Дипломная (вкр): Установка для комплексного исследования деградации гетероструктур светодиодов

Сделанные оценки деградации при наработке в 10000 часов при повышенных значениях плотности тока и температуры показывают [2], что именно увеличение плотности тока более существенно влияет на деградацию кристаллов на основе InGaN/GaN-гетероструктур, так как приводит к неравномерному распределению температуры в гетероструктуре и, как следствие, локальному перегреву её активной области.

Кроме того, для СИД, работающих при высоких уровнях возбуждения, особую остроту приобретает проблема отвода выделяемого тепла и прецизионного контроля температуры активной области. При этом существенно знать не усредненную температуру, рассчитанную на основе тепловых сопротивлений, а детальную картину распределения температурных полей, так называемый температурный «mapping» [7].

Эти факты необходимо учитывать для определения оптимального режима работы, как при разработке светодиодов, так и при проектировании светодиодных устройств.

Как мы видим, процессы деградации СИД весьма непросты. Изучение же этих процессов даёт ключ к увеличению надёжности СИД, к созданию таких диодов, в которых процессы деградации будут значительно слабее. Уменьшив процессы деградации СИД мы сможем повысить их КПД. Сможем увеличить максимальный ток, при котором светодиоды ещё не будут деградировать. Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов в процессе наработки с величинами этих параметров до наработки, в перспективе, даёт возможность количественно предсказывать срок службы светодиодов ещё на стадии производства.

Анализ известных результатов исследований деградации светодиодов и методов её изучения, а также особенности современного производства привели к идее проведения комплексного эксперимента, в котором проводятся измерения максимально возможного количества параметров и характеристик светодиодов с целью установления их взаимосвязи и взаимозависимости в процессе наработки.

Этому и посвящена данная работа - созданию комплексной установки для исследования деградации СИД.

1. Аналитический обзор

В мощных светодиодах поверхность кристалла имеет большую площадь, что неизбежно приведет к неравномерному распределению плотности светового потока по диаграмме излучения, что еще больше проявляется при деградации [1- 4, 6].

Нельзя не коснуться цветовых характеристик. Совершенно очевидно, что чем больше площадь кристалла, тем труднее нанести слой люминофора, пропорциональный плотности излучения в каждой точке [2].

Известно, что наиболее резкие и большие по амплитуде изменения свойственны светодиодам с наибольшими показателями эффективности. Очевидно, что это обусловлено именно перераспределением плотности потока.

Как уже говорилось выше, выделение электрической мощности в активной области структуры приводит к ее разогреву. Особенностью СИД, усложняющей их тепловое моделирование, является действие различных механизмов тепловой обратной связи в структурах прибора, которые приводят к изменению исходного распределения источников тепла в структуре [5]. В результате распределения температуры, плотности тока и мощности становятся неоднородными.

Кроме этого, производство и эксплуатация СИД всегда сопровождается появлением макродефектов, то есть отклонений электрофизических или теплофизических параметров локальной области структуры от номинальных значений больше допустимого уровня. Наличие дефектов приводит к появлению локальных перегревов и перераспределению плотности тока и мощности в структуре.

Известно, что для температур плавления GaN (~2800°С) характерны высокие равновесные давления азота, что препятствует выращиванию совершенных кристаллов GaN из расплава. Обычная плотность дислокаций в кристаллах нитридов достигает 107÷1010 см-2. Вследствие этого базовые структуры для создания приборов на основе GaN получают при помощи гетероэпитаксиального осаждения из газовой фазы или молекулярно-лучевой <#"806308.files/image001.gif">

1 - УФ лампа; 2 - БП УФ лампы; 3 - МБС-10; 4 - печь; 5 - СИД; 6 - МИМ-7; 7 - Web-микроскоп; 8 - тепловизор; 9 - автоматизированный построитель ВАХ; 10 - универсальный измеритель ВАХ в области микротоков; 11 - персональный компьютер

Рисунок 2.1 - Функциональная схема установки

2.2 Определение последовательности измерений и испытаний

1)      Фотографирование поверхности кристалла СИД.

2)      Фотографирование поверхности СИД в УФ свете. Определение начальной дефектности кристалла.

)        Измерение ВАХ в области микротоков. Определение степени влияния сквозных дефектов, распространяющихся на всю глубину многослойной эпитаксиальной структуры «закоротки».

)        Картина свечения поверхности СИД до испытания.

)        Измерение калибровочных ВАХ при разных температурах в режимах негреющего тока для дальнейшего определения температуры активной зоны в рабочем режиме.

)        Испытания. Совместно с НИИПП.

)        Повторение процедуры исследования СИД после испытаний.

2.3 Описание работы установки

.3.1 Описание конструкции и работы оптического канала

Оптический канал состоит из:

1)      микроскопа МИМ - 7, МБС - 10;

2)      Web-микроскопа;

)        блока ультрафиолетовой подсветки;

)        тепловизора совмещённого с микроскопом;

Исследуемый образец помещается под микроскоп МИМ - 7 или МБС - 10, через Web-микроскоп изображение поверхности передаётся на персональный компьютер, где происходит дальнейшая его обработка. Перед проведением испытаний фотографируется поверхность неработающего светодиода и в рабочем состоянии, после чего включается ультрафиолетовая лампа, снимаются картины свечения во время фотолюминесценции поверхности кристалла без подачи внешнего питания. После этого происходит подсчёт количества дефектов в образце. Тепловизор используется, во время работы СИД в номинальном режиме или при повышенных токах, для определения картины локального перегрева и уточнения тепловых расчётов. С тепловизора изображение передаётся на компьютер, где происходит его обработка оператором [18, 19, 20].

1 - УФ подсветка; 2 - МИМ-7; 3 - МБС-10; 4 - микроскоп; 5, 6 - Web-микроскоп; 7 - тепловизор; 8 - персональный компьютер;

Рисунок 2.2 - Структурная схема оптического блока

.3.2 Тепловизионный блок

Позволяет видеть картину распределения нагрева кристалла и выявлять места перегрева, которые возникают за счёт выходов дислокаций на поверхность кристалла и образования «закороток». Тепловизионный блок позволяет уточнить расчёты тепловых процессов в кристалле, которые производятся на основании данных полученных при измерениях ВАХ и обработки изображения картин свечения. На сегодняшний день данное устройство мы не изготовили. В планах собрать его с применением тепловизионной матрицы или готового блока S5IR.

1 - микроскоп; 2 - тепловизионная матрица; 3 - драйвер для тепловизионной матрицы; 4 - ПК;

Рисунок 2.3 - Структурная схема тепловизионного блока

2.3.3 Описание блока электрических измерений

В электрический блок входят автоматизированный построитель ВАХ и схема измерения ВАХ в области микротоков.

Измерения в области микротоков необходимы для определения степени деградации гетероструктур СИД, так как в этой области изменения проявляются быстрей, чем при других значениях токов. Причиной такого изменения становятся сквозные дефекты, проходящие через весь кристалл, «закоротки».

Сфотографировав поверхность кристалла, проводить измерения ВАХ в области микротоков, после чего производят подсчёт выходов дислокаций на поверхности кристалла оптическим методом. Ставят диод на испытание и через некоторое время повторяют измерения. В результате получают семейство ВАХ в области микротоков при разных плотностях дефектов в кристалле, что позволяет более точно оценить степень деградации кристалла.

Автоматизированный построитель ВАХ позволяет построить семейство ВАХ во всём диапазоне рабочих токов. При этом есть возможность строить характеристики, когда кристалл нагрет до определенной температуры. Появляется возможность построить семейство калибровочных ВАХ при разных температурах и потом, во время работы СИД в номинальном режиме или при повышенных токах, определить температуру активной зоны кристалла. Рассмотрим более подробно установки позволяющие реализовать данные методы.

2.3.4 Схема измерения в области микротоков

Используется схема, в цепь которой входит исследуемый образец, резистор, два вольтметра и блок питания. Схема представлена на рисунке 3.7.

Рисунок 2.4 - Схема измерения ВАХ в области микротоков

Чувствительность данной схемы можно менять с помощью резистора. Это позволяет настроить схему на необходимый интервал токов для более точных измерений [19].

2.3.5 Автоматизированный построитель ВАХ

Для исследования вольтамперных характеристик (ВАХ) светоизлучающего диода (СИД) при изменении температуры окружающей среды был создан прибор для снятия ВАХ и оперативного измерения температуры, см. рисунок 2.5 [21].

Рисунок 2.5 - Структурная схема построителя ВАХ

Рисунок 2.6 - Главное окно программы «Построитель ВАХ»

Прибор выполнен на относительно дешевом, но в тоже время обладающем обширной периферией, микроконтроллере Atmega 16 семейства AVR, выпускаемым фирмой Atmel.

Принцип работы автоматического построителя ВАХ основан на ступенчатом увеличении тока текущего через светодиод, и измерении этого тока и напряжения падающего на светодиоде.

Ступенчатое увеличение тока, контролируемое программно, реализовано на сигнале с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), который генерируется микроконтроллером. ШИМ-сигнал интегрируется RC-цепочками, на выходе которых получаем постоянное напряжение, величина которого обратно пропорциональна скважности импульсов ШИМ-сигнала. В данном случае RC-цепочки выступают в роли простейшего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). На выходе ЦАП стоит транзистор, который основную часть времени работы устройства находится в открытом состоянии. Замыкание выходного сигнала ЦАП на землю происходит кратковременно по сигналу с микроконтроллера с периодом 700 мс. Закрывается же транзистор на 600 мкс, пропуская выходное напряжение ЦАП на управляемый источник тока (УИТ). Такой режим работы, при котором длительность горения исследуемого светодиода не превышает 600 мкс в совокупности с большой скважностью импульсов, позволяет исключить из расчетов нагрев кристалла светодиода за счет протекания через него тока.

УИТ выполнен на операционном усилителе (ОУ) и полевом транзисторе, в цепь истока которого последовательно включены измеряемый светодиод и постоянный резистор, выполняющий функцию датчика тока. Инвертирующий вход ОУ подключен к резистору и отслеживает величину тока текущего через светодиод. На неинвертирующий вход подается напряжение с выхода ЦАП. При такой схеме включения ток, текущий через светодиод прямо пропорционален напряжению на неинвертирующем входе ОУ, то есть параметры ШИМ-сигнала микроконтроллера определяют величину тока текущего через светодиод.

Напряжения с резистора и светодиода подаются на повторители напряжения, выполненные на ОУ с замкнутой цепью отрицательной обратной связи. Повторители напряжения, обладающие высоким входным сопротивлением и малым выходным, выступают в роли буферов, которые не вносят изменений во входной сигнал и согласуют его с относительно низкоомными входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП) микроконтроллера. В микроконтроллере эти напряжения программно обрабатываются.

Для вывода информации и управления параметрами снятия ВАХ применяется персональный компьютер. Микроконтроллер имеет встроенный канал UART который позволяет микроконтроллеру обмениваться данными с компьютером посредством интерфейса RS-232, который применяется для обмена данными по COM-порту. Для согласования логических уровней микроконтроллера с логическими уровнями COM-порта применяется специализированная микросхема MAX232. С выхода этой микросхемы можно передавать данные непосредственно в COM-порт.

Однако интерфейс RS-232 все реже применяется в периферийной технике и почти полностью вытеснен более современным интерфейсом USB 2.0. Чтобы дать оператору возможность использовать построитель ВАХ на современных компьютерах, которые не имеют COM-порта, в комплект устройства введен еще один интерфейс - USB 2.0, который создается из стандартного интерфейса UART с помощью специализированной микросхемы PL-2303.

В качестве датчика температуры применяется кремниевый выпрямительный диод, обладающий постоянным температурным коэффициентом напряжения (ТКН) в диапазоне температур 0 - 100 градусов. Для того чтобы ТКН диода был постоянен необходимо, чтобы ток, текущий через диод, также был неизменным. В качестве источника тока для датчика применена схема источника стабильного тока на биполярных транзисторах. Дифференциальный усилитель, выполненный на ОУ, усиливает сигнал с датчика и передает его в АЦП микроконтроллера для обработки.

Для удобного восприятия информации оператором и управления параметрами измерения ВАХ написана программа с интуитивно понятным интерфейсом, простыми операциями управления микроконтроллером и удобными форматами вывода данных. Данные выводятся как в числовом, так и в графическом виде. [21]

Для питания узлов схемы применяются интегральные стабилизаторы постоянного напряжения. На плате имеется разъем для внутрисхемного программирования микроконтроллера, который позволяет в случае необходимости изменить программу устройства без демонтажа микросхемы.

.3.6 Описание работы блока УФ подсветки

Блок УФ подсветки состоит из лампы ультрафиолетовой ДРШ-100-2, держателя для лампы, столика с фокусировочным зеркалом для микроскопа и стабилизированного источника питания. Свет от лампы фокусируется с помощью вогнутого металлического зеркала и подаётся на исследуемый образец. Благодаря этому появляется возможность равномерно осветить гетероструктуру СИД сфокусированным пучком света, что позволяет получить яркое изображение фотолюминесценции кристалла.

2.4 Проектирование ПУ

Анализ ТЗ проводится в целях выявления схемотехнических, конструктивных, эксплуатационных и технологических требований и ограничений на ПУ.

В результате подробного анализа ТЗ должны быть найдены основополагающие конструктивно-технологические решения и сформирована схема электрическая принципиальная ПУ, состоящая только из тех ЭРЭ, которые следует разместить на печатной плате.

2.4.1 Схемотехнические требования на ПУ

Схемотехнические требования вырабатываются на основе анализа электрической схемы и электрических режимов работы ЭРЭ. Такой анализ позволяет обнаружить компоненты, ФУ и электрические цепи, определяющие особенности компоновки ЭРЭ на ПП и размещения топологического рисунка.

Анализ электрической принципиальной схемы РКФ ДП. 411733.100 Э3 показал, что наиболее нагруженной частью схемы является транзистор VT1. Так как он выступает основным элементом стабилизатора и на нём выделяется значительная мощность.