Разработанные в 70−80-х гг. светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, элементы шкал и экранов на основе бинарных соединений и твердых растворов А3В5 нашли широкое применение в устройствах индикации, контроля и отображения информации малой мощности как гражданского, так и спецприменения. Помимо «грязного» цвета свечения, не соответствующего стандартам, эти светодиоды имели низкую эффективность и силу излученияединицы или десятки милликанделл, тогда как в обычных светотехнических устройствах этот параметр должен составлять тысячи и десятки тысяч кан-дел.
Необходимые потребителям комплексные исследования по влиянию проникающей радиации (нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов) проводились в ограниченном масштабе.
В 90-х гг. за рубежом, в основном в Японии и США, были созданы эффективные полупроводниковые источники излучения второго поколения на основе АИпваР, способные заменить лампы накаливания и люминесцентные источники в светотехнических приборах большого радиуса действия, таких, как шоссейные и железнодорожные светофоры, бакены и маяки, бортовые сигнальные и осветительные огни, дополнительные сигналы торможения, дорожные знаки, информационные табло, лампочки для шахтеров и т. д.
Если в светодиодах первого поколения лишь гетероструктуры на основе А^Са^Ав/ваЛв, излучающие в красной области спектра, обладали высоким внешним квантовым выходом (5−8%) при светоотдаче до 5 лм/Вт, то у светодиодов на основе твердых растворов алюминия индия галлия фосфора, излучающих в красной и желтой области спектра, квантовая эффективность составила 12−18%. У лабораторных образцов внешняя эффективность достигала 65%.
В 1989 г. Ш. Накамура из фирмы №сЫа начал исследование пленок нитридов галлия и так сумел подобрать легирование (М§или Ъп) и термоэлектронную обработку, что смог получить эффективную инжекцию гетероперехода в активную Gal. xInxN область, легированную цинком. Спектральные максимумы голубых и зеленых СД лежали около 460 и 520 нм. В 1993 г. фирма №сЫа начала выпуск синих СД.
Дальнейшее использование «синих» светодиодов и желтого люминофора позволило создать источник белого света по светоотдаче превосходящий лампы накаливания. Разработаны мощные светодиоды на ток до 350 мА, способные заменить лампы накаливания, люминесцентные и другие источники освещения при напряжении питания не более 5 В и существенной экономии электроэнергии.
В настоящее время данное направление оптоэлектроники бурно развивается. Начиная с 2000 г. ежегодный прирост капиталовложений в эту область составил 58% и к 2006 г. достиг 3 млрд. долларов США. В 2007 г. объем выпуска сверхярких мощных СД и СДУ достигнет 12 млрд. шт. Число патентов превышает 1000 наименований в год.
По оценкам специалистов внедрение светодиодов в светотехнику сейчас происходит быстрее, чем в свое время внедрение транзисторов в радиоэлектронику. Поэтому сложившееся положение называют промышленной революцией в оптоэлектронике и светотехнике.
Начиная с 2004 г. 50% общего объема выпуска составляют белые СД. По рейтингу они являются лидерами среди альтернативных источников освещения: ламп накаливания и люминесцентных ламп.
Актуальность работы.
В настоящее время мощные светодиоды (СД) и светоизлучающие устройства (СДУ) белого цвета являются наиболее быстро развивающимися направлениями оптоэлектроники и светотехники. По эффективности они превзошли лампы накаливания и вплотную подошли к уровню люминесцентных ламп по основному параметру — светоотдаче (60 лм/Вт).
Вследствие малой потребляемой энергии, большого срока службы, превышающего 100 000 ч., высокой эффективности преобразования электрической энергии в излучение, отсутствия ИК и УФ подсветки, экологической безопасности они прочно занимают первое место в рейтинге источников освещения.
В диссертационной работе поставлена актуальная задача улучшения световых и электротехнических параметров излучателей (чипов), фотолюминофоров, иммерсной среды с наполнителем и др. элементов СД с доведением эффективности белых СД и СДУ до 60 лм/Вт.
Цель работы.
Систематическая оптимизация параметров излучающих структур (гете-роструктур и фотолюминофоров), а также элементов конструкции и технологии, повышение надежности и радиационной стойкости.
Данная цель достигалась постановкой и решением следующих задач:
1. В контакте с ведущими фирмами-производителями эпитаксиальных структур: Osram Semiconductors, Lumileds lighting, Epistar, Cree по согласованным ТУ организована поставка чипов гетероструктур с одиночными и множественными квантовыми ямами, их всестороннее исследование и передача поставщикам для корректировки и оптимизации процесса изготовления.
2. Проведение анализа энергетической диаграммы гетероструктур с квантовыми ямами и барьерами с целью уточнения влияния ширины, глубины и высоты квантовых ям и барьеров на эффективность и спектр люминесценции.
3. Выполнение систематических экспериментальных исследований распределения заряженных центров и вольт-люмен-амперных характеристик структур I типа с множественными квантовыми ямами в легированном материале и II типа с одиночными квантовыми ямами в компенсированном нитриде галлия.
4. На базе экспериментальных данных по распределению заряженных центров и ВАХ разработана математическая модель СД, содержащего два гетероперехода, компенсированный слой и оптически активную область либо в этом слое, либо на границе с гетеропереходом.
5. Разработано два варианта конструкции и технология изготовления белых СД и СДУ. В первой (RGB) в одном корпусе с фокусирующей линзой смешивались световые потоки гетероструктур с красным, зеленым и синим цветом свечения, которые в итоге давали белый свет. Во второй смешивались световые потоки синего или УФ излучателя и стоксо-вого люминофора на основе алюмогранатов иттрия и гадолиния, акта.
3 +3 вированного ионами С1 и Р2, излучающего в желто-зеленой области спектра.
6. Проведение комплексных механических и климатических испытаний по методикам OCT В11 0563−88 дали положительный результат, a life time испытания на длительную наработку в течение 20 ООО ч. позволили прогнозировать срок безотказной работы AlGalnP СД в течение 100 ООО ч., a AlGalnN СД в значительно большем интервале времени.
7. Результаты воздействия проникающей радиации нейтронов и гамма квантов на чипы и СД с красным, зеленым и синим цветом свечения показали их повышенную стойкость по сравнению с СД первого поколения на основе GaAs, GaP, Alo^Gao^As, GaAso, 6Po, 4 и даже карбиде кремния.
Направление и методы исследования.
У СД и СДУ измеряли вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) на автоматизированной установке с компьютерной обработкой результатов измерений до и после воздействия нейтронов и гамма квантов.
Профили распределения заряженной примеси в активной области определяли на основе анализа параметров динамической барьерной емкости при одновременной подаче на исследуемые структуры постоянного смещения и малого переменного сигнала.
Для определения параметров и концентрации глубоких примесных центров использовали метод термостимулированной емкости.
Измерения проводили до, во время и после облучения светодиодов и структур нейтронами и гамма квантами.
Измерения после проведения испытаний в соответствии с ОСТ В11 0563−88 проводили на стандартной аппаратуре.
Достоверность и обоснованность полученных результатов Гетероструктуры (чипы) для исследования выбирали из одной небольшой части пластины, которые разделялись на 6−7 отдельных частей. Измерения чипов, СД и СДУ проводились на автоматизированной установке, без участия оператора, с компьютерной обработкой результатов измерений по заданной программе.
СД для проведения испытаний на надежность согласно ОСТ В11 56 388 и радиационную стойкость выбирались с близкими параметрами из большой партии СД.
Научная новизна работы.
1. Проведены комплексные исследования распределения заряженных центров, измерены вольт-люмен-амперные характеристики, которые позволили установить структуру гетероперехода наличие компенсированных слоев шириной 0,02−0,25 мкм и квантовых ям шириной 2530 А.
2. Установлено, что ВАХ гетероструктур с красным, желтым и синим цветом свечения хорошо согласуются с классическими диффузионными и дрейфовыми теориями двойной инжекции Холла, Рашба-Толпыго, Ламперта, Марка и др. исследователей.
3. Разработана математическая модель гетероперехода с одной или несколькими квантовыми ямами, которая позволила рассчитать люмен-амперные и люмен-вольтные характеристики, использованные при анализе надежности и радиационной стойкости СД.
4. Проведенные комплексные испытания на длительную наработку (life time) СД с красным, зеленым, синим и белым цветом свечения позволили установить, что у СД с красным цветом свечения в первые 3 001 000 ч. наработки сила света необратимо растет (в 1,3−1,4 раза), а затем снижается по логарифмическому закону до 80−73% от первоначального значения за 100 000 ч. непрерывной работы. У СД остальных цветов снижение не превышало 10−15%.
5. Впервые проведенные нами исследования по воздействию нейтронов и гамма квантов на СД с красным, зеленым, синим и белым цветами свечения показали, что для СД, излучающих в красной области спектра, величина (тоКт) = (5±1,8)-1014 см2/н, что примерно соответствует СД из фосфида галлия, излучающего в красной области спектра. Параметры и ширина компенсированной области у InAlGaP СД изменялись при облучении. Вольт-люмен-амперные характеристики гетероструктур II типа с зеленым цветом свечения и I, II типа с синим практически не менялись при облучении нейтронами, пока флюенс не превышал 5-Ю15 л 1 с. л н/см. Величина (хоКт) была менее (0,6±0,2)-10 см /н.
Практическая полезность заключается в разработке разных вариантов конструкции и технологии нескольких типов СД и СДУ с силой света 350 Кд в угле 50° при рассеиваемой мощности 5 Вт.
Разработанные конструкции позволяют рассеивать электрическую мощность 1−5 Вт при токе через кристалл площадью 1 мм² до 350 мА.
Реализация и внедрение результатов работы.
Результаты работы внедрены в ЗАО «Пола+» и ООО «Квант+».
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г. Аланья, Турция, 9−14 мая 2004 г., на десятой МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры», г. Севастополь, 9−17 сентября 2004 г., на МНТК «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности аппаратуры», Сусс, Тунис, 9−16 октября 2005 г., на П-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия» (НГИА), г. Санкт-Петербург, СПГУ, 2−5 февраля.
2003 г., на Ш-й Всероссийской конференции НГИА, Москва, МГУ 7−9 июня.
2004 г., IV Всероссийской конференции НГИА, Санкт-Петербург, СПГУ, 3−5 июня 2005 г., V Всероссийской конференции НГИА, Москва, МГУ, 31 янва-ря-2 февраля 2007 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунка и 24 таблицы.
Выводы.
1. Проведены комплексные исследования структуры, электрофизических параметров материала в активной области распределения концентрации заряженных центров, вольт-амперных и вольт-люмен-амперных характеристик гетероструктур и светодиодов. Излучающих в красной, зеленой и синей области спектра до и после облучения нейтронами и гамма квантами.
2. Исследованы структуры двух типов: у первых ширина компенсированной области не превышала 20 нм, к ней примыкала оптически активная область шириной около 0,1 мкм с четырьмя-пятью квантовыми ямами.
17 18 —3 толщиной 5−10 нм, легированными до уровня 10−10 см, разделенных барьерами из более широкозонного материала с содержанием.
1 & 10 3 примеси 10 -101У см. Механизмом возбуждения излучения в этих структурах являлась небарьерная инжекция и (или) туннелирование электронов сквозь барьеры, разделяющие квантовые ямы.
3. Структуры второго типа имели два гетероперехода и компенсированный слой шириной 0,15−0,25, содержащий одну-две квантовые ямы шириной 30−40 А. Механизмом возбуждения ЭЛ являлась двойная инжекция, причем в компенсированном слое имел место высокий уровень инжекции. Сила света у гетероструктур I типа была в 1,4−1,6 раз выше, а падение напряжения на 0,5 В меньше, чем у структур II типа.
4. Экспоненциальные вольт-амперные характеристики гетероструктур II типа описывались классическими теориями двойной инжекции Холла, Карагеоргия Алкалаева-Лейдермана, Рашба-Толпыго, Ламперта-Роуза, согласно которым на экспоненциальных участках ВАХ:
1 = 1с1ех р (еи/2кТ), р (еи/1,5кТ),.
Чи-и5, Ии-иХ 1=(и-ик).
5. Для данных участков ВАХ, используя выведенные в 4 главе расчетные зависимости силы света от электрофизических параметров материала в активной области, тока и напряжения, получены аналитические зависимости изменения ЛВАХ от облучения, которые качественно согласуются с экспериментальными.
6. Используя расчетные и экспериментальные ЛВАХ и считая, что основной причиной их изменения и снижения силы света является деградация времени жизни: х-1 = Tq1 + Ктт0Ф, рассчитаны константы снижения силы света при облучении.
7. Для СД, излучающих в красной области спектра величина (тоКт), полученная из анализа изменения ВАХ и ВЛАХ, составила (5 ± 1,8)-Ю-14 см2/н, что примерно равняется значению для СД из фосфида галлия и на один-два порядка ниже, чем у СД на базе гетероструктур Alo, 33Gao, 67As и GaAs0,6Po, 4.
8. Вольт-люмен-амперные гетероструктур II типа практически не изменя.
1с л лись пока флюенс не превышал 4,7−10 н/см. По приблизительной jz л оценке величина (тоКт) = (0,6 ± 0,2)-10' см /н, что примерно на порядок лучше, чем та же величина у СД из карбида кремния с желтым и синим цветом свечения.
9. Рекордные показатели радиационной стойкости открывают приборам на основе растворов нитрида галлия хорошие перспективы применения в спецтехнике.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Анализ литературных источников показал, что ежегодный выпуск све-тодиодов (СД) и светодиодных устройств (СДУ) в промышленно развитых странах (Япония, Китай, Тайвань, Южная Корея, Западная Европа) в 20 062 007 гг. составлял 9−11 млрд. шт.
Начиная с 2004 г. объем выпуска СД и СДУ с белым цветом составляет 50% от общего объема выпуска.
По оценкам специалистов внедрение белых СД в светотехнику в настоящее время происходит быстрее, чем в свое время внедрение транзисторов в радиоэлектронику.
По рейтингу белые СД занимают лидирующее положение среди других источников освещения — ламп накаливания и люминесцентных ламп.
В настоящей работе основное внимание было посвящено разработке конструкции и технологии мощных источников «белого» цвета и космоцвет-ных светодиодов с потребляемой мощностью 2−25 Вт, напряжением 6 В, силой света 1500−2500 Кд в угле 2−3°, световым потоком 90−120 лм.
При разработке белых СД и СДУ было выбрано два направления:
1) Смешивание (объединение) световых потоков гетероструктур (чипов) красного, зеленого и синего цвета свечения в одном корпусе с фокусирующей линзой.
2) Смешивание световых потоков чипа, излучающего в синей (УФ) области спектра со световым потоком возбуждаемого синим излучением чипа желто-зеленой полосы ЭЛ люминофора.
При разработке RGB конструкции проводился выбор типа и оптимизация параметров активной области гетероструктур, излучающих в красной, зеленой и синей области спектра. Эти исследования представляли также самостоятельный интерес для изучения физики работы гетероструктур разного типа и из разного материала.
В качестве объектов исследования было выбрано две гетероструктуры I и II типа.
В первой оптически активная область шириной 0,10−0,15 мкм, содержащая 4−5 квантовых ям шириной 25−30 А и потенциальных барьеров между ними, примыкала непосредственно к гетеропереходу и механизмом возбуждения ЭЛ являлась надбарьерная инжекция дырок с последующим их захватом и излучательной рекомбинацией в квантовых ямах.
Менее легированные структуры II типа содержали оптически активную компенсированную область (шириной 0,15−0,25 мкм) с одной-двумя квантовыми ямами в середине и два гетероперехода для инжекции электронов и дырок. Механизмом возбуждения ЭЛ являлась двойная инжекция, в компенсированной области имел место высокий уровень инжекции.
На основании разработанной математической модели было проанализировано влияние внешних факторов: механических и климатических воздействий, длительности наработки при различной температуре окружающей среды и гетероперехода, воздействия проникающей радиации.
В результате проведения физико-технологических исследований была выбрана оптимальная структура СДУ, излучающая белый свет силой 350 Кд при рассеиваемой мощности 5 Вт.
Комплексные испытания на длительную наработку (life time) СД всех основных цветов, включая белый, в течение 6−20 тыс. ч. позволили прогнозировать время безотказной работы InAlGaP СД в течение 100 000 ч. при снижении силы света на 20−27%. Коэффициенты MTFB и X равнялись 3 820 000 ч. и 0,026% соответственно (температура окружающей среды 55 °C, ток 80 мА).
Впервые проведенные испытания по воздействию нейтронов и гамма квантов на СД с красным, зеленым, синим и белым цветом свечения показал их значительно более высокую радиационную стойкость по сравнению с СД первого поколения на основе GaP, AlxGai. xAs, GaAso, 6Po, 4.
Величина константы повреждаемости у СД на основе АЮа1пР составляла (5±0,8) • 10″ 14 см2/н, а на основе АИпваР — (0,6±0,2)* Ю-16 см2/н, что на один-три порядка была ниже, чем у СД первого поколения.
При разработке СД и СДУ белого цвета были использованы чипы разной структуры с синим (450 нм) и УФ (410 нм) излучением. Большое внимание было уделено подбору иммерсионной дисперсионной среды на основе силикагеля, в который для равномерного засвечивания диаграммы излучения добавляли частицы БЮг диаметром 4−6 мкм. Добавление люминофора в иммерсионную среду позволяет не только рассеивать, но и сдвигать спектр излучения в нужный диапазон. Для повышения светоотдачи светодиоды собирались в кластеры или матрицы, три типа которых были разработаны в настоящей работе и отражены в диссертации. Для светодиодов и СДУ белого цвета использовали композиции 81Юе1−612 + люминофор у-12−54−2.
