Лаборатория «Архилайт» − современный аккредитованный испытательный центр в области исследований полупроводниковых излучающих гетероструктур
Содержание материала
Важным дополнением к фотометрической установке является измеритель вольт-амперных характеристик (ВАХ) светодиодов и излучающих кристаллов. Измеритель ВАХ был разработан с учётом возможности измерений подавляющего большинства электрических характеристик светодиодов. Он представляет собой программно управляемый источник тока с его калиброванными значениями. Весь диапазон рабочих токов до 100мA разбит на 2 поддиапазона: 0 – 10мA с возможностью установки минимального дискрета тока 0,01мA (1000 точек) для более точного измерения экспоненциального участка ВАХ светодиодов и 0–500мA и более с возможностью установки минимального дискрета тока 0,1 и 1мA. Предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретами в диапазоне 20 мс–30 мин для реализации режимов импульсного и разогревающего действия тока.
Эта функция имеет 2 режима: независимо от установленного времени составляет около 3-4 мВ на 1оС. У последовательно соединённых в цепочку светодиодов температурный коэффициент напряжения (ТКН) всей цепочки будет в соответствующее число раз больше, в зависимости от количества светодиодов в цепочке. Зная этот коэффициент и измеряя прямое падение напряжения на переходе при фиксированном измерительном токе можно с весьма высокой точностью (на практике до до- лей градуса) судить о реальной температуре р-п перехода. Очевидный недостаток такой методики измерения состоит в том, что любой измерительный ток, протекая через р-п переход, нагревает его и, следовательно, несколько меняет его текущую температуру в сторону увеличения. Этот недостаток можно в значительной степени преодолеть, подавая на пере- ход измерительный ток в виде кратковременных импульсов, длительностью в несколько микросекунд. Если подавать им- пульсы на гетероструктуру достаточно редко, с частотой в несколько Гц, то ни за время действия одного импульса, ни за длительное время измерений температура перехода измениться не успеет, точнее, изменится крайне незначительно из- за очень малой мощности, подводимой к светодиоду в процессе измерений. В то же время, определяя прямое падение напряжения на переходе в процессе воздействия импульса можно получить достоверную информацию о реальной температуре перехода в этот момент. А в промежутках между импульсами измерительного тока на светодиод можно подавать любой допустимый нагревающий (рабочий) ток, прерывая его только на момент возникновения измерительного импульса. Измерительный ток может быть выбран по усмотрению оператора от единиц миллиампер до 750 мА. Это позволяет работать со светодиодами или кристаллами практически любых размеров, вплоть до самых мощных. При этом в измерениях можно независимо устанавливать нагревающий ток в пределах от 0 до 750мА.
Светодиод подключается к измерительному прибору по четырёхпроводной схеме, позволяющей исключить погрешность, связанную с падением напряжения на соединительных проводах, которая оказывается довольно значительной при больших токах (порядка нескольких сотен мА). Другой существенной особенностью применяемой методики является необходимость каким-либо образом получить сведения о температурном коэффициенте напряжения для исследуемых светодиодов. В данных, которые обычно приводятся в datesheet на светодиоды или кристаллы, этот параметр не всегда присутствует. Кроме этого данным, приводимым производителем не всегда можно доверять. Поэтому для определения ТКН отдельных светодиодов имеется т.н. «термостол», т.е. устройство, позволяющее поддерживать стабильную температуру небольшой платы со светодиодом или кристаллом в диапазоне от +10 град. С до +150 град С. Устройство позволяет в процессе измерений программировать контроллер на любое желаемое значение температуры из указанного диапазона и далее, после достижения требуемого значения, поддерживать температуру верхней поверхности пластины в пределах плюс/минус 0,2 град. С. Нижняя граница рабочего диапазона температур определяется точкой росы, верхняя - максимальной рабочей температурой перехода.
Установка для измерения колориметрических параметров и спектральных характеристик «Спекорд».
Установка построена на основе спектрофотометра Specord
Стенд имеет возможность перемещения по обеим лабораториям для измерений спектральных характеристик на любом расстоянии фотометрирования, а применение дополнительной прецизионной оптики фирмы Hellma позволяет «вырезать» для измерения очень узкий сектор потока излучения из всей пространственной диаграммы, что используется при измерении зависимости спектрального распределения плотности энергетической яркости от угла излучения. Это достигается близким взаимным расположением оптического входа спектрофотометра (площадка оптоволоконного удлинителя диаметром 4мм), и входного окна фотометра (радиометра). Таким образом, одно- временно с фиксацией значения силы света (силы излучения) возможно измерение ОСПЭЯ и получение подробной характеристики распределения характеристик спектра по пространственной диаграмме излучения. Последняя функция крайне важна для оценки параметров люминофорных светодиодов на основе кристаллов InGaN.
Основные технические характеристики установки «Спекорд»:
Диапазон длин волн: 182 – 1100 nm
Спектральное разрешение во всём диапазоне: 0,5 nm
Воспроизводимость установки длины волны: не ху-
же +/- 0.05 nm
Функциоанальные возможности установки:
-Измерение относительного спектрального распре-
деления плотности энергетической яркости.
В аналитическом арсенале лаборатории имеется программа расчёта индекса цветопередачи (Ra, CRI), позволяющая определять этот параметр с высокой точностью. И, хотя расчёт CRI опирается на вычисленное до этого значение коррелированной цветовой температуры, которое по причине своей относительности не может быть определено точно, тем не менее, указанная программа позволяет рассчитать индекс цветопередачи относительно коррелированной цветовой температуры с разрешением в 1о в диапазоне 1800 - 25000К. Это означает, что если бы ГОСТ
23198-94 не требовал округления полученного значения Ra до целого числа, то в указанном диапазоне можно было бы получить более 23 000 значений индекса цветопередачи. Стоит добавить, что помимо самого Ra, возможно получение всех 14-ти его составляющих с такой же точностью.
В совокупности с гониофотометрическим стендом и комплексом по измерению электрических характеристик, возможно получение множества зависимостей между всеми пара- метрами источников излучения. Таких как зависимости координат цветности и длин волн от угла излучения ( max( )), зависимости цветовых характеристик от потребляемого тока, и других необходимых зависимостей, позволяющих максимально достоверно оценить работу любого источника излучения.
Научные программы исследований полупроводниковых источников излучения. Большой интерес представляют исследования светоизлучающих кристаллов, светодиодов и устройств на их основе по методикам собственных разработок, начиная от методов монтажа и заканчивая способами измерения параметров с применением изучения деградационных характеристик (изменения значений параметров со временем наработки). Результаты таких исследований (рис. 5) позволяют с большой долей достоверности судить о качестве изготовления светодиодов, применённом кристалле, влиянии различных факторов на долговечность светотехнических устройств с одновременным прогнозом изменения их характеристик во времени [4].
С целью исследования параметров излучающих структур и светодиодов на их основе в процессе наработки создан специаль- ный комплекс для обеспечения режимов непрерывного функционирования образцов в течение длительного времени (на настоящий момент - около 8 лет). Описанные средства измерений и соответствующие условия позволили разработать ряд собственных методов исследования излучательных свойств и процессов в гетероструктурах, способов оценки потенциальной степени деградации светодиодов и устройств на их основе. Наиболее важным из них является метод изучения перераспределения светового потока (мощности излучения) по пространственной диаграмме излучения силы света (силы излучения) в процессе первых 1000-2000 часов наработки [3,4]. С его помощью можно не только сделать выводы об изменениях в работе самой структуры, причины которых могут быть объяснены на уровне физики её работы, но и предположить, что подобное перераспределение светового потока, пропорциональное перераспределению центров излучательной рекомбинации со временем наработки, существует и внутри излучающего кристалла, в его активной области.
Предложенный метод выявил большие перспективы его использования при изучении потенциальной степени деградации параметров светодиодов на производстве, определению дефектов эпитаксии или монтажа чипов в корпуса. На основе исследований полных комплексов характеристик, поэтапно измеряемых в течение длительного времени наработки светодиодов и излучающих кристаллов (до 50 000 часов), разработаны методики определения потенциальной степени изменения квантовой эффективности работы структур, светового потока (мощности излучения), спектральных параметров излучения, электрических характеристик не прибегая к тестированию образцов в течение периода стабилизации параметров (1000-2000 часов). Результаты длительного реального наблюдения за изменением параметров гетероструктур (до 50 000ч) в совокупности с изучением перераспределения светового потока (мощности излучения), взаимосвязь исследованных изменений, легли в основу создания производственной методики сортировки излучающих кристаллов и светодиодов по принципу различной степени потенциального изменения светового потока при последующей эксплуатации [3,4]. Изначально, все характеристики, свойственные исправным кристаллам или светодиодам будут присутствовать в момент сортировки, и такие приборы будут признаны годными на производстве. Однако степень изменения их параметров при наработке может существенно отличаться. Выявление этого факта стало возможным только при исследовании большого числа светодиодов по предложенной методике, что позволило обнаружить очень важный недостаток в принятой мировой практикой системе сортировки готовых светодиодов, и тем самым объяснить причину появления потенциально дефектных приборов в общей массе признанных годными. В результате применения методики, обосновано, что предложенный вариант сортировки позволяет сде- лать достоверный прогноз качества произведённых светодиодов (выявить более 95% потенциально негодных приборов) и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для устранения возможного брака на выходе. Важно заметить, что предложенные методы сортировки на производстве не несут ни дополнительных затрат времени, ни оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала.
Следует отметить, что в данном качестве, лаборатория «АРХИЛАЙТ» может являться важным звеном производственной цепочки для изучения и тестирования всей линейки светотехнической аппаратуры. От результатов лабораторных исследований может зависеть выбор того или иного производителя светодиодов, определение параметров и долговечности будущей продукции.
Литература
1. С.Г. Никифоров. Интернациональная физика и отечественная лирика современной метрологии света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5, 2012, стр. 74-84.
2. С.Г. Никифоров. Фотометрический метод исследования полупроводниковых гетероструктур. // «Заводская лаборатория» № 1, 2010, том 76, стр. 28- 33.
3. Никифоров С.Г., Сушков В.П., Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGaInN. // Доклад на конференции
«Нитриды галлия и алюминия», МГУ, январь, 2007.
4. С.Г. Никифоров. Разработка методик контроля деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGaInP и AlGaInN. // Диссертация на соискание учёной степе- ни кандидата технических наук. Москва, МИСиС, 2007г.
5. Патент на полезную модель №130394 «Комплекс средств исследования и измерения светотехнической продукции». Приоритет от 23.11.2012.
Создание и разработка сайта
