九州大学大学院総合理工学府報告第 38 巻 第 2 号 1-7 頁 平成 29 年 2 月

Engineering Sciences Reports, Kyushu University
Vol. 38, No. 2, pp. 1-7, FEB, 2017

パルスレーザーラマン法を用いた動作中の青色ＬＥＤジャンクション温度計測システムの開発
堀内 誠*1 ・堤 晋一*2 ・山形 幸彦*3,†
富田 健太郎*3 ・真鍋 由雄*4
(平成28年12月29日 受理，平成29年1月24日 掲載決定)

Development of junction temperature measurement system for blue LED
in operation using pulsed-laser Raman scattering
Makoto Horiuchi, Shin-ichi Tsutsumi, Yukihiko Yamagata,
Kentaro Tomita and Yoshio Manabe†

E-mail of corresponding author: yamagata@asem.kyushu-u.ac.jp

A novel method by using a pulsed-laser Raman scattering technique was employed to estimate
junction temperatures of a phosphor-less blue-LED module. Observation of GaN-E2H Raman spectra
was done successfully and temperature dependent Raman spectra of GaN were detected. This
technique was applied to simultaneous estimation of the junction temperatures of the several chips
in the phosphor-less blue LED module in operation. It is concluded that this technique would be auseful method for remoteness and simultaneous multipoint measurement of the junction temperatureof a LED module in which several chips are integrated.
Key words: GaN, LED, Raman spectroscopy, Pulsed-laser, Junction temperature

1. 緒

言

LED や LD などのジャンクション温度に関しては、

近年、ワイドバンドギャップの GaN 半導体は、照顕微ラマン分光技術(1),(2),(3),(4),(5)、ダイオード素子の順

明用 LED や LD、
スイッチングパワーデバイスなどに、方向電圧の温度依存性（V f 方法）(6),(7)、赤外線やネマ

工業的に広く利用されるようになっている。これらのテック液晶を応用した熱画像技術(8),(9)など、その温度中で、特に照明用途においては、大光量を得るために、を推定する研究が幾つか報告されている。しかしなが多数のチップを集積化し、かつ大電流の下で動作させら、多数のチップが直並列に電気的に接続される照明る必要があるため、ジャンクション部の温度が過度に用白色 LED について言えば、例えば、Vf 方法では、

上昇し、その結果生じる、効率、寿命、信頼性の著し

多数のチップが集積化された LED モジュール全体とい低下が大きな課題のひとつとなっている。そのためしての電流と電圧を測定することになり、個々のチッ

高性能な照明用 LED や LD の開発において、動作中

プのジャンクション温度を評価することが出来ない。

のジャンクション温度の測定に基づく、デバイス全体

仮にそのモジュールの個々のチップが同じ電気的特性の放熱設計を行うことが極めて重要である。

を有しているとしても、熱輻射に起因する温度分布の*1 量子プロセス理工学専攻博士課程*2 量子プロセス理工学専攻修士課程*3 融合創造理工学部門*4 津山工業高等専門学校総合理工学科

不均一性の問題が生じる。熱画像技術は、２次元の温度測定に関し、優れた温度測定性能を有しているが(8)、分光放射率の正確な設定の困難さに加え、チップ表面

2

パルスレーザーラマン法を用いた動作中の青色 LED ジャンクション温度計測システムの開発に蛍光体を含む樹脂が塗布されている白色 LED の場

価結果について報告する。

合、チップからの輻射と蛍光体を含む樹脂からの輻射の分離が難しく、正確にジャンクション温度を評価で2. 実験装置及び実験方法

きないという課題がある。また顕微ラマン分光技術は実験に用いたパルスレーザーラマン散乱システムの空間的に優れた分解性能を有し、ワンチップのジャン

概 略 を Fig.1 に 示 す 。 パ ル ス Nd:YAG レ ー ザ ー

クション温度の測定に広く応用されているが、散乱光（Continuum PL8000）の第 2 高調波（532 nm）での検出が微小領域に限られるため、多数のチップが顕励起された色素レーザー（Continuum ND6000）より

微ラマンの測定領域より相対的に広い範囲に配置され波長 632.816 nm（0.12 mJ、パルス幅 10 ns、繰り返た照明用の白色 LED モジュールでは、同時に複数のし 10 Hz）の出射光を得る。さらにスペクトル純度を

チップの温度を測定することが出来ない。このように、高くするため、レーザーラインフィルタ（Edmund,

現状では、動作中の白色 LED モジュールのジャンク

68-879, FWHM: 3 mm, O.D.＞4）を通過させ ASE をション温度を測定する手段が無く、その開発が強く望カットする。レーザー出射光は直線偏光板を通して球まれている。

面レンズ（f=100 mm）に導かれ、LED モジュール表

本研究では、パルスレーザーを用いて、動作中の照面上に収光させる。

明用白色 LED モジュールのジャンクション温度を直蛍光樹脂無しの青色 LED モジュールは、Fig.2(a)に接・リモート測定することができるラマン散乱計測シ

示すように、ヒーターブロック上に設置され、その温ステムの構築を目的とする。入射光源にナノ秒パルス度を青色 LED モジュールとヒーターブロックの間にレーザーを使用することで、微小領域に CW レーザー

挿入配置した電気ヒーターと K 型熱電対（φ1 mm）をを収束させる場合とは異なり、レーザー入射系及び受用いた PID 制御によって、室温から 180℃まで変化さ

光系のオプティクスから離れている LED モジュールせる。温度が一定に保たれた青色 LED モジュールのが、比較的強く自発光している場合においても、そのジャンクション部（GaN 層）にレーザーを 22°の入射LED モジュールからの微弱なラマン散乱信号を検出角で照射する。その場合のレーザーエネルギー、パルするのに十分なレーザーパワー密度を達成できる。こス幅、及び青色 LED モジュール表面の照射面積は、のナノ秒パルスレーザーと長焦点レンズによるパルス

それぞれ、0.12 mJ、10 ns、φ1.0 mm である。従って、レーザーラマン散乱技術は、リモートでかつ複数箇所

青色 LED 表面のレーザーパワー密度は約 1.5×1010の測定を同時に行える性能を有する。またゲート機能

W/m2 となる。散乱光の一部を集光レンズ（f=100 mm）、付きの ICCD カメラのような高い時間分解能を有する

結像レンズ（f=-35 mm）、ラマンエッジフィルタ

光検出器と組み合わせることで、LED 自身の強い放射（Edmund, 86-243, 632.8 nm, O.D.>6）を用いて，シ

光などの外乱光の影響を除去することが可能となり、ングル分光器（0.7 m, 1800 本/mm, F14）に導き，光将来、2 次元的にリモート測定可能な照明用白色 LED

電子増倍管 PMT（浜松ホトニクス、R1333）もしくはのジャンクション温度の in-situ 計測法となりうる。著

ゲート機能付き ICCD カメラ（Princeton Instruments,

者らは、これまで，色素レーザーを用いたシステムを構築し，動作中の蛍光樹脂無し青色 LED のジャンク
ション温度を計測することで，本システムの有効性を

Nd:YAG

示してきた(10),(11),(12),(13),(14)。ここでは、パルスレーザ
プからのラマンスペクトルの観測結果、及び青色 LED

Biplanar LED
Phototube

チップの GaN 層 E2H モードのラマンシフトのジャン推定した蛍光樹脂が無い青色 LED チップの動作中の

Pulse
Generator

Thermocoupleq

f =100mm
LinearPolarizer

f =100mm

Laser
Line
Filterf =-35mm

ジャンクション温度について報告する。さらにレーザー入射光の照射パターンをビームエクスパンダーと円Edge Filter
Osc.

柱レンズを用いてシート状に成形した場合の、蛍光樹

f =150mm
656.4nm

脂が無い青色 LED モジュールを構成する複数チップからのラマンスペクトルを同時観測した結果、及び、GaN 層 E2H モードのラマンシフトのジャンクション

PID
Controllar

Heaterーラマン散乱法による蛍光樹脂が無い青色 LED チッ

クション温度依存性を示し、そのラマンシフト量からMirror632.8nm

Dye
Laser

PC

ICCD
or
PMT

Spectrometer

Mirror

温度依存性に基づいて、それらラマンシフト量から推定した複数チップの動作中のジャンクション温度の評

Fig.1 Experimental setup for estimation of junction
temperature of LED using pulsed-laser Raman scattering.

平成 28 年度

九州大学大学院総合理工学報告 第 38 巻 第 2 号

3LEDHeaterBlock

Thermocouple(a)Fig3. Schematic illustration of experimental setup formeasuring junction temperature of LED using
pulsed-laser Raman scattering.

(b)

10 ns、10 Hz であり、従って、青色 LED モジュール

Fig.2 Photographs of (a) a phosphor-less blue-LED
module and a heater block used in this study, and of(b) the LED module emitting blue light.

表面でのレーザーパワー密度は約 5.6×109 W/m2 となる。散乱光の一部を集光レンズ（f=120 mm）とラマ
ン エ ッ ジ フ ィ ル タ （ Edmund, 86-243, 632.8 nm,

PI-MAX/UNIGEN Ⅱ）を用いて構成した受光システ
ムにより、GaN 層からの E2H ラマン信号（656.4 nm）

O.D.>6）を用いてシングル分光器（1800 本/mm, F14、スリット幅と長さは、それぞれ 40 μm 及び 20 mm）を検出する。計測には、PMT 及び ICCD、両方の場合に 導 き 、 ICCD カ メ ラ （ Princeton Instruments,

において、フォトカウンティング法を用いると共に、

PI-MAX/UNIGEN Ⅱ）を用いて構成した受光システ

エッジフィルタを使用することで、高強度のレイリー

ムにより、複数チップの GaN 層からの E2H ラマン信

散乱光、及び青色 LED モジュールの放射光を十分に

号（656.4 nm）を同時検出する。実験では、モジュー

カットし、且つ 20000 ショットのレーザー照射の出力

ル上の複数チップからの GaN-E2H ラマンシフトの温信号を積算することで、シングル分光器でも微弱なラ

度依存性を同時に調べるために、青色 LED モジュー

マン散乱信号が検出可能なシステムを構築している。

ルを動作しない状態において、モジュール上で直線上

実験では、まず初めに、GaN-E2H ラマンシフトのに配置された複数チップから GaN-E2H ラマン信号を、

温度依存性を調べるために、青色 LED モジュールを室温状態にて同時観測した。次に幾つかの動作電圧に動作しない状態（Fig.2(a)）で、いくつかの温度に対すてモジュールを動作（発光）させた場合の GaN-E2Hるモジュール上のワンチップから GaN-E2

H ラマン信号を観測した。そしてそのラマンシフトの温度依存性

ラマンラマンシフトを観測し、その温度依存性より、複数チップのジャンクション温度の同時推定を試みた。

を用いて、動作中の蛍光樹脂の無い青色 LED モジュールの中央部に配置されたワンチップからのラマンシ

3. 実験結果及び考察

フトを観測し、そのジャンクション温度を評価した。

Fig.2(a)に示した蛍光樹脂無し青色 LED モジュール

一方、複数チップを同時観測する場合は、Fig.3 にの各温度において得られた GaN-E2H ラマンスペクト

示すように、レーザーラインフィルタを通過させたレル（ストークス線）を Fig.4 に示す。この場合、LED

ーザー出射光を、ビームエクスパンダーと円柱レンズ

モジュールは点灯させていない。縦軸は ICCD による（f=300 mm）を用いてシート状の照射パターンに形

レーザー20000 ショットでの光子カウント数、横軸は成し、その後、直線偏光板を通してダイクロックミラ

温度 0 K 時の GaN-E2H ラマンピークからのシフト量ー(DCM : cutoff wavelength of 638 nm)により LEDを、室温 20℃において 66.5 pm（Song 氏らの文献値

モジュールに対し垂直に照射する。この場合、LED モより）として表している(15)。Fig.4 に示すように、LED

ジュールは正方形状に配置された 96 個のチップからの温度上昇とともに、ラマンピークの短波長側へのシ構成されており、このうち直線上に配置された数個のフトと信号強度の減少が観測された。PMT 及び ICCD

チップが、LED モジュール上にて約 0.8×15 mm2 の矩による測定によって得られた GaN-E2H ラマンシフト形状に形成されたレーザー入射光により照射される。

の温度依存性を、Liu 氏ら(1)が顕微ラマン分光によっ

複数チップ同時観測システムにおけるレーザーエネルて得た実験曲線とともに、Fig.5 に示す。Liu 氏らは、

ギー、パルス幅、繰返し周期は、それぞれ、0.68 mJ、GaN 層のラマンシフト  を温度 T の関数として次式

パルスレーザーラマン法を用いた動作中の青色 LED ジャンクション温度計測システムの開発

60

20˚C
60˚C
100˚C
150˚C

569

λL：632.8nm
WL：1.5×1010 W/m2

568

40
20

567
566
Raman shift (Liu et al.)565

ICCD (This study)564

0-500 -400 -300 -200 -100
0100
Relative Raman shift Δλ (pm)200のように表している。
A
exp( Bhc0 /  B T )  1

0300

Fig.4. Raman spectra of the GaN-E2H from one chip on aphosphor-less blue-LED module observed at various
temperatures. Temperature of the blue-LED was
kept constant and the LED was not operating (noemission light).

(T )  0 

PMT (This study)

563

(1)

ここで ω 0 は 0 K におけるラマン光子周波数、 A と B
はそれぞれフィッティングパラメータである (1) 。E2H
モードに対し、彼らは 90 K から 770 K の温度範囲において、 ω 0 =568.2±0.2 cm-1 、 A=17.9±2.4 cm-1 、 B=
0.99±0.08、の値を示している。
このグラフに見られるように、本実験にて測定した
ラマンシフト量は、Lui 氏らの実験曲線と若干の差の範囲内でよく一致している。

100

200
300
Temperature T (K)

400

500

Fig.5 Temperature dependence of the Raman shift of the
GaN-E2H of the blue-LED. The broken line shows thefitting curve of experimental data obtained by Liu etal. (1)).

Signal Intensity (counts)

Signal Intensity (counts)

80

Raman shift (cm-1)

4

120
100

Room Temp.
50 V
55 V

λL：632.8nm
WL：1.5×1010 W/m2

80
60
40
20
-500

-400

-300 -200 -100
0100
Relative Raman shift Δλ (pm)

200

300

Fig.6 Raman spectra of the GaN-E2H observed at various
operating voltages. The LED operating voltages are of
50 V and 55 V. Raman spectrum from the same LED
without operation at room temperature is also shown.

ラマンシフトは GaN 層の上部層や下部層に依存す
る内部応力の影響を受ける(1),(15)ので、その若干の差は、いる。測定温度の精度（±20℃）は、式(1)を用いて、チップの内部応力か、あるいは、実際に計測される

300 K から 450 K における、ラマンシフトの温度勾配

GaN 層と熱電対の計測箇所との温度差に起因するよ66 K/cm-1 から算出した。

うに思われるが、いまのところ詳細は分っていない。

なお、白色 LED の場合、青色 LED のベアチップ上

次に、このパルスラマン散乱計測法を用いて、動作に蛍光体及び拡散材が混合された樹脂が塗布されてい中の蛍光樹脂の無い青色 LED モジュールのジャンクるため、ラマン散乱信号の検出は難しい。この場合、

ション温度の測定を行った。ジャンクション温度はラ蛍光体と拡散材を含む樹脂によって 2 つの問題が生じ

マンシフト量だけでなく、ストークスとアンチストー

る。ひとつはレーザー励起によって蛍光体から放射さクスの強度比からも求めることが出来るが(2)、ここでれる光（蛍光）である。Nd:YAG レーザーの SHG（532

は式(1)を用いて、ラマンピークのシフト量から算出しnm）を使用した予備実験では(10)、レーザー波長(532た。Fig.2(b)に動作電圧 50 V における発光中の LEDnm)とラマン波長（549 nm）が蛍光樹脂の吸収、及びモジュールの様子を示す。このモジュール上のワンチ

発光波長域にあるため、それらが大きな背景光となっップにレーザーを照射しラマンスペクトルを観測した。

て観測された。今回の検討で、レーザー波長 632.8 nm

Fig.6 に観測された GaN-E

H
2 ラマンスペクトルを、室及びラマン波長 656.4 nm が共に蛍光樹脂の吸収、及

温 25℃において動作していない場合の結果と共に示び発光波長域から離れている波長域を選択した。そのす。Fig.6 に示すように、Fig.4 の場合よりも強い青色

結果、 蛍光体の吸収、 及び励起発 光が無視でき 、LED 発光があるにもかかわらず、明瞭にラマンスペク

Nd:YAG レーザーSHG の場合と比較して、背景光のトルが観測されている。GaN-E

2H ラマンシフトの温度影響が大幅に低減された。もうひとつの問題は、樹脂

依存性（式(1)）から、動作電圧 50 V 及び 55 V の場合

内部でのレーザー励起光、及びラマン散乱光の拡散でにおけるジャンクション温度を求めると、それぞれ、ある。今回の実験で使用した波長帯域（633-657 nm）

100±20℃、190±20℃となる。今回の実験では、主にでは、励起レーザー光、及びラマン散乱光が、樹脂内分光器の性能とラマンピーク自身のスペクトル拡がり部で 70%程度に減衰することが観測された。この結果に起因して、約 30 pm(0.67 cm -1)の測定誤差が生じては、白色 LED の場合、励起レーザー光やラマン散乱平成 28 年度

九州大学大学院総合理工学報告 第 38 巻 第 2 号

5

1000

Signal Intensity(arb. units)

Chip No. 1

800
600

Chip No. 3
Chip No. 4
Chip No. 5

400
200
0
-300

Fig.7 Image of Raman spectra obtained by the ICCD
camera. A photograph of a part of the phosphor-lessblue LED is put on the right for the confirmation of
the position of the Raman image.

Chip No. 2

-150
0
150
Relative Raman shift Δλ (pm)300

Fig.8 Raman spectra of the GaN-E2H mode observed ateach LED chip in the phosphor-less blue-LED.

光がそれぞれ 70%に減少してラマン信号の強度が半分800分可能であることを示唆する。最近の実験では、蛍光樹脂が塗布された白色 LED からのラマン信号の検出に成功している。
最後に、Fig.3の実験装置及びその実験方法に関し、
青色LEDモジュールの複数チップからのGaN-E2H ラマン信号を同時観測した結果、及び幾つかの動作電圧

Signal Intensity (arb. units)

程度にはなるが、そのジャンクション温度の測定は十

700
600
500
400

にてモジュールを動作（発光）させた場合の、GaN-E2H

300
-400

ラマンラマンシフトの観測結果と、その温度依存性よ

-200

200

400

1100

Fig.7 は、Fig.3 の実験装置において、モジュール上
にて直線上に配置された複数チップから GaN-E2H ラマン信号を ICCD にて観測したイメージ画像を示す。
画像の明暗が信号強度を意味する（明るいほど強度が強い）。写真の横方向の位置は波長に相当し、縦方向の位置は、励起レーザー光が照射された直線上に並ん

Signal Intensity (arb. units)

ついて述べる。

だチップの位置に対応する。チップの具体的な位置を

900

500

Fig.7 に示すように、波長 649.5 nm 付近で、比較的基板を構成するアルミナ（α-Al2O3）に起因するラマン
ピークである。一方、波長 656.4 nm 付近では、LEDのチップが存在する位置だけに、ラマン散乱信号画像が観測される。それ故、これらのラマン散乱信号画像
2H モードに起因するものと判断できる。

Fig.8 に Fig.7 で観測されたラマン散乱信号画像から得られた各チップの GaN-E

H
2 散乱スペクトルを示す。

Fig.8 の縦軸は ICCD からの相対的な信号強度、横軸H ラマンピークの相対的なシフト量を示す。これらのスペクトルの強度は各チップのサイズに対応する ICCD の全てのセルからの信号強度を合算して求めた。Fig.8 に示すように、複数チ

1.1

Signal Intensity (arb. units)

おいて、直線状に観測されている。これはモジュール

-200

0

200

400

Relative Raman shift Δλ (pm)

置されたチップの写真を示している。
強い信号画像が、レーザーが照射された全ての範囲に

(b)

0V
66 V
68 V

700

300
-400

明確にするため、イメージ画像の右側に、直線上に配は室温状態からの GaN-E2

0

Relative Raman shift Δλ (pm)

り推定した複数チップのジャンクション温度の結果には、GaN の E

(a)

0V
66 V
68 V

0.9

(c)

experimental data
fitting data

0.7
0.5
0.3
0.1
-0.1
-400

-200

0

200

400

Relative Raman shift Δλ (pm)Fig.9 Raman spectra of (a) the chip No.3 and (b) the chip
No.4 in the blue-LED operated at various applied
voltages, and (c) result of the line shape-fitting
analysis.

パルスレーザーラマン法を用いた動作中の青色 LED ジャンクション温度計測システムの開発

6ップからのラマンスペクトルが同時に観測されている。

謝 辞

各チップからの信号強度に違いがあるのは、照射レー本研究の一部は、JSPS科研費 26420237の助成を受け

ザーパワー密度の空間分布が不均一なことに起因する。

て行われました。ここに記して謝意を表します。

次に、このパルスラマン散乱計測法を用いて、各チップのジャンクション温度の測定を行った。ジャンクション温度の推定は、先のワンチップにける温度推定と同様に、式(1)を用いて、ラマンピークのシフト量から算出した。
Fig.9(a)及び Fig.9(b)に、Fig.8 に示したチップ No.3
及び No.4 について、幾つかの動作電圧における発光中の GaN-E2H ラマンスペクトルを同時に観測した結果を示す。図中には、室温状態で動作させていない場合に観測したラマンスペクトルも示している。Fig.9(a)及び Fig.9(b)に示すように、LED の強い発光（青色）がある状態にも関わらず、チップ No.3 及び No.4 のラマンスペクトルが同時に観測されている。それぞれの場合において、ラマン散乱のピーク波長は、Fig.9(c)に示すように、装置関数（スリット幅 40 μm に対して
43 pm）と、Song 氏ら(15)によって与えられた室温状態におけるラマンスペクトル幅から求めたガウス関数とのコンボリューションによるフィッティング解析から推定した。求めたピーク波長により、式(1)で与えられるラマンシフトの温度依存性から、チップ No.3 の動作電圧 66 V 及び 68 V のジャンクション温度は、それぞれ 53 ± 20 ˚C 及び 127 ± 20 ˚C と推定される。同様にチップ No.4 の動作電圧 66 V 及び 68 V のジャンクション温度の推定値は、それぞれ 53 ± 20 ˚C 及び
119 ± 20 ˚C となる。本システムを用いて、発光中の青色 LED モジュールの複数チップのジャンクション温度の同時測定に初めて成功した。

4. 結

言

パルスレーザーラマン散乱法によって蛍光樹脂が無い青色 LED モジュールのワンチップのジャンクショ
ン温度を計測した。LED の GaN-E2H ラマンシフト量が温度に依存し、迷光やレイリー散乱、LED 自身の放射光があるにもかかわらず、そのシフト量から動作中のLED のジャンクション温度を計測できることを示した。
更にビームエクスパンダーを用いて矩形状に成形された励起レーザー光を複数の LED チップに照射することで、複数チップからの GaN-E2H ラマン信号を同時検出し、そのシフト量から動作中の複数チップのジャンクション温度を同時計測できることを示した。本研
究で提案するパルスレーザーラマン散乱法は、動作中の LED モジュールのジャンクション温度をリモート
で２次元的に同時計測可能なシステムの一つとして期待できる。

参 考 文 献(1)

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九州大学大学院総合理工学報告 第 38 巻 第 2 号

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