文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123378
LED芯片内部电场强度、电流密度及焦耳热分布模拟
李岚,马金龙,罗小兵*
华中科技大学能源与动力工程学院,武汉,430074
*通讯作者,Tel:********** Email: ******@.
摘要:发光二极管(LED)节温控制是LED热管理的重点。相比于传统工艺中采用散热器件来降低节温,希望从LED芯片本身分析减少热量产生。本文通过ANSYS模拟,得到了LED芯片中各层电场强度、电流密度和焦耳热的分布情况,研究了LED芯片中N型氮化镓(n-GaN)电阻率对整个芯片电场强度、电流密度和焦耳热的影响,并比较了相同条件下,水平芯片、倒装芯片和垂直芯片中最大电场强度、最大电流密度和最大焦耳热。研究表明,以水平芯片为例,随着n-GaN电阻率的增大,LED芯片内部电场强度、电流密度和焦耳热均呈增大趋势。在相同条件下,水平、倒装和垂直三种芯片中,最大电场强度关系为:水平<倒装<垂直;最大电流密度关系为:水平>倒装>垂直;最大焦耳热关系为:倒装>水平>垂直。
关键字:LED芯片;GaN;电流模拟;焦耳热
0引言
随着LED工艺的不断发展,大功率LED的应用越来越广泛。由于功率增大,热流密度急剧增加,热管理成为其应用中极其重要的部分。现阶段对于LED常见的散热方式主要有:(1)翅片与风扇组合的散热方案;(2)热管散热技术;(3)合成微喷技术;(4)微槽道散热技术;(5)热电制冷散热技术。虽然以上方法皆可实现LED的散热,但存在诸如成本较高、体积过大、效果不理想等问题。应用微尺度输运理论,从芯片的热产生机制入手,减少热量产生是新的研究方向。
近来,在微尺度领域,对LED器件的研究主要集中在GaN材料热导率和电子输运性质两方面。实验研究方面,由于材料生长方式的不同,不同的研究者得到的材料特性不同。Sichel等人[1]首先测量了GaN体材料在25~360K范围内热导率随温度的变化,得到在300 K时GaN热导率为130Wm-1K-1。Flurescu等人[2]测量了应用侧面外延生长技术的GaN材料在300K时的热导率为186~210Wm-1K-1。Asnin等人[3]利用扫描热显微镜得到GaN材料的热导率为170~180Wm-1K-1。数值模拟方面,理论计算还不完善,已有的研究成果未能综合考虑各种散射因素以及不同声学支的影响。Zou等人[4]利用Callaway模型计算了含杂质的GaN热导率,他的计算忽略了同位素和不同声学支的影响,这在高温时是不合适的。Morelli等人[5]利用修正的Callyway模型计算了同位素对GaN热导率的影响,然而他们的计算没有考虑位错和杂质的影响。
材料的电子输运性质包括漂移速度和迁移率,它们是影响器件电特性的重要参数。电子的漂移速度决定了高频器件的频率特性,而迁移率决定了材料的电阻特性。这两个参数对于半导体器件的数值模拟以及器件的设计有重要的指导作用。对于漂移速度和迁移率的研究主要采用
蒙特卡洛( Monte Carlo)方法和分析模型[6-7]。
LED作为光电器件,芯片中产生的热量与电子输运性质相关,如焦耳热受到迁移率的影响。而电子漂移速度和迁移率都与电场强度相关,为了研究LED芯片材料的电子输运性质,首先要分析LED芯片