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 AlGalnN 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 AlGalnN 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 10 000 часов), существенно выше, чем деградация гетероструктур на GaP-подложках (в среднем -22% за 10 000 часов), а у гетероструктур AlGalnN зелёного цвета свечения, выращенных на АЬОз-подложках (в среднем -40% за 10 000 часов), деградация существенно выше, чем деградация у гетероструктур, выращенных на SiC-подложках (до -25% за 10 000 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 AlGalnN, 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 базыот 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 10 000 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% 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 гетероструктур ы 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 алюминияструктуры 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 2006 г. 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.
Выводы.
1. Разработана новая система существующих параметров светодиодов, основанная на учёте их физических взаимозависимостей и включающая характеристики, описывающие деградацию параметров светодиодов (скорость деградации светового потока и силы света, изменение прямого напряжения за время наработки), позволяющая установить связь любого параметра с последующей деградацией других, что необходимо при проектировании устройств на светодиодах.
2. Описаны факторы и физические причины, вызванные нарушением работоспособности ответственных устройств на основе светодиодов вследствие деградации их параметров, существенно влияющие на безопасность жизни и деятельности человека. Отмечена необходимость проведения исследований по изучению деградации параметров светодиодов.
3. Разработана методика проведения комплексного эксперимента по изучению механизмов деградации параметров, как готовых светодиодов, так и кристаллов для их производства на основе твёрдых растворов AlGalnP и AlGalnN различных конструкций. Разъяснён принцип выбора тех или иных физических характеристик для изучения в процессе наработки. Прослежена связь между изменениями основных параметров светодиодов в течение деградации.
4. Разработана полная и общая методика измерения и расчёта подавляющего числа возможных (светотехнических, фотометрических, колориметрических, электрических, энергетических и температурных) характеристик светодиодов, порядок проведения измерений и их последовательность, применимые при любом исследовании. Показаны особенности измерений и обработки полученных данных при изучении деградационных характеристик. Отмечено соответствие разработанных методик международным и федеральным метрологическим нормам.
5. Разработан и создан универсальный метрологический комплекс для реализации измерений параметров светодиодов, а также техническая база для реализации наработки светодиодов продолжительностью не менее 50 000 часов. Показаны возможности данного комплекса в части измерений указанных характеристик подавляющего числа типов существующих светодиодов при проведении любых исследований и экспериментов. Создана нормативная база, документация и проведена сертификация средств измерений в установленном поверочной схемой порядке (с занесением в Государственный реестр средств измерений).
6. Разработана методика отбора образцов излучающих кристаллов и светодиодов для проведения экспериментов по определению деградации позволяющая осуществлять определение свойств излучающих структур в диапазоне плотностей тока через р-п-переход до 120А/ст2. Установлены основные типы производственных и технологических дефектов (несоблюдение технологии монтажа излучающего кристалла: посадка на основание, приварка контактных проводников, температурные режимы сушки и полимеризации эпоксидных составов и условий проведения ускоренного старения, и т. д.), являющихся причиной появления деградации параметров светодиодов, не связанной с исследуемыми в работе механизмами её появления. Отмечены наиболее важные технологические операции при производстве и возможные последствия их нарушения.
7. На основе расчётов и результатов измерений, сделанных в ходе эксперимента, найдена взаимосвязь между изначальными параметрами и показателями деградации тех или иных характеристик светодиодов на основе различных конструкций кристаллов. На примере поведения вольт — амперных характеристик и диаграмм распределения светового потока со временем наработки, показана возможная причина возникновения деградации излучения и связь её величины со значением прямого напряжения при определённой плотности тока в начальный момент времени наработки. Выявлено, что при количественной оценке деградации, существенное значение имеет именно перераспределение светового потока, а не его численное изменение. Этим объясняется непропорциональное этому процессу, изменение значения максимальной силы света, не отражающее истинности физического смысла установленного явления деградации. Предложены методики изучения деградации при различных электрических режимах и условиях эксплуатации светодиодов.
8. Предложенная модель излучающей структуры светодиода, представляющая из себя совокупность мини р-n переходов с различными Uf и Eg, формирующими своим параллельным включением суммарную вольтамперную характеристику и спектральное распределение излучения объясняет связь электрических характеристик структуры и физические механизмы деградации светового потока.
9. Установлено, что многие экспериментальные данные по свойствам синих светодиодов: ширина спектрального распределения, сдвиг максимума излучения в коротковолновую область при увеличении плотности прямого тока в отсутствие нагрева активной области (например, при питании в импульсном режиме), вольт — амперные характеристики и т. д., могут быть рассмотрены на основе модели неравномерного распределения состава InxGai XN в активной области кристалла, а светодиод представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных n — GaN и р — GaN эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия в квантовых ямах. Площади микродиодовS (x) с различным содержанием индия (х) в квантовых ямах в первом приближении могут быть описаны гауссовским распределением относительно средних значений х.
10. С помощью компьютерного моделирования активной области структуры в части суммарной скорости излучательной рекомбинации в наборе квантовых ям (UBB) и полного числа квантов, излучаемых в наборе ям (UBB * S*d), установлено, что через площадки с меньшим (х<0,2) содержанием индия (х) в квантовых ямах проходит ток значительно большей плотности, что объясняет ускоренную деградацию характеристик их излучения и соответствующее этому, смещение спектрального состава излучения всей структуры в длинноволновую сторону.
11. Установлено, что соответствие полученных различным способом характеристик позволяет использовать рассчитанные данные для обоснования закономерностей в изменениях характеристик светодиодов, наблюдающихся при длительной наработке, поскольку деградация величины светового потока экспоненциально зависит от плотности тока J:
Ф (0= ®(0h)*exp ((-J)*a*t) где:
J-плотность тока, A/cm2- t-время наработки, hа- коэффициент, описывающий скорость деградации, cm2*A',*h" 1 Ф (1)-световой поток через время наработки t, Ф (ОЬ)-начальный световой поток, lm.
Исходя из этой закономерности, можно рассчитать фактор деградации светового потока, а и значение светового потока в любой момент времени наработки t относительно начального Ф (0Ь), что может служить долгосрочным прогнозом поведения этой важной характеристики.
12. На основе рассчитанных моделей спектрального распределения излучения и вольт — амперной характеристики показано, что имеет место практическое совпадение этих характеристик с измеренными в ходе эксперимента у образцов с минимальным значением деградации параметров, и обосновано отличие этих характеристик от расчётных у приборов с высокой степенью деградации. Данные расчётов также указывают на правильность предположения о сегментной структуре активной области р-n перехода, что и следует из описанных совпадений.
13. Получены основные выводы по физическим процессам в излучающих структурах, приводящим к деградации параметров и их связь с характеристиками светодиодов:
• Образцы с наибольшим световым потоком обладают наименьшим показателем деградации светового потока.
• Наряду с изменением значения светового потока происходит существенное перераспределение его плотности внутри диаграммы излучения при наработке.
• Подгруппы образцов с наименьшим начальным прямым напряжением Uf (0h) имеют наибольший показатель деградации светового потока.
• Центр спектрального распределения излучения смещается в длинноволновую сторону, увеличивается его ширина.
14. Установлено, что деградация величины светового потока у гетероструктур AlGalnP жёлтого цвета свечения на Si-подложках (в среднем -48% за 10 000 часов), существенно выше, чем деградация гетероструктур на GaP-подложках (в среднем -22% за 10 000 часов), а у гетероструктур AlGalnN зелёного цвета свечения, выращенных на А1203-подложках (в среднем -40% за 10 000 часов), деградация существенно выше, чем деградация у гетероструктур, выращенных на SiC-подложках (до -25% за 10 000 часов). Эти результаты могут быть объяснены значительным отличием в плотности дислокаций из-за разной степени рассогласования кристаллических решёток подложек и выращенных на них структур [44].
15. Обоснован выбор режима наработки и измерений параметров светодиодов при токе 80 тА. Применённая конструкция кристаллодержателя обладает значительной эффективностью по отводу тепла, а большая плотность тока через кристалл катализирует процессы деградации в структуре. Выбор такого значения тока также обусловлен и тем, что в дальнейшем процесс тестирования и сортировки на производстве предполагалось проводить при близких значениях прямого тока. Обоснована корректность выбора плотности тока при проведении эксперимента по деградации: преобладания механизмов деградации, связанных с температурой в данной конструкции светодиодов нет.
16. Показано, что описанные средства и методики измерений, расчётов характеристик светодиодов, а также выбранные параметры и принцип их выбора для исследования физических механизмов деградации в совокупности обладают универсальным инструментом для проведения подобных экспериментов для любых типов светодиодов, или иных источников излучения, имеющих любые электрические характеристики, формы пространственного распределения излучения, спектрального состава и широкого диапазона оптической мощности.
17. На основе представленных выводов была разработана программа проведения эксперимента по изучению выявленных деградационных зависимостей на партии светодиодов, выпущенных промышленным способом на серийном производстве. Показано, что результаты эксперимента по изучению деградации повторились при исследовании большого количества (не менее 100 ООО) светодиодов, а связь показателей деградации параметров с прямым напряжением и значением светового потока в начальный момент позволяет выполнять селекцию неисправных приборов на производстве, не прибегая к технологической операции искусственного старения. Определено, что показатель деградации имеет зависимость от конструкции излучающего кристалла, и также, определяется материалом излучающей структуры.
18. На основе рассчитанных в эксперименте величин была составлена система режимов измерения параметров при сортировке светодиодов на производстве с помощью стандартных сортировочных машин, которые позволят достоверно отделить экземпляры с потенциально большими показателями деградации или могущими впоследствии выйти из строя, хотя и изначально удовлетворяющие всем требованиям. Обосновано, что критерии сортировки должны быть рассчитаны при больших плотностях тока, что подтвердила серия выполненных сортировок с измерением параметров в пяти точках при разном прямом токе в импульсном режиме. Установлено, что предложенная методика такой сортировки позволяет также сделать достоверный прогноз качества произведённых светодиодов и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для устранения возможного брака на выходе. Сделан акцент на то, что предложенные методы сортировки на производстве не несут ни дополнительных затрат времени, ни оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала.
