А.Л. Закгейм
description
Transcript of А.Л. Закгейм
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.