автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование и разработка методов повышения качества, надежности и радиационной стойкости светодиодных модулей

094610333

На правах рукописи

ВИНОГРАДОВ Владимир Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И-РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА, НАДЕЖНОСТИ И РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВЕТОДИОДНЫХ МОДУЛЕЙ

Слециальносгь: 05.11.14 - Технология приборостроения

А И Г ОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кйь^лдата технических наук

1 4 ОКТ 2010

Работа выполнена на кафедре «Инновационные технологии в приборостроении, микро- и оптоэлектронике» Московского государственного университета приборостроения и информатики и на предприятии ОАО «ПОЛА+»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Рыжиков Игорь Вениаминович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гуляев Александр Михайлович

кандидат технических наук Черных Сергей Петрович

Ведущая организация: ОАО «Оптрон» (г. Москва)

Защите состоится «26» октября 2010 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета: Д.212.119.0! в Московском • государственном • университете -приборостроения и информатики по адресу: 107996, г. Москва, ул. Стромынка, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного универсигета приборостроения и информатики.

Автореферат разослан «24» сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.,профессор

В.В. Филинов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

. ■.■ 1.1. Актуальность ••

В настоящее время, мы являемся свидетелями и, в определенной мере, участниками научно-промышленной революции в области оптоэлектроники и светотехники - массовой замены традиционных источников освещения: ламп накаливания, электролюминесцентных ламп и др. Полупроводниковыми аналогами, которые отличаются высокой эффективностью, надежностью, экономичностью, экологической безопасностью и большим сроком безотказной работы (свыше 100 ООО.чаров).. . ,

Весьма актуальной является разработка и организация производства не дискретных светодиодов, а светодиодных модулей. Технология должна быть гибкой (ГАЛ и ГАП), легко перестраиваемой в течение 1-2 месяцев на выпуск широкой номенклатуры изделий по требованию заказчика.

Технология должна. обеспечивать выпуск светоизлучающих приборов двойного назначения: гражданского и спецприменения (в космической и бортовой аппаратуре, а также ядерной электронике).

Актуальной представляется задача оценки надежности разрабатываемых изделий путем проведения механических, климатических и life time испытаний.

Светоизлучающие модули, применяемые в спецаппаратуре, должны соответствовать определенной группе стойкости. Поэтому актуальной задачей является проведение испытаний по воздействию нейтронного, электронного и гамма облучения на электрические и светотехнические параметры и характеристики. . .

Таким образом,, актуальность определяется разработкой универсальной гибкой технологии изготовления различных типономиналов светодиодных модулей гражданского и спецприменения, оценкой их надежности и радиоактивной стойкости.

1.2. Цель работы И'Заддчи исследования

Целью работы является разработка инновационной универсальной chip-on-board технологии создания; эффективных, мощных, экологически чистых источников освещения нескольких типономиналов гражданского и спецприменения, излучающих в телесном угле от 3° до 47г-стерадиан, оценка надежности и радиационной стойкости модулей.

Для выполнения поставленной цели определены и решены следующие задачи:

• оптимизированы .совместно с производителем (фирмой SemiLEDs) параметры эффективного чипа с гетерострукгурой на медной подложке;

• разработаны конструкция и технология изготовления многослойных печатных плат, обеспечивающих эффективный отвод тепла, пригодных для

работы при повышенных уровнях нейтронного облучения; проведен оптический расчет и разработана конструкция и технология изготовления линзовых крышек, обеспечивающих эффективный сбор излучения нескольких гетероструктур и люминофора и формирование суммарного светового потока в заданном телесном угле от 3° до 4л-стерадиан;

разработана программа размещения гетероструктур на печатной плате в определенном порядке в зависимости от типа светоизлучающего модуля; разработана универсальная технология сборки с принципиально новым способом герметизации компаундом, содержащим смешанные в определенной пропорции зерна люминофора и частицы рассеивателя (кварца) с использованием оригинального метода автодозировки; проведена оценка надежности дискретных СД новой конструкции и светодиодных модулей по результатам механических и климатических испытаний по стандарту, приближенному к MILS-STD 883 ref (США), и life time испытаний;

проведена оценка радиационной стойкости по результатам исследования влияния проникающей радиации (нейтронов, электронов и гамма квантов) на электрические и светотехнические характеристики СД и светодиодных модулей с красным, зеленым, синим и «белым» цветом свечения.

1.3. Научная новизна

разработана принципиально новая технология создания элементной базы светодиодов нового поколения всех основных цветов, включая «белый» -полупроводниковых аналогов традиционных источников освещения, превосходящих последние по светотехническим характеристикам, экономичности, надежности и сроку службы;

совместно с ОАО «Платан» (г. Фрязино Московской обл.) разработана серия люминофоров на основе алюмо-иттриевых гранатов, которые при возбуждении ФЛ InGaN-гетероструктурой с синим или УФ излучением способны давать белый свет с различной цветовой температурой (холодный, теплый, дневной), повышенной временной стабильностью и радиационной стойкостью;

установлено, что AIInGaP и AIInGaM гетеропереходы имеют р-п*(р*)-р-структуру с одной квантовой ямой в середине высокоомной компенсированной п (р')-области или множественными (4—5) квантовыми ямами в переменно легированной в такт с изменением состава оптически активной области, представляющей собой сверхрешетку; показано, что механизмом переноса электрического тока и возбуждения электролюминесценции в этих структурах является двойная инжекция, а экспериментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) как до, так и

после облучения находят естественное объяснение в рамках диффузионных и(или) дрейфовых теорий двойной инжекции Холла, Клайнмена, Рашба-Толпыго, Параментера-Руппеля, Ламперта-Роуза и др. исследователей;

• разработана математическая модель р-п*-п-гетероструктуры, которая позволила получить аналитические зависимости силы света от тока, напряжения и электрофизических параметров материала оптически активной области для основных участков ВАХ;

• проведены приоритетные исследования изменения вольт-люмен-амперных характеристик при облучении «голых» AlInGaP и AlInGaN ге-тероструктур и СД всех основных цветов, включая «белый», нейтронами, электронами и гамма квантами и произведена оценка константы снижения силы света (х0Кт), являющейся количественным критерием радиационной стойкости.

• проанализированы причины цветовой нестабильности «белых» СД и модулей при life time испытаниях.

1.4. Практическая значимость работы заключается в том, что:

• разработана инновационная chip-on-board технология изготовления экономичных, эффективных, надежных, экологически чистых, радиационно-стойких источников освещения нового поколения;

• разработан ряд конструкций источников освещения различного назначения: полупроводниковый аналог лампы накаливания, люминесцентной лампы, светодиодный модуль 5x3R, модуль 3x4xR LED, 3x6xR Mon и

др.;

• предложен принципиально новый способ использования полимерного компаунда с люминофором и рассеивателем и новый метод герметизации путем автодозировки;

• проведенные механические, климатические и испытания на длительную наработку (life time) разработанных модулей позволили внести существенные коррективы в технологический процесс и техническую документацию;

• проведенные приоритетные исследования радиационной деградации показали высокую радиационную стойкость модулей, что позволяет использовать их не только в гражданской, но и бортовой аппаратуре.

1.5. Реализация и внедрение результатов работы

Разработанный технологический процесс и конструкции новых источников освещения нашли практическое применение и внедрены в ОАО «Оптрон», ЗАО «ПОЛА+».

Данные по надежности и радиационной стойкости использованы в конст-

рукторской документации и ТУ на выпускаемые модули.

1.6. Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях «Инновационные технологии в науке, технике и образовании»: Кемер (Турция) - 16-23 октября 2007 г., Хаммамет (Тунис) - 12-19 октября 2008 г., Таба (Египет) - 14-21 ноября 2009 г.

1.7. На защиту выносятся следующие положения:

• инновационная технология изготовления нового поколения светодиодных модулей;

• оптимизированные технологические процессы сборки, включающие диагностику и использование чипов улучшенной топологии на медном основании, печатных плат на основе алюминия с улучшенным теплоотво-дом, новых методов герметизации (автодозировку);

• математическая модель р-п'-п-гетероструктуры, содержащей компенсированный п -слой, одну или несколько квантовых ям, расположенных либо в середине этого слоя, либо в переменно легированной в такт с изменением состава оптически активной области;

• результаты механических, климатических и life time испытаний светодиодных модулей и анализ результатов испытаний на базе математической модели;

• результаты испытаний на воздействие проникающей радиации (нейтронов, электронов и гамма квантов) и оценка радиационной стойкости (т0Кт) на основе экспериментальных данных и математической модели.

1.8. Публикации

Основные научные результаты отражены в 9 публикациях, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК.

1.9. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Основная часть диссертации изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц и 4 фотографии, а также имеет 3 приложения, изложенных на 20 страницах машинописного текста.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы. Представлены сведения об апробации и о реализации ре-

зультатов работы, а также основные результаты и положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведено сравнение различных типов источников освещения по базовым характеристикам. Показано, что по всем основным параметрам (кроме цены) они превосходят лампы накаливания и люминесцентные лампы.

Во второй главе проанализированы преимущества и недостатки основных методов получения источников освещения белого цвета: RGB и путем смешивания синего (УФ) излучения InGaN гетероструктуры и желто-зеленой полосы ФЛ люминофора на основе алюмо-иттриевого граната.

Используя принцип дополнительных цветов Ньютона и результаты колориметрического расчета были оценены значения длины волны желтой ФЛ X = 0,573-0,575 нм и координатами цветности X = 0,52, Y = 0,47.

Используемый в данной работе алюмо-иттриевый гранат (YAG) имел следующую химическую формулу: (Y^xGd^Ali-yGay^O^.

В качестве оптически активных добавок применялись редкоземельные элементы (РЗЭ), их оксиды и другие соединения. Для легирования YAG-люминофоров, применяемых в источниках белого света, использовался церий (Се). Добавка празеодима (Рг) приводила к получению белого света теплых тонов. Добавка гадолиния (Gd) приводит к сдвигу спектра в длинноволновую сторону, а добавка галлия (Ga) вызывает сдвиг в противоположном направлении и способствует улучшению временной стабильности.

Необходимым условием получения однородного белого свечения без его дифракционного разложения на синюю и желтую составляющие являлось введение третьего компонента в состав полимерной композиции оптического рас-сеивателя из неорганических материалов с высоким коэффициентом отражения (Si02, Ti02, Zr02) при соотношении удельных поверхностей зерен фотолюминофора и оптического рассеивателя как 4-103 см2/грамм : 100-103 см2/грамм.

На основе приведенного колориметрического расчета были сформулированы основные требования, которым должен удовлетворять желтый люминофор. Равномерное по составу и толщине полимерное покрытие гетероструктуры достигалось применением принципиально нового метода дозированного введения компаунда.

В результате решения всех колориметрических и оптических задач по созданию белых СД новые люминофоры типа ФЛИС-7 на основе алюмо-иттрий-гадолиниевых гранатов позволили достигнуть:

• высокой световой отдачи от - 80-120 лм/Вт;

• большого постоянства цвета излучения в выбранном поддиапазоне оттенков белого (холодный, дневной, теплый);

• высокой силы света излучения как для узкоградусных приборов (> 100

Кд), так и в широкоградусном варианте (> 19 Кд);

• высокой стабильности излучения в процессе длительной наработки.

Для возбуждения желто-зеленой полосы ФЛ алюмо-иттриевого граната и получения белого излучения смешиванием этой полосы с синим (УФ) излучением InGaN//GaN гетероструктуры последние использовались совместно с фотолюминофором .

Необходимым условием получения большого световыхода путем увеличения тока является создание эффективного способа отвода тепла. Гетероструктуры, выращенные на подложке из карбида кремния фирмой Cree не обладают оптимальными параметрами и довольно дороги. Для гетероструктур, выращенных на сапфире, вследствие низкой теплопроводности последнего необходим монтаж с перевернутым кристаллом (флип-чип). Однако, этот способ более трудоемкий, дорогой и не может быть использован в chip-on-board технологии.

Поэтому нами были использованы гетероструктуры, выращенные на сапфировых подложках. Затем последние стравливались и заменялись подложками из медного сплава, которые по теплопроводности и низкой стоимости превосходили подложки из карбида кремния.

Поперечное сечение и вид сверху гетероструктуры на медном основании приведены на рис. 1.

$ ' I - 4 \Х • ш

Пямбертоеею'й caeioec« no;ov

, Структурирования/ад&ер»«с1ьапя f'iM^-''-* ттнкшс вшоды »íETyMeíew

Пзсошция

r>GV< Crorf растелаида Tíwa Ммзмфгтмнкыв 1МКЯ)

Oipaxsoíuní* спой (>9Q%3

| |

слой

йт Ftf^útík тйпгх?проводиости

Анод с омнмаяьным эвтехтичеекнм «ОШМТиьеМ CftO^u

(а)

"........ ......................................." ' " Н-ппсаД-««

^ ; m 5CTfmmffi -■■■ •••• »TjOstAÍM ®

ВИ« | 1......

Сбоку : .................. J ....... _ Hj?¡>^^

Рис. 1. Поперечное сечение (а), вид сверху (б) и микролинзы (в) на лицевой поверхности чипа на медной подложке

Для получения равномерного по площади тока и почти полного вывода излучения через лицевую поверхность кристалла применялись «сетчатые» омические контакты (рис. 1 Ь) и путем травления на поверхности изготавливались микролинзы (рис. 1 с). Для увеличения эффективности почти в два раза между кристаллами нитрида галлия и медным основанием формировалось светоотражающее покрытие.

Гетероструктуры на медном основании без дополнительного теплоотвода могут работать при токе до 0,7 А и температуре 100°С. Наличие дополнительного теплоотвода позволяет увеличить прямой ток до 1,5 А, а температуру до 110°С.

В качестве элементной базы для создания источников освещения 1ЮВ-методом использовались эффективные гетероструктуры, излучающие в красной (Я), зеленой (в) и синей (В) области спектра.

В источниках освещения, использующих смешивание излучения гетероструктуры и алюмо-иттриевого люминофора, применялись структуры с синим и УФ излучением с одной и множественными квантовыми ямами.

Профили распределения заряженных центров в гетероструктурах АПпБаН и АПпОаР, излучающих в красной (К), зелёной (01 и в2) и синей (В) областях спектра, до и после облучения нейтронами с энергией 2,65 МэВ и флуенсом 1015 н/см2 представлены на графиках рис. 2.

Рис. 2. Распределение концентрации заряженных центров в II, и В

р-п'-п-гетероструктурах до и после облучения нейтронами (Ф = 1015 н/см2)

Состав полупроводника и содержание заряженных центров в структурах а, представляющих собой фрагменты сверхрешетки, изменялись синхронно. Минимальная концентрация примесей наблюдалась в квантовых ямах, а максимальная — в барьерах.

Ширина квантовых ям и барьеров составляла 20-30 А, а компенсирован-

ного слоя AlInGaP гетероструктур 160 (R), возрастая на 25-30% после облучения нейтронами с флуенсом 1015 н/см2.

У AlInGaN гетероструктур ширина компенсированного слоя составляла 70-80 нМ (Gl и В) и 20 нМ (G2) и не менялась при облучении. Проводимость легированных слоев в AlInGaN гетероструктурах практически не менялась при облучении, а в AlInGaP - снижалась.

Сила света в гетероструктурах с множественными квантовыми ямами в среднем была на 25-30% выше, а прямое падение ниже, чем в структурах с одиночными квантовыми ямами.

В процессе разработки дискретных мощных космоцветных и «белых» СД нами был использован новый подход, который заключался в качественно ином использовании дисперсной среды.

Последняя дозировано и с равномерным распределением вводилась в полость в основании линзы и для обеспечения такого введения в подложке предусмотрено два отверстия - одно входное, другое выходное.

Для обеспечения максимальной равномерности излучения следует использовать рассеивающие частицы размером от 4 до 10 мкм. Введение в иммерсионную среду частиц люминофора такого же размера позволяет получить «белые» СДУ.

С целью увеличения угла сбора излучения от отдельного светоизлучаю-щего кристалла полость в крышке над ним выполнялась с конической поверхностью, направленной раструбом в сторону внешней поверхности крышки, причем поверхности полости придавались дополнительные отражающие свойства путем полировки и применения отражающего покрытия (алюминия).

На рис. 3 представлены конструкции известного из литературы и вновь разработанного СД. На этом рисунке обозначены: установочная часть линзы -1, подложка (в данном случае металлическая) - 2, светоизлучающий кристалл -3, токопроводящий клей - 4, электрические присоединительные выводы - 5, компаунд - 6, крышка линзы - 7, выводы от кристалла - 8, изолирующий слой - 9, на котором по заданной технологии разводки сформован металлически слой - 10. Над кристаллом 3 в крышке 7 находится полость 11, в которой на металлической подложке 2 размещены кристалл 3 и выводы 8.

На рис. 3 б показано, что полость 11 заполнена компаундом в виде иммерсионной дисперсионной среды, а для заполнения этой полости в подложке 2 имеются два отверстия 12 и 13, одно - для впрыскивания компаунда, другое -для выхода его после заполнения полости 11. Полость 11 выполнена конической, раструб конуса направлен в сторону наружной поверхности крышки 7, внутренняя поверхность этой полости металлизирована.

Совмещение крышки и матрицы фиксируют котировочными штырями (на рисунке не показаны) и сквозь одно отверстие в полости (11) вводят в нее иммерсионную дисперсионную среду в виде тщательно перемешанной смеси

рассеивающих частиц с частицами люминофора в органическом наполнителе. Введение заканчивается, когда из второго отверстия в полости (13) начинает появляться иммерсионная дисперсионная среда, т.е. когда полость полностью и надежно заполнена при всех технологических разбросах размеров полостей по всему устройству в целом.

-/у, у у у, У У У К ,-11 е

//г </ .'/ // '/ '/ '/ 'X /

а. Л' />/'Л" " У "/К/

х/ х х ^ •/. У у У '/У/к ,^'4 У У У У, У, У '¿/¿/'А Л

У У>У У У У У У/ У/ У 'А я

Су,/ У

г&гжйЩтЫ,/ ¿"Я » У/' л /| \ I' \ У' * 1

----■/ 12

3

1

(а)

(б)

Рис. 3. Конструкция прототипа (а) и вновь разработанная конструкция (б)

Введение дисперсной среды в полость увеличивает угол излучения в 1,5 раза и силу света при том же токе питания - в 2 раза.

Таким образом, в предложенной конструкции достигается:

• автодозирование иммерсионной дисперсной среды;

• введение иммерсионной дисперсной среды непосредственно в пространство, окружающее светоизлучающий кристалл;

• равномерное заполнение пространства около каждого кристалла иммерсионной средой с наполнителем;

• отсутствие бокового синего излучения гетероструктуры. Все это обеспечивает равномерность свечения.

Крышка изготавливается из поликарбоната путем прессования или из ак-рилата полимеризацией под давлением. Для заливки использовалась кремний-органика.

Для создания светоизлучающих модулей нового поколения нами предложена и реализована принципиально новая сЫр-оп-Ьоагс! (чип на плоскости) технология создания не дискретных СД, а светодиодных модулей.

Отличительной особенностью данной технологии является автоматическая посадка чипов непосредственно на плоскость группового основания, которое одновременно выполняет функцию несущей платы с элементами крепления, управления и теплоотвода. Сбор излучения осуществляется линзовыми крышками, изготовленными из прозрачного поликарбоната. Причем в основном используются моноблоки из шести и более линз.

На основе разработанной сЫр-оп-Ьоаг<1 технологии посадки гетерострук-тур на алюминиевое основание в определенном порядке, различном для моду-

11

лей разного назначения, и моноблоков линзовых крышек, также различных для полупроводниковых аналогов ламп накаливания, люминесцентных ламп и более сложных источников освещения, был разработан ряд конструкций. На рис. 4 приведены фотографии элементов конструкции полупроводниковых аналогов лампы накаливания, люминесцентных ламп, а на рис. 5 - габаритный чертеж светодиодного модуля 3x6xR Mon, используемого в лампах прожекторного ти-

(а)

(б)

Рис. 4. Фото светоизлучающего модуля полупроводникового аналога лампы накаливания (а) и электролюминесцентной лампы (б)

Рис. 5. Габаритный чертёж светодиодного модуля 3x6xR Mon Размеры печатной платы 43x200 мм или 58x200 мм.

Параметры светодиодного модуля приведены в табл. 1.

Светодиодный модуль 3x6xR Mon

Таблица 1

Параметр Значение

Сила света, Кд 8000

Количество гетероструктур, шт 18

Диаграмма направленности излучения, градусы ¡0 или 60

Прямой ток, А 2

Прямое напряжение, В 10-12

В третьей главе приведена оценка надежности СД и светодиодных модулей в составе готовых изделий по результатам механических, климатических и life time испытаний по стандарту, приближенному к MIL-STD 883 ref (США). Положительные результаты испытаний показывают, что по надежности полупроводниковые лампы значительно превосходят лампы накаливания, люминесцентные и галогенные лампы и могут использоваться в аппаратуре гражданского и спецприменения.

Испытания на длительную наработку (life time) проводились на СД с красным (R), зеленым (G) и синим (В) цветом свечения для оценки снижения силы света «белых» СД, изготовленных RGB-методом. Результаты представ-

Рис. 6. Зависимости силы света от времени наработки СД с красным (1), зеленым второго типа (2), синим (3) и «белым» (4) цветом свечения

Из графиков рис. 6 следует, что у СД на основе AlInGaN гетероструктур с красным и AlInGaN с синим цветом свечения в начальный период времени (до 4000 час.) сила света растет, в то время как у зеленых и «белых» падает.

Снижение силы света при life time испытаниях, начиная с определенного момента времени, может быть представлено в следующем виде:

Iv(t2)/Iv(ti) = «p[-a(t1-t2)í (1)

(кроме начального периода времени наработки).

Фактор а = 6,8-10"61/час (R), а = 5,5-Ю"61/час (G2), а = 5,7-Ю"61/час (В), а = 5,3-10^ 1/час (W),

На графике рис. 7 представлены результаты испытаний партии СД с красным цветом свечения в количестве 1200 шт. в течение 12 000 час.

Из графика следует, что для прогноза наиболее приемлем участок от 1000 до 12 000 час., на котором сила света монотонно снижается со временем.

Прогнозируемое снижение силы света за 100 000 час. непрерывной работы составляет 27%.

Константа а, определенная за 12 000 час. непрерывной наработки, в 2-3 раза ниже, чем в том случае, когда наработка составляла 6000 час.

о 20 ICO 200 5М 10> 510» 1С 51С 104. ч.

Рис. 7. Зависимость силы света от времени наработки СД с красным цветом свечения

Изучение механизмов увеличения и последующего снижения силы света было проведено с использованием методики измерения распределения заряженных центров (РЗЦ) в активной области (рис. 2).

Существенную роль в этих процессах играет компенсированный слой, в котором при напряжении смещения большем контактной разности потенциалов возникает электрическое поле, и носители приобретают дополнительную энергию, которая ниже пороговой энергии дефектообразования (6-7 эВ). Проведенные расчеты показывают возможность подпорогового образования точечных дефектов электронно-дырочной плазмой. Скорость смещения атомов может быть записана в следующем виде:

dN 2 j хт

dt 3 е 0 ^

(2)

где о - сечение рассеивающего центра;

N0 - концентрация атомов кристаллической решетки»

Еа - пороговая энергия смещения атома;

кТс - средняя кинетическая энергия электрона (дырки), причем Ел» кТе.

Из выражения следует, что число смещенных атомов прямо пропорционально плотности тока и зависит от температуры, причем энергия активации составляет 0,43 эВ.

Характер изменения РЗЦ у СД довольно разнообразен. Практически у всех структур в первоначальный период времени наблюдается рост концентрации акцепторов в активной области. У СД с одной квантовой ямой в компенсированном слое первый период составил 100-200 час. В то же время у структур с 4—5 квантовыми ямами этот период может протекать в течение 300-3000 час.

При взаимодействии горячих электронов с атомами индия, галлия, фосфора и азота образуются дефекты в соответствующих подрешетках. В р-ваЫ существуют неактивированные атомы магния, входящие в нейтральные комплексы Одновременно реализуются процессы активации и создания вакансий в подрешетке азота Ум- На первой стадии преобладают процессы ак-

тивации Mg, которые ограничены низкой концентрацией Mg-H комплексов. На второй стадии преобладает создание вакансий VN, снижающих силу света.

Исследование цветовой стабильности источников «белого» цвета при life time испытаниях показали, что имеет место изменение координат цветности (рис. 8).

х

Рис. 8. Координаты цветности девяти образцов после life time испытаний в течение 1000 ч.

Снижение световыхода люминофора и увеличение силы света чипа является причиной сдвига координат цветности в синюю область, т.к. снижение интенсивности желтой полосы спектральной кривой и возрастание интенсивности синей происходят одновременно во время наработки (рис. 9).

Было исследовано влияние структуры чипа, излучающего в синей и УФ области спектра, и состава люминофора на изменение координат цветности в ходе life time испытаний. Возрастание интенсивности «синего» излучения наблюдали у структур, активная область которых имела 4-5 квантовых ям в относительно низкоомном материале и тонкую компенсированную область. Структуры, у которых изменение силы света было минимальным, имели относительно широкую компенсированную область с одной квантовой ямой в середине этой области.

fl.01« : 0.412 !

— О чз СО В —.1000 часоа

W

7М 780 ам >_НМ

-168 -JQ

(а) (б)

Рис. 9. Спектр СД «белого» цвета: стандартных (а) и с повышенной цветовой стабильностью (б) 15

Также были исследованы люминофоры различного состава и выбраны с минимальным изменением силы света желтой полосы в ходе life time испытаний. В результате были изготовлены светодиоды, у которых наблюдалось небольшое отклонение силы света синей и желтой полосы после life time испытаний в течение 1000 час. В интервале времени испытаний 168-500 час. изменения силы света обеих полос практически отсутствовали (рис. 9 б).

На основании вышеизложенного можно придти к заключению, что повышение цветовой стабильности можно достигнуть как путем корректировки технологии изготовления чипов и люминофоров, так и проведением измерения координат цветности после токовой тренировки в течение 168 ч.

В четвертой главе описаны наши приоритетные исследования воздействия проникающей радиации на AlInGaP и AlInGaN гетероструктуры и СД с красным (R), зеленым (G) и синим (В) цветом свечения, а также на СД с «белым» цветом свечения (InGaN//GaN + люминофор).

Исследования распределения заряженной примеси (рис. 2) показали, что СД имеют р-п -n-гетероструктуру, причем ширина компенсированной области у AlInGaP гетероструктур больше, чем у AlInGaN гетероструктур, и меняется при нейтронном облучении вследствие генерации глубоких центров.

ВАХ AlInGaP и AlInGaN гетероструктур с красным (R), зеленым (G) и синим (В) цветом свечения до и после облучения состояли из двух участков (рис. 10, И):

—'] + B(U-Uk)n. (3)

ркТ J v к/ w

Фактор «неидеальности» р = 2,0 у гетероструктур с красным и синим цветом свечения (рис. 11) и 2,2^,7 - с зеленым.

I = Isexp

Рис. 10. ВАХ AlInGaP (R) (1, 1') и AlInGaN (В) (2, 2')гетероструктур до и после нейтронного облучения

* «—'«* ----

U 1.4 1Л 1.8 2.0 Г. и

Рис. 11. Зависимость фактора «неидеалыюсти» р экспоненциального участка ВАХ от напряжения

Экспоненциальный участок ВАХ с фактором «неидеальности» Р = 2,0 находит объяснение в рамках диффузионной теории Холла в режиме высокого уровня инжекции (в компенсированном слое), согласно которой

16

^Ч!?!' (4)

1р V р

Степенные участки В АХ приведены на графиках рис. 12.

п = 2,0

IU.Uk). В

Рис. 12. ВАХ Я, 01 и В гетероструктур.

Ф, н/см2: 1 -0;2-ЗЮ13; 3 - 1015

Степенные участки ВАХ с показателем степени п = 2,0 в выражении (3) находит естественное объяснение в рамках дрейфовой теории Рашба-Толпыго для гетероструктур I типа с широкой компенсированной областью или диффузионной модели Клайнмена для структур II типа с компенсированной областью, не превышающей диффузионной длины носителей:

] = в(и-ик)2, (5)

•1п11р(по-Ро)хр

9 ер ц 1по~РоДр ( е

В = -—п рЧ . К0/ р (ё/Ьр > 3); В =

^ р I кт

О'

V Р У

Ь(Ь + 1)

1п

ХЛЕ)

(<1/Ьр < 1).

В выражениях (4) и (5) е - заряд электрона, <1 - ширина компенсированной области, (п0 - ро), Цп, рР, Пр - концентрации, подвижности и коэффициенты диффузии носителей в компенсированном слое; Ь^Иц - то же в переменно

легированной оптически активной п-области.

17

Проведённые ранее исследования по воздействию проникающей радиации на СД первого поколения показали, что основной причиной изменения электрических и световых характеристик является генерация центров безызлу-чательной рекомбинации и, как следствие, снижение безызлучательного времени жизни:

(т0/т)=1 + т0КхФ, (6)

где т0 - время жизни до облучения;

т - время жизни во время или после облучения;

Кт - константа повреждаемости времени жизни;

Ф - флуенс (доза) облучения.

Считая, что основной причиной изменения параметров ВАХ является деградация времени жизни, и используя аналитические зависимости основных участков ВАХ от тр, были получены следующие значения (т0Кт): (4,2±1,3)-10~14 см2/н для красных (Я), (2,3±1,3)-10~15 см2/н для зеленых (01); (0,5±0,17)-1(Г16 см2/н для синих (В).

Экспериментальные люмен-амперные характеристики, приведенные на графиках рис. 13, имели вид: 1у = Ыт, где т = 1 у 11,01 и В гетероструктур на экспоненциальном участке ВАХ и ш -> 0,5 на степенном.

1Е-< 1Е-1

1ЕЧ 1ЕЗ

С:01 0.1

Рис. 13. Люмен-амперные характеристики Я, 01, й2 и В гетероструктур до и после облучения нейтронами и гамма квантами. Ф, н/см2; О, рад: 1 - Ф, Э = 0; 2 -1) = 106; 3-И= 107;4-Ф= 1014;5-Ф = 1015

т = _Е_Р.;- т -^_т

2ехва * 1у р 4е2с12 -1 ' ^

На основе экспериментальных данных и теоретических исследований ВАХ была разработана математическая модель р-п*-п-гетероструктуры, изложенная в приложении к диссертации.

Согласно этой модели на холловском участке ВАХ зависимость силы света (К') от тока выглядит следующим образом:

_Гр^р „у.^ .2

■ — . . *.Ь М/"Р -» -» М 5

V

соответственно для линейной и «квадратичной» скорости рекомбинации носителей в квантовой яме. Здесь тк - излучательное время жизни; р - коэффициент излучательной рекомбинации; XV - ширина квантовой ямы; у„, ур - коэффициенты захвата электронов и дырок квантовой ямой.

На степенном участке ВАХ Рашба-Толпыго аналитические зависимости силы света от тока, параметров компенсированного слоя и размеров квантовой ямы выглядят следующим образом:

т 12ЬТр(по-р0) г , _2РгЛ^(по-р0)тр

= е(Ь + 1) 1у= ЗфТЩ ^ (8)

соответственно для линейной и «квадратичной» скорости излучательной рекомбинации носителей в квантовой яме.

Расчетные зависимости силы света от тока и электрофизических параметров материала оптически активной области, выведенные для основных участков ВАХ на основе данной модели, хорошо описывали экспериментальные люмен-амперные характеристики и позволили оценить величину произведения (т0Кх): (2,4±0,5)-10~14 см2/н для красных, (3,8±2,1)-1(Г15 см2/н для зеленых (С1); (0,7±0,1)-10~16 см2/н для синих, что находится в удовлетворительном согласии с ранее полученными значениями из анализа эволюции ВАХ при облучении.

Нами впервые было исследовано воздействие нейтронного и электронного облучения на СД и светодиодные модули с 1пОаЫ//СаЫ гетероструюурой и фотолюминофором.

Для оценки степени воздействия облучения на гетероструктуру и фотолюминофор одновременно с «белыми» облучались синие СД, имеющие аналогичную конструкцию.

Люмен-амперные характеристики «белых» и синих СД до и после облучения нейтронами приведены на графиках рис. 14.

Экспериментально определенные константы (хоКт) = (4,3±1,2)-10~15 см2/н для «белых» и (5,0±1,7)-10~15 см2/н для синих, т.е. в пределах погрешности эксперимента эти константы совпадают, и деградация «белых» СД в основном имеет место вследствие снижения времени жизни в компенсированной области гетероструктур.

(а) (б)

Рис. 14. Люмен-амперные характеристики «белых» (а) и синих (б) СД до и после облучения нейтронами. Ф„, н/см2: 1 - 0; 2 - 1013; 3 - 1014

По радиационной стойкости СД, изготовленные по 1ЮВ-технологии, уступают СД с гетероструктурой синего цвета и апюмо-итгриевым люминофором вследствие более сильной радиационной деградации АПгЮаР (Я) гетерострук-тур. Однако они более стойкие по сравнению с СД на основе твердых растворов арсенида фосфида галлия и арсенида галлия алюминия.

В заключении обобщены результаты исследований автора.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Для создания эффективных, мощных, радиационно-стойких СД выбрана и модернизирована InGaN//GaN гетероструктура размером 1520x1520 мкм, в которой для улучшения теплоотвода сапфировая подложка заменена медным основанием, для повышения выхода излучения использовано отражающее покрытие, а лицевая поверхность текстурирована.

2. Совместно с ОАО «Платан» (г. Фрязино) разработан ряд фотолюминофоров на основе алюмо-итгриевого граната (Yi_xGdx)3(A[,_YGaY)50|2 с разным соотношением иттрия, гадолиния, алюминия и галлия, легированных ионами церия Се+3 и празеодима Рг+3, с различной цветовой температурой и оттенками белого света (теплый, холодный, дневной), с повышенной временной и радиационной стабильностью.

3. Предложена и реализована инновационная chip-on-board технология изготовления источников освещения нового поколения гражданского и спецприменения, предусматривающая посадку чипов с гетероструктурой непосредственно на алюминиевое основание по заданной программе (в зависимости от типа модуля). Сбор излучения осуществляется линзовыми крышками, которые формируют световой поток в заданном телесном угле от 3° до 4и-стерадиан в зависимости от требований заказчика.

4. Проведенные механические и климатические испытания, а также испытания на длительную наработку (life time) по методикам, близким к MIL-STD 883 ref (США) показали высокую надежность изделий. Прогнози-

руемый по результатам life time испытаний срок службы составляет 100 ООО часов.

5. Исследование цветовой стабильности источников «белого» цвета с люминофором показало, что при life time испытаниях происходит изменение координат цветности вследствие сдвига максимума спектральной кривой в синюю область спектра, что связано с различной степенью деградации силы света гетероструктуры и люминофора в ходе наработки. Предложены технологические методы и режимы токовой тренировки для устранения цветовой нестабильности.

6. Исследование воздействия проникающей радиации: нейтронов, электронов и гамма квантов на СД и светодиодные модули трех основных цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (В), применяемых в космоцвет-ных СД и источниках белого света показали высокую радиационную стойкость InGaN гетероструктур и люминофора при относительно небольшой стойкости AlInGaP структур.

7. Экспериментальные ВАХ AlInGaP и AlInGaN гетероструктур, состоящие из двух участков: 1 = Isexp(eU/ßkT)+ B(U-UK)n получили естественное объяснение в рамках классических диффузионных и дрейфовых теорий двойной инжекции Холла, Клайнмена, Рашба-Толпыго, Параментера-Руппеля и др. исследователей, что позволило разработать математическую модель светоизлучающей р-п -n-гетероструктуры и вывести на ее основе расчетные зависимости силы света от тока, напряжения и электрофизических параметров материала оптически активной области.

8. Расчетные и экспериментальные вольт-амперные и люмен-амперные характеристики, полученные при различных флуенсах нейтронного облучения позволили оценить величину произведения (т0Кх): (2,4±0,5)-1044 см2/н для красных, (3,8±2,1)-10"!5 см2/н для зеленых (Gl), (0,7±0,1)-10~16 см2/н для синих, которая является количественным критерием радиационной стойкости.

9. Оценка воздействия нейтронного и электронного облучения раздельно на гетероструктуру и фотолюминофор, проведенная путем одновременного облучения «белых» и синих СД одинаковой конструкции, показала относительно более высокую радиационную стойкость люминофора. По стойкости гетероструктуры на медном основании уступали чипам на сапфире и карбиде кремния.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Виноградов B.C., Рыжиков И.В., Руденко H.H., Сумин С.Б., Фирсов A.C. Полупроводниковая лампа - новый источник освещения// Сборник «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», М.:

21

МГУПИ, 2008. Т.2, с.3-19.

2. Виноградов B.C., Рыжиков И.В., Руденко H.H., Сумин С.Б., Фирсов A.C. Исследование воздействия быстрых нейтронов и электронов на светодиоды с белым цветом свечения// Сборник «Инновационные технологии в науке, технике и образовании». М.: МГУПИ, 2008, т. 2, с. 20-29.

3. Гридин В.Н., Рыжиков И.В., Виноградов B.C., Щербаков В.Н. Полупроводниковая лампа - источник освещения, альтернативный лампам накаливания и электролюминесцентным лампам//«Компьютерная оптика». 2008, 32(4), с. 375-384.

4. Гридин В.Н., Рыжиков И.В., Виноградов B.C. Исследование воздействия быстрых нейтронов и электронов на светодиоды с белым и синим цветом свечения// «Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА», 2009, № 1(75), с. 27-32.

5. V.N.Gridin, I.V.Ryzhikov and V.S.Vinogradov. A Study of the Effect of Fast Neutrons and Electrons on White and Blue LEDs// Semiconductors, 2009, Vol. 43, No. 13, pp. 1690-1694.

6. Кондратенко B.C., Рыжиков И.В., Куроедов A.B., Виноградов B.C., Фирсов A.C., Руденко H.H. Полупроводниковые источники освещения - революция в оптоэлектронике// «Вестник МГУПИ». 2009, № 1.

7. Абдуллаев О.Р., Кондратенко B.C., Рыжиков И.В., Виноградов B.C. Люмен-амперные характеристики р-n -п-структур на основе твердых растворов фосфида и нитрида галлия индия алюминия (теория)//«Вестник МГУПИ». 2009, № 21, с.95-103.

8. Кондратенко B.C., Абдуллаев О.Р., Виноградов B.C., Рыжиков И.В., Фирсов A.C. Сравнительное исследование воздействия проникающей радиации на светодиоды нового поколения на основе AlGalnP и AlGalnN гете-роструктур//«Приборы + автоматизация», 2009, № 1, с. 24-36

9. Абдуллаев О.Р., Виноградов B.C., Рыжиков И.В. Вольт-люмен-амперные характеристики р-п'-п-структур на основе твердых растворов фосфида и нитрида галлия индия алюминия (теория)//Сборник «Инновационные технологии в науке, технике и образовании», М.: МГУПИ, 2009, т. 1, с. 111-117.

JIP № 020418 от 08 октября 2007 г.

Подписано к печати 22.09.2010 г. Формат 60- х 84 Объем 1,0 п л. Тираж 100 экз. заказ 185.

Московский государственный университет приборостроения и информатики

107996, Москва, ул. Стромынка, 20