(guān)系得到發(fā)光二極管工作時(shí)的結(jié)區(qū)溫度，所得溫度即為所要測量的發(fā)光二極管結(jié)溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，所述發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)包括以下步驟: 511.對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行電極的焊線和封裝，引出第一N型電極、第二 N型電極和第一 P型電極； 512.將步驟Sll處理后的發(fā)光二極管房子在溫度可控的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，設(shè)定鼓風(fēng)干燥箱的溫度，測量此時(shí)第一 N型電極和第二 N型電極兩端的電阻； 513.改變鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)的溫度，記錄不同溫度下發(fā)光二極管的N型半導(dǎo)體材料的電阻值，從而獲取發(fā)光二極管半導(dǎo)體材料的電阻-溫度的變化曲線；即發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，獲取半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)關(guān)系包括以下步驟: 521.對(duì)發(fā)光二極管進(jìn)行電極的焊線和封裝，引出第一N型電極、第一 P型電極和第二P型電極； 522.將步驟S21處理后的發(fā)光二極管房子在溫度可控的鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，設(shè)定鼓風(fēng)干燥箱的溫度，測量此時(shí)第一 P型電極和第二 P型電極兩端的電阻； 523.改變鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)的溫度，記錄不同溫度下發(fā)光二極管的N型半導(dǎo)體材料的電阻值，從而獲取發(fā)光二極管半導(dǎo)體材料的電阻-溫度的變化曲線；即發(fā)光二極管中半導(dǎo)體材料電阻定標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，所述發(fā)光二極管的半導(dǎo)體材料為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種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，所述發(fā)光二極管的襯底是藍(lán)寶石、SiC、S1、GaN、或金屬轉(zhuǎn)移襯底中的任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，所述在發(fā)光二極管工作時(shí)監(jiān)測半導(dǎo)體材料的電阻變化的具體方式為: 在第一 P型電極和第一 N型電極上分別接入脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器的正負(fù)極，脈沖電源或信號(hào)發(fā)生器提供的正向脈沖電壓，實(shí)現(xiàn)明暗相間的驅(qū)動(dòng)方式；調(diào)整脈沖電源的占空比使發(fā)光二極管在直流驅(qū)動(dòng)下工作，在暗的時(shí)間用快速測量電表測量LED的半導(dǎo)體材料的電阻，并與定標(biāo)關(guān)系進(jìn)行對(duì)比，獲取發(fā)光二極管的芯片結(jié)溫。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法，其特征在于，所述步驟S12中測溫方式為使用高精度快速測量電表測量第一N型電極和第二N型電極兩端電阻，或使用伏安法進(jìn)行第一 N型電極和第二 N型電極兩端的電阻測量； 所述步驟S22中測溫方式為使用高精度快速測量電表測量第一 P型電極和第二 P型電極兩端電阻，或使用伏安法進(jìn)行第一 P型電極和第二 P型電極兩端的電阻測量。
8.—種權(quán)利要求1-7所述的發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法的應(yīng)用，其特征在于，所述測溫方法應(yīng)用于垂直結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量；或應(yīng)用于正裝或倒裝的發(fā)光二極管芯 片結(jié)溫測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)光二極管的結(jié)溫測量方法及應(yīng)用，結(jié)溫測量方法包括以下步驟測試不同溫度下發(fā)光二極管器件中半導(dǎo)體材料的電阻與溫度的定標(biāo)關(guān)系；在發(fā)光二極管工作時(shí)監(jiān)測半導(dǎo)體材料的電阻變化，并利用定標(biāo)關(guān)系得到發(fā)光二極管工作時(shí)的結(jié)區(qū)溫度，所得溫度即為所要測量的發(fā)光二極管結(jié)溫。所述測溫方法應(yīng)用于垂直結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量；或應(yīng)用于正裝或倒裝的發(fā)光二極管芯片結(jié)溫測量。該發(fā)明可使用成本較低的普通測量裝置簡單高效的獲取LED的結(jié)溫。由于只需一次定標(biāo)測量，測量誤差?。徊僮骱唵我仔?；僅需常規(guī)的電學(xué)測試裝置。
文檔編號(hào)G01K11/00GK103217229SQ20131009979
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者招瑜, 鐘文姣, 魏愛香, 劉俊, 黃智灝, 趙定健, 黎文輝, 李耀鵬, 王仲東 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)