CC BY
80
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ВНЕШНЕЙ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Рассматриваются методики исследования распределения относительной квантовой эффективности излучений светодиодов по излучающей поверхности при малых размерах - до десятка мкм - участков свечения, основанные на фотометрировании яркости излучающих участков с помощью многоэлементных фотоприёмников.
Ключевые слова: методика исследования, кристалл светодиода, эффективность вывода излучения, полное внутреннее отражение, модификация поверхности, поверхностный рельеф.
RESEARCH TECHNIQUE PREPARATION OF EXTERNAL QUANTUM EFFICACY OF LED’S CHIP RADIATION
Valery A. Reichert
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Engineer of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Research technique of external quantum efficacy of LED chip surface radiation’s distribution are considered. Photometric measurements of small surface area luminescence by multielement photodetector are applied.
Key words: research technique, LED chip, efficacy of radiation coupling, total internal reflection, surface modification, surface relief.
Методы исследования излучений полупроводниковых светодиодов обусловлены характеристиками излучений: электролюминесцентной
природой, сравнительно с тепловыми излучателями узкой полосой спектра, широкой диаграммой направленности [1]. Для измерения изменения
квантового и энергетического выхода люминесцентного излучения при внесении изменений в излучающие устройства прибегают к относительным измерениям, что в ряде случаев значительно проще определения абсолютных характеристик светодиодов [2], используют сравнение с эталонным устройством.
В данном сообщении рассматриваются методики относительных измерений распределения квантовой эффективности по излучающей поверхности светодиодов на примере исследования промышленных образцов светодиодов компании CREE [3,4]. При исследованиях локально модифицировалась излучающая поверхность светодиода (формировался дополнительный рельеф на поверхности) и измерялись изменения
энергетического выхода излучения из этих участков путём измерения яркости излучающей поверхности в сравнении с яркостью не модифицированных участков. Использованная методика измерений
квантовой эффективности близка к методам измерения энергии в пятне рассеяния объектива оптической системы [5], где применено фотометрирование пятна; отличием является фотометрирование оптического изображения излучающей поверхности светодиода с помощью
многоэлементного фотоприёмника, в качестве которого может выступать фотодиодная линейка или фотоприёмная ПЗС-матрица. При измерении изменений квантового выхода по изменениям яркости может возникать погрешность, вызываемая возможным отличием диаграммы направленности исследуемого излучения от излучения эталонного образца, но в нашем случае изменения направленности не приводили к изменениям величины светового потока, попадающего в апертуру изображающего объектива. Оптическая схема лабораторной установки измерений квантового выхода и её фотография представлены на рис. 1.
На рис. 1: 1 - экспериментальный образец светодиода, закреплённый на панельке с выводами, 2 - зона поверхности подложки с рельефом, 3 - зона поверхности подложки без рельефа, 4 - двухкоординатный столик с ручным управлением; 5 - объектив; 6 - фотоприёмная матрица; 7 - монитор ПК, 8 -блок сменных светофильтров.
На фотоприёмной матрице 6 объективом формируется изображение излучающей поверхности светодиода. Сменные светофильтры 8 позволяют установить линейный режим работы матрицы фотоприёмника изображения; с помощью специальной программы обработки сигналов матрицы можно провести относительные измерения яркости свечения различных областей поверхности светодиода.
При измерениях экспериментальный образец светодиода устанавливался под объективом с увеличением 4 х микроскопа лабораторной установки и подключался к источнику питания светодиода. Изображение излучающей поверхности светодиода формировалось на фотоприёмной матрице. Пример изображения участка излучающей поверхности светодиода приведён на рис. 3.
Рис. 1. Оптическая схема и внешний вид установки измерений внешнего квантового выхода
Рис. 2. Изображение участка излучающей поверхности
На изображении тёмные линии в виде ёлочек - полоски электрической разводки катода светодиода, излучающей поверхностью является вся остальная поверхность отображаемого участка кристалла. Более светлые области этой поверхности соответствуют участкам светодиода с большей яркостью свечения.
Лазерная обработка поверхности проведена на локальных участках поверхности лучом примерно квадратного сечения с поперечником 20х20 мкм (темные квадраты в левом нижнем углу рисунка, более обширные тёмные области вблизи второй слева ёлочки и по сторонам четвёртой слева ёлочки). Более обширные области получены сканированием лазерного луча по поверхности этих областей ручным управлением перемещения предметного столика лазерной установки, в этих областях обнажена поверхность монокристаллической подложки SiC с микролинзовой структурой. Яркость областей со вскрытой микролинзовой структурой меньше, чем остальной излучающей поверхности, так как в этих областях удален «просветляющий» слой промышленного образца светодиода.
Белые участки, расположенные вблизи областей лазерного воздействия, имеют яркость, увеличенную на порядок величины по сравнению с имевшейся до облучения.
Внутри областей со вскрытой микролинзовой структурой поверхности монокристалла в отдельных участках этих областей лазерным лучём проведено микроструктурирование (лазерное термогидродинамическое формирование рельефных поверхностных структур). На изображении видно, что эти модифицированные области имеют большую яркость, чем соседние участки с оставшейся микролинзовой структурой (выглядят более светлыми).
Недостатком ПЗС-матрицы при её использовании в качестве измерительного устройства является недостаточный динамический диапазон
измеряемых яркостей объектов наблюдения и наличие встроенной системы авторегулировки чувствительности, что может приводить к ошибочным результатам. Для исключения таких ошибок, интенсивность падающего на фотоприёмник излучения с помощью светофильтров уменьшалась до значения, при которой сигнал от наиболее ярких точек изображения изменялся линейно с изменением их яркости; система авторегулировки чувствительности матрицы отключалась.
Разработана компьютерная программа цифровой обработки сигналов изображения фотоматрицы, позволяющая определять распределение яркостей изображения по заданной прямой линии, выбранной на картине изображения. Программное обеспечение разработано на основе использования пакета Ма^аЬ. Анализу подвергалась электронная запись сигналов отснятого изображения.
На рис. 4-5 иллюстрируется проводимый цифровой анализ изображения.
Распределение яркости в относительных единицах точек поверхности вдоль строки (горизонтальная линия на изображении структуры) показано в несколько увеличенном вдоль строки масштабе на графике, приведённом на нижней врезке рисунка. Четыре резких провала на графике соответствуют полоскам электрической разводки. Координатам строки 120, 200 и 260 на графике соответствуют области с лазерным микроструктурированием поверхности, имеющим ординаты 180 отн. ед.; областям с не структурированной облучением поверхностью соответствуют координаты 90, 150, 300 и близлежащие области поверхности с ординатами (130-150) отн. ед. Яркость областей с лазерным микроструктурированием поверхности в сравнении с неструктурированными областями составляет (138-120) %. Области с ненарушенным просветляющим покрытием имеют яркость 250 отн. ед., то есть, яркость модифицированных участков составляет от яркости ненарушенных участков 72%.
Аналогичным рассмотренному методом исследованы
экспериментальные образцы кристалла с рельефной поверхностью светодиода гибридной конструкции. В гибридном светодиоде излучение промышленного образца светодиода с помощью иммерсионной прослойки жидкости вводилось в пластину с рельефной поверхностью, являющейся излучающей поверхностью гибридного светодиода.
| Укамтъ строку ] N1 строки (сверху) | 495 |
Рис. 4. Анализ распределения яркости излучающей поверхности светодиода по строке изображения фотоматрицы: а - № 495; б - № 513
На рис. 5 показан анализ распределения яркости излучающей поверхности гибридного светодиода, в котором рельефная пластина изготовлена из лейкосапфира.
Рис. 5. Анализ распределения яркости излучающей поверхности гибридного светодиода по строке
изображения фотоматрицы: а - № 470; б -№ 232
Из приведённых графиков следует, что относительные яркости соседних участков пластины с рельефом и без рельефа относятся друг к другу как 150:130; превышение яркости участков с рельефом составляет 15 %. Участки без рельефа пропускают излучение фирменного светодиода, в котором введение иммерсионной жидкости в пространство между поверхностью светодиодного кристалла и рельефной пластиной существенно не изменило выходящий световой поток, поэтому указанное превышение означает увеличение эффективности гибридного светодиода в сравнении с фирменным.
В табл. 1 приведены значения яркостей излучающих рельефной и плоской площадок выходной поверхности кристалла светодиода гибридной и монолитной конструкции.
Таблица 1
Относительные яркости излучающих рельефной и плоской площадок выходной поверхности кристалла светодиода
Конструкция Координата рельефной площадки X, нм Прямой ток диода, мА Яркость рельефной площадки, отн. ед. Яркость плоской площадки, отн. ед.
Гибридная 180 450 20 120 (30-50)
220 140 (50-60)
280 160 (60-70)
монолитная 120 550 20 175 130
190
190 190 120
270 200 130
1070 160 100
Разработана лабораторная методика исследования распределения внешнего квантового выхода светодиодов по их излучающей поверхности. Применение описываемой методики в практике относительных измерений квантовой эффективности электролюминесцентных устройств с размерами излучающих участков порядка десятка микрометров показало сравнительную простоту и мобильность измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берг А., Дин П. Светодиоды. - М.: Мир, 1979.
2. Оптические измерения. Уч. пособие / А.М. Борбат и др. - Киев: Техника, 1967.
3. Елисеев И. Обзор светодиодной продукции компании CREE // Новости электроники. - 2009. - № 9. - С. 5-12.
4. Никифоров С.Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества // Компоненты и технологии. - 2005. -№ 5. - С. 48-57.
5. Креопалова Г.В., Лазарева Н.Л., Пуряев Д.Т. Оптические измерения: Учебник для вузов / Под общ. ред. Д.Т. Пуряева. - М.: Машиностроение, 1987.
© В. А. Райхерт, В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, 2014
