Введение к работе
Актуальность проблемы
Разработанные в 70-80-\ гг светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, элементы шкал и экранов на основе бинарных соединений и твердых растворов А3В3 нашли широкое применение в устройствах индикации, контроля и отображения информации малой мощности как гражданского, так и спецприменения Помимо «грязного» цвета свечения, не соответствующего стандартам, эти светодиоды имели низкую эффективность и силу излучения - единицы или десятки милликанделл, тогда как в обычных светотехнических устройствах этот парамегр должен составлять тысячи и десятки тысяч кандел
В 90-х гг за рубежом, в основном в Японии и США, были созданы эффективные полупроводниковые источники излучения второго поколения на основе AlInGaP, способные заменить лампы накаливания и люминесцентные источники в светотехнических приборах большого радиуса действия, таких, как шоссейные и железнодорожные светофоры, бакены и маяки, бортовые сигнальные и осветительные огни, дополнительные сигналы торможения, дорожные знаки, информационные табло, лампочки для шахтеров и т д
У светодиодов на основе твердых растворов алюминия индия галлия фосфора, изл)чающих в красной и желтой области спектра, квантовая эффективность составила 12-18% У лабораторных образцов внешняя эффективность достигала 65%
В 1989 г ШНакамз'ра из фирмы Michia исследовал пленки нитридов галлия и так подобрал легирование (Mg или Zn) и термоэлектронную обработку, чго смог получить эффективную инжекциго гетероперехода в активную Gai-xIn^N область, легированную цинком Спектральные максимумы голубых и зеленых СД лезчали около 460 и 520 нм В 1993 г фирма Nichia начала выпуск синих СД
Дальнейшее использование «синих» светодиодов и желтого люминофора позволило создать источник белого света по светоотдаче превосходящий лампы накаливания Разработаны мощные светодиоды на ток до 350 мА, способные заменить лампы накаливания, люминесцентные и другие источники освещения при напряжении питания не более 5 3 и существенной экономии электроэнергии
В настоящее время данное направление оптоэлектроники бурно развива-
4 ется Начиная с 2000 г ежегодный прирост капиталовложений в эту область составил 58% и к 2006 г достиг 3 млрд долларов США В 2007 г объем выпуска сверхярких мощных СД и СДУ достигнет 12 млрд шт Число патентов превышает 1000 наименований в год
По оценкам специалистов внедрение светодиодов в светотехнику сейчас происходит быстрее, чем в свое время внедрение транзисторов в радиоэлектронику Поэтому сложившееся положение называют промышленной революцией в оптоэлектронике и светотехнике
Начиная с 2004 г 50% общего объема выпуска составляют бечые СД По рейтингу они являются лидерами среди альтернативных источников освещения ламп накаливания и люминесцентных ламп
В настоящее время мощные светодиоды (СД) и светоизлучающие устройства (СДУ) белого цвета являются наиболее быстро развивающимися направлениями оп го электроники и светотехники По эффективности они превзошли лампы накаливания и вплотную подошли к уровню люминесцентных ламп по основному параметру - светоотдаче (60 лм/Вт)
Вследствие малой потребляемой энергии, большого срока службы, превышающего 100 000 ч , высокой эффективности преобразования электрической энергии в излучение, отсутствия ИК и УФ подсветки, экологической безопасности они прочно занимают первое место в рейтинге источников освещения
В диссертационной работе поставлена актуальная задача улучшения световых и электротехнических параметров излучателей (чипов), фотолюминофоров, иммерсной среды с наполиитетем и др элементов СД с доведением эффективности белых СД и СДУ до уровня 80-120 лм/Вт
Цель работы
Систематическая оптимизация параметров изтучатощих структур (гетеро-структур и фотолюминофоров), а также элементов конструкции и технологии, повышение надежности и радиационной стойкости
ДшшМ-ВёЗь^остаггалась постановкой и решением следующих задач 1 В контакіе с ведущими фирмами-производителями зпитаксиальных структуо Osram Semiconductors, Lumiieds lighting, Epistar, Cree по согласованным ТУ организована поставка чипов гетеростр\ ктур с одиночными и множественными квантовыми ямами, их всестороннее исследование и
5 передача поставщикам для корректировки и оптимизации процесса изготовления
-
Проведение анализа энергетической диаграммы гетероструктур с квантовыми ямами и барьерами с целью уточнения влияния ширины, глубины и высоты квантовых ям и барьеров на эффективность и спеюр люминесценции
-
Выполнение систематических экспериментальных исследований распределения заряженных центров и вольт-люмен-амперных характеристик структур I типа с множественными квантовыми ямами в легированном материале и II типа с одиночными квантовыми ямами в компенсированном нитриде галлия
-
Разработка математической модели гетероструктур I и II типа
-
Разработка двух вариантов конструкции и технология изготовления белых СД и СДУ В первой (RGB) в одном корпусе с фокусирующей линзой смепшваются световые потоки гетероструктур с красным, зеленым и синим цветом свечения, которые в итоге дают белый свет Во второй смешиваются световые потоки синего или УФ излучателя и стоксового люминофора на основе алюмогранатов иттрия и гадолиния, активированного ионами С1+ и Pj , излучающею в желто-зеленой области спектра
-
Проведение комплексных механических и климатических испытаний по методикам OCT В11 0563-88 и life time испытаний на наработку в течение 5000-20 000 ч позволили прогнозировать срок безотказной работы AlGalnP СД в течение 100 000 ч
-
Проведение воздействия проникающей радиации нейтронов и гамма квантов - на чипы и СД с красным, зеленым и синим цветом свечения показали их повышенную стойкость по сравнению с СД первого поколения на основе GaAs, GaP, Al035Ga065As, GaAs06Po,4 и даже карбиде кремния
Направление и методы исследования
У СД и СДУ измеряли вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) на автоматизированной усгановге с компьютерной обработкой результатов измерений до и после воздействия нейтронов и гамма квантов
Профили распределения заряженной примеси в активной области определяли на основе анализа параметров динамической барьерной емкости при одно-
временной подаче на исследуемые структуры постоянного смещения и малого переменного сигнала
Для определения параметров и концентрации глубоких примесных центров использовали метод термостимулированной емкости
Измерения проводили до, во время и после облучения светодиодов и структур нейтронами и гамма квантами
Измерения после проведения испытаний в соответствии с ОСТ В11 0563-88 проводили на стандартной аттестованной аппаратуре
3 Достоверность и обоснованность полученных результатов
Определяются хорошей воспроизводимостью результатов измерений, что обеспечивалось выбором гетероструктуо для исследования из одной части пластины Измерения чипов, СД и СДУ проводились на автоматизированной установке, без участия оператора, с компьютерной обработкой результатов измерений по заданной программе Испытания на надежность СД проводились согласно OCT В11 0563-88 и радиационную стойкость выбирались с бтизкими параметрами из большой партии СД
Полученные данные согласуются с известными из литературных источников
Научная новизна работы
1 Комплексные исследования распределения заряженных центров, измере
ния вольт-люмен-амперных характеристик позволили установить струк
туру гетероперехода, наличие компенсированных слоев шириной 0,02-
0,25 мкм, квантовых ям и барьеров шириной 25-30 А и связать стркутуру со световыми и электрическими параметрами гетероструктур
-
Установлено, что ВАХ гетероструктур с красным, желтым и синим цветом свечения хорошо согласуются с классическими диффузионными и дрейфовыми теориями двойной инжекции Холла, Рашба-Толпыго, Лам-перта, Марка и др исследователей, а ВАХ зеленых гетероструктур I типа имеют особенности, связанные с несовершенством структуры активной области
-
Разработана математическая модель гетероперехода с одной или несколькими квантовыми ямами, которая позволила рассчитать люмен-амперные и люмен-вольгные характеристики, использованные при анализе надеж-
7 ности и радиационной стойкости СД
-
Проведенные комплексные испытания на длшельную наработку (life time) СД с красным, зеленым, синим и белым цветом свечения позволили установить, что у СД с красным цветом свечения в первые 300-1000 ч наработки сила света необратимо растет (в 1,3-1,4 раза), а затем снижается по логарифмическому закону до 80-73% от первоначального значения за 100 000 ч непрерывной работы У СД остальных цветов снижение не превышало 10-15%)
-
Впервые проведенные нами исследования по воздействию нейтронов и гамма квантов на СД с красным, зеленым, синим и белым цветами свечения показали, что для СД, излучающих в красной области спектра, величина (т0Кт) = (5±1,8) 10~14 см2/н, что примерно соответствует СД из фосфида іаллия, излучающих в красной области спектра Параметры и ширина компенсированной области у ІпАЮаР СД изменялись при облучении Вочьт-люмен-амперные характеристики гетероструктур II типа с зеленым цветом свечения и I, II типа с синим практически не менялись при облучении нейтронами, пока флюенс не превышал 5 1015 н/см2 Величина (тпКт) была менее (0,610,2) 10~'6 см2/н
Практическая полезность заключается в разработке разных вариантов конструкции и технологии нескольких типов СД и СДУ с силой свега 350 Кд в угле 50 при рассеиваемой мощности 5 Вт
Разработанные конструкции позволяют рассеивать электрическую мощность 1-5 Вт при токе через кристалл площадью 1 мм до 350 мА
Life time испытания показали, что минимальная прогнозируемая наработка красных СД составляет 100 000 часов при снижении силы света на 20-27%, а у зеленых и синих - 2-3 раза ниже
Испытания по воздействию нейтронов и гамма квантов на СД с красным, зеленым, синим и белым цветом свечения показали их значительно более высокую радиационную стойкость по сравнению с СД первого поколения на основе GaP, Al>,Gai xAs, GaAs06Po,t и Даже SiC
8 Основные положения и результаты, выносимые на защиту
-
Красные, зеленые, синие гетероструктуры, люминофор, иммерсионая среда с напочнителем (кварцем), линзовые крышки - как элементная база для изготовления белых СД и СДУ
-
Гетероструктуры I типа со множественными квантовыми ямами и барьерами и II типа - с одной-двумя квантовыми ямами в компенсированном слое нитрида галлия с одним-двумя гетеропереходами
-
Математическая модель для описания параметров и характеристику гете-роструктур I и II типа
-
Оригинальная конструкция белых СД повышенной эффективности и мощности и технология их изготовления
-
Результаты life time испытаний СД различного типа и цвета, расчетные значения коэффициентов MTBF и а
-
Результаты испытаний СД на воздействие повышенных флюенсов и доз нейтронного и гамма облучения Расчет констант повреждаемости времени жизни и снижения силы света К% и К,т0
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты работы внедрены в 340 «Пола+» и 000 «Квант+»
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», г Аланья, Турция, 9-14 мая 2004 г , на десятой МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры», г Севастополь, 9-17 сентября 2004 г, на МНТК «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в цетях обеспечения качества и надежности аппаратуры», Сусс, Тунис, 9-16 октября 2005 г, на П-й Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия» (НГИА), г Санкт-Пегербург, СПГУ, 2-5 февраля 2003 г, на Ш-й Всероссийской конференции НГИА, Москва, МГУ 7-9 июня 2004 г, IV Всероссийской конференции НГИА, Санкт-Петербург, СПГУ, 3-5 июня 2005 г, V Всероссийской конференции НГИА, Москва МГУ, 31 января-2 февраля 2007 г
Ш^теущии
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работах, из которых 1 -гезисы доклада, 5 статей
Структура и обьем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы Основная часть диссертации изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 67 рисунков и 24 таблицы
