CC BY
85
Александр Юрьевич Белов —
Владислав Евгеньевич Бугров —
Алексей Русланович Ковш —
Максим Анатольевич Одноблюдов —
Алексей Евгеньевич Романов —
Рекомендована кафедрой светодиодных технологий НИУ ИТМО
д-р физ.-мат. наук, профессор; Институт кристаллографии им. А. В. Шубникова РАН, Москва
д-р физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; исполнительный вице-президент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; заведующий кафедрой д-р физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; исполнительный вице-президент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор канд. физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; генеральный директор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор
д-р физ.-мат. наук; ООО „Оптоган. Новые технологии света", Санкт-Петербург; гл. науч. сотрудник; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург; вед. науч. сотрудник
Поступила в редакцию 07.02.13 г.
УДК 628.9.03
К. А. Виноградова, В. Е. Бугров, А. Р. Ковш, М. А. Одноблюдов, В. И. Николаев, А. Е. Романов
ДЕГРАДАЦИЯ БЕЛЫХ И СИНИХ СВЕТОДИОДОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВРЕМЕНИ РАБОТЫ
Исследованы временные зависимости прямого падения напряжения на свето-диодах, излучающих синий и белый свет, работающих длительное время, до 21 тыс. ч, на постоянном токе 20, 25 и 30 мА. Показано, что в белых светодио-дах на основе силикатного люминофора с коррелированной цветовой температурой 4500 К наблюдается ускоренная деградация по сравнению со светодио-дами синего света.
Ключевые слова: синий светодиод, белый светодиод, люминофор, деградация.
Понимание механизма деградации светодиодов является крайне важным для разработки новых высокоэффективных экономичных источников света. Обеспечение надежности свето-диода — комплексная задача, которая включает в себя обеспечение требуемых характеристик всех элементов прибора: полупроводникового чипа, инкапсулянта, люминофора, электрических соединений. В условиях реальной эксплуатации светодиодов особенно важно обеспечить длительный срок службы всех его элементов с учетом протекающих в них физико-химических процессов, вызывающих постепенную деградацию характеристик, в частности, снижение светового потока и эффективности, а также изменение электрических параметров [1—6].
В настоящей статье представлены результаты исследований по оценке влияния концентрации люминофора в белом светодиоде на изменение электрических характеристик синего светоизлучающего чипа при длительной работе.
Объект исследований. Были исследованы семь групп светодиодов, выпущенных
2
компанией „Оптоган" (Санкт-Петербург), на основе чипов типоразмера 10x23 mil2 (1 mil = =25,4 мкм) синего света с пиковой длиной волны X = 449 нм. Процесс изготовления чипов описан в работе [7]. Светодиоды групп 1, 2 выполнены на основе чипов, гетероструктуры которых были выращены в ходе одного технологического процесса, и отличаются друг от друга наличием люминофора: светодиоды группы 1 не содержат люминофор. Белые светодиоды группы 2 характеризуются коррелированной цветовой температурой ССТ = 4500 К (ССТ — Correlated Color Temperature). Светодиоды групп 3—7, созданные на основе чипов, гетероструктуры которых выращивались в ходе различных технологических процессов, отличаются друг от друга концентрацией люминофора. Значения ССТ для исследованных групп, измеренные в начальный момент включения устройства, и результаты изменения напряжения AU от начального значения по истечении 21 тыс. ч работы при различных значениях тока I приведены в таблице.
Номер группы ССТ, К AU, %, при I, мА
20 25 30
1 — 7 6 9
2 4500 9 9 9
3 3850 1 0 1
4 4500 -4 -1 1
5 4500 -1 -1 0
6 4650 4 6 7
7 4700 0 0 1
Методика эксперимента. Каждая группа состояла из 15 образцов светодиодов, созданных в ходе следующих процессов: постановка чипа в стандартный корпус PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier) размером 35x28 мм, создание электрических межсоединений, инкапсуляция чипа и выводов. Каждые из пяти светодиодов были установлены на печатные платы, припаяны и подключены к источнику постоянного тока соответственно 20, 25 и 30 мА. Измерения характеристик проводились через каждые 168 ч в течение первых 3 тыс. ч работы, затем — через каждые 672 ч (один раз в месяц) до достижения 5 тыс. ч, а по истечении 5 тыс. ч — один раз в два месяца. Напряжение измерялось при помощи тестера путем приложения щупов к электрическим контактам каждого светодиода.
Для оценки изменения напряжения с течением времени работы светодиодов измеренные значения AU усреднялись по пяти образцам, работающим на одинаковом токе. Изменение напряжения от начального значения вычислялось по формулам
ZUi0Ui1 £Ui0 -£UlN AU1 = —i=1--100%, ..., AUn = —r-i=1--100%,
Z Ui0 Z Ui 0
i=1 i=1
где AU1, AUn — изменение напряжения от первоначального значения за время t работы светодиодов, равное 1 и N ч соответственно; Uю — падение напряжения на i-м образце в момент первого подключения прибора; U^, Un — значения падения напряжения на i-м образце через временные интервалы t = 1 ч и t = N ч соответственно.
Значение AU <0 свидетельствует о том, что падение напряжения, измеренное в момент времени t, увеличилось по сравнению с начальным значением.
Результаты и их обсуждение. На рисунке представлены результаты обработки измерений: зависимости изменения падения напряжения AU от времени работы светодиодов при различных значениях тока. Следует отметить разный характер кривых для исследованных групп светодиодов.
Рассмотрим графики для групп 1, 2. С увеличением времени работы значение AU уменьшается. На начальном участке, соответствующем 1 тыс. ч работы устройства — времени, используемом на производстве для оценки годности светодиодов и проведения теста на деградацию электрических и оптических характеристик (так называемый Life Time Test [1]),
наблюдается увеличение напряжения на 4 % в группе 1 и на 5 % в группе 2 для трех значений I. Такое изменение напряжения может быть связано либо с качеством светодиодного чипа, либо с качеством сварных соединений контактных площадок чипа и корпуса, либо с качеством при-паивания светодиодов к печатной плате. Однако две последние причины должны быть исключены вследствие применения одинаковых технологических режимов для всех семи рассмотренных групп и отсутствия столь явного изменения напряжения светодиодов групп 3—7.
В светодиодах групп 1 и 2 обнаружено, что за 21 тыс. ч работы значение AU составило 7 и 9 % соответственно. Возможно, что наличие люминофора ведет к дополнительному нагреву чипа светодиода за счет стоксовых потерь и усугублению процесса деградации. В группах 3, 5 и 7 изменения практически отсутствуют и флуктуации связаны лишь с погрешностью прибора. Группа 6 имеет сходный с группами 1, 2 характер изменения характеристики. Изменение тока с 20 до 30 мА не оказывает существенного влияния на скорость деградации свето-диодов всех рассмотренных групп.
Наиболее вероятно, что увеличение напряжения может быть обусловлено флуктуацией ширины запрещенной зоны, характерной для нитридов, высокоомностью p-слоя и паразитным падением напряжения в буферных слоях n-типа [2, 7], а также увеличением контактного сопротивления [3] и числа дефектов в полупроводниковом чипе [4]. Установить причину можно путем выявления отличий в технологических процессах при производстве светодиодных чипов и проведения дополнительных исследований. Как отмечено в работе [5], значения плотности тока, аналогичные примененным в описываемом исследовании, не оказывают сильного влияния на деградацию светодиодов. В работе [6] подтверждается факт „увеличенной" деградации оптических свойств белых светодиодов, полученных с использованием нанесенного непосредственно на чип люминофора, вследствие более высокой температуры перехода по сравнению с белыми светодиодами, в которых люминофор расположен в отдалении от синего чипа.
Заключение. Проведенные исследования показали, что в белых светодиодах с CCT = =4500 K в течение 21 тыс. ч работы на постоянном токе наблюдается небольшое, на 3 %, увеличение падения напряжения по сравнению с синим светодиодом, инкапсуляция которого проводилась без использования люминофора.
При тестировании светодиодов подтверждено, что временной интервал в 1 тыс. ч является достаточным для того, чтобы спрогнозировать изменение напряжения.
Статья подготовлена по результатам работы, выполненной при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках контракта № 14.516.11.0085.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. SSL Standards JESD22-A108D. Temperature Bias and Operating Life. 2010 [Электронный ресурс]: <http://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd-22-a108c>.
2. Шуберт Ф. Е. Светодиоды. М.: Физматлит, 2008.
3. Moon S.-M., Kwak J. S., High-current electro-optical degradation of InGaN/GaN light-emitting diodes fabricated with Ag-based reflectors // J. of Korean Phys. Society. 2009. Vol. 55, N 3. P. 1128—1131.
4. Jianzheng H. et al. Electrical, optical and thermal degradation of high power GaN/InGaN light emitting diodes // J. Phys.D: Applied Physics. 2008. Vol. 41, N 3.
5. Meneghini M. et al. Extensive analysis of the degradation of phosphor-converted LEDs // Proc. of SPIE. 2009. Vol. 7422.
6. Narendran N. et al. Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs // J. of Crystal Growth. 2004. Vol. 268. P. 449—456.
7. Torma P.T. et al. Maskless roughening of sapphire substrates for enhanced light extraction of nitride based blue LEDs // Solid State Electronics. 2009. Vol. 53, Iss. 2. P. 166—169.
Ксения Анатольевна Виноградова
Владислав Евгеньевич Бугров
Алексей Русланович Ковш
Максим Анатольевич Одноблюдов —
Владимир Иванович Николаев
Алексей Евгеньевич Романов
Сведения об авторах магистр; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; ассистент; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербург; ст. лаборант; E-mail: [email protected]
д-р физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; исполнительный вице-президент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; заведующий кафедрой д-р физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; исполнительный вице-президент; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор канд. физ.-мат. наук; ЗАО „Оптоган", Санкт-Петербург; генеральный директор; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор
канд. физ.-мат. наук; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; доцент; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербург; науч. сотрудник
д-р физ.-мат. наук; ООО „Оптоган. Новые технологии света", Санкт-Петербург; гл. науч. сотрудник; Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра светодиодных технологий; профессор; Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург; вед. науч. сотрудник
Рекомендована кафедрой светодиодных технологий НИУ ИТМО
Поступила в редакцию 07.02.13 г.
