автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений AiiiBv, используемых в высоконадёжных приборах

' На правах рукописи.

Никифоров Сергей Григорьевич

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СОЕДИНЕНИЙ АШВ\ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ВЫСОКОНАДЁЖНЫХ ПРИБОРАХ

Специальность 05.11.13. - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий».

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических паук

9 СЕН 2015

Москва-2015

005562050

005562050

Работа выполнена в аккредитованном центре по сертификационным испытаниям устройств светотехники и источников излучения ООО «АРХИЛАИТ».

Официальные оппоненты: 1. Вигдорович Евгений Наумович

доктор технических наук, профессор Московского государственного университета информационных технологий, радиотехники и электропики (МГУПИ), профессор.

2. Шмидг Наталия Михайловна

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

3. Ильичёв Эдуард Анатольевич

доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник НИИФП им. Ф.В. Лукина

Ведущая организация: ОАО "ГЗ "Пульсар".

Защита состоится 08 октября 2015 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.134.04. при НИУ МИЭТ по адресу: 124498, г. Москва, г. Зеленоград, площадь Шохина, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ и на сайте www.miet.ru

Автореферат разослан 2-6 О/р ^С^СЦУ! С( 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор

А.И. Погалов

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

Высокая скорость совершенствования технологий производства излучающих структур в последние годы привела к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов серийно производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов АЮа1пР, 1пОаЫ и АЮа1пМ, позволяющих создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств. Большое внимание уделено созданию твердотельного энергосберегающего освещения на основе мощных синих 1гЮаМ/ОаМ светодиодов с люминофорным покрытием. В настоящее время серийные светодиоды имеют светоотдачу до 160-180 лм/Вт, а декларируемые лидирующими производителями рекордные лабораторные образцы достигли 303 лм/Вт. Таким образом, светодиоды в несколько раз превысили светоотдачу лучших ламп, но заметно превосходят последних по стоимости. В то же время, имеют место проблемы деградации параметров как при изготовлении самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе, которые до сих пор недостаточно исследованы. Отсутствие методов комплексного решения проблем деградации на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация), в устройствах ответственного применения с повышенной степенью надежности (железнодорожное, судовое, шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического назначения (военная и космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра существующих проблем является проблема изменения (деградации) всего комплекса первоначальных параметров излучающих структур и светодиодов в целом. Эти эффекты значительно повышают общую стоимость производимого света, что может привести к нерентабельности перехода на твердотельное освещение. Природа этих явлений интенсивно изучается мировым научным сообществом на протяжении двух десятилетий, однако остается далеко не до конца выясненной, а общепринятые модели и методики исследования деградации отсутствуют до сих пор. Применение некоторых (ЬМ-80,ТМ-21), получивших наибольшее распространение связано с большим сроком исследования (порядка 1 года), что явно не отвечает потребностям отрасли и динамике совершенствования технологий производства светодиодной продукции. В то же время, корректные методики измерений параметров светодиодов в мировом масштабе остаются лишь на уровне рекомендаций МКО, в том числе, по причине отсутствия современных фотометрических и спектральных средств измерений. Отечественная метрологическая база уровня аккредитованных фотометрических лабораторий представлена лишь оборудованием китайского производства крайне низкого качества, либо использующим методики, не позволяющие корректно

измерять параметры светодиодов. Поэтому, изучение механизмов деградации в сложившихся условиях массового производства кристаллов и светодиодов на их основе являясь очень актуальным само по себе, в то же время, служит существенным стимулом к разработке современного фотометрического оборудования, могущего реализовать эти исследования. Результаты последних выходят за рамки чисто научных программ и становятся необходимыми непосредственно на производстве, где уже сейчас все больше требуется достоверная оценка не только параметров произведенных светодиодов, но и прогнозирование их надежности и срока службы. Эта тенденция требует необходимости проведения исследований не только физических причин изменения различных свойств гетероструктур на основе твердых растворов АЮа1пР, 1пОаЫ и АЮа1пЫ во время наработки светодиодов, но и разработки методик применения результатов этих исследований при конструировании и производстве светодиодов и устройств на их основе. Неотъемлемой частью таких исследований и внедрения их результатов в промышленное производство является также разработка новых методов и методик в области метрологии излучения, современных средств измерений характеристик светодиодов и устройств на их основе.

К важнейшим параметрам светодиодов относятся световой поток, сила света и значение прямого напряжения при рабочей величине прямого тока. В современном производстве эти параметры измеряются на каждом выпускаемом приборе с помощью автоматизированных установок, светодиоды сортируются по группам, имеющим определённые типичные значения этих характеристик. Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов в процессе наработки со значениями этих параметров до наработки, в перспективе, даёт возможность количественно прогнозировать срок службы светодиодов еще на стадии их производства, при штатной операции сортировки. В результате, имея такую возможность контролировать качество и потенциальную долговечность приборов, использование наиболее качественных из них позволяет строить устройства на их основе, имеющие максимальную надёжность при последующей эксплуатации, что особенно важно в ответственных светосигнальных приборах: светофорах, навигационной и индикаторной аппаратуре.

Цель работы.

Разработка современных методов и средств измерения фотометрических (радиометрических), колориметрических (спектральных) и электрических характеристик полупроводниковых излучающих кристаллов и светодиодов на их основе, использующихся как для изучения механизмов деградации характеристик приборов на основе материалов А "ву, производственного контроля параметров светодиодной продукции, так и для формирования комплексных исследовательских лабораторий, имеющих статус аккредитованных испытательных центров РФ для сертификационных испытаний светотехнической продукции.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- Разработать фотометрические методы и соответствующие средства измерения для определения параметров излучения светодиодов и устройств на их основе, исследования

деградационных явлений в полупроводниковых излучающих структурах и механизмов деградации их характеристик.

- Разработанные средства измерений (СИ) утвердить как типы СИ (внести в Госреестр СИ) с целью формирования высокоточных фотометрических измерительных систем для сертификационных испытаний светодиодных изделий и разработки методик измерений их параметров, в том числе в системе ГОСТ Р, ТР ТС.

- На основе созданных СИ разработать и организовать производство высокоточных фотометрических измерительных комплексов для оснащения светотехнических производств (контроль качества), отделов разработки и КБ, научных, исследовательских и мобильных лабораторий, национальных центров по сертификационным испытаниям.

- Сформировать расширенную систему физических параметров и характеристик светодиодов, основанную на их взаимозависимости и учитывающую деградационные явления.

- Исследовать и установить причины возникновения деградации основных параметров излучающих структур и приборов на их основе, провести моделирование электрических и оптических характеристик исследуемых структур.

- Найти взаимосвязь между степенью и скоростью деградации основных характеристик со значениями параметров в начале наработки.

- Разработать методики производственной сортировки светодиодов и устройств на их основе по сроку службы (потенциальной степени деградации параметров), позволяющие существенно повысить долю выхода качественной и надёжной светодиодной продукции и спрогнозировать срок ее службы.

- Используя результаты, полученные с помощью созданных средств и методик измерения полного комплекса характеристик светодиодов и закономерностей изменения параметров в процессе деградации электрических и излучающих свойств светодиодов с различной конструкцией кристаллов, изготовленных из эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов АЮа1пР, 1пОаЫ и АЮа1пК разработать светодиодные излучатели, используемые в качестве источников света, для применения в светосигнальных устройствах особо ответственного назначения (в железнодорожных светофорах).

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Сформулированы принципы построения средств измерений и метрологических комплексов на их основе для прецизионных исследований полупроводниковых излучающих структур фотометрическими (радиометрическими) методами.

2. Разработана принципиально новая конструкция фотометра (радиометра), обеспечивающая максимальную точность измерения силы излучения (силы света) и ей пространственного распределения независимо от расстояния фотометрирования и значения шага угла поворота гониометра (вплоть до 1 угловой минуты).

3. С помощью оптимизированной системы радиометр-гониометр, выявлено, что наибольшая точность измерений значения силы излучения (силы света) и её пространственного распределения для большинства источников обеспечивается радиометром с диаметром чувствительной части, близкой к диаметру максимально

открытого зрачка глаза. Это условие наиболее важно при исследованиях на фотобиологическую безопасность излучения.

4. Благодаря применению принципиально нового разработанного фотометрического метода неразрушающего контроля параметров светодиодов на основе гетероструктур АЮа1пР, 1пОаЫ и АЮа1пЫ выявлена взаимосвязь между степенью и скоростью деградации основных характеристик со значениями параметров в начале наработки, а также в любое время в течение срока службы.

5. С помощью разработанного фотометрического метода исследования излучающих структур выявлен эффект перераспределения плотности изменения интегрального значения светового потока (мощности излучения) со временем наработки в пределах пространственной диаграммы излучения.

6. Предложен метод расчета светового потока Ф(Ц, для любого времени наработки светодиода I, учитывающий плотность тока через излучающую структуру. Указанный метод использован для прогноза потенциальной степени деградации светового потока на срок до 100 000 ч.

7. Разработана модель, описывающая электрические и излучающие свойства 1пОаН кристаллов светодиодов, в которой учтено неоднородное распределение атомов индия в активной области гетероструктуры. Согласно этой модели, кристалл светодиода представляет собой совокупность параллельно включенных микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных п-ваН и рЧЗаЫ эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия (хь.) в квантовых ямах и величиной площади р-п перехода $(х;„.). Показано, что при различных значениях х/„. зависимости плотности тока от напряжения у микродиодов сильно отличаются.

Практическая значимость работы.

1. Предложенная новая, расширенная система существующих физических параметров светодиодов, основанная на их взаимозависимости и включающая характеристики, описывающие деградацию параметров светодиодов: скорость деградации светового потока и силы света, изменение прямого напряжения за время наработки позволила формировать оптимальные методики измерения характеристик и научные программы исследований полупроводниковых излучающих структур.

2. Новая комплексная методика измерений, компьютерные программы расчетов светотехнических, фотометрических, колориметрических, электрических и энергетических характеристик и параметров светодиодов существенно повысили скорость и точность измерения и расчёта значений величин при оценке качества приборов на производстве и при исследованиях в лаборатории.

3. Разработанные методики и средства измерения характеристик светодиодов (измерительный комплекс), а также методы отбора приборов по степени потенциальной деградации параметров использованы для создания и производства светодиодов со статусом вторичного эталона (эталонные, образцовые источники на основе светодиодов) для передачи основных фотометрических единиц при калибровке средств измерений.

4. Разработанные метрологические средства измерения характеристик светодиодов (измерительный комплекс) являются универсальными для исследования параметров любых

источников в диапазоне длин волн 180-1100 нм и мощности излучения 1 мВт - 1000 Вт и нашли своё применение от производственных участков, научных исследовательских лабораторий, до аккредитованных испытательных центров по сертификационным испытаниям светотехнической продукции. Указанный метрологический комплекс использован при формировании единственного вновь созданного за последние десятилетия независимого аккредитованного в государственной системе ГОСТ Р испытательного центра «АРХИЛАЙТ».

5. Разработанный алгоритм (последовательность) и режимы измерений, критерии сортировки светодиодов используются на стандартном производственном сортировочном оборудовании. Это позволяет достоверно отделить приборы с потенциально большими (от -20 % за 10000 ч. и более) скоростями деградации силы света или светового потока. Показано, что предложенные методы сортировки на производстве не требуют дополнительного оборудования, времени и трудозатрат персонала.

6. Применение в различных устройствах светодиодов, отсортированных по разработанным методикам на производстве позволило уменьшить, не менее чем на 90 % количество приборов, чей световой поток деградировал более чем на 20 % или вышедших из строя процессе наработки всего за 2 - 3 тыс. ч. Это имеет особо важное значение при их использовании в изделиях, влияющих на здоровье и жизнь человека (светофоры, медицинские световые приборы, аварийное освещение, и т.д.).

7. На основе указанных выше методов исследования и сортировки потенциальной степени надёжности излучающих кристаллов, разработаны и внедрены в производство высоконадёжные светодиодные лампы для использования в системах световой сигнализации ОАО «РЖД», существенно увеличивающие безопасность движения на ЖД, в том числе скоростного.

8. Результаты исследований светодиодов, проведённые в работе (деградационные, метрологические, производственные и др.) вошли в новую нормативную базу Государственной системы сертификации ГОСТ Р (ГОСТ Р 54350-2011, ГОСТ Р 54945-2012 и др.), а также в другие нормативные документы (ТС TP, САНПиНы, СНиПы), регламентирующие применение светодиодов и устройств на их основе.

Научные положения, выносимые на защиту. Положение 1. Учёт неоднородного распределения атомов индия в активной области гетероструктуры основе InGaN позволяет представить кристалл светодиода как совокупность параллельно включённых микродиодов с различным содержанием индия в квантовых ямах активной области и показать, что спектр излучения и суммарный световой поток светодиода в целом являются суперпозицией спектров излучения и световых потоков всех микродиодов.

Положение 2. Изменение значения интегрального светового потока при наработке всегда происходит одновременно с перераспределением его плотности внутри пространственной диаграммы излучения по причине неравномерной степени деградации интенсивности излучения микродиодов с различным содержанием индия и изменения шунтирующего действия центров безизлучательной рекомбинации.

Положение 3. Величина деградации энергетических характеристик излучения (световой поток, мощность излучения) находится в зависимости от степени перераспределения плотности светового потока (мощности излучения) по пространственной диаграмме в процессе наработки.

Положение 4. Длинноволновый сдвиг спектра излучения обусловлен тем, что в большей степени деградации подвержены области структуры с малым содержанием индия в активном слое (формирующие наиболее коротковолновую часть спектрального распределения излучения), через которые протекают токи с существенно большей плотностью, что и приводит в процессе наработки к смещению спектров излучения в длинноволновую область.

Положение 5. Скорость деградации светового потока светодиодов на основе кристаллов, выращенных при одних условиях, различна, и имеет зависимость от величины их прямого напряжения и значения светового потока (световой эффективности) в начальный момент времени наработки.

Положение б. Неоднородность спектрального состава пространственного распределения излучения структур на основе материалов AlnBv, изменяющаяся при наработке, обусловлена неравномерностью степени деградации секторов с различным содержанием атомов индия.

Апробация работы.

Материалы по теме настоящей работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:

- 1-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2001 г., докладом о методах измерения световых характеристик светодиодов.

- 25 сессии Международной комиссии по освещению (CIE) в Сан-Диего, США, 2003 год с представлением доклада «Red LED Railway Traffic Lights Visional Perception Research».

- 37-ом международном семинаре МЭИ «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 28 - 30 ноября 2006 г., докладом о результатах исследований физических механизмов деградации и сортировки светодиодов на производстве с применением разработанной методики

- семинаре «МИСиС - ULVAC - АГУ «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники» 2006 г.

- 5-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2007 год, докладом «Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGalnN».

- 38-ом международном семинаре МЭИ «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 2007 г., докладом «Надёжность и стабильность параметров светодиодов закладываются на производстве».

- 6-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 2008 г., докладом «Исследования и анализ

зависимости квантового выхода светодиодов на основе материалов AIGalnN от плотности тока в неразогревающем режиме».

- 6-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 2008 г., докладом «Метод исследования деградации излучающих свойств материалов на основе InGaN с помощью прецизионных измерений светового потока».

- в рамках форума «Роснано». Москва, 3-5 декабря 2008 г. докладом «Исследования деградации структуры полупроводниковых кристаллов и излучающих диодов на их основе».

- конференции «ТрансЖат -2008», 22-24 октября 2008 г. докладом «Физические аспекты восприятия приборов световой ЖД сигнализации на основе светодиодов и оправданность их применения».

- 4-м международном российско-японском семинаре МИСиС-Interactive Согр.-ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 24 - 25 июня 2008 г. докладом «Влияние ультразвукового воздействия на деградацию InGaN светодиодов».

- 7-ой Всероссийской Конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. Ломоносова, Москва, 01 - 03 февраля 2010 г. докладом «Л.И.С.Т.» -первый в России независимый аттестованный испытательный центр в области изучения деградационных явлений и метрологии излучения полупроводников».

- 8-ой Всероссийской Конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 26 - 28 мая 2011 г. докладом «Светодиодная лампа для железнодорожных светофоров».

- конференции фонда «Сколково», октябрь 2011 г. докладом «Современное состояние реальных параметров светодиодов. Опыт и эволюция исследований».

- LED-форуме в рамках выставки «Интерлайт-2011», ноябрь 2011 г. докладом «Современное состояние реальных параметров светодиодов».

- 1-ом Всероссийский светотехническом форуме «Инновационные продукты, материалы и технологии», Саранск, декабрь 2011 г. докладом «Лаборатория исследований источников света «Архилайт» - самый современный независимый аккредитованный испытательный центр в области метрологии излучения полупроводниковых и традиционных источников света».

- конференции «Светодиоды: чипы, продукция, материалы, оборудование» в рамках выставки «Экспоэлектроника-2012», «LED Tech Expo», Москва, 10-13 апреля 2012 г. докладом «Измерительное оборудование отечественного производства от лаборатории «АРХИЛАЙТ» для оснащения производственных фотометрических лабораторий».

- 9-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 13 - 15 июня 2013 г. докладом «Исследования деградации параметров гетероструктур InGaN на подложках из различных материалов в течение 50000 ч и сравнение результатов с прогнозом на стадии наработки до 2000 ч».

Публикации, патенты и акты о внедрении.

Всего по теме диссертационной работы автором опубликовано 55 печатных работ, из них 11 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Также, по теме работы получено 9 патентов на изобретения и полезные модели, зарегистрировано 8 актов о внедрении результатов работы на разных предприятиях, в различные области народного хозяйства Структура диссертации.

Работа состоит из введения, пяти глав, выводов по работе, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 373 страницы текста, содержащих 186 рисунков, 99 формул, 43 таблицы и 9 приложений. Использовано 138 литературных источников.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована её цель, научная новизна и практическая значимость результатов, отмечена важность их применения при разработке светодиодных устройств ответственного назначения, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1. Аналитический обзор публикаций.

В Главе 1 приведены сведения о физических процессах, протекающих в полупроводниковых структурах, рассмотрены преимущества и недостатки различных материалов подложек, используемых при эпитаксии структур, представлены наиболее популярные конструкции кристаллов, применённые для исследования в настоящей работе в составе светодиодов. Описаны различные типы светодиодов, области их применения и соответствующие особенности конструкции.

Отмечено, что представляемый и разработанный автором эксперимент по изучению деградационных явлений на основе прецизионных фотометрических измерений является логическим продолжением и развитием существующего опыта по изучению деградации параметров светодиодов, описанного в публикациях, где разъяснены причины изменения интенсивности люминесценции и эффективной концентрации заряженных центров ОПЗ исследуемых 1пОа№АЮаМЛЗаК светодиодов со временем наработки и прослежена взаимосвязь с одновременным изменением характера вольт - амперной характеристики и появлением туннельной составляющей тока. Однако выводы по изменению интенсивности излучения были сделаны по результатам измерения спектрального распределения в относительных единицах, что эквивалентно измерению силы света в одной точке. Тем не менее, такой характер изменения излучения, не отражает истинной картины изменения интегральной оптической энергии всей структуры, так как известно, что результатом деградации является не столько уменьшение суммарного светового потока, сколько часто просто его перераспределение по объёму кристалла. Вероятно, существует прямая связь этого факта с исследованиями количественного изменения заряженных центров ОПЗ и изменения плотности их концентраций в объёме ОПЗ со временем наработки. Исходя из этого, важной задачей, стоящей перед представляемой работой является исследование именно светового потока. В ряде работ, основной упор был сделан на изменение осевой силы света со временем наработки. Результаты представляемого автором эксперимента выявили, что достоверность выводов о причинах деградации по этому параметру является крайне низкой из-за большой вероятности геометрического перемещения значений силы

и

света в любой (в т. ч. и осевой) области диаграммы распределения излучения со временем наработки. Поэтому измерение и сравнение полных диаграмм пространственного распределения силы света является еще одной задачей описываемого эксперимента.

В одной из работ была прослежена связь изменения энергетических показателей выходного излучения кристаллов с соответствующими им изначальными электрическими характеристиками. Это было сделано подробно, но исследования в процессе деградации не проводились, а представленное поведение мощности излучения в зависимости от электрических характеристик носило интегральный характер, не позволяющий составить полную картину изменения излучения в разных областях кристалла, где требуется иной подход к измерениям: оптическая мощность связана со спектром излучения, который также изменялся. Исходя из этого, одной из задач данной работы является сопоставление измерений электрических характеристик и соответствующих им световых потоков светодиодов в процессе наработки.

Идея представления излучающей структуры, как большого числа параллельных структур с различными Eg, предложенная автором в настоящей работе, наиболее достоверно объясняет поведение большинства характеристик излучающих структур в процессе наработки. Существуют достаточно справедливое утверждение о том, что излучающую структуру стоит рассматривать не как единую область с флуктуацией ширины запрещенной зоны Eg, а как схему, где выполнено параллельное включение множества микроскопических р - п - переходов со своими, отличающимися друг от друга значениями Egl , Её2 ... Egn . Набор таких р - п - переходов, включенных параллельно и формирует все спектральное распределение плотности энергетической яркости кристалла, внося свой вклад в виде отдельной длины волны и соответствующей амплитуды излучения. Подобная модель излучающей структуры хорошо объясняет изменение параметров спектра со временем, когда изменения ширины запрещённой зоны каждого элемента приводят к пропорциональному изменению интенсивности излучения на своей длине волны. Точно такое же объяснение применимо и для изменения приложенного внешнего электрического поля. При повышении V/ будут включаться мини р - п - переходы с наибольшими Её, что увеличит вклад коротковолновых составляющих в спектр и наоборот, при этом рост интенсивности длинноволновых компонентов уже включенных в работу малыми Ь^- на экспоненциальном участке вольт - амперной характеристики, будет значительно меньшим из-за явления насыщения и ограниченного их количества, при определенном I}/ первый процесс будет доминировать над вторым. Этим объясняется характерная несимметрия спектрального распределения излучения, определяющаяся положением центроидной длины волны спектра при малых плотностях тока, выравнивающаяся при их увеличении или при изменении температуры. В первом приближении, количественный состав переходов с различными значениями ££ будет определяться гауссовским распределением относительно средних значений Её для данной структуры, что и можно заметить при рассмотрении вида формы кривых спектрального распределения, как результата сложения двух функций -упомянутой выше и функции распределения Ферми - Дирака. Таким же образом, состав спектра излучения позволяет судить о равномерности распределения легирующей примеси в слоях полупроводникового материала и наличии посторонних включений, что по сути и

определяет качество излучающего кристалла, и как следствие долговечность работоспособности светодиода.

В одной из публикаций описан еще один метод определения качества и структуры материала кристалла в части наличия в нём центров безизлучательной рекомбинации в области пространственного заряда, позволяющий получить информацию об этом принципиально другим методом, использующим свойства модуляции переменным сигналом и(1) ширины ОПЗ с одновременным постоянным смещением, либо малым переменным зарядом с!д(1), что вызывает пропорциональное изменение барьерной емкости. Очевидно, что связь спектральных характеристик и определённых таким методом качественных показателей материалов кристаллов в процессе деградации позволит наиболее достоверно усмотреть причины перераспределения светового потока и плотности тока в излучающей структуре, что может быть проверено математическим моделированием параметров структуры и также является задачей представляемой работы.

Также, можно заметить, что деградационная характеристика светового потока существенно отличается от деградационной характеристики максимальной силы света в части их крутизны и тенденции ухода (рис. 1), а наличие у светодиода оптики, объясняет факт значительного роста силы света на фоне практически не изменяющегося светового потока именно из-за описанного выше его перераспределения, а не изменения самого значения.

1.1

1.05

0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 О .Г

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Рис. 1. Относительные деградационные характеристики максимальной силы света Iv и светового потока Ф одного и того же светодиода.

Анализ результатов проведённых работ по деградации, публикаций и описанных в них исследований в совокупности с современными возможностями разработанной метрологической базы выявил значительную перспективность работ по изучению её причин фотометрическими и спектральными методами и определил необходимость проведения комплексного исследования для решения поставленных задач. Для его реализации необходимы:

- разработка новой подробной и обобщающей системы всех существующих физических параметров светодиодов с учётом их взаимной зависимости и указанием деградационных характеристик.

- разработка новой комплексной методики измерений параметров светодиодов

- создание специальных компьютерных программ для обработки данных и расчётов различных величин, моделирования и анализа исследуемых процессов

- разработка и создание специального метрологического комплекса для реализации измерений параметров светодиодов, предусмотренных указанной методикой

- разработка и реализация особой методики технологии производства образцовых светодиодов для исследования и порядка отбора исходных комплектующих и готовых приборов

- разработка и создание технической базы для реализации наработки светодиодов при необходимых условиях.

Проведённое исследование работ и материалов по деградации не выявило сколь значимых примеров их практического применения в современном промышленном производстве, прогнозировании ресурса наработки и надёжности светодиодной техники, а также в устройствах, требующих повышенную надёжность и ресурс наработки. Анализ существующих на данный момент разработок в области применения светодиодов в особо ответственных приборах весьма ограничен по причине минимального количества самих разработок и материалов, их освещающих. Однако среди имеющихся, наибольший интерес представляют отечественные разработки, требования к которым в таких сферах применения наиболее жёстки. Одним из самых динамичных и масштабных по внедрению светодиодной светотехники в эксплуатацию с такими требованиями является ОАО «РЖД», поэтому именно анализ его опыта процесса создания, внедрения и применения указанных приборов оказался наиболее содержательным, а работы по совершенствованию - самыми перспективными. Поэтому основной упор в представленной работе был сделан на использование результатов исследований и применённых методик определения потенциальной степени деградации параметров в конструировании светосигнальных приборов для нужд ОАО «РЖД».

Глава 2. Разработка методов и средств измерений параметров светодиодов. Система энергетических, электрических, фотометрических и колориметрических характеристик светодиодов.

В данном разделе описана не только существующая система характеристик, но и сформирована наиболее рациональная и информативная с точки зрения автора, отражающая максимальное количество характеристик, и что самое важное, их взаимозависимости, которые могут учитывать также и факторы деградации параметров в зависимости от времени и различных режимов работы (рис. 2).

Все параметры современных спецификаций делятся на группы, отражающие физический смысл и природу их происхождения, а также необходимость и удобство их использования потребителем при расчётах устройств, учитывающих или основанных на этих параметрах. В составе каждой группы существующей системы параметров светодиодов, представленные характеристики расположены вне зависимости от важности

(необходимости использования) для потребителя, однако информативность и физический смысл их находится в логической последовательности, позволяющей проследить связь большинства параметров.

Концепция и принципы построения системы измерительного оборудования. Концепция современного метрологического обеспечения научно-практической фотометрической лаборатории предполагает изучение максимально возможного количества параметров источников излучения, а измерение их характеристик является одной из самых ответственных частей ей деятельности.

Рис. 2. Блок-схема системы параметров светодиодов и излучающих кристаллов. Показаны основные величины и их возможные взаимозависимости.

Поэтому подход к разработке и созданию оборудования измерительного комплекса был направлен на интеграцию измерений различных величин в одном месте с одной стороны, и на универсальность такого комплекса без потери метрологических характеристик по отношению к большому динамическому диапазону и типам исследуемых источников с другой. Для осуществления данной программы большинство электронных устройств, механических систем и средств измерения было разработано и изготовлено специально. Наряду с этим, в рамках соблюдения федерального закона «Об обеспечении единства измерений» и для корректности выполняемых исследований с точки зрения связи полученных метрологических характеристик с эталонными величинами, основные средства измерения (СИ) были утверждены как тип СИ и внесены в Государственный реестр средств измерений и подвергались поверке в соответствии с утвержденной методикой и

Государственной поверочной схемой, регламентируемой ГОСТ 8.023-90 "Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений". Поверка осуществлялась на эталонной базе Всероссийского научно -исследовательского института оптико - физических измерений (ВНИИОФИ), держателя государственных первичных эталонов фотометрических единиц. Указанное метрологическое оборудование стало основой для создания испытательного центра, решающего как фотометрические задачи научных исследований и разработок, так и потребности сертификационных и инженерных испытаний светотехнических изделий, в том числе на основе полупроводниковых излучающих структур. С целью корректной с юридической и практической точки зрения возможности участия СИ лаборатории в государственной поверочной схеме, негосударственных и международных межлабораторных сличениях, а также в подтверждение независимости и компетентности, для лаборатории было создано юридическое лицо - ООО «Архилайт». Отдельные разработанные с применением созданного метрологического комплекса методики измерений вошли в соответствующие национальные стандарты (в системе ГОСТ Р), такие как ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний», ГОСТ Р 54945-2012 «Методы измерения коэффициента пульсации освещённости», проект ГОСТ Р «Системы светооптические светодиодные для железнодорожной светофорной сигнализации. Технические требования и методы контроля».

Описание разработанных средств измерений и области его применения.

Для осуществления возможности измерений представленной системы параметров, подавляющее большинство электронных устройств, оптико-механических систем и средств измерений было разработано и изготовлено специально. Основными средствами измерений сформированной лаборатории являются:

Установка для измерения силы света и силы излучения и их пространственного распределения «ФЛАКС-7».

Установка для измерения силы света и силы излучения и их пространственного распределения «ФЛАКС-20».

Спектрометрическая установка «Спекорд». По функциональному назначению, измерительное оборудование представлено следующими средствами измерения и установками. 1. Фотометрические, радиометрические измерения.

Основные параметры: сила света, сила излучения, световой поток, мощность излучения, угловые характеристики излучения, пространственное распределение силы света и силы излучения, формирование файлов формата лее и др.

- Фотометрическая установка «Флакс-20» (измерительная трасса 0,1-20 м)

- Фотометрическая установка «Флакс-7» (измерительная трасса 0,1-7,0 м)

- Фотометрические головки по ГОСТ 8.023-03.

- Радиометрические головки на основе фотодиодов Натата15и

В состав установок входят трёхкоординатные гониометры с шагом угла поворота 0,02 град, в двух плоскостях вращения и регулируемым положением оси вращения (третья координата).

2. Колориметрические и спектральные измерения.

Основные параметры: относительное спектральное распределение плотности энергетической яркости, цветовая температура, координаты цветности, характеристики спектра (длины волн), спектральная световая эффективность и др.

- Спектрометрическая установка «Спекорд» на основе спектрофотометра Specord-S600. Шаг измерения ОСПЭЯ-0,5 нм в диапазоне 180-1100 нм В состав установки входит эталонная по СПЭЯ лампа.

3. Измерение электрических характеристик.

Основные параметры: коэффициент мощности, активная и реактивная потребляемая мощность, потребляемый ток, вольт-амперная характеристика и др. -Измеритель электрической мощности -Измеритель ВАХ (в т.ч. в импульсном режиме)

-Измерители электрических параметров цепей (универсальные вольтметры)

4. Измерение освещенности.

-Измерители освещённости (люксметры). В состав средств измерения входят приборы Testo.

5. Другие средства измерения и вспомогательная аппаратура. -Система прецизионного питания источников излучения. -Система стабилизации сетевого напряжения

-Измерители геометрических величин (дальномеры, гониометры) -Измерители параметров окружающей среды.

-Система питания образцов при тестах на наработку (деградационные испытания) Блок-схема измерительной установки показана на рисунке 3. Фотометр 1 выполнен на основе фотометрической головки с коррекцией к V(X) не хуже 3 %. Гониометр 2 имеет датчики угла поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях (на рисунке 3-«Н» и «V»), способные регистрировать угловое перемещение гониометра вместе с закреплённым на нём излучателем (светодиодом, светильником и др.) с шагом в 0,02 град. Прецизионный источник тока 5 имеет 3 идентичных канала с цифровой настройкой значения выходного тока раздельно в каждом канале в пределах 0 - 1000 шА. Измеритель ВАХ - 7 был разработан с учетом возможности измерений подавляющего большинства электрических характеристик светодиодов. Предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретами в диапазоне 20 мкс - 30 мин для реализации режимов импульсного и разогревающего действия тока. Для измерений спектрального распределения энергии излучения Фе (А) использовалась спектрометрическая установка «Спекорд» - 3. Оборудование для обеспечения необходимых режимов светодиодов во время наработки. Основным условием является факт постоянства пребывания светодиодов в рабочем состоянии, по возможности, с минимальным количеством коммутационных циклов, которые обязательно внесут свой вклад в деградацию параметров. Исходя из этого, была разработана особая система питания светодиодов. Для каждого из исследуемых образцов индивидуально применена двухступенчатая схема стабилизации: по напряжению и току.

Методики измерений и расчётов параметров.

Частным случаем измерения углового распределения силы света является измерение её значения в одной точке. Совокупность этих точек (значений), соответствующих углу отклонения О от произвольно выбранной оси и есть функция пространственного распределения силы света /,. (О). На основе известного выражения для расчёта любого значения /,. было получено выражение для /,. в реальном фотометре, где учитывается спектральное распределение излучения светодиода, относительная спектральная чувствительность фотометра и его площадь, и расстояние до источника излучения, измеренное значение силы света приобретает вид:

2. Гониометр

Рис. 3. Блок - схема фотометрического стенда, специально разработанного для проведения эксперимента.

/„= (¡*Ь2*К)/Ка (2.1.)

где: Ка [мкА/лк], коэффициент преобразования фотометра по источнику типа «А» (данные результатов очередной поверки), К - коэффициент, определяющий разницу в спектральной чувствительности фотометра и спектральном распределении светового потока источника излучения (актиничность), /- фототок от фотометра расстояние до фотометра. Относительно неподвижных фотометров на некотором расстоянии расположен источник света (осветительный прибор), закрепленный на гониометре и имеющий возможность поворота в горизонтальной и вертикальной плоскостях вокруг своей оси на некоторый известный угол с помощью поворотных устройств. Каждому повороту на этот известный

угол приписывается соответствующее значение силы света, которую измеряет фотометр. Для корректного измерения по этой схеме необходимо одновременное выполнение трех

Рис. 4. Схематическое изображение процесса измерения углового распределения силы света: а) с минимальным дискретом угла поворота, оптимизации расстояния фотометрирования и площади фотометра; б) с некорректным выбором минимального дискрета угла поворота и расстояния фотометрирования.

1. Уровень освещенности площадки фотометра должен быть таким, чтобы его преобразователь находился на линейном участке характеристики.

2. Площадь фотометра должна быть «точечной» по отношению к площади излучения (геометрическим размерам светящей части) источника.

3. Расстояние от источника до фотометра должно обеспечивать соблюдение двух предыдущих условий.

Все эти условия связаны соотношением (2.1.) и являются компонентами закона «обратных квадратов», когда значение элементарной энергии (освещенности), которую фиксирует фотометр с площадью Эф изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния Ь от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра Е [лк] вырождается в единицу, не зависящую от расстояния — силу света IV [кд]. Автором было разработано такое конструктивное решение гониофотометрическон установки, которое удовлетворяет всем условиям и является предметом ряда патентов на изобретения. При таком решении измерение фотометрических характеристик не только оказывается максимально точным - с предельно возможным разрешением по углу поворота, но и делает указанное средство измерения универсальным для исследований источников любых интенсивностей (от 0,01 до 108 кд), с любыми диаграммами пространственного распределения силы света (силы излучения) в спектральном диапазоне 180-1100 нм, а также в трёх системах фотометрирования (С-у, В-р, ближнего поля), рекомендованных ГОСТ Р 54350-2011. Следует отметить, что указанная выше и запатентованная конструкция фотометра (радиометра) привязана к размерам чувствительной части сетчатки глаза и может также применяться для исследований фотобиологической безопасности источников в соответствии с 1ЕС 62471:2006 (ГОСТ Р МЭК 62471 -2013).

Глава 3. Исследование деградации параметров светодиодов.

Методика подготовки н проведения исследований по изучению деградации. В этом разделе работы представлена разработанная автором методика исследований деградации параметров светодиодов фотометрическим методом, а также технология производства образцов для исследования. Дифференцированы и описаны основные типы нарушений технологии и их последствия при наработке светодиодов. Раздел содержит также результаты исследований параметров деградацнонных характеристик светодиодов (со временем наработки до 50 000 ч) от ведущих мировых производителей. Наиболее важной частью предложенного исследования является расчёт большого числа производных величин, которые в совокупности с исходными, измеренными, позволят максимально полно описать картину изменения характеристик светодиода в процессе наработки и, соответственно, достоверно ответить на вопрос о причине возникновения этих изменений. Как уже говорилось выше, основным в системе указанных параметров будет световой поток Ф. Детальное наблюдение за его изменением в процессе длительной наработки именно с целью сопоставления с физикой работы структур и в столь масштабном варианте не производилось из - за относительной «непоказательности» этой зависимости для пользователя светодиодами чтобы объяснить картину происходящих изменений в светотехнических параметрах, к которым привязаны большинство спецификаций на светодиоды. «Интегральность» этого параметра не позволяет проследить за изменениями угловых характеристик и значений силы света на разных участках диаграммы. Однако именно световой поток является наиболее корректной величиной с точки зрения физики работы излучающей структуры, и тем самым сделать изучение причин деградации более частным и способным дифференцировать эти причины, относящиеся

только к энергетическим. В то же время, при необходимости можно легко перейти к характеристикам мощности излучения, используя данные измерения спектрального состава. Следует также отметить', что предположение о том, что в процессе наработки изменяется значение силы света в определённых точках диаграммы пространственного распределения излучения структуры, но не изменяется интегральное значение светового потока при этом, а только лишь перераспределяется его плотность, обязано именно изучению поведения светового потока. При этом важно иметь в виду, что перераспределение мощности излучения в описанном случае может иметь совсем иной вид, так как существует пропорциональное изменение спектра излучения по фотометрическому телу. Поэтому, существующие в настоящее время результаты исследования деградации по методу фиксации значения силы света в определённой точке индикатрисы излучения или измерения мощности излучения, не отражают всей картины происходящих в излучающей структуре изменений в процессе наработки, а то и зачастую являются ошибочными, и формирующими неправильные выводы по причинам деградационных явлений.

Последовательность и порядок измерений в ходе исследования. Структура описываемого эксперимента подразумевает измерение максимально возможного количества параметров светодиодов, как условие для получения наиболее достоверного ответа на вопрос о причинах и природе механизмов деградации излучающих структур на основе твёрдых растворов AniBv. Однако самым важным является нахождение связи в изменениях электрических характеристик с изменениями светотехнических в процессе деградации. Поэтому основной упор был сделан на измерение этих параметров при одинаковых условиях и в одинаковых последовательностях в каждой временной точке. Некоторые величины и зависимости были измерены в двух режимах: импульсном, исключающем разогрев структуры и статическом, учитывающем этот фактор. Исходя из этого, в процессе разработки эксперимента были выделены следующие параметры, входящие в общую систему параметров, и порядок их расчёта и измерения (показано на рис. 5).

Гууппа электрических характеристик

1. Прямое напряжение в статическом режиме (If = const) - Uf

2. Прямая вольт - амперная характеристика в импульсном режиме - If(Uf).

3. Обратная вольт - амперная характеристика в импульсном режиме - Ir (U,).

4. Зависимость прямого напряжения от времени наработки Uj (t) Группа энергетических характеристик излучения

1. Угловое распределение силы света - Iy (С2)

2. Световой поток Ф

3. Угол излучения по уровню осевой силы света 0,5 /,. 2 Oo.siv

4. Зависимость силы света от прямого тока Iv (If)

5. Распределение светового потока по углу излучения Ф(О)

6. Плотность светового потока 1,а или Ф(Л) Шф

7. Деградащюнная характеристика светового потока Ф(1)

8. Деградащюнная характеристика силы света /„ (I)

Группа спектральных характеристик излучения.

1. Спектральное распределение энергии излучения Фе (Я)

2. Спектральная световая эффективность К(Х)

3. Координаты цветности Л", К

Время, в течение которого велось наблюдение за параметрами, было разбито на этапы, по завершении которых производился описываемый комплекс измерений, затем светодиоды снова устанавливались на наработку до завершения следующего этапа. В каждой временной точке была реализована идентичная программа измерения всех светодиодов.

Рис. 5. Порядок проведения измерений и расчётов характеристик в процессе исследования.

Рис. 6. Деградационные характеристики прямого напряжения в 2-х режимах измерения.

Последовательность измерения параметров каждого светодиода была также строго сохранена независимо от групп светодиодов или времени наработки (рис. 5). Непосредственно во время измерения светотехнических характеристик, после установления термодинамического равновесия измеряется значение прямого напряжения 17/ на рабочем токе в статическом режиме. Результаты измерений в разных точках временного интервала наработки составляют деградационную характеристику прямого напряжения, которая может выглядеть как на рис. 6. Измерение прямой вольт - амперной характеристики (ВАХ) в импульсном режиме производится также для каждого временного интервала. Поэтому значения прямого напряжения V/ в случае его фиксации непосредственно при измерении светотехнических характеристик и в этом варианте при одном и том же токе будут несколько отличаться (рис. 6). Отражением зависимости интегрального значения светового потока и силы света от времени наработки является деградационная характеристика этих параметров, показанная ранее на рис. 1. Следует заметить, что единственной причиной несовпадения графиков этих зависимостей является обнаруженное с помощью разработанного в данном исследовании фотометрического метода явление не столько изменения значения потока, сколько перераспределения его плотности по фотометрическому телу со временем наработки (рис. 7). Степень несовпадения определяется степенью указанного перераспределения плотности светового потока.

Рис. 7. Перераспределение светового потока Ф по диаграмме излучения в процессе наработки.

Описание исследования.

Эксперимент включает в себя основную часть, которая предполагает измерения параметров специально изготовленных образцов и изучение их деградационных характеристик по установленной программе и вспомогательную часть, в которой проводятся более детальные

исследования некоторых параметров, требующих углубленного исследования с применением других режимов измерений, условий протекания наработки и образцов других конструкций. Также, к вспомогательной части эксперимента относится проверка сделанных на базе основного, выводов о причинах деградации параметров на значительной партии светодиодов, как факт практического применения результатов исследования. Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования и технология их производства.

Для получения достоверных результатов исследований и корректности сравнения параметров разных образцов, а также исключения влияния качества сборки на деградационные характеристики, производство светодиодов для эксперимента было выполнено по особой схеме, которая предполагала максимальное соблюдение технологии сборки приборов с контролем каждой операции и отбором из числа готовых образцов необходимого количества с предельно близкими характеристиками углового распределения силы света. В результате отбора образцов было сформировано 6 групп светодиодов, идентичных по конструкции кристалла (табл. 1), по 4 подгруппы в каждой группе, и по 5 светодиодов в подгруппе. Всего 20 светодиодов в каждой группе. С учётом количества групп (6) получилось 120 образцовых приборов, отобранных по всем вышеизложенным правилам.

Таблица 1. Применяемость кристаллов в образцовых светодиодах.

# группы Производитель кристалла Тип кристалла Цвет Материал Диапазон

1 CREE МВп&Ы'м С470-МВ290-Е1000 Синий InGaN/AIGaN/GaN B1 - B50

2 CREE МВ^Ы'ы С527-МВ290-50500 Зелёный InGaN/AlGaN/GaN G1 -G50

3 Е PISTAR Е5-СЕСН713 Зелёный InGaN/AIGaN/GaN Z1 - Z50

4 EPISTAR Е8-САЯЬ512 Красный AlGalnP R1 - R50

5 EPISTAR Е8-8АУЬ814 Жёлтый AlGalnP Y1 - Y50

6 LUMILEDS Н\УРЯ-В317 Жёлтый AlGalnP J1 - J50

Глава 4. Результаты эксперимента по исследованию деградации параметров светодиодов, их обработка н практическое применение на производстве.

Анализ поведения полученных деградационных характеристик выявил наиболее общую особенность для материалов всей группы на основе твёрдых растворов АШВУ: светодиоды с наибольшими значениями светового потока в группах имеют наименьшую степень деградации параметров, причём энергетическая световая эффективность при этом может и не превышать среднего для группы показателя. Это полностью подтверждается расчётом результатов данного исследования при условии формирования подгрупп светодиодов по принципу начального значения светового потока.

Физические механизмы деградации параметров.

Автором было высказано предположение, что многие экспериментальные данные по свойствам синих светодиодов: ширина спектрального распределения, сдвиг максимума излучения в коротковолновую область при увеличении плотности прямого тока в отсутствие нагрева активной области (например, при питании в импульсном режиме), вольт

- амперные характеристики и т. д., могут быть рассмотрены на основе модели неравномерного распределения состава !пхОа|.хЫ в активной области кристалла, при этом предлагалось рассматривать модель кристалла и светодиода, изображённую на рисунке 8. Данная модель (флуктуация содержания 1п в квантовых ямах) упоминалась Маняхиным Ф.И., Юновичем А.Э. при описании исследований спектрального состава излучения структур на основе 1пхСаьхЫ с учётом хвостов плотности состояний в 20 структурах. Согласно этой модели, светодиод представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных п - ОаЫ и р -СаМ эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия в квантовых ямах. Последовательно с этой совокупностью микродиодов включено общее сопротивление контактов. В настоящей работе установлено, что площади микродиодов (секторов, площадок) с различным содержанием индия (х;„.) в квантовых ямах в первом

приближении могут быть описаны гауссовским распределением относительно средних значений х. = 0,4 для зеленых светодиодов и х = 0,2 для синих (4.1.).

У2~7т -ст

• ехр

-(х-х0)2

2-СТ

8 0

• • ехр

-(х-х0)2

_ 2 -(0.016}

(4.1)

/2 Л -0.0167

где: Бо - полная площадь кристалла светодиода, величина х изменяется дискретно в пределах х = 0,15...0,25 с шагом <1х = 0,01, а величина хо = 0,2. По многим экспериментальным данным, эта величина хо является типичной для синих светодиодов. Величина и = 0,0167 выбрана из необходимости соблюдения известного условия (4.2):

1

13 р р-контакта

х=0.15 х=0,16 х=0,17

Т

х=0,24 х=0,25

п-контакта

Я0 токопроводящего клея

"1

Рис. 8. Электрическая модель светодиода.

(Хщт - Хо) = (хтах - Хо) = 3 сг (4.2)

Таким образом, было необходимо рассчитать ВАХ каждого микродиода со своим значением х, и своей величиной площади, а затем, учитывая их параллельное соединение при заданной величине прямого напряжения, рассчитать вольт - амперную характеристику светодиода в целом. При этом движение зарядов в продольном направлении (параллельно р-п переходу) не учитывалось.

Моделирование спектра излучения было основано на расчётах суммарной скорости излучательной рекомбинации в наборе квантовых ям (Ubb) и полного числа квантов, излучаемых в наборе ям (Ubb*S*<J) при различных значениях состава х. На рис. 9 приведено сравнение рассчитанной вольт - амперной характеристики и экспериментальной ВАХ светодиодов группы 1 (на основе кристалла CREE MBright™ С470-МВ290-Е1000, цвет -синий), подгруппы 4 (с самым высоким 1Я(0ч)). На рис. 10 приведено сравнение рассчитанного и полученного экспериментально спектра излучения светодиодов той же группы. При моделировании ВАХ, безусловно, наличие центров безизлучательной рекомбинации не учитывалось: чем и обусловлено такое отличие модели ВАХ от характеристики приборов подгруппы с малым 1Я(0ч), а также совпадение с кривой приборов подгруппы с большим 1Щ0ч), в излучающих структурах, в которых попросту, нет указанных дефектов в виде центров безизлучательной рекомбинации, или их количество ничтожно мало. ВАХ светодиодов подгруппы со средним значением 1Щ0ч) приведено для сравнения, из которого видно, что характеристика повторяет модель, только при более низких напряжениях (вероятно, это обусловлено другой комбинацией площадей с различными Uf и Eg), и также, не содержит дефектов, вызывающих изменение крутизны. Однако именно средний участок ВАХ (15 - 30 мА) используется как при измерениях на сортировочном участке производств, так и при эксплуатации приборов, как рабочий режим.

и модель ВАХ, рассчитанная по гауссовскому распределению площадей микро-р-п переходов с различным содержанием индия. Видно отличие крутизны характеристик на самых малых и самых больших токах, свидетельствующее о большом содержании дефектов, которые отсутствуют как в образцах с большим Ш, так и в расчётной ВАХ. Поэтому, сходство Ш(0ч) всех подгрупп на этом участке не позволяет достоверно определить истинную разницу в характеристиках светодиодов, что и происходит на

производстве при существующей методике сортировки. Соответствие полученных различным способом характеристик позволяет использовать рассчитанные данные для обоснования закономерностей в изменениях характеристик синих светодиодов, наблюдающихся при их длительной наработке, поскольку деградация величины светового потока экспоненциально зависит от плотности тока (4.З.),

Ф(Ц= Ф(0ч)*ехр((-.Г)*а*1) (4.3)

где: .Г-гоютность тока, А/см2; I - время наработки, ч; а - коэффициент, описывающий скорость деградации, см2*Л"'*ч"'

Ф(0 - световой поток через время наработки 1, Ф(0ч) - начальный световой поток, лм

Рис. 10. Спектр излучения. Рассчитанная модель и полученное измерение.

то в большей степени деградации подвержены области структуры с малыми значениями х = 0,15...0,17, через которые протекают токи с большой плотностью. Вследствие этого, спектры излучения в процессе наработки смещаются в длинноволновую сторону, поскольку более коротковолновая часть спектрального распределения деградирует быстрее. Исходя из формулы (4.4.) можно рассчитать фактор деградации светового потока а, и значение светового потока в любой момент времени наработки („ относительно начального Ф(0ч) (4.5), или установившегося в течение некоторого времени стабилизации параметров 1стаб> (4.6.),о котором говорилось ранее (1000 - 3000 ч.), что может служить долгосрочным прогнозом поведения этой важной характеристики и выводом о качестве и надёжности света диода.

а = - 1п[Ф(12)/ Фа,)]/ Д*(12-1,) (4.4.)

где:

Ф^О - световой поток через время наработки й, Фаг) - световой поток через время наработки .1-плотность тока, А/см2;

Ф(0= 1,0*ехр((-1)* а Ч)

Ф(0= [Ф(иб)/ Ф(Оч)]*ехр((-Л* сс *1„)

(4.5.) (4.6.)

На основе предложенных выражений для расчётов, производится оценка деградации светового потока произведённых светодиодов без их долговременной наработки и вывод об их качестве.

Практическое применение результатов исследования на производстве.

На основании лабораторного эксперимента по изучению деградации был рассчитан примерный прогноз поведения осевой силы света отдельных групп диодов, сформированных по признаку различия наклонов ВАХ (как функций прямого напряжения от тока), и разработан план проведения производственного исследования по проверке возможностей сортировочной машины дифференцировать описанные группы диодов, и соответствию поведения светового потока во времени отсортированных образцов по рассчитанным в лаборатории зависимостям.

Дня данного исследования были отобраны светодиоды, предварительно уже отсортированные на выходе из производства, и имеющие по показаниям начальной (Оч наработки) сортировки, одинаковые параметры IV, 1Я, Ь(1от, не имеющие обратного тока, и признанные годными. Также, всё количество (более 100000 образцов каждого типа) было произведено одной сменой персонала, из комплектующих одной партии и в одно время. Эта сортировка проводилась по стандартной методике на одном значении тока - 20 мА. Однако значения прямого напряжения на этом токе не имеют достаточного разброса для разделения светодиодов на группы из - за специфического хода ВАХ (рис. 11), и как говорилось ранее, существенное отличие может быть замечено лишь при больших плотностях тока. Выявление этого факта стало возможным только при исследовании большого числа светодиодов по предложенной методике, и позволило обнаружить очень важный недостаток в принятой мировой практикой производства системе сортировки готовых светодиодов, и тем самым объяснить причину появления потенциально дефектных приборов в общей массе признанных годными. Поэтому, было принято решение об измерении всех возможных параметров приборов всей партии на пяти точках значения тока 1г = 10, 20, 40, 80, 100 мА (что возможно реализовать в подавляющем большинстве типов сортировочных машин без увеличения затрат времени на измерение одного образца) в импульсном режиме, с временными параметрами импульсов токов, рекомендованных производителем светодиодов. А сортировку по прямому напряжению после расчёта его значения, производить на токах не менее 60 -80 мА. Отсортированные по рассчитанному признаку диоды (3 группы по наклону ВАХ) при нулевой наработке имели следующий разброс по силе света от максимального значения всей партии:

- с большой крутизной (зона 1 рисунка 11) ВАХ - 94-95 %

- со средней крутизной (зона 2 рисунка 11) ВАХ - 100 % -с меньшей крутизной (зона 3 рисунка 11) ВАХ - 95-96 %

После проведения операции искусственного старения, соответствующей не менее чем 3-5 тыс. часам наработки и сортировки по описанному критерию, были получены следующие результаты по силе света от максимального значения всей партии:

- с большой крутизной (зона 1 рисунка 11) ВАХ - 84-86 %

3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 5,2 5,4 5,6

Рис. 11. Вольт - амперные характеристики светодиодов, исследовавшихся на производстве при нуле часов наработки. Диаграмма включает не менее 100 000 образцов.

Как видно из представленных результатов, предположение об увеличенной деградации силы света светодиодов группы с большой крутизной ВАХ подтверждается. На основе рассчитанных в эксперименте величин была составлена система режимов измерения параметров при сортировке светодиодов на производстве с помощью стандартных сортировочных машин, которые при таком режиме позволяют достоверно отделить экземпляры с потенциально большими показателями деградации или могущими впоследствии выйти из строя, хотя и изначально удовлетворяющие всем требованиям. Это легло в основу разработанной производственной методики сортировки светодиодов по потенциальной степени деградации параметров, которая позволяет также сделать достоверный прогноз качества произведённых светодиодов и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для устранения возможного брака на выходе. Отмечено, что предложенные методы сортировки на производстве не несут ни дополнительных затрат времени, ни оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала.

Глава 5. Разработка и внедрение полупроводниковых излучающих устройств высокой степени надёжности для нужд РЖД.

В этой главе представлены результаты применения описанных в предыдущих разделах исследований и производственных операций по разделению светодиодов с различной потенциальной степенью деградации параметров на примере разработанной на

- со средней крутизной (зона 2 рисунка 11) ВАХ - 100 %

- с меньшей крутизной (зона 3 рисунка 11) ВАХ - 94-95 %.

И,тА / / /

г/ У /

Зона 1 / Зона 2 и1 ЗонаЗ

/

/У /

у ........

И /

.....Ж

их основе и внедрённой в производство светодиодной лампы для ЖД светофоров. Показаны особенности разработки (особо ответственное применение, обоснование надёжности, адаптация к существующим средствам СЦБ) и её различные аспекты -фотобиологическая безопасность, доказательство безопасности применения на ЖД и др. Для обеспечения соответствия параметров лампы в составе линзовых комплектов светофоров автором были разработаны и выполнены комплексные метрологические и аналитические исследования, по результатам которых сформированы методики расчёта характеристик оптических фильтров, определения степени проявления катафотного эффекта при различных внешних воздействиях (Солнце при разных углах к горизонту, свет лобового прожектора) и методы оценки фотобиологической безопасности излучения лампы. Отмечена высокая степень соответствия полученных характеристик лампы требуемым к применению благодаря применению излучающих кристаллов по методикам, описанным в предыдущих главах. Результаты проведённых исследований для разработки указанных методик были применены при формировании соответствующих стандартов в системе ГОСТ Р, регламентирующих требования к данным параметрам у систем световой сигнализации ЖД.

Значительный прогресс в подвижной части ЖД техники определяет существенный рост скоростей движения составов и соответственно, транспортных потоков по ЖД магистралям. Увеличение скорости движения повышает требования к средствам световой сигнализации, светофорам, где верность и скорость распознавания цвета сигнала играет определяющую роль в принятии решения о характере движения. Детальное исследование фотометрических и колориметрических характеристик существующих светофоров на лампах накаливания, спроектированных с учётом прежних стандартов и светодиодных, показало существенную разницу в восприятии данных сигналов глазом человека. Некоторые физические аспекты зрительного процесса нельзя игнорировать при формировании технических требований на светосигнальные светодиодные устройства, такого уровня как ЖД светофоры потому как, их учёт при проектировании существующих в настоящее время линзовых комплектов (ЛК) ограничивался в основном возможностью ламп. В этом также и причина начавшегося с появлением светодиодов пересмотра фотометрических норм и колориметрических границ ЖД светофоров, предписанных ГОСТ 25695-91. Предупреждение ошибок в нормативных документах и технических требованиях, можно избежать, лишь детально сопоставив механизмы восприятия и параметры излучения полупроводниковых источников света. В ходе описанных исследований выявлено, что только лишь у светодиодов, построенных по системе синий кристалл-люминофор, можно наблюдать значительное приближение описанных величин к кривой видности глаза, по крайней мере, относительно других источников света. Как видно из табл. 2, спектр излучения белых светодиодов с различными коррелированными цветовыми температурами имеет очень высокий процент соответствия У(\) на протяжённом участке видимого диапазона, достигая 95 % в области жёлтого, что говорит о его непрерывности и высокой степени подобия основному естественному источнику.

Таблица 2.

Типы источников излучения Интеграл Еа(*.)Л/(Х)са в % от V(i.)

Солнце в 14 ч, июль,Т=6150 К 92,96

Лампа накаливания с Т=2560 К 28,55

Люминесцентная лампа с Т=2700 К 5,54

Люминесцентная лампа с Т=4000 К 6,64

Люминесцентная лампа с Т=6300 К 5,41

Металлогалогенная лампа с Т=6700 К 4,70

Белый светодиод с Т=3300 К 79,31

Белый светодиод с Т=6300 К 44,68

Конструкция и основные принципы построения светодиодной лампы ЖСС для использования в линзовых комплектах.

Наличие большого количества электронных компонентов и связанные с этим технологические проблемы, описанные в Главе 1, не позволили довести проект разработки светодиодных светооптических систем (ССС), до логического завершения. Одновременно появились светодиодные источники света достаточной мощности излучения в диапазоне длин волн 450-470 нм, представляющие из себя основу для построения излучателей по системе кристалл - люминофор. Применение подобных полупроводниковых излучателей, очень слабо зависимых по физическим параметрам от изменения внешней температуры, позволяет решить проблему изменения координат цветности и значения силы света светосигнальных устройств на их основе в заданном интервале температур. Поэтому единственным, в настоящее время, рациональным решением проблемы применения полупроводниковых источников света для ЖД светофоров, является применение полупроводниковых излучателей диапазона 450-460 нм на основе 1гЮаМ. Именно таким устройством является представленная в работе лампа для ЖД светофоров на основе светодиодных источников света. Конструктивное оформление лампы представлено на рис. 12. Излучающие элементы светодиодов расположены на печатной плате с алюминиевой основой. Печатная плата помещена в корпус-радиатор. Спереди световой модуль закрыт стеклом, совмещающим в себе характеристики корригирующего фильтра, расчёт параметров которого описан в этой главе. Пространство между стеклом и печатной платы заполнено специальным гелем. Выбор электрических параметров излучающих кристаллов основан на принципе обеспечения ими минимального динамического сопротивления цепи. При значениях рабочего тока в лампе порядка 350 мА через кристалл, значение дифференциального сопротивления применённых кристаллов составляет 0,4-0,5 Ом, что обеспечивает высокую крутизну вольт-амперной и соответственно, люмен-амперной характеристики светодиодной сборки.

Помимо стабильности координат цветности и интенсивности излучения во всем диапазоне рабочих температур (-60.. .+60 °С), она обладает следующими особенностями:

- полностью взаимозаменяема с используемой в настоящее время в линзовых комплектах лампой накаливания ЖС12-15+15 по геометрическим и электрическим параметрам;

- позволяет использовать весь комплект применяемого в настоящее время с линзовым комплектом оборудования (например, отклоняющие вставки, и т.п.)

Рис. 12. Светодиодный узел лампы ЖСС

- позволяет получить более высокую (в 2-3 раза) силу света линзового комплекта (таблица 2);

- менее чем традиционная лампа накаливания, чувствительна к наводкам, обусловленным междужильной емкостной связью в цепях управления;

- выполнена в «двухнитевом» варианте - имеет резервную «нить», по всем параметрам полностью равноценную основной;

-Т-образная форма излучателя позволяет получить более широкую по сравнению с лампой накаливания, диаграмму распределения силы света в вертикальном направлении для визуализации сигнала на близком расстоянии - порядка 20 м, что является преимуществом данной конструкции перед лампой накаливания;

- конструкция лампы обеспечивает точное геометрическое позиционирование «нити» накала в линзовом комплекте, что исключает необходимость дополнительной юстировки линзового комплекта при смене лампы (сейчас - обязательная операция);

- стоимость лампы существенно меньше стоимости применяемой лампы накаливания за эквивалентный период эксплуатации;

- существенная экономия ресурсов (трудовых и финансовых) при эксплуатации: количество актов обслуживания светофоров снижено в 5 раз;

- возможность не менее чем в 3 раза снизить энергопотребление светофоров; В настоящей главе также показано, что разработанные и использованные в

указанном устройстве методики отбора кристаллов по потенциальной степени деградации параметров позволили построить на их основе высоконадёжное сигнальное устройство особо ответственного применения, на порядок превосходящее по энергетической эффективности и сроку службы используемые ранее. Отмечено, что разработанная лампа полностью взаимозаменяема с используемой в настоящее время в линзовых комплектах ЖД светофоров лампой накаливания ЖС12-15+15 по геометрическим и электрическим параметрам, что делает её внедрение на объекты полностью беззатратным, позволяет использовать весь комплект применяемого в настоящее время светофорного оборудования (линзовые комплекты, отклоняющие вставки, и т.п.), позволяет получить более высокую (в 2-3 раза) силу света линзового комплекта, полностью совместима с существующими интерфейсами управления (не требует дополнительных адаптеров или модернизации и замены существующих устройств СЦБ), менее чем традиционная лампа накаливания или

светодиодная система светооптическая (ССС), чувствительна к наводкам, обусловленным междужильной емкостной связью в цепях управления.

Основные выводы и результаты работы. Основные полученные результаты.

1. Разработана полная и общая методика измерения и расчёта подавляющего числа (светотехнических, фотометрических, колориметрических, электрических, энергетических и температурных) характеристик светодиодов, порядок проведения измерений и их последовательность, применимые при любом исследовании. Показаны особенности измерений и обработки полученных данных при изучении деградационных характеристик.

2. Разработан и создан универсальный метрологический комплекс для реализации измерений параметров светодиодов, а также техническая база для реализации наработки светодиодов продолжительностью не менее 50000 часов. Показаны возможности данного комплекса в части измерений указанных характеристик подавляющего числа типов существующих светодиодов при проведении любых исследований и экспериментов. Проведена сертификация средств измерений в установленном поверочной схемой порядке (с внесением в Государственный реестр средств измерений), впервые создан аккредитованный в государственной системе ГОСТ Р центр по сертификационным испытаниям устройств на светодиодах, имеющий обширную область аккредитации.

3. Разработана новая система параметров светодиодов, основанная на учёте их физических взаимозависимостей и включающая характеристики, описывающие деградацию параметров светодиодов (скорость деградации светового потока и силы света, изменение прямого напряжения за время наработки), позволяющая установить связь изменения значения любого параметра с потенциальной деградацией других характеристик, что необходимо при проектировании устройств на светодиодах.

4. На основе полученных результатов исследований разработан и обоснован фотометрический метод изучения изменений излучающих свойств гетеросгруктур на основе твёрдых растворов АЮа1пР и АЮа1пЫ у кристаллов различных конструкций для производства светодиодов. С помощью представленного метода, основанного на прецизионном измерении пространственного распределения силы света излучателей впервые было зафиксировано не столько изменение значения светового потока со временем наработки, сколько его перераспределение по объёму фотометрического тела источника, причину которого удалось объяснить моделированием параметров гетероструктур и измерением комплекса характеристик в процессе длительной наработки светодиодов.

5. Разработана методика отбора образцов излучающих кристаллов и светодиодов для проведения экспериментов по определению деградации позволяющая осуществлять определение свойств излучающих структур в диапазоне плотностей тока через р-п-переход до 120 А/см2. Установлены основные типы производственных и технологических дефектов (несоблюдение технологии монтажа излучающего кристалла: посадка на основание, приварка контактных проводников, температурные режимы сушки и полимеризации эпоксидных составов и условий проведения ускоренного старения, и т. д.), являющихся причиной появления деградации параметров светодиодов, не связанной с исследуемыми в работе механизмами её появления.

6. На основе расчетов и результатов измерений, сделанных в ходе эксперимента, найдена взаимосвязь между изначальными параметрами и показателями деградации тех или иных характеристик светодиодов на основе различных конструкций кристаллов. На примере поведения вольт - амперных характеристик и диаграмм распределения светового потока со временем наработки, показана причина возникновения деградации параметров излучения и связь ее величины со значением прямого напряжения при определённой плотности тока в начальный момент времени наработки. Предложены методики изучения деградации при различных электрических режимах и условиях эксплуатации светодиодов.

7. С помощью компьютерного моделирования активной области структуры в части суммарной скорости излучательной рекомбинации в наборе квантовых ям (1ШВ) и полного числа квантов, излучаемых в наборе ям (11ВВ * 5*с)), установлено, что через площадки с меньшим (х<0,2) содержанием индия (х) в квантовых ямах проходит ток значительно большей плотности, что объясняет ускоренную деградацию характеристик их излучения и соответствующее этому, смещение спектрального состава излучения всей структуры в длинноволновую сторону.

8. Установлено, что соответствие полученных различным способом характеристик позволяет использовать рассчитанные данные для обоснования закономерностей в изменениях характеристик светодиодов, наблюдающихся при длительной наработке, поскольку деградация величины светового потока экспоненциально зависит от плотности тока У.

Ф(0= Ф(0Ь)*схр((-.1)»а*0 где:

.[-плотность тока, А/см2; Ьвремя наработки, ч; а- коэффициент, описывающий скорость деградации, см2*А"'*ч"', Ф(Ц-световой поток через время наработки 1, Ф(Оч)-начальный световой поток, лм.

Исходя из этой закономерности, можно рассчитать фактор деградации светового потока а и значение светового потока в любой момент времени наработки I относительно начального Ф(0ч), что может служить долгосрочным прогнозом поведения этой важной характеристики.

9. Установлено, что деградация значения светового потока у гетероструктур АЮа1пР на - подложках, существенно выше, чем деградация гетероструктур на ОаР - подложках, а у гетероструктур АЮа1пЫ на АЬОз - подложках деградация существенно выше, чем деградация у гетероструктур, выращенных на БЮ-подложках. Эти результаты объяснены значительным отличием в плотности дислокаций из-за разной степени рассогласования кристаллических решеток подложек и выращенных на них структур.

10. Показано, что описанные средства и методики измерений, расчётов характеристик светодиодов, а также выбранные параметры и принцип их выбора для исследования физических механизмов деградации в совокупности обладают универсальным инструментом для проведения подобных экспериментов для любых типов светодиодов, или иных источников излучения, имеющих любые электрические характеристики, формы пространственного распределения излучения, спектрального состава и широкого диапазона мощности излучения.

11. На основе рассчитанных в эксперименте величин была составлена система режимов

измерения параметров при сортировке светодиодов на производстве с помощью стандартных сортировочных машин, которые позволят достоверно отделить экземпляры с потенциально большими показателями деградации или могущими впоследствии выйти из строя, хотя и изначально удовлетворяющие всем требованиям. Обосновано, что критерии сортировки должны быть рассчитаны при больших плотностях тока, что подтвердила серия выполненных сортировок с измерением параметров в пяти точках при разном прямом токе в импульсном режиме. Установлено, что предложенная методика такой сортировки позволяет также сделать достоверный прогноз качества произведённых светодиодов и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для устранения возможного брака на выходе. Сделан акцент на то, что предложенные методы сортировки на производстве не несут ни дополнительных затрат времени, ни оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала.

12. На основе полученных результатов исследований и выводов по деградации параметров полупроводниковых излучающих структур была разработана и внедрена в производство светодиодная лампа для ЖД светофоров. Показано, что разработанные и использованные в указанном устройстве методики отбора кристаллов по потенциальной степени деградации параметров позволили построить на их основе высоконадёжное сигнальное устройство особо ответственного применения, на порядок превосходящее по энергетической эффективности и сроку службы используемые ранее. Отмечено также, что разработанная лампа полностью взаимозаменяема с используемой в настоящее время в линзовых комплектах ЖД светофоров лампой накаливания ЖС12-15+15 по геометрическим и электрическим параметрам, что делает её внедрение на объекты полностью беззатратным, позволяет использовать весь комплект применяемого в настоящее время светофорного оборудования (линзовые комплекты, отклоняющие вставки, и т.п.), позволяет получить более высокую (в 2-3 раза) силу света линзового комплекта, полностью совместима с существующими интерфейсами управления (не требует дополнительных адаптеров или модернизации и замены существующих устройств СЦБ).

13. Предложенная конструкция лампы для ЖД светофоров на основе светодиодов белого цвета свечения, работающих по системе «люминофор-синий излучающий кристалл» не имеет сколь значимых изменений интенсивности и спектра излучения в диапазоне требуемых температур (-60...+60 °С), в отличие от монохромных светодиодных аналогов, поэтому, наряду со значительным сроком эксплуатации (не менее 50 ООО ч - 8 лет при использовании в устройстве), обладает высокой стабильностью фотометрических и колориметрических характеристик и на данный момент является единственным универсальным решением для модернизации светосигнальных устройств на ЖД. Основные выводы.

1. При количественной оценке изменения энергетических характеристик излучения со временем наработки, существенное значение имеет именно перераспределение плотности светового потока по пространственной диаграмме излучения, а не его численное изменение. Этим объясняется непропорциональное этому процессу, изменение значения максимальной силы света, не отражающее истинности физического смысла установленного явления деградации.

2. Предложенная модель излучающей структуры светодиода, представляющая из себя совокупность мини р-п переходов с различными Uf и Eg, формирующими своим параллельным включением суммарную вольт - амперную характеристику и спектральное распределение излучения объясняет связь электрических характеристик структуры и физические механизмы деградации светового потока.

3. Большинство экспериментальных данных по свойствам синих светодиодов: ширина спектрального распределения, сдвиг максимума излучения в коротковолновую область при увеличении плотности прямого тока в отсутствие нагрева активной области, вольт -амперные характеристики и т. д., разъяснены на основе модели неравномерного распределения состава InxGai.xN в активной области кристалла, а светодиод представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных n - GaN и р - GaN эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия в квантовых ямах. Площади микродиодов - S(х/„.) с различным содержанием индия (х/„.) в квантовых ямах в первом приближении описываются гауссовским распределением относительно средних значений х.

4. Получены основные выводы по физическим процессам в излучающих структурах, приводящим к деградации параметров и их связь с характеристиками светодиодов:

• Наряду с изменением значения светового потока происходит существенное перераспределение его плотности внутри диаграммы излучения при наработке

• Подгруппы образцов с наименьшим начальным прямым напряжением 1Я(0ч) имеют наибольший показатель деградации светового потока

• Центр спектрального распределения излучения смещается в длинноволновую сторону, увеличивается его ширина.

5. В ходе проведённых исследований фотобиологической опасности излучения применяемых в массовом производстве гетероструктур показано, что излучение построенного по системе излучающий кристалл - люминофор светодиода не является опасным для здоровья человека и может использоваться в большинстве областей применения: в сигнальной технике, освещении, бытовом секторе.

Публикации и научные работы по теме диссертации.

1. Агафонов ДР., Аникин П.П., Никифоров С.Г. Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе. // «Светотехника» № 6, 2002, стр. 6-11.

2. Абрамов B.C., Никифоров С.Г, Соболь П.А., Сушков В.П. Свойства зелёных и синих InGaN - светодиодов. // «Светодиоды и лазеры» № 1 - 2,2002, стр. 30 - 33.

3. D.R. Agafonov, P.P. Anikin, S.G. Nikiforov. On Design and Manufacturing of LED and systems based on LED. II «Light & Engineering», volume 11, number 1, 2003, p. 50 - 56.

4. D. Agafonov, M. Murashova, S. Nikiforov, O. Pinchuk, R. Stolyarevskaya. Red LED Railway Traffic Lights Visional Perception Research. // report to 25th CIE Session 2003 (25 June - 2 July), San Diego, USA. Proceedings, volume 2, p. D4-40 - D4-43.

5. Агафонов Д Р., Мурашова M.A., Никифоров С.Г., Пинчук О.П., Столяревская Р.И. Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе светоизлучающих диодов // «Светотехника» № 6,2003, стр. 22 - 27.

6. D. Agafonov, M. Murashova, S. Nikiforov, О. Pinchuk, R. Stolyarevskaya Red LED Railway Traffic Lights Visional Perception Research. // «Light & Engineering», volume 11, number 4,2003, p. 40 - 42.

7. Абрамов B.C., Никифоров С.Г, Сушков В.П., Шишов A.B. Особенности конструирования мощных белых светодиодов. // «Светодиоды и лазеры» № 1-2, 2003, стр. 10-12.

8. Никифоров С.Г., Сушков В.П. Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов и проведения экспериментов по изучению деградации параметров излучающих Аш Bv - структур. // Материалы семинара «МИСиС -ULVAC — АГУ «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро-и наноэлектроники» 2006, стр. 645.

9. Никифоров С. Г. Надёжность и стабильность параметров светодиодов закладываются на производстве. // «Компоненты и технологии» №5,2007 г, стр. 60 - 67.

10. Никифоров С.Г., Архипов A.JI. Особенности определения квантового выхода светодиодов на основе AIGalnN и AIGalnP при различной плотности тока через излучающий кристалл. // «Компоненты и Технологии» №1 2008, стр. 48 - 57.

11. Никифоров С.Г., Сушков В.П. Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AIGalnN. // Доклад на 5 конференции «Нитриды галлия и алюминия», МГУ, январь, 2007 г.

12. O.I. Rabinovich, F.I. Manyakhin, E.K. Naimi, S.G. Nikiforov, V.P. Sushkov, I.G. Ermoshin, A.V. Shishov. Studies of InGaN LEDs degradation . // Photonics West, NEW SPIE number 6486-20.

13. Никифоров С.Г. Измерительная лаборатория для комплексного исследования характеристик светодиодов, применяемых в системах отображения информации. // «Компоненты и Технологии» №7 2007, стр. 170 - 175.

14. Никифоров С.Г., Сушков В.П. Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AIGalnN.// 5-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» Физический факультет МГУ им. М.В.Ломоносова Москва, 31 января - 02 февраля 2007 г.

15. А.Л. Архипов, С.Г. Никифоров. Исследования и анализ зависимости квантового выхода светодиодов на основе материалов AIGalnN от плотности тока в неразогревающем режиме. // 6-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 18 июня - 20 июня 2008 г.

16. Никифоров С.Г., А.Л. Архипов. Метод исследования деградации излучающих свойств материалов на основе InGaN с помощью прецизионных измерений светового потока // 6-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 18 июня - 20 июня 2008 г.

17. О.И. Рабинович, С.Г. Никифоров. Исследования деградации структуры полупроводниковых кристаллов и излучающих диодов на их основе. // Доклад на конкурсе молодых учёных «Роснано». Москва, 3-5 декабря 2008 г.

18. Е.К. Наими, С.Г. Никифоров, О.И. Рабинович, В.П. Сушков. Влияние ультразвуковой вибрации на деградацию светоизлучающих диодов на основе InGaN. // «Материалы Электронной Техники» №1 2009, стр 86-92.

19. С. Г. Никифоров. Некоторые аспекты восприятия светодиодного излучения глазным аппаратом на примере приборов световой ЖД сигнализации на основе светодиодов.// «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2009, стр. 16 -19.

20. С. Г. Никифоров. Фотометрический метод исследования гетероструктур. // «Заводская лаборатория» № 1, 2010, том 76, стр. 28- 33.

21. С. Г. Никифоров. Исследование нового семейства мощных светодиодов CREE XLamp ХР-Е для устройств освещения. II «Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2009,стр.20-22.

22. С. Г. Никифоров. Трудная задача измерения параметров света от светодиодов. Вопросы фотометрии и радиометрии. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1,2010, стр. 36 - 40.

23. Азизян Г.В., Артамонов А., Никифоров С.Г. Гониофотометрическая установка для определения углового распределения силы света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1,2010, стр. 41-43.

24. B.C. Абрамов, к.т.н., С.Г. Никифоров, к.т.н., A.A. Иванов П. Пензев, X. Мухов. Светодиодная лампа для ЖД светофоров. // «Полупроводниковая Светотехника» № 3, 2010, стр. 47 - 52.

25. С. Г. Никифоров. Реальный цвет и виртуальный индекс его передачи. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2010, стр. 18-24.

26. С. Г. Никифоров. Исследование причин выхода из строя светодиодов с традиционными эпоксидными корпусами-линзами. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5, 2010, стр. 32 -36.

27. С.Г. Никифоров, М.А. Мурашова, А. Шищенко. Исследование фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов, для нужд железнодорожного транспорта. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1, 2011, стр. 34-40.

28. С.Г. Никифоров. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp XP-E/XP-G/XM-L. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2011, стр. 12-18.

29. С.Г. Никифоров. Новые возможности светодиодов Luxeon REBEL. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2, 2011, стр. 8-9.

30. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов. Лаборатория исследования световых технологий «ЛИСТ» - первый в России независимый аккредитованный испытательный центр в области метрологии излучения полупроводниковых и традиционных источников света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2011, стр. 30-38.

31. B.C. Абрамов, В.П. Сушков. С.Г. Никифоров. Светодиодная лампа для железнодорожных светофоров. // 8-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 26 - 28мая 2011 г.

32. В.П. Сушков. С.Г. Никифоров. Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твердых растворов AlGalnN. // «Полупроводниковая Светотехника» №3, 2011, стр. 10-13.

33. S. G. Nikiforov. Photometric Method of Study of Semiconductor Heterostructures. // Inorganic Materials, 2011, Vol. 47, No. 14, pp. 71-76.

34. С.Г. Никифоров. Система параметров светодиодов. Электрические, фотометрические, спектральные (колориметрические) и энергетические характеристики. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2011, стр. 16-27.

35. С.Г. Никифоров. Лаборатория исследований источников света «Архилайт» - самый современный независимый аккредитованный испытательный центр в области метрологии

излучения полупроводниковых и традиционных источников света. // 1-ый Всероссийский светотехнический форум «Инновационные продукты, материалы и технологии», Саранск, декабрь 2011.

36. С.Г. Никифоров. Реальный технический уровень современных светодиодов осветительных приборов на их основе. // «Полупроводниковая Светотехника» № 6, 2011, стр. 10-12.

37. С.Г. Никифоров. Актуальность изучения и необходимость совершенствования методик исследования деградации параметров светодиодов на основе твёрдых растворов AIGalnP и AlGalnN. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1,2012, стр. 36-37.

38. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД». // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2012, стр. 16-20.

39. С.Г. Никифоров. Измерительное оборудование отечественного производства от лаборатории «АРХИЛАЙТ» для оснащения производственных фотометрических лабораторий. // Конференция «Светодиоды, чипы, материалы, оборудование» в рамках выставки «Экспоэлектроника-2012», «LED Tech Expo», Москва, 10-13 апреля 2012 г.

40. С.Г. Никифоров. Интернациональная физика и отечественная лирика современной метрологии света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2012, стр. 74-84.

41. B.C. Абрамов, С.Г. Никифоров, A.A. Иванов. Светодиодные матричные ЖД светофоры: все «за» и «против». // «Полупроводниковая Светотехника» № 6, 2012, стр. 8-12.

42. Азизян Г.В., Никифоров С.Г. Эталонный источник света на основе светодиодов для калибровки фотометрического оборудования. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1, 2013, стр. 36-39.

43. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов средней мощности от Samsung. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2013, стр. 41-44.

44. Никифоров С.Г., А.Л. Архипов. Исследования деградации параметров гетероструктур InGaN на подложках из различных материалов в течение 50 000ч и сравнение результатов с прогнозом на стадии наработки до 2000ч. // 9-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 13 -15 июня 2013 г.

45. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов большой мощности от Seoul Semiconductor. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2013, стр. 52-57.

46. С.Г. Никифоров. Исследование фотобиологической опасности популярных источников света: от ламп накаливания до Солнца. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5, 2013, стр. 32-38.

47. А.П. Аникин, Д.П. Аникин, А.П. Величко, В.В. Кузнецов, С.Г. Никифоров, О.И. Рабинович. Спектральный метод и установка для разработки и исследования люминофоров для производства светодиодов белого цвета свечения. // «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» №3 2014, стр. 46-52.

48. Никифоров С.Г., А.Л. Архипов, О.И. Рабинович. Исследования характеристик светодиодов и прогнозирование потенциальной степени деградации. «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» №5 2014, стр.63-68.

49. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов. Лаборатория «Архилайт» - современный аккредитованный испытательный центр в области исследований полупроводниковых излучающих гетероструктур. // «Инновации и инвестиции» №11 2014, стр. 240-247.

50. С.Г. Никифоров. Методы и средства измерения характеристик фотобиологической опасности популярных источников света. // «Инновации и инвестиции» №12 2014, стр. 167172.

51. С.Г. Никифоров. Фотометрические и радиометрические методы измерений параметров излучения светодиодов. // «Перспективы науки» №12 2014 стр. 109-116.

52. С.Г. Никифоров. Физические основы цветового восприятия и спектральные методы измерения цветопередачи светодиодных и традиционных источников света. // «Научное обозрение» №1 2015, стр. 53-64.

53. С.Г. Никифоров, A.J1. Архипов. Ремикс по - светотехнически. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2014, стр. 8-15.

54. С.Г. Никифоров. Прогноз срока службы и изменения параметров промышленных светодиодов при наработке с помощью фотометрического метода. // «Инновации и инвестиции» №1,2015, стр. 152-156.

55. Rabinovich O.I., Nikiforov S.G., Sushkov V.P., Shishov A.V. New results of InGaN LED simulation // Proceedings of SP1E - The International Society for Optical Engineering, Volume 6468,2007, Article number 64680U

56. Патент на изобретение №2436196 «Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом». Приоритет от 11.06.2010.

57. Патент на изобретение №2444091 «Светодиодный источник излучения». Приоритет от 16.07.2010.

58. Патент на изобретение №2444676 «Светодиодный источник излучения». Приоритет от 16.08.2010.

59. Патент на изобретение №2402108 «Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом». Приоритет от 09.11.2009.

60. Патент на полезную модель №130404 «Фотометрический датчик». Приоритет от 18.12.2012.

61. Патент на полезную модель №88771 «Светодиодный модуль». Приоритет от 03.07.2009.

62. Патент на полезную модель №133562 «Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом». Приоритет от 17.05.2013.

63. Патеггг на полезную модель. №139759 «Светодиодная лампа с корригирующим фильтром для систем управления железнодорожным и/или автомобильным транспортом». Приоритет от 06.09.2013.

64. Патент на полезную модель №130394 «Комплекс средств исследования и измерения светотехнической продукции». Приоритет от 23.11.2012.

Подписано в печать:

10.06.2015

Заказ № 10794 Тираж - 110 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru