Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор публикаций 12
1.1. Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур 12
1.2. Конструкция светодиодов и их параметры 19
1.3. Деградация параметров 21
1.4. Разработки светосигнальной техники для ОАО «РЖД» на светодиодах 26
Глава 2. Методы и средства измерений параметров светодиодов 35
2.1. Система электрических, фотометрических и колориметрических характеристик светодиодов 35
2.1.1 Группа электрических характеристик 36
2.1.2. Группа фотометрических и энергетических характеристик излучения 43
2.1.3. Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения 51
2.1.4. Группа общих температурных характеристик, условий хранения и эксплуатации ...60
2.2. Концепция и принципы построения системы измерительного оборудования 61
2.2.1. Описание разработанных средств измерений и области его применения. Сертификация средств измерения и аккредитация измерительной лаборатории 62
2.3. Методики измерений и расчёта параметров 85
2.3.1. Исходные измерения 85
2.3.2. Расчёт колориметрических характеристик излучения 88
2.3.3. Фотометрические характеристики. Измерение углового распределения силы света и расчёт светового потока 92
2.3.4. Электрические характеристики. Измерение и расчёт электрических и электрофизических характеристик светодиодов 100
Глава 3. Исследование деградации параметров светодиодов. Описание экспериментов по изучению деградации параметров. Методика подготовки и проведения эксперимента по изучению деградации. Описание эксперимента 102
3.1. Наиболее общая методика подготовки и проведения эксперимента по изучению деградации 103
3.2. Последовательность и порядок измерений в ходе эксперимента 103
3.3. Описание эксперимента 105
3.3.1. Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования, технология их производства и отбора 106
3.3.2. Результаты температурных исследований параметров светодиодов 118
3.3.3. Влияние температурных зависимостей характеристик светодиодов на восприятие глазным аппаратом человека результирующего излучения 144
3.4.Комплексное исследование характеристик светодиодов различных производителей. 165
3.4.1. Исследования параметров светодиодов производства компании CREE 165
3.4.2. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp ХР-Е, XLamp XP-G и XLamp XM-L 188
3.4.3. Светодиоды фирмы Philips - Lumileds «Luxeon «REBEL» 199
3.4.4. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД» 203
3.4.5. Исследование светодиодов производства Samsung 212
3.4.6. Исследование светодиодов производства Seoul Semiconductor 218
Глава 4. Обоснование физических механизмов деградации по результатам экспериментов .
4.1. Деградационные характеристики групп светодиодов 228
4.2 Описание деградационных характеристик 229
4.3. Физические механизмы деградации параметров 240
4.4. Практическое применение результатов экспериментов при разработке и производстве светодиодов 255
4.5. Анализ результатов прогнозирования деградации параметров светодиодов и сравнение результатов исследований по фактической наработке образцов в течение 50000ч 263
Глава 5. Разработка полупроводниковых излучающих устройств высокой степени надёжности для нужд РЖД 270
5.1. Оценка используемых приборов световой сигнализации на РЖД и новых разработок,
претендующих на внедрение 270
5.2. Конструкция и основные принципы построения светодиодной лампы ЖСС для использования в линзовых комплектах 296
5.2.1. Обоснование параметров применяемых излучающих кристаллов для лампы ЖСС, схемы их включения и доказательства безопасности 302
5.2.2. Расчёт корригирующего фильтра 321
5.3. Оценка катафотного эффекта. Разработка методики по определению требований к отражающим характеристикам светооптических систем 329
5.4. Оценка фотобиологической безопасности излучения лампы ЖСС 350
Заключение. Основные выводы и результаты работы 359
Список использованной литературы 364
- Деградация параметров
- Группа общих температурных характеристик, условий хранения и эксплуатации
- Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования, технология их производства и отбора
- Физические механизмы деградации параметров
Деградация параметров
Для реализации этого условия был разработан специальный достаточно массивный металлический держатель кристалла, который является мощным радиатором, отводящим тепло от р-n перехода с тепловым сопротивлением держатель - кристалл в 10-20 С/Вт [16] (рисунок 1.6.в) в случае эпоксидного крепления кристалла и 3- 5 С/Вт в случае посадки на эвтектику [7, 21]. Это позволяет рассеивать тепловую мощность до 0,5 Вт, не допуская перегрева области излучения и ухода характеристик. В результате, удвоение относительно штатного, рекомендованного производителем кристаллов (20 мА [12,13]) прямого тока через р-n переход, позволяет значительно увеличить мощность излучения.
Для создания специфического пространственного распределения силы света 3-х и 24-х - градусных светодиодов, требуемого стандартом для железнодорожных и автодорожных светофоров [17, 18], была применена оптика Френеля, нанесённая непосредственно на верхнюю часть линзы светодиода повышенной мощности [19].
Путём ещё большего увеличения мощности излучения стало применение в светодиодах кристаллов больших размеров (1 х 1 мм) [13,39]. Помещённые в специально разработанные корпуса на металлокерамическом основании (рисунок 1.6 а,б), они могут работать на токах до 500 мА через кристалл, хотя с учётом их размера, плотность тока в них остаётся на уровне стандартных кристаллов [20,39], обеспечивая световой поток до 120 лм. Поэтому предполагается, что механизмы, вызывающие деградацию у них подобны [22,28,35,39,53,54]. 1.3. Деградация параметров
Исследования деградации параметров излучающих структур проводились со времени их первого изготовления. За этот период исследований реализовалось достаточно много методов определения качества структур и исследования поведения различных характеристик излучающих кристаллов в процессе наработки [7,8,20,22,23,24,35,39,53,54]. Анализ истории исследований в области изучения поведения характеристик светодиодов со временем наработки показывает, что подавляющее их большинство производилось для выяснения деградационных характеристик какого - либо одного [7,53,57] или нескольких наиболее важных [8,22,24] параметров. Необходимость этого была продиктована, как правило, научными или технологическими интересами производителей излучающих структур и разработчиками конструкций светодиодов для того, чтобы оценить правильность расчётов режимов эпитаксии или работы кристалла в составе светодиода, а также ресурс наработки светодиода [78], чтобы впоследствии отметить результаты измерений в спецификациях на продукцию, как «срок службы». Однако, из - за достаточной трудоёмкости и больших затрат времени на эти исследования, стоит отметить, что проводились они весьма узконаправленно и часто поверхностно, не достигая, в основном, ответа на вопрос о причинах полученного поведения параметров со временем и тем более, получения наиболее общих зависимостей. Описанные выше исследования дают представления о характере этих изменений в начальный, и довольно короткий (до 2000 часов [24]), по сравнению с традиционным временем наработки, указываемом в спецификациях (100000 часов), период. Однако, как показали более масштабные и продолжительные исследования деградации параметров светодиодов, этот период является очень важным и одним из самых показательных при определении дальнейшего развития изменения характеристик [20, 21, 24]. Представляемый в настоящей работе эксперимент, по сути, является продолжением идеи экспериментов по изучению деградации параметров светодиодов, описанной в [24], где разъяснены причины изменения интенсивности люминесценции и эффективной концентрации заряженных центров ОПЗ исследуемых InGaN/AlGaN/GaN светодиодов со временем наработки, измеренных по оригинальной методике, подобной [32], и прослежена взаимосвязь с одновременным изменением характера вольт - амперной характеристики и появлением туннельной составляющей тока (также в [8]). Однако выводы по изменению интенсивности излучения были сделаны по результатам измерения спектрального распределения в относительных единицах, что эквивалентно измерению силы света в одной точке. Тем не менее, характер изменения интенсивности излучения со временем, показанный в работе [24] частично подтвердился в результате представляемого здесь эксперимента, где этот эффект был количественно рассчитан с точки зрения светового потока и было показано, что результатом деградации является не столько его уменьшение, сколько часто просто его перераспределение по объёму кристалла. Вероятно, существует прямая связь этого факта с исследованиями количественного изменения заряженных центров ОПЗ и изменения плотности их концентраций в объёме ОПЗ со временем наработки [32]. Основной упор на изменение осевой силы света со временем наработки был также сделан и в работе [28]. Результаты описываемого в настоящей работе эксперимента выявили, что достоверность выводов о причинах деградации по этому параметру является крайне низкой из-за большой вероятности геометрического перемещения значений силы света в любой (в т. ч. и осевой) области диаграммы распределения излучения со временем наработки [21].
В работе [8] была прослежена связь изменения энергетических показателей выходного излучения кристаллов с соответствующими им изначальными электрическими характеристиками. Это было сделано наиболее подробно, но исследования в процессе деградации не проводились, а представленное поведение мощности излучения в зависимости от электрических характеристик носило интегральный характер, не позволяющий составить полную картину изменения излучения в разных областях кристалла, где требуется иной подход к измерениям: оптическая мощность связана со спектром излучения, который также изменялся [27]. Также подобные результаты получены в [7], где прослежены температурные зависимости характеристик в их связи с зависимостями от плотности тока через кристалл. Вероятно, продолжением поднятой там, и в [15,75,77] темы, будет исследование деградационных характеристик при различных температурах окружающей среды. Также близко к теме перераспределения светового потока в объёме излучающей структуры подошла работа [22]. Однако представленный в ней эксперимент носит скорее качественный характер - о количественной стороне перераспределения излучения не говорится - измерения энергетики излучения не проводилось, и было определено визуально; исследованы последствия деградации только после воздействия импульсного тока. Идея представления излучающей структуры, как большого числа параллельных структур с различными Eg, встречающаяся как в этой работе, так и в [7, 8, 15] наиболее достоверно объясняет поведение большинства характеристик излучающих структур в процессе наработки. Существуют достаточно справедливое утверждение о том, что излучающую структуру стоит рассматривать не как единую область с флуктуацией ширины запрещённой зоны Eg, а как схему, где выполнено параллельное включение множества микроскопических р - п - переходов со своими, отличающимися друг от друга значениями Egl , Eg2 ... Egn . Набор таких р - п -переходов, включённых параллельно и формирует всё спектральное распределение плотности энергетической яркости кристалла, внося свой вклад в виде отдельной длины волны (моды) и соответствующей амплитуды излучения. Подобная модель излучающей структуры хорошо объясняет изменение параметров спектра со временем, когда изменения ширины запрещённой зоны каждого элемента приводят к пропорциональному изменению интенсивности излучения на своей длине волны [8]. Точно такое же объяснение применимо и для изменения приложенного внешнего электрического ПОЛЯ. При повышении Uf будут включаться мини р - п - переходы с наибольшими Eg , что увеличит вклад коротковолновых составляющих в спектр и наоборот [15, 20], при этом рост амплитуды длинноволновых компонентов уже включённых в работу малыми Uf на экспоненциальном участке вольт - амперной характеристики, будет значительно меньшим из-за явления насыщения и ограниченного их количества, при определённом Uf первый процесс будет доминировать над вторым. Этим объясняется характерная несимметрия спектрального распределения излучения, определяющаяся положением центроидной длины волны спектра при малых плотностях тока, выравнивающаяся при их увеличении или при изменении температуры. В первом приближении, количественный состав переходов с различными значениями Eg будет определяться гауссовским распределением относительно средних значений Eg [4, 20] для данной структуры, что и можно заметить при рассмотрении вида формы кривых спектрального распределения, как результата сложения двух функций - упомянутой выше и функции распределения плотности заполнения Ферми - Дирака.
Группа общих температурных характеристик, условий хранения и эксплуатации
Столь обширное влияние температуры на подавляющее число характеристик светодиодов, которые взаимосвязаны, стоит разделить на группы, по природе возникновения и результату воздействия [15]. Приблизительно так, как формируются спецификации на светодиоды.
Первой группой параметров являются электрические - зависимости прямого напряжения U/ светодиода от температуры Та при неизменном токе If . Здесь же рассмотрим и изменение потребляемой энергии Pais, которая также является функцией от температуры. Эти параметры будут зависеть в основном от характера изменения ширины запрещённой зоны р-п - перехода. Как и далее, целесообразно рассматривать диапазон температур окружающей среды, обозначенный в большинстве спецификаций как такой, внутри которого сохраняется работоспособность светодиода и верны приведённые значения величин. Как правило, этот диапазон не бывает менее -60 и более +60 град Ц. Подобные температуры характерны и для рабочего диапазона, установленного для различных узлов электронной аппаратуры, выполняющих функцию управления режимом светодиодов. Представляя прямое напряжение JJf светодиода как функцию от температуры - UfyTa) (рис. 3.11. - 3.15.), необходимо иметь один фиксированный параметр, относительно которого изменяется напряжение, поэтому здесь речь пойдёт о некотором семействе зависимостей UfyTa), при различных прямых токах If. Отличия в поведении кривых этого семейства будет состоять в основном в различных степенях теплового действия этого тока и различной степенью охлаждающей способности кристаллодержателя (конструкции светодиода), которая не линейна по отношению к изменениям температуры и If. Однако, на низких температурах это сказывается мало: более влиятельным фактором оказывается внешняя низкая температура, а перегрев кристалла относительно неё (7 ) становится менее ЗамеТНЫМ И НЄ ПРИВОДИТ К Существенной раЗНИЦе В поведении КрИВОЙ UfyTa), несмотря на увеличивающуюся потребляемую электрическую мощность (график на рис 10). Это можно объяснить значительным увеличением внешнего квантового выхода (рис. 3.2) при этих температурах, что приведёт к уменьшению выделения тепла при рекомбинации. В то время, на высоких температурах увеличение температуры Та приводит к цепной реакции: снижается r/q (рис. 3.2), уменьшение JJf не приводит к пропорциональному уменьшению Pais , охлаждающая способность кристаллодержателя (конструкции светодиода), значительно снижается из-за малой разницы внешней и внутренней температур, исчерпывая в пределе лимит теплоёмкости, в результате с дальнейшим ростом температуры, градиент напряжения уменьшается, стремясь к минимуму, и являясь следствием уравновешенности динамики внутреннего и внешнего нагрева.
Ввиду существенной разницы во многих показателях у кристаллов с различными размерами запрещённых зон, материалами состава структуры и подложки, для каждой группы светодиодов будут как свои зависимости U/Ta), так и функции других величин, поэтому удобно условно разделить это многообразие на четыре группы по цвету излучения и составу структуры: InGaN/AlGaN/GaN - синие и зелёные, AlInGaP/GaP -красные и жёлтые отдельную группу составят светодиоды на основе GaAs с доминирующей длиной волны 642 шп. Для обсуждения зависимостей последующих величин будет принято такое же деление.
Приведённые ниже графики на рисунках 3.11.-3.15. показывают, как изменяется прямое напряжение U/ при различных прямых токах І/ у упомянутых структур. Градиент напряжения также зависит от температуры и его зависимость показана на нижней части рисунков, а абсолютные значения отсчитываются по вспомогательной (правой) оси Y. Все зависимости выведены для реальных светодиодов на основе экспериментальных данных и с учётом расчётов возможности теплопередачи применённых кристаллодержателей. При измерениях обозначенных характеристик на больших плотностях тока применялся светодиод на основе кристаллодержателя, разработанного для применения в приборах с рабочим током до 80 тА (плотность тока р=100 A/cm ) через кристалл стандартного размера 250 х 300 х 250 j,m, при токах до 30 тА (ПЛОТНОСТЬ тока до р=40 A/cm2) измерения проводились как для такой конструкции кристаллодержателя, так и для стандартной, применяемой в подавляющем большинстве светодиодов с эпоксидной оптикой диаметром 5 mm. В обоих типах светодиодов были применены соответствующие излучающие кристаллы одинаковых конструкций для обеспечения чистоты эксперимента в части различных тепловых свойств разных конструкций: AlInGaP/GaP для красных и жёлтых фирмы Lumileds на подложке GaP, InGaN/AlGaN/GaN для синих и зелёных фирмы CREE MBright на подложке SiC. Результаты экспериментов показали хорошее совпадение температурных зависимостей прямого напряжения U/ светодиодов различных конструкций при указанных плотностях прямого тока р, поэтому на приведённых графиках типы светодиодов не дифференцированы.
Вольт - амперные характеристики измерялись при нахождении образцов в термокамере (рисунок 3.10.), внутри которой была достигнута заданная температура окружающей среды (Та) двумя методами - импульсным действием тока, исключающим разогрев активной области кристалла и при статическом постоянном токе I/, вносящим свой вклад в нагрев. Наибольший интерес представляют результаты второго способа измерения, как наиболее интересного для пользователей светодиодами с практической точки зрения.
Расположенный внутри термокамеры светодиод, подключён к источнику питания с возможностью программно изменять ток в диапазоне 0-100 тА с минимальным шагом 0,1 тА, и необходимым временем задержки между включением дискретов (возможность импульсного режима), а также позволяющий формировать обратное напряжение на излучателе до 30 В для измерения обратного тока 1Г. Фиксированным параметром, относительно которого строятся все зависимости, является ток через кристалл I/, поэтому он жёстко стабилизирован и его величина известна с высокой точностью во время каждого измерения остальных характеристик. Вольт - амперная характеристика измерена с шагом изменения тока при каждой температуре - 0,1 тА (1000 значений для 100 тА). Порядок измерений был выбран следующим.
Температура внутри камеры повышалась до верхнего исследуемого предела (+55 град.Ц.) и выдерживалась таковой в течение получаса для устранения переходных процессов. После этого, вступала в действие установленная программа, обеспечивающая следующую последовательность. Измерялась вольт - амперная характеристика в импульсном режиме. Далее на светодиод подавалось напряжение питания с током первого дискрета измерения статических характеристик - 1 мА. По истечении 30 секунд (время стабилизации параметров) происходило измерение спектра излучения с максимальным временем накопления - несколько секунд (для обеспечения наибольшей точности показаний), одновременно спектрофотометр получал информацию об относительной интенсивности излучения, а внутренний вольтметр источника питания присваивал значение прямого напряжения установленному току. Абсолютные значения силы света и её пространственное распределение фиксировал двухкоординатный гониофотометр, поворачивающийся на известный угол относительно оси светодиода в камере с шагом 0,1 градуса. При необходимости снималось несколько плоскостей диаграмм излучения светодиода для наиболее точного расчёта светового потока и угловых характеристик. Далее измерялась вольт - амперная характеристика в режиме постоянного прямого тока с учётом разогрева.
Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования, технология их производства и отбора
Если вернуться к таблице 1, то можно заметить, что у светодиодов XLamp ХР-Е, наблюдается практически полное совпадение (4180К и 4000К), а у приборов XLamp XP-G, заявленная цветовая температура появляется только на крайних углах обзора, а в центре существенно выше (5455К против 4800 заявленных). В результате, это обстоятельство образует собой следующий вывод: если производитель декларирует некую световую эффективность при определённой цветовой температуре, то при условии изменения последней, эффективность уже также не будет заявленной. В данном случае с исследуемыми образцами, получилось снова в пользу производителя: цветовая температура выше, выше и эффективность. А это значит, что если всё привести к заявленному (то есть снизить цветовую температуру), то не будет тех высоких показателей, которые получились в результате исследования, а данные светодиоды, едва «дотянувшие» до спецификации по световому потоку, явно не достигнут его.
Изменение значения спектральной световой эффективности (ССЭ) (на рисунке 3.446), пропорциональное изменению спектра излучения в зависимости от угла наблюдения (рисунок 3.45.) показывает, что у светодиодов XLamp XP-G, помимо линейного уменьшения доли синего к крайним углам, изменяется (имеется нелинейность) ещё и спектр излучения длинноволновой, люминофорной части. Это и подтверждается нелинейной формой зависимости ССЭ для XLamp XP-G на графике рисунка 3.446. Важная часть программы РСТ посвящена электрическим характеристикам. Исходя из расчётов прямого напряжения светодиода, как говорилось выше, основанных на его зависимости от температуры р-n перехода, получают значения потребляемой мощности и световой эффективности. Поэтому по результатам измерений прямого напряжения, выполненным в исследовании, можно косвенно судить о том, насколько расходятся расчёты с помощью программы, и какова реальность, имеющаяся в произведённых светодиодах. Если снова обратиться к таблице 3.9., то можно заметить, что у обоих типов светодиодов рассчитанные с помощью РСТ прямые напряжения при приведённых там температурах точки пайки, отличаются примерно на 50 мВ (полученные значения ниже расчётных). Это говорит либо о том, что реальная температура активной области кристалла приблизительно на 15-20 градусов выше рассчитанной, а значит, получается, что и полученная световая эффективность справедливо ниже расчётной, либо о том, что прямое напряжение светодиода при +25С0 ниже 3,2В, обозначенных в спецификации. Вероятно, разработчики отдали эту разницу падению напряжения на контактных проводниках, местах их приварки, и т.д., а может, просто заложили в расчёты заниженное соответствующее значение теплового сопротивления.
Так или иначе, наше исследование выявило этот момент, и он может быть использован для коррекции расчётов параметров программой РСТ.
Продолжением и развитием конструктивных и идейных начинаний, выполненных в светодиодах серий XLamp ХР-Е и XLamp XP-G, является новинка - мощный однокристальный светодиод XLamp XM-L, судя по спецификации, способный работать даже при ЗОООмА. Внешний вид его показан на рисунке 3.46.
Поскольку все параметры этих светодиодов в спецификации указаны в режиме его работы при токе 700мА, исследования и расчёты велись при 2-х значениях прямого тока: 0,7 и 0,3 5А. Тем самым можно сравнивать характеристики этой серии светодиодов с предыдущими типами, параметры которых нормированы при 350мА.
Если двигаться вниз по параметрам, помещённым в таблице 3.9. (где указаны электрические характеристики), то можно заметить, что там имеется 2 типа измеренного прямого напряжения: в импульсном режиме и в статическом. Это измерение делает косвенную оценку температурного режима работы излучающего кристалла независимой от расчёта программы РСТ и бина светодиода по напряжению. Таким образом, полученные значения напряжения оказываются: одно - при температуре кристалла Tj= +25 С0, как в спецификации (импульсный режим), другое - как выражено формулой (3.9.): Tsp=Tj+Rt (3.9.)
Цветовая тпледоггфа no "f»afr v Ігавеїіетанї К 7142 ті rt 2BS4.S 7U13 196 Вряд ли это некое серьёзное, стратегическое несоответствие, но обычно угловые характеристики выдерживаются продукцией CREE всегда. Сказаться такой недочёт может лишь при проектировании вторичной оптики или расчётов каких-нибудь специальных диаграмм углового распределения силы света, например, для уличного освещения. В случае режима 350 мА, когда светодиод потребляет мощность ровно 1 Вт (из данных измерений), перегрев активной области кристалла должен составить 2,5 С0 , что будет соответствовать уменьшению прямого напряжения примерно на 7-8 мВ. Если учесть температуру точки пайки, приведённую в таблице 3.9., то можно заметить, что разница в прямом напряжении составляет как раз величину, эквивалентную разности температур, плюс, приходящиеся 7-8 мВ на тепловое сопротивление. Ситуация повторяется и при измерении напряжений в режиме 700мА (при поправке на соответствующую при этом потребляемую мощность). Это свидетельствует о корректности указанного значения теплового сопротивления, а значит, и расчётов всех величин по программе РСТ. Соответственно, рассчитанные значения светового потока и эффективности, должны быть достоверными, и не совпали в реальных исследованиях не по причине неверного расчёта, а именно из-за фактической недостачи того или иного параметра. Однако, как и в варианте с предыдущими типами образцов, несоответствия не столь велики (менее Юлм по световому потоку), и на них также можно «закрыть глаза», списав на погрешность измерений. Гораздо большее расхождение имеется лишь по световой эффективности -доходит до 15лм/Вт - и то, только на больших токах.
А вот с цветностью у XLamp XM-L WHT холодного белого цвета имеются существенные расхождения. Если следовать описанным ранее выкладкам, то полученные в исследовании световые эффективности именно для этого цвета фактически должны быть существенно выше. Это объясняется тем, что коррелированная цветовая температура превышает заявленную почти на 2000К. Соответственно, значение эффективности излучения при такой цветности будет на 10 - 15% больше, а с учётом полученных значений (которые ниже заявленных на 12% (таблица 3.9.)), несовпадение со спецификацией в сторону уменьшения составит около 25%. А это уже ощутимо.
Далее следует провести аналогии и с неравномерностью координат цветности по углу излучения. Эти зависимости приведены на рисунке 5.
Можно заметить, что отражённые и в таблице 3.9. и на графике 3.47.6 значения цветовой температуры тёплого белого практически не имеют зависимости от угла излучения, плотности тока через кристалл и вдобавок совпадают со спецификацией. Здесь можно констатировать полное совпадение. Зато XLamp XM-L WHT в холодном белом варианте, занимает сразу несколько ранков по координатам цветности в зависимости от угла наблюдения.
Для наглядности рассуждений приведён рисунок 3.48., на котором показаны относительные спектральные распределения светового потока при различных углах излучения.Стоит отметить высокую стабильность длинноволновой, люминофорной части спектра, которая оказалась абсолютно независимой от угла наблюдения, а значит и от положения производящего его люминофора на плоскости излучающего кристалла. Соответственно, все изменения цветности такого характера здесь связаны исключительно с геометрией прохождения лучей от кристалла через люминофорное покрытие, которое определяет «весовую» долю синего в общем спектре конкретного направления излучения. В таких случаях говорят: «так и должно быть». Однако если отбросить сведения о спектральном составе, и связанных с этим несоответствиях со спецификацией, и обратить внимание на значение КПД светодиодов (таблица 3.9.), показывающее их эффективность преобразования электроэнергии в свет, то можно заметить,что уже в белом свете оно составляет величину более 45% при плотности тока около 40 А/см2 и около 40% при 75 А/см2.
Физические механизмы деградации параметров
В работе [32] этот эффект связан с увеличением концентрации заряженных акцепторов в области пространственного заряда из - за дополнительной активации Mg при распаде остаточных комплексов Mg - Н. Далее динамика изменения параметров значительно уменьшается, что подтверждается высокой стабильностью суммарного светового потока (изменение не более 3-5 %), сохраняя лишь его перераспределение (изменение максимальной силы света - до 10 %), а рост прямого напряжения уже практически полностью становится зависимым от факторов, описанных в п. 4.2. Последующее, очень медленное уменьшение светового потока при незначительном росте Uf и продолжающемся сдвиге спектрального распределения в область длинных волн, тем не менее, может быть связано с перераспределением и миграцией дефектов структуры в виде центров безизлучательной рекомбинации с малым сопротивлением (являющихся каналами утечки), которые также оказываются параллельно включёнными во всю структуру в виде элементарных площадок со своими Eg и Uf, шунтирующих соседние сегменты, в которых происходит излучательная рекомбинация, и прямое смещение которых существенно выше. Другими словами, растекание токов утечки вызывает значительное падение напряжения на соседних участках, интенсивность излучения которых становится менее эффективной вследствие недостаточности внешнего приложенного к ним электрического поля для полноценной инжекции носителей заряда, чем тех, что удалены от дефекта. При этом перераспределении суммарное прямое напряжение структуры изменяется незначительно (общая площадь каналов утечки остаётся постоянной: изменяется только их дислокация), что видно из полученных характеристик, а шунтирующее действие этих площадок существенно увеличивается, уменьшая суммарный световой поток что также заметно из графиков. Такое предположение также хорошо объясняет и значительное перераспределение светового потока по объёму излучающей структуры, увеличивающееся с деградацией и полученное при исследовании. Вероятно, такое предположение объясняет и результаты, полученные в работе [9] при качественном исследовании перераспределения излучения в области омических контактов.
Однако в данном исследовании выявлено также, что при производстве пластин кристаллов, всегда существует некоторая их часть, изначально содержащая в себе такое распределение центров безизлучательной рекомбинации, и такую функцию распределения площадок с различными характеристиками, которые будут существенно доминировать при наработке и приводить к значительной деградации параметров относительно остальной массы образцов. Причём, все характеристики, свойственные исправным светодиодам на основе этих кристаллов будут присутствовать в начальный момент, и такие светодиоды будут признаны годными на производстве. Расчёты, сделанные по результатам эксперимента показали, что наиболее подвержены указанному эффекту светодиоды групп 1 и 2. При рассмотрении деградационных характеристик можно заметить, что световые потоки подгрупп 1 и 2 имеют наибольшую степень деградации. 4.4. Практическое применение результатов эксперимента на производстве светодиодов
Результаты измерений указывают на небольшое относительное изменение прямого напряжения в ходе деградации во всех подгруппах. Разница в начальном его значении, как и отличие большинства характеристик, среди светодиодов, собранных на кристаллах с одной пластины определяется равномерностью процессов эпитаксии, легирования и нанесения контактов по площади этой пластины. Результаты эксперимента позволили связать степень деградации параметров, в частности, светового потока и силы света, с начальным значением прямого напряжения. Такая зависимость в той или иной степени имеется у всех групп светодиодов, однако наиболее явно она проявилась у групп 1 и 2. Этот факт лёг в основу проведения эксперимента по статистическому исследованию описанной зависимости на производстве светодиодов с участием не менее 100000 образцов каждого типа, собранных на основе исследуемых в данной работе кристаллов групп 1, 2 и 6.
Используемые на производствах сортировальные машины не имеют возможности измерять значение светового потока, и сортировка на ранки происходит по значению осевой силы света, прямого напряжения и доминирующей длины волны. Однако в схеме измерения силы света применяется фотометр с большой площадью окна (S = 100 мм ) и расстоянием фотометрирования «А» (10 см) [13], что существенно увеличивает угол, с которого происходит энергетическая освещённость окна фотометра тестируемым светодиодом и большая часть его светового потока интегрируется. При измерении индикатрисы излучения это, безусловно, вызвало бы большую ошибку (параграф 3.3.1.4), но при единичном измерении значения силы света с предварительным применением специально откалиброванных в лаборатории образцов светодиодов, вполне возможно. А в некоторой степени это является необходимостью - значительно снижаются требования к точности позиционирования светодиода относительно оси фотометра автоматом сортировки при измерении, которое должно длиться минимальное время. Это обстоятельство позволяет с большой вероятностью делать вывод не только о силе света светодиода, но и о его потоке. Для ещё большей достоверности измерений, для исследования были взяты светодиоды с широко градусной оптикой (2 О o,5iv = ПО градусов) и значительной степенью диспергации материала линзы. Такая конструкция светодиода сводит к минимуму внешние проявления эффекта перераспределения светового потока по диаграмме излучения в процессе деградации из - за многократных внутренних переотражений в диспергаторе, делая индикатрису равномерной, а измерения сортировочной машиной наиболее достоверными и приближёнными к результатам измерения светового потока. Описанные выше факты стали поводом для разработки критериев отбора диодов непосредственно с помощью сортировочной машины с учётом сделанных из исследования выводов: отсортировать все образцы по начальному значению прямого напряжения (с одновременным измерением силы света), после чего подвергнуть наработке и вновь произвести сортировку и измерение силы света. данные сравнить и получить зависимости деградации силы света и начального напряжения, как это было сделано в описанном выше эксперименте по исследованию механизмов деградации. Исследования проводились в 2 этапа.
На основании лабораторного эксперимента по изучению деградации был рассчитан примерный прогноз поведения осевой силы света отдельных групп диодов, сформированных по признаку различия наклонов ВАХ (как функций прямого напряжения от тока), и разработан план проведения первого этапа исследования по проверке возможностей сортировочной машины дифференцировать описанные группы диодов, и соответствию поведения светового потока во времени отсортированных образцов по рассчитанным в лаборатории зависимостям.
В качестве образцов были выбраны для производства светодиоды описанной выше конструкции (рисунок 1.5.-а) на основе кристаллов, применённых в группе 1, 2 и 6. Производство светодиодов и эксперимент по сортировке проводились на разных предприятиях, расположенных в южной промышленной части Китая. В качестве примера будет описан результат исследования по светодиодам синего цвета, как наиболее показательного, однако все типы указанных светодиодов были изучены по точно такой же методике с получением идентичных результатов, хорошо сочетающихся с итогами эксперимента. Стоит упомянуть, что для данного исследования были отобраны светодиоды, предварительно уже отсортированные на выходе из производства, и имеющие по показаниям начальной (Oh наработки) сортировки, одинаковые параметры Iv, Uf, Ldom, не имеющие обратного тока, и признанные годными. Также, всё количество (более 100000 образцов каждого типа) было произведено одной сменой персонала, из комплектующих одной партии и в одно время. Эта сортировка проводилась по стандартной методике на одном значении тока - 20 мА. Однако значения прямого напряжения на этом токе не имеют достаточного разброса для разделения светодиодов на группы из -за специфического хода ВАХ (рисунки 4.30, 4.31), и как говорилось в п. 4.3, существенное отличие может быть замечено лишь при больших плотностях тока.
Выявление этого факта стало возможным только при исследовании большого числа светодиодов по предложенной методике, и позволило обнаружить очень важный недостаток в принятой мировой практикой производства системе сортировки готовых светодиодов, и тем самым объяснить причину появления потенциально дефектных приборов в общей массе признанных годными. Поэтому, было принято решение об измерении всех возможных параметров приборов всей партии на пяти точках значения тока If =10, 20, 40,