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, 19-21 апреля, 2011г.

Светодиоды сегодня: растет не только световая отдача , но и: 1. Рабочие токи (плотности токов) до 150 A/cm22. Рабочие температуры 85-1500C3. Площади единичных кристаллов до > 10mm2

Cree:XP-E, XP-G : Sch~1mm2, Imax= 1-1.5 A, Pdiss~5W, Rth~6K/W, Ф ~400lm XM-L: Sch~4mm2, Imax= 3A, P diss~10W, Rth~2.5K/W, Ф ~900lm, Tj =250C

60WLuminus:SBT-90-W : Sch ~9mm2, Imax= 10A, Pdiss~50W, Rth~0.7K/W, Ф~2000lm, Tj =250C

Cree:MT-G : 12-die, Sch~99mm2, Imax= 4 A, P diss~25W, Rth~1.5K/W, Ф ~1500lm, Tj =850C

LedEngin :LZP-00CW00 : Sch~1212mm2, Imax= 4A, Pdiss~90W, Rth~0.35K/W, Ф~5600lm, Tj =250C

Эволюция СД: тепловое сопротивление - световой поток

lm

300

200

100

1960 1980 2000 2020

1000

2000

~0.7

Rth, j-amb,

K/W

P=5WRth=5-8K/W

2006P=50W

Rth=0.7K/W2009

Разогрев активной области:- ограничивает предельные энергетические параметры и ресурс; - вносит неопределенность в характеристики: Pout, EQE, WPE, peak, dom, 0.5, x,y, Tcol, etc. = f(T)

Tj влияет на функциональные характеристики и ресурс*

*Для InGaN/GaN гетероструктур температурные зависимости «индивидуальны»: конкретный изготовитель, дизайн наноструктуры и т.д

Tc

Cree XLamp XR-E L70

Lifetime Prediction - IF = 350mA б

EQE

L70

Надо знать:Tj при приемо-сдаточных испытаниях;Tj в реальном режиме эксплуатации;Температурные зависимости EQE=f(T)

0 10 20 300,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

EQE,

a.u

.

Current Density, A/cm2

T=200 K T=250 K T=300 K

E080522a

0 5 10 15 20 25 30 350,7

0,8

0,9

1,0

1,1

EQE,

a.u

.

Current Density, A/cm2

T=200 K T=250 K T=300 K

G100728a

Тепловая модель

Ccer-sp

Csp-rad

Crad-amb

Rj-cerCj-cer

Rcer-sp

Rsp-rad

Rrad-amb

P=UI-Popt

Tj

Tamb

В спецификациях приводят Rth, j-sp junction – solder point (переход – нижняя плоскость корпуса), например, Rth, j-sp = 2.5K/W (Cree XM-L)А надо знать:

При применении как минимум Rth, j-amb

При разработке все звенья цепи Rth,i

эквивалентная схема: распределенные R, C

параметры апроксимируются

дискретными звеньями

Как измерить Rth, j-amb -? Tj - ?

Rth, j-sp есть в спецификациях

ni

1ii th,optamb-j th,optamb-j ,thdissambj R )P-(UI R)P-(UI R P T T

Надо знать Rth,j-a

I. По температуро-зависимым электрическим параметрам: Uf

Тепловые измерения: методы и аппаратура

Практическая реализация: прибор Thermal tester T3Ster (MicRed Ltd.) с «бустером» для питания светодиодных модулей (200V/5A) и термостатом 10-95 0С. Мощное ПО позволяет детально анализировать тепловую цепь

(всем хорош, кроме цены >$120.000)

0 5 10 15 20 25 30 351E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

10

100

1000 d

C/d

R,

W2 s/

K2

Rj-rad

Rj-sp

Rth, K/W

Rj-c

Ceramic AlN Si Ceramic Onix Ceramic 22XC

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 ~1mm2, но разные конструкции:

«Cree EZ1000», «Semiled SL-V-B40AC», «Светлана-Оптоэлектроника МК-24»

R th, j-sp изменяется в пределах 9-14K/W

0 2 4 6 8 10 12 14 161E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

Rth, j-c

SemiledCreeSvetlana

dC

/dR

, W

2 s/K

2

Rth, K/W

Rth, j-sp

Cree, Semiled

Svetlana

Недостатки: - не позволяет непосредственно оценивать Tj;

- нет разрешения по площади ( температурного «мэппинга»)

II. ИК-тепловизионный метод - непосредственное измерение Tj

по интенсивности собственного теплового излучения.Универсальный тепловизионный комплекс на базе тепловизора

«Свит» и ИК-тепловизионного микроскопа УТК-1 (ИФП СО РАН)

ИК-МИКРОСКОППоле зрения: 400х400 3000 х 3000мкм Пространственное разрешение: 3-4мкм

ИК-ТЕПЛОВИЗОРПоле зрения : до 10х10 см Пространственное разрешение: 0.8-1мм

Матрица InAs: 128128, шаг 50мкм. Диапазон длин волн 2.53.мкм Температурное разрешение по АЧТ:0.20С при Тоб=300K (Тнак=80мс); 0.0150С при Тоб=450K (Тнак=30мс)Реальное разрешение ~1-20C

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 500C

Cree EZ1000; Ток I=1A 600C

700C

Однородное растекание тока и разогрев

Дефект контактной группы, локальный перегрев

2. Скрытые дефекты монтажа (особенно для флип-чип конфигурации)

Al2O3

Me-основание

Si

“Висячие” мостики

Локальный перегрев

72C58C

3. Развитие процессов деградации, каналы токовых утечек

Breakdown channeld~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

20 30 40 50 60 70 80 90 1006000

6200

6400

6600

6800

7000

7200

7400 Cu Black Body NiAg TiAg Au

Inte

nsity

, arb

. un.

T, 0C

Драйверы

Перегретые СД

Холодные СД

Драйверы

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 – 10MpxsРазрешение 2-3мкм

);(~ jIQEJIe

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%

dSjIQEIQE

Here, IQE = 71 %

IQE @ < j > = 62 %

< IQE > = 52 %I = 1000 mA

<j> = I / S = 100 A/cm2

jmax = 2240 A/cm2

Спектрорадиометрия, фотометрия, колориметрия

350 400 450 500 550 600 650 700 7500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Arb

. un.

Wavelenght, nm

Спектральное распределение

peak centr 0.5 etc.

Радио- и Фотометрия

F[W][lm]Ie[W/sr]Iv[cd] [%]WPE [lm/W]etc.

CCTChromatic coordinates:x,y; u,v; u',v' dom

Колориметрия

CRI R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R140

20

40

60

80

100

Общий Ra и частные R1-14 индексы цветопередачи (для белого света)

Базовый подход к построению универсального измерительного комплекса

Набор сфер (интегрирующих)

Гониометр

Блок осевой силы света

Специальные опт. блоки – изм. R, T, …

Блок UV/VIZ/NIR

спектро-радиометра cволоконным

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 CCTColor rendering index CRIPeak, centroid, center, dominant wavelengths (nm)PurityAngular 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 Product2. 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 РоссииГОСТ 19834.3-76 «Диоды полупроводниковые. Излучатели. Метод измерения спектрального состава излучения» ГОСТ 19834.2-74 «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: 250 - 1100 nm ” (~$100.000)

CCS-450 Standard Optical Closed-cycle Refrigerator 10-500К (~$40.000)

I.

x,y; u,v: u’v’ ;CCT [K];peak [нм];dom [нм];Purity;Ra, R1-14;P[Вт];F [лм];I [кд];WPE [лм/Вт]

Время 1-го измерения 15-20с

На дисплей выводятся

Динамический диапазон:P =0.001…10ВтF =0.005…3000лмIe=0.001-20Вт/срIv=1…10000кд…………………….

WPE=F(I)

0 200 400 600 800 10000

20

40

60

80

100

120

WPE

, lm

/W

I, mA

Green Yellow Red Blue

18

0 200 400 600 800 1000460

465

515

520

525

530

535

dom

I, mA

Green Blue

dom=F(I)

420 430 440 450 460 470 480 490 5000,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Arb.

Un.

Wavelenght, nm

I=1mA I=30mA I=100mA I=400mA I=1000mA

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

400 450 500 550 600 650 7000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

3200 K

Arb

. Un.

Wavelenght, nm

RGB RGBA RGBW Blackbody

400 450 500 550 600 650 7000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

5500 K

RGB RGBA RGBW Blackbody

Arb

. Un.

Wavelenght, nm

Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

3200 K 3 colors RGB 4 colors RGBA 4 colors RGBW

Color Rendering Indices

Ra R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

Color Rendering Indices

3 colors RGB 4 colors RGBA 4 colors RGBW

5500 K

3200

5500

Пространственное распределение силы света, координат цветности, цветовой температуры: I(,);

x,y(,); Tc (,) либо

Гониоспектрорадиометр

Отображающая сфера - измерительная система “IS-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; Tc в угле 2 за одно измерение ;•Время измерения единицы – десятки секунд.Недостаток: цена >$80.000

II.

Разрешение: ±0.5градx= 0.17…0.75; y= 0.005…0.84Tc = 2500…10000 K

Примеры

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 0-140 0С

Быстро-действующий фотоприемник

ОсциллографTektronix TDS 3044BF=400MHz

ГенераторAgilent 8114AIpulse = 0-2AРежим измерений =1-5ms, Q>100 позволяет

избежать саморазогрева и имитировать любой токовый режим при заданной температуре p-n-переходаНапример, 5520С; 8520С (Стандарт LM-80)

III.

США:1. NIST’s 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. – Boulder2) Intertec - Cortland, NY 3) Luminaire Testing Laboratory Inc. 4) Aurora International Testing Laboratoryetc. Goniophotometry Testing 1) Independent Testing Laboratories Inc. – Boulder2) 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»

ВыводыСветодиодная 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 картуВвести 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.