Учреждение Российской академии наук Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур РАН, г.Санкт-Петербург А.Л. Закгейм В докладе Современный уровень и основные тенденции в разработке мощных СД Измерительные методики при контроле параметров СД: - тепловые; - электрофизические; - спектрорадиометрические, фотометрические, колориметрические Проблемы однозначности и воспроизводимости измерений, экстраполяции одних режимов на другие и прогнозирования работоспособности АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ВЫСОКОМОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ (СД) ( тепловые, электрические и фотометрические измерения ) LEDTechExpo, Москва, апреля, 2011г.

Светодиоды сегодня: растет не только световая отдача, но и: 1. Рабочие токи (плотности токов) до 150 A/cm 2 2. Рабочие температуры C 3. Площади единичных кристаллов до > 10mm 2 Cree: XP-E, XP-G : S ch ~1mm 2, I max = A, P diss ~5W, R th ~6K/W, Ф ~400lm XM-L : S ch ~4mm 2, I max = 3A, P diss ~10W, R th ~2.5K/W, Ф ~900lm, T j =25 0 C 60W Luminus: SBT-90-W : S ch ~9mm 2, I max = 10A, P diss ~50W, R th ~0.7K/W, Ф~2000lm, T j =25 0 C Cree: MT-G : 12-die, S ch ~9 9mm 2, I max = 4 A, P diss ~25W, R th ~1.5K/W, Ф ~1500lm, T j =85 0 C LedEngin : LZP-00CW00 : S ch ~12 12mm 2, I max = 4A, P diss ~90W, R th ~0.35K/W, Ф~5600lm, T j =25 0 C

Эволюция СД: тепловое сопротивление - световой поток lm ~0.7 R th, j-amb, K/W P=5W R th =5-8K/W 2006 P=50W R th =0.7K/W 2009 Разогрев активной области: - ограничивает предельные энергетические параметры и ресурс; - вносит неопределенность в характеристики: P out, EQE, WPE, peak, dom, 0.5, x,y, T col, etc. = f(T)

T j влияет на функциональные характеристики и ресурс* * Для InGaN/GaN гетероструктур температурные зависимости «индивидуальны»: конкретный изготовитель, дизайн наноструктуры и т.д TcTc Cree XLamp XR-E L 70 Lifetime Prediction - I F = 350mA б EQE L 70 Надо знать: T j при приемо-сдаточных испытаниях; T j в реальном режиме эксплуатации; Температурные зависимости EQE=f(T)

Тепловая модель C cer-sp C sp-rad C rad-amb R j-cer C j-cer R cer-sp R sp-rad R rad-amb P=UI-P opt TjTj T amb В спецификациях приводят R th, j-sp junction – solder point (переход – нижняя плоскость корпуса), например, R th, j-sp = 2.5K/W (Cree XM-L) А надо знать: При применении как минимум R th, j-amb При разработке все звенья цепи R th,i эквивалентная схема: распределенные R, C параметры апроксимируются дискретными звеньями Как измерить R th, j-amb -? T j - ? R th, j-sp есть в спецификациях Надо знать R th,j-a

I. По температуро-зависимым электрическим параметрам : U f Тепловые измерения: методы и аппаратура Практическая реализация: прибор Thermal tester T3Ster (MicRed Ltd.) с «бустером» для питания светодиодных модулей (200V/5A) и термостатом С. Мощное ПО позволяет детально анализировать тепловую цепь (всем хорош, кроме цены >$ )

Пример I: Одна конструкция - МК24, но разный материал платы-носителя R th, j-sp изменяется в пределах 7-32 K/W

Пример II. Одна площадь чипа ~1mm 2, но разные конструкции: «Cree EZ1000», «Semiled SL-V-B40AC», «Светлана-Оптоэлектроника МК-24» R th, j-sp изменяется в пределах 9-14K/W Cree, Semiled Svetlana Недостатки: - не позволяет непосредственно оценивать T j; - нет разрешения по площади ( температурного «мэппинга»)

II. ИК-тепловизионный метод - непосредственное измерение T j по интенсивности собственного теплового излучения. Универсальный тепловизионный комплекс на базе тепловизора «Свит» и ИК-тепловизионного микроскопа УТК-1 (ИФП СО РАН) ИК-МИКРОСКОП Поле зрения: 400х х 3000мкм Пространственное разрешение: 3-4мкм ИК-ТЕПЛОВИЗОР Поле зрения : до 10х10 см Пространственное разрешение: 0.8-1мм Матрица InAs: , шаг 50мкм. Диапазон длин волн мкм Температурное разрешение по АЧТ: С при Т об =300K (Т нак =80мс); С при Т об =450K (Т нак =30мс) Реальное разрешение ~1-2 0 C

Температурный «мэппинг» как отдельного кристалла, так и светодиодных модулей Можно увидеть локальный перегрев, выявляющий: I. Скрытые дефекты конструкции Semiled SL-V- B40AC; Ток I=1A 50 0 C Cree EZ1000; Ток I=1A 60 0 C 70 0 C Однородное растекание тока и разогрев Дефект контактной группы, локальный перегрев 2. Скрытые дефекты монтажа (особенно для флип-чип конфигурации) Al 2 O 3 Me-основание Si Висячие мостики Локальный перегрев 72C 58C

3. Развитие процессов деградации, каналы токовых утечек Breakdown channel d~5-10 µm Каналы утечек (горячие области) Основная сложность метода: реальные объекты не АЧТ. Необходима предварительная калибровка излучательной способности (emissivity) материалов, входящих в конструкцию СД 4. Неправильное размещение элементов СД модуля Драйвер ы Перегретые СД Холодные СД Драйвер ы

Ближнее поле излучение – «мэппинг» собственной эмиссии Тот же принцип, что при «ИК- мэппинге», но в видимом диапазоне Оптический микроскоп Mitutoyo со сменной оптикой Камера Canon EOS – 10Mpxs Разрешение 2-3мкм В совокупности IR и VIZ «мэппинг» дают полную картину распределения яркости и температуры по площади р-n-перехода основа для компьютерного моделирования и оптимизации излучающего кристалла Локализация тока снижает квантовый выход примерно на 10% Here, IQE = 71 % = 62 % = 52 % I = 1000 mA = I / S = 100 A/cm 2 j max = 2240 A/cm 2

Спектрорадиометрия, фотометрия, колориметрия Спектральное распределение peak centr 0.5 etc. Радио- и Фотометрия F[W] [lm] I e [W/sr] I v [cd] [%] WPE [lm/W] etc. CCT Chromatic coordinates: x,y; u,v; u',v' dom Колориметрия Общий R a и частные R 1-14 индексы цветопередачи (для белого света)

Базовый подход к построению универсального измерительного комплекса Набор сфер (интегрирующи х) Гониомет р Блок осевой силы света Специальные опт. блоки – изм. R, T, … Блок UV/VIZ/NIR спектро- радиометра c волоконным вводом, ПО, др. Управляющий компьютер Электронные блоки Калибровочные и вспомогательные лампы

1.Optronic Laboratories Inc. (США) * 2.Instrument Systems (Германия) 3. Labsphere (Англия) 4. StellarNet Inc. (США) 5. Pro-Lite Technology (Англия) 6. Radiant Imaging Inc. (США) * 7. Light Tools (США) * Приобретены и эксплуатируются в НТЦ микроэлектроники РАН Total spectral flux (W/nm) Luminous flux (lm) Radiant flux (W) Radiant intensity (W/sr) Luminous intensity (lm/sr) Chromaticity x,y; u,v, u,v Correlated color temperature CCT Color rendering index CRI Peak, centroid, center, dominant wavelengths (nm) Purity Angular distribution (Spatial radiation pattern) I,V and luminous efficiency 1. IESNA LM-79: Approved Method for the Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Product 2. IESNA LM-58: Approved Method for the Measurements of Correlated Color Temperature and Color Rendering Index 3. CIE 127:2007: Measurement of LEDs Специализированные измерительные комплексы для испытаний светодиодов (LED Measurement and Test Systems) За рубежом оборудование производят: В России ГОСТ «Диоды полупроводниковые. Излучатели. Метод измерения спектрального состава излучения» ГОСТ «Диоды полупроводниковые. Излучатели. Метод измерения силы некогерентного излучения» Аппаратура соответствует стандартам:

Измерительный комплекс НТЦ микроэлектроники РАН OL 770-LED High-speed LED Test and Measurement System UV/VIZ and VIZ/NI: nm (~$ ) CCS-450 Standard Optical Closed- cycle Refrigerator К (~$40.000) I. x,y; u,v: uv ; CCT [K]; peak [нм]; dom [нм]; Purity; R a, R 1-14 ; P[Вт]; F [лм]; I [кд]; WPE [лм/Вт] Время 1-го измерения 15-20с На дисплей выводятся Динамический диапазон: P =0.001…10Вт F =0.005…3000лм I e = Вт/ср I v =1…10000кд …………………….

WPE=F(I) 18 dom =F(I) Примеры: зависимости от температуры и тока световой отдачи, пиковой и доминантной длин волн

Примеры: спектральные распределения, индексы цветопередачи, координаты цветности и цветовая температура для RGB, RGBA и RGBW светодиодов

Пространственное распределение силы света, координат цветности, цветовой температуры: I(, ); x,y(, ); T c (, ) либ о Гониоспектрорадиом етр Отображающая сфера - измерительная системаIS-LI Luminous Intensity Measurement System Недостатки метода: Механическое вращение; Сложности при ассиметричных диаграммах светораспределения; Длительные времена измерений и их обработки. Преимущества метода: Полная пространственная картина I; x,y; T c в угле 2 за одно измерение ; Время измерения единицы – десятки секунд. Недостаток: цена >$ II. Разрешение: ±0.5град x= 0.17…0.75; y= 0.005…0.84 T c = 2500…10000 K

Пример ы Диаграмма светораспрелеления для светодиода на основе фотонного кристалла CBM 380(Luminus) Наглядно виден модовый состав Угловое распределение силы света и цветовой температуры для белого светодиода IRS-100 (Svetlana)

Импульсные измерения с заданием температуры p-n-перехода внешним нагревателем/холодильником СД + задатчик температуры С Быстро- действующий фотоприемник Осциллограф Tektronix TDS 3044B F=400MHz Генератор Agilent 8114A I pulse = 0-2A Режим измерений =1-5ms, Q>100 позволяет избежать саморазогрева и имитировать любой токовый режим при заданной температуре p-n-перехода Например, С; С (Стандарт LM-80) III.

США: 1. NISTs Optical Technology Division (высшая инстанция) 2. Orb Optronix LED Measurement Lab: Electro-Thermal-Optical LED Characterization Services (все виды измерений, аккредитована Environmental Protection Agency -EPA как независимый эксперт) 3. CALiPER - The DOE Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting – сеть аккредитованных лабораторий Integrating Sphere Testing : 1 ) Independent Testing Laboratories Inc. – Boulder 2) Intertec - Cortland, NY 3) Luminaire Testing Laboratory Inc. 4) Aurora International Testing Laboratory etc. Goniophotometry Testing 1) Independent Testing Laboratories Inc. – Boulder 2) Intertec - Cortland, NY 3) Luminaire Testing Laboratory Inc. 4) Lighting Sciences Inc. Организация метрологического сервиса ( помимо фирм производителей) РОССИЯ: 1.ФГУП «ВНИИОФИ» 2.ФЦП «Развитие информационно-аналитической составляющей наноиндустрии»

Выводы Светодиодная наноиндустрия развивается в России высокими темпами, НО Отсутствуют стандарты на методы измерения функциональных характеристик СД изделий, оценке надежности, срока службы и других потребительских качеств; Отсутствует отечественная измерительная аппаратура, специализированная под СД и источники света на основе СД; Отсутствует сеть сертификационных центров по проверке и подтверждению параметров СД, модулей СД и систем твердотельного освещения. Предложения в дорожную карту Ввести в раздел «Технологическое развитие» цветных и белых светодиодов: Создание сети сертифицированных независимых испытательных центров (под эгидой РОСНАНО, РОСТЕХРЕГУЛИРОВАНИЯ), специализирующихся на измерении всех (или отдельных параметров) СД и СД-продукции. Центры должны быть доступны для потребителей и производителей, публиковать периодические отчеты, обмениваться информацией и калибровочными образцами.