Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор публикаций 11
1.1. Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур 11
1.2. Конструкция светодиодов 18
1.3. Деградация параметров 22
Глава 2. Система электрических, светотехнических и колориметрических характеристик светодиодов. Методика измерения параметров. Последовательность и порядок измерений в ходе эксперимента 29
2.1. Система электрических, светотехнических и колориметрических характеристик светодиодов 29
2.1.1 Группа электрических характеристик 30
2.1.2. Группа энергетических характеристик излучения 35
2.1.3. Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения 39
2.1.4. Группа общих температурных характеристик, условий хранения и эксплуатации 42
2.2. Последовательность и порядок измерений в ходе эксперимента 43
2.3. Методика измерения и расчёта параметров 45
2,3.1. Фотометрические характеристики 45
2.3.2 Электрические характеристики 62
Глава 3. Описание концепции эксперимента по изучению деградации и построение системы оборудования для его проведения 65
3.1. Наиболее общая методика подготовки и проведения эксперимента по изучению деградации 67
3.2. Описание эксперимента 67
3.2.1. Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования и технология их производства 68
3.2.2. Систематизация, разработка и изготовление измерительного и вспомогательного оборудования для проведения эксперимента 90
Глава 4. Обоснование физических механизмов деградации. Деградационные характеристики параметров светодиодов и их применение на производстве .. 103
4.1. Деградационные характеристики групп светодиодов 103
4.2. Описание деградационных характеристик 112
4.3. Физические механизмы деградации параметров 116
4.4. Практическое применение результатов эксперимента на производстве 134
Выводы 145
Список использованной литературы 151
Приложения 158
- Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур
- Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения
- Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования и технология их производства
- Практическое применение результатов эксперимента на производстве
Введение к работе
Актуальность темы.
Стремительное развитие технологии производства излучающих структур в последние годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов серийно производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов AlGalnP и AlGalnN, позволяющих создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств. Однако, имеют место некоторые проблемы при изготовлении как самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе, которые до сих пор недостаточно исследованы, а отсутствие методов их комплексного решения на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация [1]), в устройствах ответственного применения с повышенной степенью надёжности (судовое, шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического назначения (военная и космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра существующих проблем является проблема изменения (деградации) всего комплекса первоначальных параметров излучающих структур и светодиодов в целом. На практике это проявляется в виде изменения значений некоторых характеристик устройств с исполнительной частью на светодиодах, приводящее к искажению визуального восприятия информации человеком.
Это может иметь место, например, в больших полноцветных экранах на основе трёхцветных кластеров светодиодов (система RGB), в которых одновременно находятся в работе более 500 - 800 тыс. светодиодов, первоначально отобранных по принципу максимальной близости их параметров. Во время эксплуатации у светодиодов с различным цветом свечения могут иметь место неодинаковые изменения величины светового потока и его перераспределение по углам излучения, изменение спектров излучения и, как следствие, различные изменения значений силы света. Эти изменения приводят к появлению неоднородностей на площади экрана в виде цветных пятен с несбалансированным белым цветом и нарушенной цветопередачей изображения. В светофоре этот эффект приводит к изменению осевых значений силы света, определённых стандартами, и угловых характеристик излучения светоблоков, что неизбежно влечёт за собой ухудшение условий освещённости сетчатки глаза водителя или машиниста [2], и, как следствие, уменьшение расстояния восприятия и верности распознавания цвета сигнала. Важность этого факта достаточно велика: в конечном итоге обнаружение и правильность определения цвета сигнала светофора определяет безопасность движения в целом и жизнь человека в частности [2, 3].
Изучение механизмов деградации в сложившихся условиях массового производства кристаллов и светодиодов на их основе является очень актуальным. Результаты исследований выходят за рамки чисто научных программ и становятся необходимыми непосредственно на производстве, где уже сейчас всё больше требуется достоверная оценка не только параметров произведённых светодиодов, но и прогнозирование их надёжности и срока службы. Эта тенденция требует необходимости проведения новых исследований не только физических причин изменения различных свойств гетероструктур на основе твёрдых растворов AlGalnP и AlGalnN во время наработки светодиодов, но и разработки методик применения результатов этих исследований при конструировании и производстве светодиодов и устройств на их основе. Анализ известных результатов исследований деградации светодиодов и методов её изучения, а также особенности современного производства привели к идее проведения комплексного эксперимента, в котором проводятся измерения максимально возможного количества параметров и характеристик светодиодов с целью установления их взаимосвязи и взаимозависимости в процессе наработки. При этом для определения степени влияния конструкций и технологий изготовления гетероструктур AlGalnP и AlGalnN и кристаллов на их основе на скорость деградации важнейших параметров приборов исследуемые светодиоды должны иметь идентичные конструкции и технологии сборки. К важнейшим параметрам светодиодов относятся световой поток, сила света и падение прямого напряжения при рабочей величине прямого тока. В современном производстве эти параметры измеряются на каждом выпускаемом приборе с помощью автоматизированных установок и светодиоды сортируются по группам, имеющим определённые типичные значения этих параметров в пределах от их минимальных до их максимальных значений.
Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов в процессе наработки с величинами этих параметров до наработки, в перспективе, даёт возможность количественно предсказывать срок службы светодиодов ещё на стадии производства. Цель работы.
Разработка методик измерения базовых светотехнических и электрических характеристик светодиодов на основе закономерностей изменения параметров в процессе деградации электрических и излучающих свойств светодиодов с различной конструкцией кристаллов, изготовленных из эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов AlGalnP и AlGalnN и разработка методик производственной квалификации светодиодов по сроку службы, позволяющих существенно повысить долю выхода качественной продукции к потребителю. Научная новизна.
1. Предложена модель, описывающая электрические и излучающие свойства AlGaInN кристаллов светодиодов, в которой учтено неоднородное распределение атомов индия в активной области гетероструктуры. Согласно этой модели, кристалл светодиода представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных n-GaN и p-GaN эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия (X) в квантовых ямах и величиной площади р-n перехода S(X).
2. Показано, что при различных значениях X зависимости плотности тока от напряжения у микродиодов сильно отличаются. Рассчитанные суммарные вольт-амперные характеристики (ВАХ) и спектры излучения AlGaInN кристаллов в целом хорошо согласуются с экспериментальными данными при принятом в настоящей работе гауссовском распределении значений S(X).
3. В большей степени деградации подвержены области структуры с малым содержанием индия в активном слое (формирующие наиболее коротковолновую часть спектрального распределения излучения), через которые протекают токи с существенно большей плотностью, что приводит в процессе наработки к смещению спектров излучения в длинноволновую область.
4. Предложен метод расчёта светового потока O(t), для любого времени наработки светодиода t, учитывающий плотность тока через излучающую структуру.
5. Установлено, что деградация величины светового потока у гетероструктур AlGalnP жёлтого цвета свечения на Si-подложках (в среднем -48% за 10000 часов), существенно выше, чем деградация гетероструктур на GaP-подложках (в среднем -22% за 10000 часов), а у гетероструктур AlGaInN зелёного цвета свечения, выращенных на АЬОз-подложках (в среднем -40% за 10000 часов), деградация существенно выше, чем деградация у гетероструктур, выращенных на SiC-подложках (до -25% за 10000 часов). Эти результаты могут быть объяснены значительным отличием в плотности дислокаций из-за разной степени рассогласования кристаллических решёток подложек и выращенных на них структур. Практическая ценность работы.
1. Предложена новая, расширенная система существующих физических параметров светодиодов, основанная на их взаимозависимости и включающая характеристики, описывающие деградацию светодиодов: скорость деградации светового потока и силы света, изменение прямого напряжения за время наработки.
2. Разработана новая комплексная методика измерений, компьютерные программы расчётов светотехнических, фотометрических, колориметрических, электрических и энергетических характеристик и параметров светодиодов.
3. Показано, что разработанные средства, программы и методики измерений характеристик и параметров деградации светодиодов на основе AlGalnP и AlGaInN, в совокупности являются универсальным инструментом для прогнозирования изменения характеристик различных типов светодиодов, имеющих любые электрические характеристики, любое пространственное распределение излучения, разнообразные спектры и большой диапазон оптической мощности (от lmW до 10W).
4. Метрологические средства измерения характеристик светодиодов (измерительный комплекс), могут быть использованы в области разработки и применения светодиодов со статусом держателя вторичной эталонной базы -от производственных участков до научных исследовательских лабораторий.
5. На основе определённых в настоящих экспериментах значений основных параметров светодиодов была установлена последовательность и режимы их измерения, рассчитаны и обоснованы их критерии при сортировке светодиодов на производстве с помощью стандартных сортировочных машин, которые позволяют достоверно отделить приборы с потенциально большими (от -20% за 10000 час, и более) скоростями деградации силы света или светового потока. Показано, что предложенные методы сортировки на производстве не требуют дополнительного оборудования, времени и трудозатрат персонала.
6. Определено, что установленные зависимости скорости деградации светового потока в процессе наработки светодиодов от величины их прямого напряжения и значения светового потока в начальный момент времени, позволяют выполнять селекцию неисправных приборов на производстве, не прибегая к технологической операции искусственного старения (продолжительность которой обычно составляет 3-5 дней), что существенно сокращает сроки производства качественных светодиодов и исключает затраты на дорогостоящее оборудование, необходимое для проведения операции искусственного старения.
7. Применение в различных устройствах светодиодов, отсортированных по разработанным методикам на производстве показало уменьшение, не менее, чем на 90% количества приборов, чей световой поток деградировал более, чем на 20%о или вышедших из строя процессе наработки всего за 2 - 3 тыс. час, что имеет особо важное значение при их использовании в изделиях, влияющих на здоровье и жизнь человека (светофоры, медицинские световые приборы, аварийное освещение, и т.д.).
Научные положения, выносимые на защиту.
1. Учёт неоднородного распределения атомов индия в активной области гетероструктуры основе AlGalnN позволяет представить кристалл светодиода как совокупность параллельно включённых микродиодов с различным содержанием индия в квантовых ямах активной области и показать, что спектр излучения и суммарный световой поток светодиода в целом являются суперпозицией спектров излучения и световых потоков всех микродиодов.
2. В процессе длительной наработки спектр излучения светодиода на основе AlGalnN смещается в длинноволновую сторону из-за более быстрой деградации микродиодов с меньшим содержанием индия, через которые протекают токи с существенно большей плотностью.
3. Наряду с изменением значения светового потока при наработке, происходит существенное перераспределение его плотности внутри диаграммы излучения по причине неоднородной степени деградации интенсивности излучения микродиодов с различным содержанием индия и изменения шунтирующего действия центров безизлучательной рекомбинации. Апробация работы.
1. Материалы по теме настоящей работы были представлены на Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2001 год, докладом о методах измерения световых характеристик светодиодов.
2. Результаты по совершенствованию методик измерений светотехнических и электрических параметров и исследований по изучению физических свойств излучения светодиодов были обсуждены на 25 сессии Международной комиссии по освещению (CIE) в Сан-Диего, США, 2003 год с представлением доклада «Red LED Railway Traffic Lights Visional Perception Research».
3. Материалы по теме настоящей работы были представлены на 37-ом международном семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 28-30 ноября 2006г. в МЭИ, докладом о результатах исследований физических механизмов деградации и сортировки светодиодов на производстве с применением разработанной методики контроля деградации параметров.
Публикации.
Всего по теме диссертационной работы автором опубликовано 15 печатных работ.
Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур
Источники оптического излучения весьма разнообразны. Однако большинство из них не удовлетворяют всей совокупности современных требований и находят применение лишь в отдельных устройствах, главным образом в индикаторных приборах [9].
При оценке перспективности того или иного источника определяющую роль играет агрегатное состояние активного светящегося вещества или вещества, заполняющего рабочий объем. Из всех возможных вариантов -вакуум, газ, жидкость, твердое тело - предпочтение отдаётся твердотельному, а "внутри" него - монокристаллическому как обеспечивающему наибольшую долговечность и надёжность приборов. Одними из твердотельных источников оптического излучения являются светоизлучающие полупроводниковые диоды, основанные на принципе спонтанной инжекционной электролюминесценции.
При подаче прямого смещения концентрация неосновных носителей у границ p-n-перехода резко повышается и становится значительно выше равновесной. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные и их концентрация у границ p-n-перехода становится выше равновесной. Диффундируя в глубь полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на расстояние диффузионной длины от слоя объёмного заряда p-n-перехода. Если при этом существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света, то, создав условия для выхода этого излучения наружу, полупроводниковый диод можно использовать как источник излучения. Такой диод называют светодиодом. Особенно широкое применение в последние годы получили источники видимого света. Человеческий глаз чувствует излучение в диапазоне от 0,45 до 0,7 мкм для энергий квантов от 1,8 до 2,8 эВ. Видимое излучение с длиной волны менее 720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны Eg более 1,72 эВ. Таким образом, для источников видимого света нужны полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ или больше, если используются не межзонные переходы, а излучательные переходы через глубокие примесные уровни.
Наилучшие параметры излучения имеют светоизлучающие диоды на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Гетеропереходом называется переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовывать четыре гетероструктуры: pi - щ, Щ - п2, Пі - рг, pi - рг- Здесь индекс 1 относится к полупроводникам с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник, а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник). При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетерострукруры в равновесном состоянии единый. На рис. 1.1. показана энергетическая диаграмма излучающей гетероструктуры GaAlAs - GaAs в состоянии равновесия [4]. На границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии. Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов.
Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа, для гетероструктуры на рис. 1.1. -электронами. Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место односторонняя инжекция - только электронов из широкозонного слоя -эмиттера в узкозонный слой - базу. Такую структуру с широкозонным эмиттером и узкозонной базой называют ординарной гетероструктурой [4, 30]. Наряду с ординарной, в светодиодах используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительный запирающий широкозонный р3 - слой того же, что и база, типа проводимости. В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, зона базы образует потенциальную яму, в которой скапливаются инжектированные электроны. Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие. Односторонняя инжекция в гетеропереходах не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-п-переходов. Другой отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера. Поэтому излучение выводится из светодиода через эмиттер практически без поглощения.
В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения - «многопроходной эффект». Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта ведет к новому акту излучения.
Все преимущества гетеропереходов достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры - коэффициентов теплового расширения и постоянных кристаллических решеток. В гетероструктуре GaAlAs-GaAs значения коэффициентов теплового расширения при 300 К - 5,2 10"б-К" для AlAs и 5,0 Ю 6-К 1 для GaAs; параметры решетки - 5,667 А для AlAs и 5,653 А для GaAs [9].
Рекордные результаты по разработке светодиодов для коротковолновой (синей, зеленой) части видимого спектра были достигнуты методом эпитаксии из металлорганических соединений и твёрдых растворов в системе AHnGaN группой фирмы Nichia. В работе [5] было показано, что на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с тонким (2 + 3 нм) активным слоем из InGaN возможно создание светодиодов в указанной спектральной области с внешним квантовым выходом до 4 - - 9 %, так как твердые растворы GaN с A1N и InN обеспечивают перекрытие области длин волн от 200 нм до 640 нм.
Для твердых растворов InxGai.xN и AlxGai.xN характерно линейное изменение периода решетки от состава. Зависимость ширины запрещенной зоны (Eg) от состава твердого раствора InxGai.xN в общем виде можно записать следующим образом (1.1.):
Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения
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 Eg] , 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 U/ 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.
Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования и технология их производства
Эксперимент включает в себя основную часть, которая предполагает измерения параметров специально изготовленных образцов и изучение их деградационных характеристик по установленной программе и вспомогательную часть, в которой проводятся более детальные исследования некоторых параметров, требующих углублённого исследования с применением других режимов измерений, условий протекания наработки и образцов других конструкций. Необходимость большинства таких вспомогательных измерений возникла в ходе проведения эксперимента - по мере обработки промежуточных результатов, и была выполнена с соблюдением всех описанных методик и стандартов. Также, к вспомогательной части эксперимента относится проверка сделанных на базе основного, выводов о причинах деградации параметров на значительной партии светодиодов, как факт практического применения результатов исследования.
Для получения достоверных результатов исследований и корректности сравнения параметров разных образцов, а также исключения влияния качества сборки на деградационные характеристики, производство светодиодов для эксперимента было выполнено по особой схеме, которая предполагала максимальное соблюдение технологии сборки приборов с контролем каждой операции и отбором из числа готовых образцов необходимого количества с предельно близкими характеристиками углового распределения силы света. Основные операции технологической цепочки по сборке образцов имеют следующую последовательность: 1. Тестирование пластины с кристаллами и выборка необходимых для производства. 2. Посадка кристаллов в лунку кристаллодержателя на токопроводящий или нейтральный эпоксидный клей (в зависимости от типа кристалла). 3. Сушка клея в конвекционной печи. 4. Термоультразвуковая приварка контактных проводников. 5. Тест на функциональность. 6. Защита кристалла кремнийорганическим гелем. 7. Сушка защиты в конвекционной печи. 8. Посадка линзовой крышки. 9. Заливка полости линзовой крышки кремнийорганическим гелем. 10.Сушка в конвекционной печи. 11 .Тест на функциональность, сортировка по параметрам Для нескольких образцов из каждой группы, на которые были разбиты все светодиоды по различным признакам, обязательно проводились промежуточные измерения светотехнических и электрических величин на разных стадиях сборки образцов. Так, например, для выбора оптимального типа оптической системы, применяемой непосредственно для конкретной конструкции излучающего кристалла, выполнялся комплекс измерений углового распределения силы света, расчёт светового потока и угловых характеристик диаграммы направленности излучения на стадии, когда конструкция состояла только из кристаллодержателя и смонтированного в его лунке кристалла (приложение 3.3.) с приваренной контактной нитью (контактными нитями), затем, когда была выполнена защита кристалла кремнийорганическим гелем, и наконец, в полностью собранном виде (приложение 3.1., таблица 3.1.).
Параллельно выполнялось измерение светотехнических характеристик идентичного кристалла, который был смонтирован на специальной технологической подложке с ровной плоской поверхностью (приложение 3.2.), исключающей влияние первичной оптики в виде лунки. Данные измерений позволили оценить эффективность оптической системы светодиода в целом и влияние каждой структурной единицы этой системы (лунки, линзы, кремнийорганического геля, выбранных значений геометрических размеров частей системы) на изменение направления распределения и численного значения светового потока, излучаемого кристаллом. Измерялись также и вольт - амперные характеристики таких полуфабрикатов с целью отладки технологии сборки приборов в части посадки кристалла в лунку кристаллодержателя с нанесением токопроводящего клея и последующей его сушкой и операции приварки контактных проводников. Впоследствии именно эти измерения показали очень высокую эффективность выявления неточностей выполнения многих операций сборки светодиодов путём сравнения вольт - амперных характеристик, последовательно измеренных в процессе выполнения технологической цепочки производства, а самое главное, максимальную их наглядность для понимания причин неточностей и поэтому лёгкости их устранения.
С целью выяснения кинетики деградационных процессов в самом начале процесса наработки заведомо не производилась термотоковая тренировка или иные способы искусственного старения образцов, входящие в технологическую цепочку производства для выявления дефектов по принципу т. н. «детской смертности».
Как уже упоминалось, образцовые светодиоды предполагалось изучать при плотности тока через кристалл ру =100 A/cm (прямой ток If = 80mA), поэтому в качестве кристаллодержателя была использована стальная штампованная подложка с поверхностным золочением особой конструкции. В центре этого кристаллодержателя располагается массивный медный выступ, который впрессовывается в основание подложки под высоким давлением. Этот выступ со стороны монтажа линзовой крышки имеет лунку специфической конфигурации для посадки кристалла, а другой стороной значительно выдаётся наружу.
Практическое применение результатов эксперимента на производстве
Измеритель ВАХ был разработан с учётом возможности измерений подавляющего большинства электрических характеристик светодиодов. Он также представляет из себя программно управляемый источник тока с калиброванными значениями. Весь диапазон рабочих токов до 100 тА разбит на 2 поддиапазона: 0 -10 тА с возможностью установки минимального дискрета тока 0,01mA (1000 точек) для более точного измерения экспоненциального участка ВАХ светодиодов и 0 - 100mA с возможностью установки минимального дискрета тока 0,1mA (1000 точек). Прямое падение напряжения на измеряемом приборе по отдельной линии подаётся на компаратор сигнала и впоследствии поступает на АЦП. Быстродействие ограничено необходимым временем на формирование импульса заданного значения тока, фиксации аналогового напряжения на нагрузке, его «оцифрением» и передачей в компьютер в режиме реального времени. Также предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретами в диапазоне 20 мкс - 30 мин для реализации режимов импульсного и разогревающего действия тока. Эта функция имеет 2 режима: независимо от установленного времени между измерениями, можно задавать любое значение тока в паузе между этими измерениями, тем самым устанавливая необходимую степень теплового действия тока или моделируя различные электрические режимы работы светодиода в реальных условиях. Измерение ВАХ обратной ветви обеспечивается подачей на светодиод обратного смещения до -20 В. Однако здесь алгоритм работы устройства меняется на противоположный и заданным значениям обратного напряжения Ur будут присваиваться соответствующие значения обратного тока Іг в диапазоне до -500 тА. Обработка результатов измерения производится по аналогичному принципу, описанному для прямой ветви ВАХ. Обратное напряжение Ur можно устанавливать с точностью до 0,1 В. Всю последовательность измерений и установку необходимых значений обеспечивает программное обеспечение, также разработанное для совместной работы с измерителем ВАХ. Реализация указанных электрических режимов светодиодов этим устройством во всей полноте используется и при измерении светотехнических характеристик. Для этого разъём на плате гониометра, на которую устанавливается светодиод, имеет совместимую с разъёмом источника питания распайку, поэтому достаточно переключить эти разъёмы и программная установка электрических режимов с помощью измерителя ВАХ одновременно будет соотнесена со светотехническими характеристиками светодиода. Особенно удобно пользоваться таким сочетанием, когда необходимо достаточно точно измерять ЛАХ - Ф (Ц\ время установления термодинамического равновесия работающего светодиода задаётся программой, а фотометр фиксирует значение силы света через это время.
Для измерений спектрального распределения энергии излучения Фе (Я) использовался спектрофотометр 3. Излучение от светодиода передавалось на его измерительную часть с помощью оптоволоконного световода с известной частотной характеристикой, которая учитывалась при расчётах параметров спектра. Входная часть световода располагалась непосредственно на корпусе фотометра (приложение 3.17.) и фактически, они оба получали часть излучения от источника, исходящего из одной его точки, поэтому можно считать, что светотехнические параметры, зафиксированные фотометром в данной точке диаграммы пространственного распределения и колориметрические, зафиксированные спектрофотометром характеризуют излучение одной этой точки.
И, хотя, функция Фе (Я) имеет достаточно малое отклонение в зависимости от угла излучения светодиода с одним кристаллом (рисунок 3.2.), на краях функции чувствительности фотоприёмника (коротковолновый синий и длинноволновый красный, где ошибка максимальна) (рисунок 3.1.) это отклонение может повлиять на изменение коэффициента преобразования фотометра, и как следствие на достоверность результата измерения. Не говоря уже о том, что только такое расположение входа спектрофотометра может обеспечить измерение функций Яйот (Q), Р (Q) при измерении светодиодов с несколькими кристаллами (например RGB). Применённый спектрофотометр обеспечивает измерения функции Фе (Я) в диапазоне 190 - 1100 nm с шагом измерения 0,25 nm при разложении всего диапазона приблизительно на 4000 точек.
Вся информация об измерениях, полученных данных и расчёт всех представленных далее характеристик и зависимостей сосредоточена в аналитической части всей измерительной установки эксперимента компьютере. Расчёт светотехнических, колориметрических других величин и характеристик производился с применением разработанных непосредственно для этих целей программ, составленных в пакетах Mathcad, Excel последних версий. Особенностью этого компьютера является высокое быстродействие, значительный объём памяти и наличие современной базы обработки изображения и построения графиков. Данное условие проистекает из расчёта количества измерений и скорости их обработки. Так, например, наиболее общий подсчёт необходимых действий за весь эксперимент показал, что диаграмм пространственного распределения измерено не менее 6 000, где отдельных точек со значением угла поворота и силы света - не менее 10180000, вольт - амперных характеристик - не менее 1 000, где отдельных точек со значением тока и напряжения - не менее 100 000, и так далее. Обработанные, систематизированные и приведённые данные, рассчитанные на их основе величины и зависимости в сумме занимают не менее 10 Гб памяти на жёстком диске.
К аналитической части также стоит отнести различного рода измерительные приборы, осуществляющие постоянный мониторинг состояния окружающей среды в помещении, где располагается стенд. Это барометр, гигрометр и термометр с возможностью измерения температуры в нескольких точках стенда. Все показания этих приборов также учитываются при расчётах, так как имеются зависимости показаний основных средств измерения стенда от условий окружающей среды [27,80].
