автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Физико-технологические основы повышения эффективности полупроводниковых источников света

На правах рукописи

ЩЕРБАКОВ Валентин Николаевич

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Специальность

05 27 01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003070937

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рыжиков Игорь Вениаминович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Вигдорович Евгений Наумович

кандидат физико-математических наук Туркин Андрей Николаевич

Ведущая организация

ОАО НПП «Сапфир», Федеральное агентство по промышленности

Защита диссертации состоится «24» мая 2007 г в аудитории К-102 в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212 157 06 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу г Москва, ул Красноказарменная, д 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ) Автореферат разослан << 2.3 » апр<?Л9) 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 2!2 157 Об

дтн, профессор

Мирошникова И Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Разработанные в 70-80-\ гг светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, элементы шкал и экранов на основе бинарных соединений и твердых растворов А'В" нашли широкое применение в устройствах индикации, контроля и отображения информации малой мощности как гражданского, так и спецприменения Помимо «грязного» цвета свечения, не соответствующег о стандартам, эти светодиоды имели низкую эффективность и силу излучения - единицы или десятки милликанделл, тогда как в обычных светотехнических устройствах этот параметр должен составлять тысячи и десятки тысяч кандел

В 90-х гг за рубежом, в основном в Японии и США, были созданы эффективные полупроводниковые источники излучения второго поколения на основе АПпСтаР, 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

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 ШНакамура из фирмы №с1на исследовал пленки нитридов галлия и так подобрал легирование (Мд или Zn) и термоэлектронную обработку, чго смог получить эффективную инжекциго гетероперехода в активную Са1.х1п^ обтасть, легированную цинком Спектральные максимумы голубых и зепеных СД лежали около 460 и 520 нм В 1993 г фирма М1сЬа начала выпуск синих С'Д

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 3 и существенной экономии электроэнергии

В настоящее время данное направление оптоэлектроники бурно развива-

ется 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

В настоящее время мощные светодиоды (СД) и светоизлучающие устройства (СДУ) белого цвета являются наиболее быстро развивающимися направлениями оп го электроники 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 уровня 80-120 лм/Вт

Цель работы

Систематическая оптимизация параметров излучающих структур (гетеро-структур и фотолюминофоров), а также элементов конструкции и технологии, повышение надежности и радиационной стойкости

¿^iiLMiLe^^lQCTtjranacb JTocTaiiOBKOH и решением следующих задач 1 В контакте с ведущими фирмами-производителями зпитаксиальнкх структур Osram Semiconductors, Lumiieds lighting, Epistar, Cree по согласованным ТУ организована поставка чипов гетеростру ктур 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 спеюр 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 Разработка математической модели гетероструктур I и II типа

5 Разработка двух вариантов конструкции и технология изготовления белых СД и СДУ В первой (RGB) в одном корпусе с фокусирующей линзой смешиваются световые потоки гетероструктур с красным, зеленым и синим цветом свечения, которые в итоге дают белый свет Во второй смешиваются световые потоки синего или УФ излучателя и стоксового люминофора на основе алюмогранатов иттрия и гадолиния, активированного ионами С1+3 и Pj3, излучающею в желто-зеленой области спектра

6 Проведение комплексных механических и климатических испытаний по методикам ОСТ В11 0563-88 и life time испытаний на наработку в течение 5000-20 000 ч позволили прогнозировать срок безотказной работы AlGalnP СД в течение 100 000 ч

7 Проведение 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, Al0 35Ga0 65As, GaAs06Po,4 и даже карбиде кремния

Направление и методы исследования

У СД и СДУ измеряли вольт-люмен-амперные характеристики (BJIAX) на автоматизированной усгановге 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 одно-

временной 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 056388 проводили на стандартной аттестованной аппаратуре

3 Достоверность и обоснованность подученных результатов Определяются хорошей воспроизводимостью результатов измерений, что обеспечивалось выбором гетероструктур для исследования из одной части пластины Измерения чипов, СД и СДУ проводились на автоматизированной установке, без участия оператора, с компьютерной обработкой результатов измерений по заданной программе Испытания на надежность СД проводились согласно ОСТ В11 0563-88 и радиационную стойкость выбирались с бтизкими параметрами из большой партии СД

Полученные данные согласуются с известными из литературных источников

Научная новизна работы

1 Комплексные исследования распределения заряженных центров, измерения вольт-люмен-амперных характеристик позволили установить структуру гетероперехода, наличие компенсированных слоев шириной 0,020,25 мкм, квантовых ям и барьеров шириной 25-30 А и связать стркутуру со световыми и электрическими параметрами гетероструктур

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, Лам-перта, Марка и др исследователей, а ВАХ зеленых гетероструктур I типа имею г особенности, связанные с несовершенством структуры активной области

3 Разработана математическая модель гетероперехода с одной или несколькими квантовыми ямами, которая позволила рассчитать люмен-амперные и люмен-вольгные характеристики, использованные при анализе надеж-

ности и радиационной стойкости СД

4 Проведенные комплексные испытания на длшельную наработку (life time) СД с красным, зеленым, синим и белым цветом свечения позволили установить, что у СД с красным цветом свечения в первые 300-1000 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 (т0Кт) =- (5±1,8) 10~14 см2/н, что примерно соответствует СД из фосфида i аллия, излучающих в красной области спектра Параметры и ширина компенсированной области у InAlGaP СД изменялись при облучении Вочьт-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 1015 н/см2 Величина (тпКт) была менее (0,6±0,2) 10"'6 см2/н

Практическая полезность заключается в разработке разных вариантов конструкции и технологии нескольких типов СД и СДУ с силой свега 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

Life time испытания показали, что минимальная прогнозируемая наработка красных СД составляет 100 000 часов при снижении силы света на 20-27%, а у зеленых и синих - 2-3 раза ниже

Испытания по воздействию нейтронов и гамма квантов на СД с красным, зеленым, синим и белым цветом свечения показали их значительно более высокую радиационную стойкость по сравнению с СД первого поколения на основе

GaP, Al^Gaj xAs, GaAs0sPo,» и Даже SiC

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1 Красные, зеленые, синие гетероструктуры, люминофор, иммерсионая среда с напочнителем (кварцем), линзовые крышки - как элементная база для изготовления белых СД и СДУ

2 Гетероструктуры I типа со множественными квантовыми ямами и барьерами и II типа - с одной-двумя квантовыми ямами в компенсированном слое нитрида галлия с одним-двумя гетеропереходами

3 Математическая модель для описания параметров и характеристику гете-роструктур I и II типа

4 Оригинальная конструкция белых СД повышенной эффективности и мощности и технология их изготовления

5 Результаты life time испытаний СД различного типа и цвета, расчетные значения коэффициентов MTBF и а

6 Результаты испытаний СД на воздействие повышенных флюенсов и доз нейтронного и гамма облучения Расчет констант повреждаемости времени жизни и снижения силы света Kt и KtT0

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы внедрены в 340 «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 цетях обеспечения качества и надежности аппаратуры», Сусс, Тунис, 9-16 оъ-тября 2005 г, на П-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия» (НГИА), г Санкт-Пегербург, СИГУ, 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 января-2 февраля 2007 г Пу^тикации

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работах, из которых 1 -гезисы доклада, 5 статей

Структура и обьем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы Основная часть диссертации изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 24 таблицы

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования и основные положения, которые выносятся на защиту

В первой главе проведен анализ развития данного направления, начиная с «хочодного света» О Лосева до современных мощных источников, способных освещать улицы и площади больших городов Ежегодный выпуск СД в про-мышленно развитых странах составляет 9-11 млрд шт Доля белых СД и СДУ достигает 50% от объема выпуск Сравнение полупроводниковой лампы с лампой накаливания и люминесцентной лампой по основным базовым показателям позволяег считать ее лидером за счет низкой стоимости эксплуатации, длительного жизненного цикла (свыше 100 ООО часов), высокой силы света, отсутствия ИК и УФ излучения и экологической безопасности

Во второй главе проведен анализ различных вариантов конструктивного изготовления СД с целью обеспечения максимального вывода излучения наружу и максимального отвода тепла Было разработано и предложено несколько вариантов конструктивного изготовления СД

- СД со сферической оптикой и с утлом излучения 22°, 30°, 60°,

- СД с линзой Френеля и утлом излучения 3°, РСТ71Ш99/00389,

- СД с круговой диаграммой, РСТЖи99/00387,

- СД с зеркальной растровой оптикои,

- полноцветные СД, обеспечивающие получение всех цветов в угле 30x90" с силой света около 3 Кд,

- СД прожекторного типа с силой света более 600 Кд при юке 40 мА

Использование модифицированного основания позволило увеличить размер кристалла до 1 у 1 мм, а теплоотвод в десятки раз

Выполнен тепловой расчет СД на сапфировой подложке и подложке из карбида кремния Суммарное тепловое сопротивление СД на сапфировой подложке составило 5 3 °С/Вт, а на подложке из карбида кремния - 1,1 °С/Вт, что

позволило увеличить номинальный ток до 0,35 А, а рассеиваемую мощность до 1,32 Вт

В третьей главе рассмотрены два основных принципа получения сложных цветов, в том числе и белого

Первый метод - аддитивный, основан на сложении трех основных световых потоков красного (К), зеленого (О) и синего (В) Этот метод подчиняется колориметрическому закону Грассмана, запись которого обычно приводится в следующем виде = аИ. -1- Ьв -г сВ, где Я, в, В - цвета красного, зеленого и синего поддиапазонов, тогда как а, Ь, с - их энергетические доли в суммарном белом цвете Эти доли не равны и составляют на примере системы БЕКАМ цветного телевидения соответственно а = 25-30%, Ь = 60-65%, с = 5-10%

Большое распространение получил альтернативный вариант, использующий принцип дополнительный цветов Ньютона, согласно которому два находящихся на разных концах диаметра источника цвета б сумме дадут белое излучение Несмотря на кажущуюся простоту, этот вариант потребовал большого объема исследований для детального согласования двух дополнительных цветов До настоящего времени метод дополнительных цветов используется в практике черно-белых кинескопов, при создании отдельных видов люминесцентных ламп и т д Обычно выбирают следующие пары дополнительных цветов красный, зеленый и синий

В колориметрической системе Международной Комиссии по освещению (МК01931) цвет, создаваемый синим излучением 1пСаМ-гетероперехода, располагается в левом нижнем углу Его координаты \ = 0,11 (0,12), > = 0,03 (для длины волны излучения X = 455 нм) По принципу дополнительных цветов сопряженный цвет должен находиться на пересечении прямой, проходящей через точку В (хв = 0 11, }В - 0,03) и точку (ху,- = 0,31, >\,. = 0,32) с локусом (огибающей) колориметрической системы МКО Эта точка находится в области чистых цветов с X = 574 им Это один из возможных простых вариантов определения дополнительного цвета

Второй заключается в использовании цветового равенства

[(Ч'-^МУч-Ув)3]12 11в = [(Х№-Ху)ЧУ^-УуЙ1: Л*»

где хл, уу, -координаты цветности опорно! о белого цвета, \в, У в - координаты цветности излучения СД,

ху, уу - определение координаты цветности сопряженного (дополнитель-

ного) желтого излучения фотолюминофора, г)в - светоотдача синего СД,

г]у - светоотдача желтого излечения люминофора

Первый вариант определения - графический - более удобен и нагляден, но менее точен Второй - расчетный - требует вариации параметров световой отдачи излучения СД и желтого люминофора

Оба эти варианта дают значение максимальной длины волны желтой фотолюминесценции X = 565-567 нм с координатами цветности х = 0,52, у = 0,45

В качестве второго источника, сопряженного с In\Gal.xN гетерострукту-рой, был выбран алюмо-иттриевый люминофор (УСёСЦуАЬО^ с добавлением СГ2 и с координатами цветности х = 0,52, у = 0 42-0,44 и /,Еах = 580-582 нм, который находился в суспензии с дисперсным наполнителем с размерами зерен ВЮг, ТЮ2 от 6 до 20 мкм

Оригинальным конструктивным решением для белых СД, отличающим его от всех существующих, явилось распотожение основания чипа на плоской поверхности крисгалтодержателя (теплоотвода) таким образом, чтобы «тело» чипа вместе с суспензией и наполнителем в виде люминофора и кварцевых зерен находилось в полости линзы из поликарбоната в виде усеченного кон\са, что обеспечивало полное смешение световых потоков из-за присутствия дисперсной среды Повышенный световыход обеспечивался как много хода воет ьга светового луча, так и эффектом полного внутреннего отражения света от границы раздела внутренней поверхности конуса и воздуха Данная конструкция обеспечивала также отсутствие боковой синей подсветки чипа и повышенный теплоотвод Последний имел место вследствие того, что отсутствовали промежуточные дет&ти или межсоединения между чипом и основанием

В четвертой паве исследованы две основные группы гетероструктур, излучающих в сине-зеленой и красно-желтой облаете спектра У первых оптически активная область шириной порядка 0 1 мкм содержала несколько квантовых ям, разделенных барьерами с концентрацией носителей 1018-1015 см-3 (рис 1)

Энергетическая диаграмма активной области гетероструктуры I типа приведена на рис 2

Рис I Распределение эффективной концентрации заряженных центров в гетеростр\кгурах первого типа (1-е зеленых: цветом свечения) и второго, с красным - 2, желтым - 3, зеленым - 4 и синим (5) цветом свечения с! - ширина оптически активной области в гетер о структур ах первого типа

Рис 2 Энергетическая диаграмма активной области гетероструктуры I типа

Для расчета энергетической диаграммы применяется квантово-размерное квантование с учетов двумерности газа носителей Величина Е* в активной

области определяется составом материала и первыми уровнями размерного квантования электронов и дырок в ямах (Ей и Ещ)

При прямом смещении гетероперехода, даже до выравнивания зон. электронный и дырочный газ вырожден, поля, разделяющие электроны и дырки, уменьшаются, что создает благоприятные условия для непосредственной рекомбинации электронов и дырок (рис 3) Е, эВ

Рис 3 Энергетическая диаграмма гетероструктуры АЮа№1пОа>1/ОаК в равновесии (1) и при прямом смещении (2)

Энергетическая диаграмма структуры II типа показана на рис 4 В структурах И типа преобладает двойная инжекция, диффузионный и дрейфовый перенос носителей и безызлучательная рекомбинация в компенсированном слое и излучательная в квантовых ямах Принимая, что концентрации носителей в компенсированном слое и квантовых ямах связаны линейной зависимостью, нетрудно получить аналитические зависимости между силой света и током (напряжением)

Они приведены в четвертой главе диссертации для основных диффузионных и дрейфоеых участков В АХ, а именно 1 = 151ехр|-^г\

1 = , J = В(и-ик)2 и I = A(u-Uk)3

t

<

Рис 4 Гетероструктура II типа, содержащая два гетероперехода, компенсированный слой и квантовую яму в середине этого слоя

В пятой главе надежность нового поколения мощных эффективных СД подтверждена положительными результатами механических и климатических испытаний большого количества партий СД по стандартам ОСТ В110563-88 или MIL-STD 8883

В ходе проведения испытаний был предложен экспресс-метод диагностики потенциально ненадежных СД, содержащих микропоры и микротрещины в пластмассовом корпусе путем 3-х дневной выдержки в водопроводной воде и последующей наработки в течение 3-х суток в форсированном режиме по току и температуре с контролем величины обратного тока

Life time испытания СД с зеленым, синим и «белым» цветом свечения проводили в течение 6000 ч при температуре 55°С Снижение силы света у всех приборов к концу испытаний составило ~ 10%, что согласуется с ранее сделанной оценкой

Исследование влияния температуры и тока на красные СД малой мощности показали, что повышение температуры до 85°С приводит к увеличению силы свеш в первые 1000 ч наработки, а затем происходит деградация

Повышение тока до 160 мА через СД стандартной конструкции приводит к снижению силы света на 40-50%

Аналогичные исследования, проведенные с мощными СД (номинальный ток 280-350 м А), показали, что повышение температуры до 100°С снижает си-

лу света на 50-60% у зеленых и синих СД на основе InGaN Изменения силы света с температурой не превышали 15% при 115°С (100 ООО ч ), у «белых» -изменения более значительны

Исследовано два типа «белых» СД - с синим и УФ чипом У первых сила света снизилась на 5,6%, а у вторых на 9,4% после 1000 ч работы В устройствах второго типа были обнаружены дефекты - коричневые точки на внутренней поверхности линз

В ходе life time испытаний белых СД было установлено, что в ходе наработки происходит рассогласование спектров синее излучение гетероструктуры растет, а желто-зеленое люминофора уменьшается Были предложены конструктивно-технологические методы введения токовой тренировки для минимизации эффекта рассогласования спектров

Т к из проведенных нами life time испытаний в течение 6000 часов следует, что этого времени недостаточно для прогнозирования работоспособности в течение 100 000 часов и определения коэффициентов MTBF и а, были проведены испытания красных СД в течение 20 000 часов, которые позволили прогнозировать вероятность безотказной работы в течение 100 000 часов со снижением силы света на 20%

В шестой главе приведены результаты комплексных исследований 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

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 толщиной 5-10 нм, легированными до уровня 1017-1018 см-3, разделенных барьерами из более широкозонного материала с содержанием примеси см 3 Механизмом возбуждения излучения в этих структурах являлась небарьерная инжекция и (или) туннелирование электронов сквозь барьеры, разделяющие квантовые ямы

Структуры второго типа имели два гетероперехода и компенсированный слой шириной 0,15-0.25 нм, 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, чему структур IIтипа

Экспоненциальные вольт-амперные характеристики гетероструктур II типа описывались классическими теориями двойной инжекции Холла, Карагеор-гий-Алкалаева-Лейдермана, Рашба-Толпыго, Ламперта-Роуза, согласно которым на экспоненциальных участках В АХ

I = 181 ехр(еи/2кТ), 1 = 152 е.\р(еи/1,5кТ),

1=(и-ик)''5, 1=(и-ик)2. 1=(и-икГ

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

Используя расчетные и экспериментальные ЛВАХ и считая, что основной причиной их изменения и снижения силы света является деградация времени жизни х-' - Тр1 + Кгт0Ф. рассчитаны константы снижения силы света при облучении

Для СД. излучающих в красной области спектра величина (тоК,), полученная из анализа изменения ВАХ и ВЛАХ, составила (5 ~ 1,8) 10~14 см2/н, что примерно равняется значению для СД из фосфида галлия и на один-два порядка ниже, чем у СД на базе гетероструктур А1од',Оао йтАб и СзАбо бРо 4

Вольт-люмен-амперные характеристики гетероструктур II типа практически не изменялись, пока флюенс не превышал 4,7 10'5 н/см" По приблизительной оценке величина (т0К,) = (0,6 ± 0,2) 10"'° см2/н, что примерно на порядок лучше, чем та же величина у СД из карбида кремния с желтым и синим цветом свечения

Рекордные показатели радиационной стойкости открывают приборам на основе растворов нитрида галлия хорошие перспективы применения в спецтехнике

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 В работе основное внимание было посвящено разработке конструкции и технологии мощных источников «белого» цвета и космоцветных све-тодиодов с потребляемой мощностью 2-25 Вт, напряжением 6 В, силой света 1500-2500 Кд в угле 2-3°, световым потоком 90-120 лм

2 При разработке белых СД и СДУ было выбрано два направления

а) Смешивание (объединение) световых потоков гетероструктур (чипов) красного, зеленого и синего цвета свечения в одном корпусе с фокусирующей линзой

б) Смешивание световых потоков чипа, излучающего в синей (УФ) области спектра со световым потоком возбуждаемого синим излучением чипа желто-зеленой полосы ЭЛ люминофора

3 При разработке RGB конструкции проводился выбор типа и оптимизация параметров активной области гетероструктур, излучающих в красной, зеленой и синей области спектра

4 Более эффективным оказался второй метод использующий принцип Ньютона по подбору сопряженных источников света Согласно этому принципу свет, создаваемый InGaN-гетероструктурой с длиной волны 455 нм с координатами х = 0,11, у = 0,03. должен смешиваться с источником с длиной волны X = 565-567 нм, с координатами цветности х = 0,52, у = 0,45, давая в итоге белый свет

В качестве второго источника был выбран алюмо-иттриевый люминофор (YCdClP2)Al50i2 с координатами цветности х = 0,52, у = 0,42-0,44 и Я.тах = 580-582 нм

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1 Щербаков В Н Исследование надежности и диагностика светодиодов на основе гетероструктур (AlxGai_x)o,5P и AlYGai.YN/InxGai.xN/GaN всех основных цветов //Сб грудов Юбилейной международной научн -техн конф по гетеросгруктурам (23-29 окт 2005 г , г Сафага (Египет)) / Под ред Академика РАН Гуляева Ю В - М МГУПИ, 2006 - С 65-74

2 Исследование воздействия радиации на оптические и электрические характеристики кристаллов А3В5 / В Н Щербаков, В С Абрамов, В С Рыжиков ВС и др // Тез докл III Всерос конф «Нитриды галчия, индия и алюминия-структуры и приборы» (13 -17 дек 2003 г, МГУ, г Москва) -М МГУ, 2004 - С 150

3 Щербаков В Н , Абрамов В С , Рыжиков И В Математическая модель светоизлучающих гетероструктур на основе твердых растворов фосфида и нитрида галлия, индия, ашоминия, облученных нейтронами и гамма квантами // Сб трудов междунар научн -техн конф «Информационные технотогии в науке, технике и образовании» (13-19 окт 2004 г , г Сусс (Гунис)) / Под ред Академика РАН Гуляева Ю В -М МГАПИ, 2005 - С 67-78

4 Щербаков В Н , Рыжиков И В , Селезнев Д В Исследование влияния нейтронного и гамма облучения на электрические характеристики ч силу света (AlxGai-x)oslno.sP гетероструктур с красным и желтым цветом свечения // Технологии приборостроения -2005 -№4(16) - С 11-22

5 Рыжиков И В , Щербаков В Н Новый эффективный источник освещения - полупроводниковая лампа с люминофором // Сб трудов междунар Научн -техн конф «Информационные технологии в науке, технике и образовании» (19-25 нояб 2006 1 , г Хургада (Ьгипет)) ISBN 978-5-8068-0373^4 -М МГУПИ, 2007 -Т И - С 32-41

6 Основные проблемы создания источников освещения на базе инжекцион-ной люминесценции, альтернативной лампам накаливания и люминесцентным лампам / В Н Щербаков, В С Абрамов, И В Рыжиков и др // Приборы - 2007 - № 5 - С 45-56

Подписано в печать Н С-Ц, 0? Зак. Щ т /ДО Д л ' Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Эволюция светодиодов - от «холодного света» Лосева до освещения улиц и площадей.

1.1. Историческая справка.

1.2. Сравнительный анализ основных типов ламп, применяемых для освещения.

1.3. Прогноз развития рынка белых светодиодов (СД) и светодиодных устройств (СДУ).

Выводы.

ГЛАВА 2. Элементы конструкции и технологии изготовления мощных светодиодов различного типа.

2.1. Расчет внешней эффективности и теплового сопротивления

СД различных конструкций.

2.2. Методы и результаты расчета температуры гетероперехода чипа).

2.3. Технологический процесс производства СД.

2.3.1. Производство кристаллов излучателей.

2.3.2. Производство оснований.

2.3.3. Производство линзовых крышек.

2.3.4. Сборка СД.

2.3.5. Входной контроль кристаллов.

2.3.6. Входной контроль оснований.

2.3.7. Входной контроль линзовых крышек.

2.3.8. Технология сборки для кристаллов. с контактами по обе стороны.

Выводы.

ГЛАВА 3. Принципы создания, элементы конструкции и технологии СД и СДУ белого цвета свечения (полупроводниковых ламп).

3.1. Принципы создания источников белого цвета.

3.2. Колориметрический расчет белого СД, состоящего из синего чипа и фотолюминофора желто-зеленого цвета свечения.

3.3. Элементы конструкции и технологии изготовления белых СД.

Выводы.

ГЛАВА 4. Математическая модель гетероструктуры, излучающей в красной, желтой, зеленой и синей области спектра.

4.1. Введение.

4.2. Электролюминесценция из оптически активной области гетероперехода при малом уровне инжекции в диффузионном приближении.

4.3. Электролюминесценция из квантовых ям в компенсированном слое при высоком уровне инжекции в диффузионном приближении.

4.3. Электролюминесценция из квантовых ям в компенсированном слое при высоком уровне инжекции в дрейфовом приближении теории.

Выводы.

ГЛАВА 5. Исследование надежности СД и светоизлучающих устройств при воздействии внешних факторов и длительной наработки (life time испытания) [30].

5.1. Надежность полупроводниковых изделий.

5.2. Дополнительные испытания на воздействие влаги.

5.2.1. Воздействие деионизированной воды.

5.2.2. Воздействие водопроводной воды.

5.2.3. Воздействие 1% раствора хлористого натрия в воде.

5.3. Испытания на длительную наработку (life time).

Выводы.

ГЛАВА 6. Исследование воздействия нейтронного и гамма облучения на вольт-люмен-амперные характеристики и параметры активной области эффективных (AlxGai.xVshtysP и (AlyGai. YN)/(InxGai.xN)/(GaN) гетероструктур с красным, зеленым и синим цветом свечения [41,42,43].

6.1. Методы облучения и исследования параметров гетероструктур до и после облучения.

6.2. Исследуемые структуры на основе (AlxGai.xVsIn^P с красным цветом свечения.

6.3. Распределение концентрации заряженных центров в гетероструктурах до и после облучения.

6.4. Вольт-люмен-амперные характеристики (Alo^GaojVsIno.sP гетероструктур с красным цветом свечения до и после облучения.

6.5. Обсуждение экспериментальных резцльтатов и оценка константы повреждаемости времени жизни.

6.6. Исследуемые структуры на основе (А1уОа1.уЫ)/(1пхОа х^/(ОаЫ) с зеленым и синим цветом свечения [44, 48].

6.7. Распределение концентрации заряженных центров в гетероструктурах I и II типа с зеленым цветом свечения до и после облучения.

6.8. Вольт-люмен-амперные характеристики (АЬуСА]. у^/(1КхОА1.х^/(ОАМ) структур первого и второго типа с зеленым и синим цветом свечения до и после облучения.

6.9. Обсуждение экспериментальных результатов и расчет констант повреждаемости времени жизни при облучении на основе математической модели гетероструктуры.

Выводы.

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 излучения -единицы 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 056388 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 3001000 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-и^5, 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 20062007 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 3820000 ч. и 0,026% соответственно (температура окружающей среды 55°С, 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.

1. Берг, Дин. Светодиоды. М.: Мир. 1972. 450 с.

2. Мешков С.П. Основы светотехники. М.: Техническая литература. 1960. Т. 1,2. 230 с.

3. Абрамов B.C., Щербаков Н.В., Рыжиков И.В., Сушков В.П., Юнович А.Э. «Светодиоды и лазеры». № 1-2. 2002. с. 25-30.

4. LumiLeds. Preminary Application Note Р01/ Lumileds custom Luxeon. 2002. # 1-2. P. 1-20.

5. M.George Craford. Visible light-emitting diodes: past, present and very bright future//MRS bulletin. 2000. № 1. P.27-31.

6. Волков В., Закгейм А., Иткинсон Г., Мизеров М., Пушный Б. Мощные полупроводниковые источники излучения//Электроника: Наука: технология, бизнес. 1999. №3. С. 16-21

7. Верещагин И.К. Предпробойная люминесценция. М.: Физматтиз. 1978.

8. Шмаков П.В. Телевидение. М.: Связьиздат. 1965.

9. Абрамов B.C., Сушков В.П. Авторское свидетельство СССР. (?)

10. Abramov V., Scherbakov V. et and. Patent W0 2006 006 002.

11. И.Коган Л.М. Современное состояние полупроводниковых излучающих диодов//«Электронные компоненты». 2000. № 2. с.22-27.

12. Сукач Г.А., Сыпко Н.И., Сушков В.П., Абрамов B.C. «Способ определения температуры активной области светоизлучающих приборов». Авторское свидетельство № 1473554 с приоритетом от 11.05.1987 г.

13. З.Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. М.: «Радио и связь». 1990. 321 с.

14. Кейси X., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах, М.: «Мир». 1981.13 с.

15. Abramov V., Scherbakov V. et and. US Patent 2006 006336A.

16. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектро-ники. М.: Физматкнига. 2006. 495 с.

17. Акимов Ю.С., Рыжиков И.В. Инжекция электронов и дырок в изоляторы и полупроводники//Электронная техника. Сер.2. Полупроводниковые приборы. 1972. №4. Т.1. С.3-29; Т.2. №4. С.47-76.

18. Shockley W. The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junctions transistors.//Bell Sest.TechJ. 1949. V.28. N.3. P.435-490

19. Barns C.E. Neutron damage in GaP(ZnO) light-emitting diodes.// Appl. Phys. Let. 1977.V.48. N5. P.1921-1927.

20. Herring C. Bell Sest.TechJ. 1949. V.28. N.401. P.172-181.

21. Rittner E.S. Phys Rev. 1954. V.94. P.l 161-1172.

22. Hall R.N. Power rectifiers and transistors.//Proc/IRE. 1952. P.1512-1518.

23. Paramenter R.H., Ruppel W.S. Appl. Phys. 1959. V.39. P. 1548-1555.

24. Ламперт M., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах/Пер. с англ.//М.: Мир. 1973. 146 с.

25. Рашба Э.И., Толпыго К.Б. Прямая вольт-амперная характеристика плоскостного выпрямителя при значительных токах //ЖТФ. 1956. Т.26. Вып.7. С. 1419-1426.

26. Lampert М.А., Rose A. Phys. Rev/1961. V.121. Р, 26-31.

27. Agilent Technologies/ Projected Long term HTOL light Output degradation of precision optical performance AlInGaP LeDs. 2004. P. 1-2.

28. Lumileds custom luxeon power light source design. Copiright с 2000 Lunileds Lighting publicstion. 2001. P. 1-20.

29. Long term reliability data for AlInGaP technjlogy T-VA LED lamps/Application brief 1-021. 2001. P. 1-9.

30. Yunovich A.E., Kudryashov V.E., Turkin A.N., Kovalev A.N., Manyakhin F.I. Spectra and quantum efficiency of light emitting diodes based on GaN-heterostructures with quantum wells//Physika Status Solidi. Vol. 176. N1. P. 125.

31. Вавилов B.C. Миграция атомов в полупроводниках и изменения числа и структуры дефектов, инициируемые возбуждением электронной под-системы//Успехи физических наук. 1997. Т. 167. № 4, с. 407-412.

32. Маняхин Ф.И., Ваттана А.Б., Рыжиков В.И., Абрамов B.C. Влияние внешних факторов на избыточные токи в светодиодах с гетерострукту-рами//В сб. «Моделирование и исследование сложных систем», ISBN-8068-0228-0, М.: МГАПИ. 2001. Т.1. С. 3-7.

33. Рыжиков В.И. Методы контроля радиационной деградации и оценки радиационной стойкости светодиодов на основе нитрида галлия//В сб. «Моделирование и исследование сложных систем», М.: МГАПИ. ISBN-8068-0197-7, 2004. Т.1.С.З-7.