Лаборатория «Архилайт» − современный аккредитованный испытательный центр в области исследований полупроводниковых излучающих гетероструктур

Содержание материала

Никифоров Сергей Григорьевич, к.т.н., Архипов Александр Леонидович. Статья опубликована в журнале «Инновации и инвестиции» № 11, 2014, стр. 240-247.

Статья посвящена вновь созданной (2011г) фотометрической лаборатории «АРХИЛАЙТ» - самому современному отечественному независимому предприятию, оказывающему услуги по сертификационным испытаниям устройств светотехники на основе светоизлучающих диодов и традиционных источников света, исследованиям свойств полупроводниковых излучающих структур, определению потенциальной степени деградации параметров полупроводников фотометрическими методами.

Лаборатория имеет государственную аккредитацию в области её компетенции в системе ГОСТ Р. На базе лаборатории, её создателями разработан измерительный комплекс по изучению характеристик светодиодов, параметров производимых светотехнических устройств на их основе и исследованиям в области физики полу- проводниковых излучающих структур. Основные метрологические средства лаборатории для проведения указанных исследований разработаны, произведены и внесены в Государственный реестр средств измерений непосредственно с участием авторов статьи. Накопленный многолетний опыт по работе с излучающими структурами, множество собственных разработанных методов исследований и методик измерений характеристик в области метрологии полупроводниковой светотехники, позволяет производить самые сложные измерения и расчёты параметров любых источников излучения, ставить научные эксперименты, формировать прогнозы по надёжности и качеству светотехнической продукции, а также строить измерительные лаборатории различного назначения: от заводских до национальных испытательных центров.

Введение. Одновременно с существенным ростом качественных показателей осветительных приборов и источников света, в особенности полупроводниковых, вопрос измерений их характеристик встает весьма остро из-за особенностей применяемых при исследованиях методик и средств измерений, которые пришли в метрологию полупроводникового света из эры ламповых или газоразрядных источников. Помимо разницы в спектральном распределении мощности излучения, осветительные приборы на основе таких разных источников обладают еще и значительными отличиями в габаритной яр- кости, равномерности яркости выходного окна, а также геометрических размерах как самих осветительных приборов, так и их источников света. Решение проблем измерений современных светотехнических устройств и исследований характеристик полупроводниковых излучателей стало возможно в специализированной лаборатории, средства измерений в которой спроектированы и созданы специально с учётом вышеупомянутых особенностей.

Статус лаборатории. Лаборатория исследований источников излучения «АРХИЛАЙТ» - это полностью независимое предприятие, предоставляющее услуги по измерениям параметров светотехнических устройств, изучению и исследованию характеристик полупроводниковых излучающих кристаллов, материалов, гетероструктур и светодиодов, прогнозу изменения их параметров в процессе наработки. Уникальным является оборудование собственных разработок [5] и опыт по изучению деградации параметров полупроводниковых источников света. Одними из самых важных принципов работы лаборатории являются максимальная компетентность, абсолютная объективность и полная гарантия конфиденциальности исследований. Основное оборудование лаборатории позволяет выполнять самые сложные измерения и расчёты фотометрических, колориметрических и энергетических величин излучения, получая их с высочайшей точностью.

Лаборатория «АРХИЛАЙТ» является аккредитованным центром в области сертификационных испытаний светотехнических устройств, осветительных приборов и источников света в системе ГОСТ Р - аккредитована Федеральным Агентством по Техническому регулированию и Метрологии на компетентность и независимость и право проведения таких испытаний. Область аккредитации (кратко): лампы накаливания, разрядные, оборудование светотехническое, осветительные и сигнальные устройства и устройства оповещения, лампы светоизмерительные, диоды  и  излучатели  полупроводниковые, стекло техническое, оборудование систем освещения автомобилей, тракторов, мотоциклов и сельскохозяйственных машин, арматура светосигнальная, светофоры и прочие средства для регулирования движения. Аттестат аккредитации - РОСС RU.0001.21МЮ54.

Измерительное оборудование и его назначение. Метрологическое оборудование лаборатории ориентировано на измерения параметров полупроводниковых источников из- лучения, однако это не исключает возможности любых измерений традиционных источников света. В соответствии с требованиями федерального закона «Об обеспечении единства измерений» и для корректности выполняемых измерений с точки зрения соответствия метрологических характеристик эталонным величинам, все средства изме- рений  лаборатории  занесены  в  Государственный реестр средств измерений (СИ) и имеют соответствующие сви- детельства о поверке.

По функциональному назначению измерительное оборудование «АРХИЛАЙТ» представлено следующими средствами измерения и установками.

1. Фотометрические, радиометрические измерения.

Основные параметры: сила света, сила излучения, свето- вой поток, мощность излучения, угловые характеристики из- лучения, пространственное распределение силы света и силы

излучения, формирование файлов формата .ies и др.

2. Колориметрические и спектральные измерения.

Основные параметры: относительное спектральное рас- пределение плотности энергетической яркости, цветовая тем- пература, координаты цветности, характеристики спектра (длины волн), спектральная световая эфф. и др.

3. Измерение электрических характеристик.

Основные параметры: коэффициент мощности, активная и реактивная потребляемая мощность, потребляемый ток, вольт-амперная характеристика.

4. Измерение освещённости.

-Измерители освещённости (люксметры)

5. Другие средства измерения и вспомогательная ап-

паратура.

-Система прецизионного питания источников излучения (с возможностью температурной стабилизации режима).

-Система стабилизации и формирования сетевого напряжения

-Измерители  геометрических  величин  (дальномеры,  гониометры)

-Система питания образцов при тестах на наработку (деградационные испытания).

Основные технические характеристики фотометриче-

ского оборудования:

-Диапазон длин волн: 180 – 1100 нм

-Диапазон измерения силы света: 0,01 – 80 000 000 кд

-Диапазон измерения силы излучения: 0,01 – 2000 Вт/ср

-Минимальный шаг угла поворота в горизонтальной и горизонтальной плоскостях гониометра: 0,02 град.

-Погрешность измерения силы света: не более 3%

-Погрешность измерения силы излучения: не более 2-4%

-Время измерения углового распределения силы света в 360 град.: 2 - 3 сек.

Фотометрические установки. Фотометрические уста- новки «ФЛАКС-7» и «ФЛАКС-20» (рис. 1) используют гониофо- тометрический метод измерения силы света, построены на базе гониофотометров и отличаются своими возможностями по измерению значений силы света (силы излучения) и раз- меров исследуемых источников. Для рассмотрения принципов их работы и метрологических характеристик можно воспользоваться описанием одного из  них, поскольку в  отношении методов измерений угловых распределений силы света и её значений, они аналогичны. Все установки располагается в отдельных помещениях, особой конфигурации и специальной отделки.

Поскольку измерения фотометрических величин ведутся в непрерывном режиме без использования модуляции излучения, при кото- ром нельзя проводить измерения

Рис. 1. Блок – схема измерительной установки.

непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к данному помещению является полное отсутст- вие посторонних засветок, отражений от стен, других поверхностей и посторонних предметов. Поэтому в помещениях лаборатории, на фотометрической трассе все указанные поверхности отделаны светопоглощающим материалом, обеспечивающим коэффициенты отражения не более 1-1,5%. Помимо этого, в конструкции фотометров (радиометров) при- менена специальная насадка – бленда, исключающая боко- вую засветку [5]. Для наибольшей эффективности нейтрали- зации внутренних отражений от стенок насадки во входное окно фотометра, бленда выполнена с 2-мя внутренними диа- фрагмами различного диаметра, и представляет из себя усе- чённый конус с небольшим углом образующей, у которой больший диаметр расположен у фотометра. Вся конструкция обеспечивает телесный угол зрения фотометрической (радиометрической) головки, образованный плоским в 5-6 градусов. Другим, не менее важным требованием является обеспе- чение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения  закона  «обратных  квадратов»  при  измерении силы света (силы излучения) и её углового распределения. Исходя их указанных условий, было спроектировано соответствующее помещение. Размеры фотометрической трассы в нём обеспечивают измерительную базу (расстояние от источника излучения до фотометра) до 20 м. Для выполнения измерений небольших световых величин (до 300– 400 кд), применяется специальный стол, на котором располагается  оптический  рельс,  позволяющий  изменять расстояние фотометрирования в пределах 0,1 – 2,5м. Большинство  средств  измерения  также  располагаются  на этом  столе  в  непосредственной  близости  от двухкоординатного гониометра (рис. 1), жёстко связанного с поверхностью стола и  съюстированного с  фотометром (радиометром), расположенным на рейтере и перемещаемом по рельсу и другими фотометрами, находящимися в конце трассы. Гониометр (рисунок 1) имеет возможность подсоединения к цепям питания и закрепления на своей поворотной части источников излучения любой конфигурации, размером до 1,8 х 1,8 м. и весом до 50 кг (для возможности измерения светотехнических характеристик любых светильников и устройств на основе ламп или светодиодов: модулей, светильников, прожекторов, светоблоков, светофоров и т. д., имеющих большую массу и размеры). Для исключения влияния механи- ческих вибраций при угловым перемещением гониометра во время  измерения  и  передаваемых стенду  от  пола  здания, стол имеет значительную (не менее 500 кг.) массу, и особый, регулируемый по высоте для юстировки постамент. Вся конструкция расположена на специальных виброопорах, гасящих возможные  колебания  пола  и  стен.  Гониометры  установок «Флакс-20» и «Флакс-7» имеют 2 перпендикулярные плоскости вращения измеряемого источника, образуя 2 координаты сканирования его фотометрического тела. Третья переменная координата установки пространственного положения источника образована особым устройством безлюфтового перемещения всей базы гониометра относительно оси вращения поворотной платформы. Этим достигается идеальное положение центра вращения и оптического центра закреплённого на нём источника относительно системы отсчёта координат углового пространственного перемещения взаимно перпендикулярных платформ гониометра.

Фотометры установок выполнен на основе фотометрической головки типа ГФ, разработанной с применением кремниевого фотодиода типа ФД 288 (прошедшего процесс старения для стабилизации параметров), и скорригированной под функцию видности глаза V(  ). Расчет коэффициента преобра- зования фотометра для конкретного спектрального распреде- ления излучения измеряемого образца позволяет исключить систематическую составляющую погрешности измерений, связанную с переходом от источника типа «А» (калибровка эталонной фотометрической головки) к спектру излучения этого источника. Поправочный коэффициент рассчитывается для каждого измерения источника, если был изменён его электрический или иной режим. Погрешность нелинейности фотометрической головки – не более 3%.

Отдельно следует остановиться на радиометрических из- мерениях  энергетических характеристик источников  излуче- ния. Применение калиброванных радиометрических датчиков типа ГР собственных конструкций на основе высокостабильных  фотодиодов фирмы Hamamatsu (рисунок  2б)  сводит к минимуму погрешности измерения силы света и расчётов светового потока из-за отсутствия корригированных под кривую видности V( ) фильтров, применяемых в фотометрах. Данное обстоятельство наиболее актуально при измерении параметров излучения полупроводниковых структур в фиоле- товой  или  длинноволновой красной  части  спектра,  где  по- грешность фотометров может доходить до 25%, в отличие от 2-3% погрешности радиометра. Это относится и к корректности  измерений характеристик светодиодов, построенных по системе синий кристалл -  люминофор из-за большой доли совокупной энергии излучения, лежащей в синем диапазоне.

Гониометр имеет датчик угла поворота в горизонтальной плоскости, способный регистрировать угловое перемещение платформы вместе с закреплённым на ней источником в размере 1,2 угловой минуты. Также в виде цифрового кода информация с датчика передаётся в блок регистрации значений, где  каждому  дискрету  угла    присваивается своё  значение силы света Ivi  , информация о котором, соответственно, по- ступает с АЦП фотометра. Далее вся обработанная последовательность передаётся в компьютер через скоростной USB – порт в виде таблиц со значениями углов поворота и соответствующим им значениям силы света. Скорость регистрации 

указанных параметров позволяет измерить  диаграмму про- странственно излучения силы света во всей плоскости (пово- рот на угол 360 град.) с фиксацией около 16 400 точек дискре- тов (значений силы света) за 2 – 3 секунды. При этом возмож- но многократное повторение поворотов гониометра и автома- тическое вычисление среднего значения силы света в каждой точке,  независимо от  числа прохождения фотометра через неё. С помощью комбинаций поворотов в 2-х плоскостях за- креплённого на гониометре светодиода можно получить диа- граммы углового распределения излучения в любой плоско- сти,  в  пределе  получив  объёмный вид  этой  диаграммы и, соответственно, распределение силы света (силы излучения) в 4 ср.

Гониофотометрический метод измерения фотометрических характеристик источников считается самым точным, первичным по отношению к другим с точки зрения минимальных погрешностей, универсальным, потенциально самым информативным и легко сочетаемым с возможностью одновременного измерения других характеристик. Идея этого метода состоит  в  том,  что  пространственное распределение силы света (фотометрическое тело), а также все производные фотометрические единицы, получаются путем измерения значения силы света при каждом определенном угле поворота источника света (осветительного прибора) относительно регистратора фототока (либо наоборот — фотометра относительно источника), находящихся на одной оптической оси. Таким образом, выстраивается диаграмма углового распределения силы света в одной плоскости (как правило, горизонтальной). Затем,  при  изменении  положения  второго  (вертикального) угла положения источника (световой центр которого находится в геометрическом центре вращения) относительно фотометра измеряется диаграмма углового распределения силы света в другой плоскости, и так далее, до получения полного набора плоскостей всего  фотометрического тела. По  такой схеме и работает гониофотометр системы фотометрирования C,γ [1] (рис. 2), используемой в установках типа «Флакс». Существуют и используются и другие системы, где поворот в горизонтальной плоскости излучения комбинируется с изменением меридиональной (угломестной) координаты источника относительно фотометра. Вот что говорит по этому поводу п.11.2.1 ГОСТ Р 54350–2011: «Гониофотометр должен обеспечивать измерение силы света осветительных приборов по одной из принятых систем фотометрирования C, g, B,b и A,a (МКО 121 [4], Приложение В). Рекомендуются к использова- нию гониофотометры, работающие по системе фотометриро- вания C,g, и в первую очередь для фотометрирования осве- тительных приборов с круглосимметричным распределением силы света». Поэтому и далее будем рассматривать принци- пы измерения фотометрических единиц в рекомендуемой стандартом системе фотометрирования C,γ. Таким образом, точность метода будет зависеть от нескольких основных условий:  шага  угла  поворота; корректно выбранного и  точно измеренного   расстояния   фотометрирования;  соответствия этих условий площади окна фотометра; правильного выбора диапазона значений освещенности фотометра, лежащих в линейной зоне рабочей характеристики; уровня соответствия спектральной чувствительности фотометра функции видности глаза V(l) (либо корректности расчетов поправочных коэффициентов). Если говорить о шаге угла поворота гониометра, то здесь стандарт [1] гласит следующее (пункт 11.2.3.3): «Шаг меридиональных углов не должен превышать 5° не зависимо от системы фотометрирования.


 

Для светильников с концентрированным типом кривой силы света и прожекторов шаг в области максимальных значений  силы  света  должен выбираться таким  образом, чтобы перепад силы света на одном шаге не превышал 10%». Таким образом, ГОСТ заведомо допускает существенную ошибку измерений светового потока с помощью гониофотометрического метода, потому как измеренные с таким шагом диаграммы пространственного распределения силы  света  оказываются слишком грубо усредненными по соседним точкам и не могут служить  качественным материалом  для  расчетов  потока  и формирования корректных файлов данных формата .ies для проектирования. Установки типа «Флакс» [5] имеют разрешение угла поворота в обеих координатных плоскостях не более 0,02о, что при соответствующем расстоянии фотометрирования обеспечивает реальное физическое измерение силы света (силы излучения, при условии применения радиометрической головки). Поэтому точность расчета светового потока и получение других производных единиц имеет очень высокую степень. Для пояснения и удобства последующего сравнения рассмотрим этот процесс измерения, подробно проиллюстрированный на рис. 3.

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 условий:

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

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

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

Все эти условия связаны соотношением (1) и являются компонентами закона «обратных квадратов», когда значение элементарной  энергии  (освещенности),  которую  фиксирует фотометр с площадью Sфà0 изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния с L à∞ от источника. В этом случае освещенность площадки фотометра E [лк] вырождается в единицу, не зависящую от расстояния — силу света Iv [кд]. 

Iv= L2 × i/K, (1)

где i — фототок фотометра; L — расстояние до фотометра; К — коэффициент преобразования фотометра, зависящий от спектра источника излучения и степени соответствия функции видности глаза V(l) характеристики спектральной чувствительности фотометра.

Исходя из этих условий, нахождение необходимого рас- стояния от источника излучения до фотометра для корректно- го выполнения измерений не представляет определенных сложностей. Однако на этот счет существует и рекомендация в [1]: «11.2.2.3. Расстояние фотометрирования, определяемое расстоянием от фотометрического центра гониофотометра до центра  приемной  поверхности  фотометрической головки  (с учетом отражения от зеркал при их наличии), должно быть таким, при котором его отношение к максимальному размеру светящей поверхности светильника составляет, не менее:

десяти  —  для  осветительных приборов с  концентрированной кривой силы света;

семи — для осветительных приборов с глубокой кривой силы света;

пяти — для осветительных приборов со всеми остальными типами кривой силы света».

Имеются также и рекомендации МКО для расстояния фотометрирования при измерении силы света светодиодов.Документ № 127-2007 CIE предписывает пользоваться двумя стандартными значениями: А — 100 и В — 316 мм при площади фотометра 100 мм2. Стоит отметить, что на этих рекомендациях и построено большинство стандартных измерительных приборов и установок, используемых производителями светодиодов, на основе измерений которых они формируют свои спецификации и «даташиты», а также осуществляют сортировку по параметрам. Более подробно о проблемах фотометрирования светодиодов описано в [1,2].Однако вернемся к рис. 3, где, помимо источника света, показаны несколько фотометров и фотометрическая трасса с различными расстояниями. Для удобства рассмотрения выбраны элементарные световые потоки df, формирующие пропорциональную освещенность на площадке фотометра. Они заключены в телесный угол, образованный плоским основанием, равным диаметру площадки фотометра, и при по- вороте (угловом перемещении) источника света перемещаются в соответствии с минимальным шагом угла поворота. На рис. 3а можно заметить, что при одном и том же угле отклонения  источника от  оси  измерения (повороте), Фотометр 1  и Фотометр 2 оказываются в разных условиях фотометрирования (условиях освещенности потоками df0, df1, df2). Фото- метр 2, находящийся на гораздо большем расстоянии L2 с каждым шагом поворота освещается разным световым потоком df, не пересекающимся с предыдущим и не имеющим с ним разрыва и являющимся его продолжением. В то же время отсутствуют участки диаграммы, не охваченные фотометром, а следовательно, с незафиксированной силой света, как на рисунке 3б, где шаг угла поворота   слишком велик, и Фото- метр 2 фиксирует только один из шести условных df. Это особенно нежелательно при условии, что значения df0, df1, df2, df3 и т.д. не равны (а это бывает в 100% случаев — как теоретически, так и на практике), т.е. значения силы света в этих точках различны. Однако Фотометр 1 при том же угле поворота практически несколько раз фиксирует одно и то же значение силы света, находясь одновременно в режиме, близком к пределу своего динамического диапазона из-за довольно большой разницы сигналов в максимуме и минимуме  диаграммы. В  этом  случае  он  каждый  раз  интегрирует части соседних потоков, и поэтому возникает большая ошибка в измерении как самого значения силы света в большинстве точек углов поворота, так и, как следствие, различных угловых характеристик по разным уровням Iv и особенно светового потока. Таким образом, получается, что расстояние фотометрирования L2, при котором элементарные потоки df0, df1, df2 (рис. 3а) не пересекаются, является оптимальным для измерения пространственного распределения силы света данного источника излучения с минимальной ошибкой, в пре- деле определяемой только точностью фиксации угла поворота и погрешностью фотометра. Однако здесь имеется еще и Фотометр 3, площадь которого существенно (в девять раз) больше площади Фотометра 2. Находясь на большем, чем Фотометр 2 расстоянии, тем не менее, он также одновременно засвечен всеми потоками df0, df1, df2, образующими на рис. 3а суммарный поток Sdf. Таким образом, измеренная им сила света окажется результатом интегрирования элементарных потоков и ее значение будет одно, вместо девяти различных. На сноске к рисунку наглядно показана разница в пятне засветки различающихся по площади Фотометров 2 и 3, указывающая на существенное различие в разрешении измерения силы света. Отсюда совершенно понятно, что каким бы ни был малым минимальный угол поворота гониометра, он не сможет обеспечить физическое разрешение диаграммы по этому углу с фотометром такой площади. Таким образом, все перечисленные обстоятельства — это и есть подтверждение трех условий корректности измерений, описанных выше. Другими словами, для обеспечения высокой точности фотометрических измерений необходимо выбрать такое расстояние фотометрирования и такую площадь фотометра, чтобы, с одной стороны, каждый последующий шаг угла поворота обеспечивал новый элементарный поток, освещающий фото- метр, а с другой — не позволял формировать разрывы между соседними df0, df1, df2, df3 (рис. 6), т.е. угол поворота дол- жен быть в приближении равен телесному углу, образованно- му плоским с основанием, равным диаметру площадки фотометра. Только тогда мы получим корректно измеренное фотометрическое тело источника с заданным физическим раз- решением и рассчитаем производные единицы (световой поток) с предельно высокой точностью. Расчет геометрических размеров применённых фотометрических трасс и соответствующих характеристик фотометров показывает, что за- явленное физическое разрешение измерения силы света с шагом угла поворота 0,02о обеспечено: при длине трассы порядка 20 м площадь фотометра составляет менее 40 мм2. Практика измерений силы света и ее пространственного распределения гониофотометрическим методом, а также расчетов светового потока при отклонении от обсужденных условий даже в небольшой степени, свидетельствует о возможности получения ошибки до 20% (как правило, в большую сторону), что сравнимо с точностью измерений в сферическом интеграторе, а некорректные измерения узконаправленных источников света искажают расчеты потока в разы.

Следует отметить, что метод измерения характеристик источников с помощью гониометра универсален: при соблюдении  условий  фотометрирования  им  можно  пользоваться для измерений параметров любых источников — протяженных и точечных, монохромных и широкополосных, с любой неравномерностью яркости выходного отверстия, с любой формой пространственного распределения силы света (КСС) и излучающих вплоть до 4fср. Также при использовании в качестве датчика радиометрической головки возможно измерение указанных выше характеристик (в энергетических единицах) источников, излучающих за пределами видимого диапазона.  При  перечисленных условиях  и  типах  измеряемых источников все возможности минимизации погрешности будут доступны. Интегрирование гониофотометра со спектральными приборами позволяет с обозначенными точностями углов поворота измерять пространственное распределение параметров цветности, что удовлетворяет условиям «стандартно- го наблюдателя МКО» для дневного зрения и поэтому может использоваться корректно.

Рис. 3. 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. 

Для корректных расчётов световой эффективности светильников в комплекте с фотометрической установкой имеется эквивалент сети-измеритель электрической мощности, одновременно контролирующий во время измерений все электрические характеристики светотехнических устройств, рассчитанных на питание от сети переменного тока при изменении напряжения от 5 до 300В, частоты сети (в указанном диапазоне напряжений) 40 – 500Гц. Точность установки выходного напряжения – 0,1В. Таким образом, возможно одно- временное  измерение  светотехнических параметров  и  контроль коэффициента мощности, напряжения и потребляемого тока. Фотометрический стенд второй лаборатории «Флакс–7» по основным характеристикам идентичен первому. Отличием является меньшее расстояние фотометрирования (0,1–3,5м) и наличие прецизионных источников тока для питания полу- проводниковых источников излучения. В комплект стенда входит аппаратура для визуального исследования излучающих кристаллов и  светодиодов на их основе, определения производственных дефектов при монтаже кристаллов. В совокупности  с  измерениями  фотометрических и  электрических характеристик возможно определение качества большинства технологических операций при  производстве полупроводниковых излучающих приборов. Однако самая достоверная оценка качества произведённых устройств проводится с по- мощью исследования деградационных характеристик по методикам   собственных   разработок   [2,3].   Фотометрический стенд второй лаборатории ориентирован для проведения исследований в области физики полупроводниковых излучающих структур, реализации научных и  производственных программ по изучению деградации параметров светодиодов, кристаллов и гетероструктур.


 

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.

Поделиться с друзьями:

Измерительное оборудование собственного производства

УСТАНОВКА РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ «БИОФОТ» для измерения параметров энергетической экспозиции по  ГОСТ IEC 62471 (ГОСТ Р МЭК 62471) УСТАНОВКА РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ «БИОФОТ» для измерения параметров энергетической экспозиции по ГОСТ IEC 62471 (ГОСТ Р МЭК 62471) Подробнее ...
Установка для измерения силы света и её пространственного распределения «Флакс» Установка для измерения силы света и её пространственного распределения «Флакс» Подробнее ...
Эталонный источник излучения на основе светодиодов (изготовлен по ГОСТ Р 8.749-2011) Эталонный источник излучения на основе светодиодов (изготовлен по ГОСТ Р 8.749-2011) Подробнее ...
По вопросам приобретения оборудования и измерения параметров обращаться в лабораторию «АРХИЛАЙТ». тел. (495) 773 11 57, www.arhilight.ru