А.Л. Закгейм

Светодиоды сегодня: растет не только световая отдача , но и:
1. Рабочие токи (плотности токов) до 150 A/cm2?
2. Рабочие температуры 85-1500C?
3. 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
60W
Luminus:
SBT-90-W : Sch ~9mm2, Imax= 10A, Pdiss~50W, Rth~0.7K/W, Ф~2000lm, Tj =250C
Cree:
MT-G : 12-die, Sch~9*9mm2, Imax= 4 A, P diss~25W, Rth~1.5K/W,
Ф ~1500lm, Tj =850C
LedEngin :
LZP-00CW00 : Sch~12*12mm2, Imax= 4A, Pdiss~90W, Rth~0.35K/W, Ф~5600lm, Tj =250C

Эволюция СД: тепловое сопротивление ? - световой поток ?
Разогрев активной области:
ограничивает предельные энергетические параметры и ресурс;
вносит неопределенность в характеристики:
Pout, EQE, WPE, λpeak, λdom, Δλ0.5, 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
EQE
L70
Надо знать:
Tj при приемо-сдаточных испытаниях;
Tj в реальном режиме эксплуатации;
Температурные зависимости EQE=f(T)

Тепловая модель
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 - ?

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)

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
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-МИКРОСКОП
Поле зрения: 400х400 ⬄ 3000 х 3000мкм
Пространственное разрешение: 3-4мкм
ИК-ТЕПЛОВИЗОР
Поле зрения : до 10х10 см Пространственное разрешение: 0.8-1мм
Матрица InAs: 128×128, шаг 50мкм. Диапазон длин волн 2.5÷3.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
Cree EZ1000; Ток I=1A
Однородное растекание тока и разогрев
Дефект контактной группы, локальный перегрев
2. Скрытые дефекты монтажа (особенно для флип-чип конфигурации)

3. Развитие процессов деградации, каналы токовых утечек
Основная сложность метода: реальные объекты не АЧТ. Необходима предварительная калибровка излучательной способности (emissivity) материалов, входящих в конструкцию СД
4. Неправильное размещение элементов СД модуля
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 – 10Mpxs
Разрешение 2-3мкм
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%
IQE @ < j > = 62 %
< IQE > = 52 %
I = 1000 mA
= I / S = 100 A/cm2
jmax = 2240 A/cm2

Спектрорадиометрия, фотометрия, колориметрия
❷ Радио- и Фотометрия
F[W]
Φ[lm]
Ie[W/sr]
Iv[cd]
η[%]
WPE [lm/W]
etc.

Базовый подход к построению универсального измерительного комплекса
Набор сфер (интегрирующих)
Гониометр
Блок осевой силы света
Специальные опт. блоки – изм. R, T, α…
Управляющий компьютер
Электронные блоки
Калибровочные и вспомогательные лампы

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 CCT
Color rendering index CRI
Peak, centroid, center, dominant wavelengths (nm)
Purity
Angular 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 Product
2. 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 России
ГОСТ 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];
λpeak [нм];
λdom [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…10Вт
F =0.005…3000лм
Ie=0.001-20Вт/ср
Iv=1…10000кд
…………………….

18
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

Пространственное распределение силы света, координат цветности, цветовой температуры: I(α,θ); x,y(α,θ); Tc (α,θ)
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 2π за одно измерение ;
Время измерения единицы – десятки секунд.
Недостаток: цена >$80.000
II.
Разрешение: ±0.5град
x= 0.17…0.75;
y= 0.005…0.84
Tc = 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
Осциллограф
Tektronix
TDS 3044B
F=400MHz
Генератор
Agilent 8114A
Ipulse = 0-2A
Режим измерений τ=1-5ms, Q>100 позволяет избежать саморазогрева и имитировать любой токовый режим при заданной температуре p-n-перехода
Например, 55±20С; 85±20С (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. – Boulder
2) Intertec - Cortland, NY
3) Luminaire Testing Laboratory Inc.
4) Aurora International Testing Laboratory
etc.
Goniophotometry Testing
1) Independent Testing Laboratories Inc. – Boulder
2) Intertec - Cortland, NY
3) Luminaire Testing Laboratory Inc.
4) Lighting Sciences Inc.
Организация метрологического сервиса
(помимо фирм производителей)
РОССИЯ:
ФГУП «ВНИИОФИ»
ФЦП «Развитие информационно-аналитической составляющей наноиндустрии»

Выводы
Светодиодная 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 карту
Ввести 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.