Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных светодиодных экранов
(часть 3)
Выпуск 12/2005
Сергей Никифоров
(29.12.2005)
В этом выпуске мы заканчиваем статью Сергея Никифорова, 1 и 2 части которой были опубликована в выпусках #7/2005 и #10/2005 нашего интернет-журнала.
5. Анализ параметров и прогноз качества светодиодов для систем отображения информации от различных производителей, методом исследования деградационных характеристик.
Ведущими в мире производителями полупроводниковых кристаллов считаются компании "Nichia", "Toyoda Gosei", "Hewlett Packard", "Cree", "Osram", "Lumileds", "Epistar". Эти компании отличаются друг от друга не только количеством произведённой продукции, а что самое важное - принципиально различными конструкциями кристаллов собственных разработок. Поэтому, исследуя конкретный светодиод, помимо его технических характеристик, совсем немаловажно знать на основе кристалла какого производителя он изготовлен.
Как правило, знание этого обстоятельства, сразу ответит на многие вопросы опытному пользователю светодиодами ещё до рассмотрения им других данных. Однако, любая наука базируется на исключительно объективных сведениях. Получение их - довольно непростое дело, но в этом разделе хотелось бы обсудить именно такие - объективные результаты исследований параметров кристаллов и светодиодов, полученных в результате многих тысяч измерений и расчётов их характеристик. Во внимание были взяты лишь физические величины, цифры, показания приборов и сравнительные характеристики на их основе.
Были досконально исследованы светоизлучающие диоды более чем 20 фирм-производителей, в том числе, использующих кристаллы указанных выше лидирующих компаний.
Самому детальному исследованию были подвергнуты светодиоды на основе кристаллов "Lumileds", "Epistar", "Cree" производства "Сotco", "Retop", "Acol", "Lasemtech Inc", светодиоды на основе кристаллов "Toyoda Gosei", "Nichia". Параллельно исследовались светодиоды на основе кристаллов, произведённых в Юго-Восточной Азии. Это приборы фирм "Brightek", "ETR", "Guangyi", "Lanbaoli elektroniks", "Golden Valley Opto", "Lite-Max optо", "Sino", "Ultralight Electronic", "Sitronics Co.", "LED YI LIU", " Кena", "Shuen", "Ningbo Foryard Opt.", "SanderR", "Ledman" и другие.
Все образцы исследовались по одинаковой методике. Исследования велись при одинаковых условиях и с максимально возможным количеством измеряемых параметров. Во время наработки, каждый светодиод питался от отдельного индивидуального стабилизированного источника тока, с точностью поддержания тока ±0,5 мА. Это обстоятельство исключает возможность появления деградации параметров из-за колебаний прямого тока через кристалл. Большинство выводов сделано на основе наблюдений за изменениями зависимостей параметров в течение не менее 10 000 часов непрерывной работы светодиодов.
Помимо величин, изменяющихся в зависимости от прямого тока через кристалл, поддающихся моделированию или измерению (световой поток или сила света - люмен-амперная характеристика, вольтамперная характеристика, зависимость координат цветности от прямого тока и т. д.), есть и такие, как например, срок службы, необратимая деградация и т. п., которые не могут быть достоверно установлены в зависимости от изменения вышеуказанного параметра. Значения этих характеристик возможно косвенно предположить исходя из определения степени близости условий работы кристаллов при различных токах к условиям их работы на нормируемом производителем токе и нормируемым при этом токе срокам службы. А также, анализируя поведение спектральных и фотометрических характеристик излучения при больших токах, по которому можно достаточно точно судить о "здоровье" кристалла, светодиода в целом и его возможном потенциале.
Необходимость данных этого исследования возникает при моделировании новых конструкций светодиодных устройств, учитывающих возможность работы кристаллов при больших плотностях тока, прогнозов ухода параметров при колебаниях температуры окружающей среды, а также при конструировании устройств отображения информации и сигнализации высокой надёжности.
К каждому типу исследуемых светодиодов обязательно применялся метод последовательных измерений большого количества параметров в зависимости от времени наработки (деградационные характеристики параметров - зависимости их значений от времени наработки), что в свою очередь подтвердило отличную эффективность этого метода для определения качества светодиодов. Появилась возможность связать малые отклонения от типичных в характеристиках у светодиодов без времени наработки, с характеристиками после некоторой наработки, приводящие впоследствии к выходу светодиода из строя. Это позволяет сделать достоверный прогноз качества, срока службы и поведения характеристик прибора в процессе всего времени эксплуатации, не прибегая к длительным испытаниям.
По поведению показателей наиболее важных параметров приборов различных конструкций и производителей в течение временной наработки все светодиоды были условно разделены на насколько групп по степени изменения характеристик и изначального (без наработки) соответствия значениям, обозначенным в спецификациях.
Группа 1
Результаты исследований, прежде всего, выявили общее повышение энергетики выхода используемых кристаллов относительно прежних показателей. Наиболее продвинутой в плане освоения новых технологий в производстве светодиодов оказалась фирма "Сotco", которая применила в своих светодиодах новый тип кристалла на основе InGaN/GaN на подложке SiC. Это кристаллы серий Cree XBright™, Cree XThin™ устанавливаемые способом "flip-chip" на эвтектическую прослойку, нанесённую на рамку светодиода. Они стали удачным продолжением в усовершенствовании кристаллов MBright™ на подложке SiC, отличающейся лучшей, чем сапфир, совместимостью кристаллических решёток подложки и выращенной на ней структуры InGaN/GaN.
Применение кристалла XBright™ позволило практически сравнять энергетические показатели светодиодов синего и зелёного цвета излучения со светодиодами фирмы "Nichia", не изменяя цены, и что самое важное - надёжности, светодиода, а светодиоды с кристаллом Cree XThin™ фирмы "Ledman" превзошли по энергетическим параметрам идентичные по структуре характеристик приборы лидера светодиодостроения. Например, высший ранк наиболее используемых в экранах светодиодов с овальной линзой и углом излучения 110° x 50° светодиодов фирмы "Nichia" NSP_546 имеет осевую силу света до 2,4 кд (зелёный цвет), в то время как фирма "Сotco" заявляет 2,3 кд у LO5SMQPG4-BOG-A1, что действительно подтвердилось при исследованиях. Синий светодиод "Сotco" LO5SMQBL4-BOG-A1 также с углом излучения 110° x 50°, имеет осевую силу света до 0,75 кд (таблица 2). Световой поток кристаллов Cree представлен в таблице 3.
| Тип lv, кд | ||
|---|---|---|
| Nichia 110° x 50° | Cotco 110° x 50° | |
| Зеленый | 2,44 | 2,3 |
| Синий | 1,0 | 0,75 |
| Таблица 2 | ||
| Цвет | |||
|---|---|---|---|
| MBright™ | XBright™ | XThin™ | |
| Зеленый | 1,4 | 1,8 | 2,1 |
| Синий | 0,3 | 0,5 | 0,7 |
| Таблица 3 | |||
Световая отдача кристаллов Cree XThin™ достигает 35 - 40 лм/Вт за счёт значительного уменьшения прямого падения напряжения Uf во всём диапазоне токов. На рис. 16 и 17 показана эволюция вольтамперных характеристик семейства кристаллов Cree, наглядно поясняющая это утверждение.
 |
| Рис. 16 Прямые вольтамперные характеристики семейства кристаллов Cree |
 |
| Рис. 17 Зависимость потребляемой мощности Pdis от прямого тока If и динамическое сопротивление Rdin кристаллов Cree |
Использование таких светодиодов позволяет формировать экраны и табло с шагом пикселей 22 мм и яркостью до 8000 кд/м2. При шаге пикселей 19 мм, можно достичь яркости 10 000 кд/м2. При этом полностью сохраняется надёжность и долговечность работы экрана.
В чём секрет этих светодиодов? Особая конструкция кристаллов Cree XBright™, Cree XThin™ (рис. 18) одновременно решает несколько задач:
- великолепный отвод тепла от p-n - перехода (тепловое сопротивление p-n - переход - кристаллодержатель всего 2-5 град./Вт), активная область расположена всего в 2-3 мкм от эвтектического слоя
- выгодное, с точки зрения, хода оптических лучей, расположение граней и распределение излучения внутри кристалла - по всему объёму, поэтому выход квантов наблюдается по всей поверхности граней кристалла, а их площадь примерно в 4 раза больше, чем у кристалла на подложке из Al2O3 (рис. 19)
- площадь верхнего омического контакта, несмотря на маленький размер, не влияет на равномерность растекания тока, т. к. p-n - переход расположен в противоположной стороне от него, а распределение тока формируется толщей подложки SiC и специальным слоем AuSn. Нижний контакт занимает всю площадь нижней грани. Поэтому, вся площадь активной области работает при одинаковой плотности тока, и нет локализации излучения, находящейся в зависимости от расположения омического контакта
- высокая механическая прочность эвтектического соединения кристалла с металлической рамкой светодиода. Устраняются проблемы разности коэффициентов линейного расширения кристалла и материала рамки (подложки) при увеличении температуры работающего кристалла
- кристалл имеет большой динамический диапазон и запас по импульсным токовым нагрузкам. Линейность Люмен - Амперной характеристики сохраняется вплоть до тока 120 мА, что соответствует его плотности почти в 200 А/см2. Кристаллы конструкций на Рис. 19 теряют линейность, едва достигая плотности тока 100 А/см2 - 120 А/см2
 |
| Рис. 18 Кристаллы фирмы "Cree" а) MBright™, б) XBright™ - высота 250 мкм, в) XThin™ - высота 115 мкм |
 |
| Рис. 19 Кристалл на подложке из сапфира. Высота - 110 мкм, тепловое сопротивление p-n - переход - кристаллодержатель 80-150 град./Вт |
Однако, технология посадки кристалла способом "flip-chip" встречается не впервые. Фирма "Toyoda Gosei" применяет эту технологию для кристаллов на подложках из Al2O3. Светодиоды этой фирмы отличаются высокой надёжностью, которую, помимо конструкции кристалла, обеспечивает ещё и смонтированный рядом с излучающим кристаллом, быстродействующий диод Шоттки, включённый обратно и шунтирующий светодиод при подаче большого обратного напряжения. Однако, светотехнические параметры этих светодиодов ниже, чем у "Сotco".
Группа 2
Другая часть производителей, которые используют в производстве своих светодиодов кристаллы преимущественно конструкций - прототипов "Nichia", разделилась на несколько категорий по различным качественным показателям приборов на однотипных кристаллах. Но, все они не достигли таких значений силы света и других энергетических показателей светодиодов, как у ведущих фирм. Часто, реальные параметры светодиодов абсолютно разнились с заявленными в спецификациях, обладая и по этим данным не самыми лучшими характеристиками.
Делается это недобросовестным производителем исключительно для того, чтобы обозначить свою продукцию среди других на должном уровне, и сделать её выгодно продаваемой, потому как проверить истинность параметров потребителю в подавляющем большинстве случаев бывает невозможно, а по виртуальным - написанным на бумаге характеристикам светодиоды обладают неплохими параметрами. Однако, на самом деле выясняется, что всё далеко не так.
Группа 3
Следующая категория - это светодиоды, с большим фактором деградации квантового выхода от времени наработки, связанного как с некачественным кристаллом, так и с нарушением технологии при сборке светодиода. В эту группу попали светодиоды фирм "Lite-Max optо", "Sino", "Ultralight Electronic", "Guangyi", "Ningbo Foryard Opt.", "Sander", использующие кристаллы неизвестных производителей из Юго-Восточной Азии. Подавляющее большинство этих кристаллов имеет широко известную структуру, представленную на Рис. 19, однако, их характеристики не имеют ничего общего с такими же производства "Nichia" по всей вероятности из-за несовершенства оборудования и несоблюдения технологического процесса их выращивания.
Детальные результаты измерения, получения и моделирования деградационных характеристик требуют более тщательного, чем просто ознакомительное, обсуждению из-за большого объёма вплотную связанных друг с другом параметров, и непременно станут темой будущих статей. Однако стоит привести одну из самых наглядных диаграмм, иллюстрирующих процесс деградации наиболее важного параметра светодиода во времени - пространственного распределения силы света в зависимости от времени наработки Iν(T) (рис. 20).
Возможно построение зависимости изменения светового потока от времени наработки (как наиболее корректной с точки зрения физики процесса), но наглядность этого графика для пользователя будет недостаточна для объяснения картины происходящих изменений в светотехнических параметрах, к которым привязаны большинство спецификаций на светодиоды. "Интегральность" этого параметра не позволит проследить за изменениями угловых характеристик и значений силы света на разных участках диаграммы.
Как видно из диаграммы, помимо значительного уменьшения осевой силы света Iν происходит одновременное уменьшение и перераспределение светового потока по углу излучения, изменение угловых характеристик светодиода по разным уровням Iν и, как следствие, пропорциональное этому явлению, изменение светотехнических характеристик устройства отображения информации в целом. Наиболее это заметно, если подобная деградация происходит лишь у части светодиодов, образуя пятна и области с нарушенной цветопередачей и разной яркостью.
Однако, протекание подобной деградации у светодиодов никогда не происходит равномерно у всех образцов, у которых она возникла, из-за различия в природе её появления, а самое главное, что применяемые в кластере светодиоды, как говорилось ранее, выполнены на основе кристаллов разных структур, изменения параметров которых изначально не могут быть одинаковыми. Поэтому, сам факт появления деградации, отличающейся по характеру от нормальной для этих материалов кристаллов, уже говорит о недопустимости его возникновения у светодиодов, составляющих полотно изображения устройства. Как правило, поведение именно этого графика (рис. 20) в первые несколько сотен часов работы может многое сказать об отклонении и других характеристик светодиода от нормы.
 |
| Рис. 20 Зависимость Iν(T) светодиода SF-5EDB24 110X50 фирмы "Sino". Дана диаграмма углового распределения силы света в вертикальной плоскости излучения. Цифрами обозначено время наработки в часах (h). Цвет цифры соответствует цвету кривой на графике. |
Группа 4
Ещё одну категорию составляют светодиоды "Sitronics Co.", "LED YI LIU" и др., с большим разбросом параметров (более +50% по Iν) в партии из нескольких сотен штук, усугубляющимся деградацией, не позволяющим использовать их в сколь ответственной аппаратуре, требующей единства характеристик всех светодиодов группы, поэтому детальное рассмотрение их не приводится.
Исследования статистических данных производства больших партий (до 1 млн. штук) некоторых производителей (например, "Сotco") показали, что вне зависимости от категории (группы светодиодов, разбитых по принципу идентичности или малого (до ±10%) разброса параметров) количество образцов, определённых описанным методом как неизбежно выйдущих из строя практически одинаково, и составляет примерно 12 - 15%. Некоторые данные о результатах этих исследований сведены в Таблицу 4.
| Группа светодиодов | Средний разброс осевой Iν в партии, % | Средний деградация осевой Iν в партии, % | % деградировавших по Iν светодиодов в партии | |
|---|---|---|---|---|
| заявлено | реально | |||
| 1 | 15 | 9 | -5...7 | 8-12 |
| 2 | 15 | 16 | -10 | 10-12 |
| 3 | 12 | 15 | -25...30 | 30-40 |
| 4 | 15 | 30 | -25...30 | 40-60 |
| Таблица 4 | ||||
Причём, изначально, эти светодиоды признаются годными, потому как действительно соответствуют всем параметрам производителя, которые он указывает в спецификации. Конечно, приведённые цифры колеблются в зависимости от качества партии применяемых пластин кристаллов, соблюдения технологической дисциплины, и т. д. Однако, селекция потенциально неисправных образцов на производстве и является продолжением и развитием описанной методики (с помощью деградационных характеристик) определения критериев, по которым необходимо проводить эту селекцию. Таким образом, удастся применять абсолютно качественные светодиоды, отсортированные по необходимым критериям и быть уверенным в том, что их параметры непосредственно в проектируемом изделии не будут изменяться непредсказуемо.
6. Некоторые итоги исследований
Подытоживая сказанное, стоит заметить, что важность проводимых исследований и постоянного мониторинга новаций и разработок, позволяет не только судить о состоянии рынка светодиодной продукции, но и принимать правильные решения в стратегии использования тех или иных светодиодов в устройствах на их основе. Нельзя не уделять внимание некоторым, принципиально разнящимся с классическими, разработкам в области создания новых средств для полупроводниковой оптоэлектроники. Именно такой подход требуется при проектировании современных устройств отображения информации и оправдан качеством и высокими параметрами производимых экранов и табло на светодиодах при устойчивой тенденции к снижению их стоимости.
Литература:
- Sze S. M. "Physics of Semiconductor devices" - 1984
- Moss T. S. "Semiconductor Opto - Electronics" - 1973
- Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П.
"Свойства зелёных и синих InGaN - светодиодов". "Светодиоды и лазеры" №1 - 2, (2002 г.) стр. 30 - 33 - Агафонов Д. Р., Аникин П. П., Никифоров С. Г.
"Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе".
"Светотехника" №6 (2002 г.) стр. 6 - 11
Автор: Никифоров Сергей Григорьевич, г. Москва
Настоящая статья публикуется впервые. Каким-либо другим изданиям не предлагается. В Интернете не размещалась.
