Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений AIIIBV, используемых в высоконадёжных приборах» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Никифоров, Сергей Григорьевич

• Никифоров, Сергей Григорьевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Никифоров, Сергей Григорьевич

1.3. Деградация параметров..................................................22

1.4. Разработки светосигнальной техники для ОАО «РЖД» на светодиодах........26

Глава 2. Методы и средства измерений параметров светодиодов.................35

2.1. Система электрических, фотометрических и колориметрических характеристик

светодиодов.................................................................35

2.1.1 Группа электрических характеристик.....................................36

2.1.2. Группа фотометрических и энергетических характеристик излучения.......43

2.1.3. Группа спектральных и колориметрических характеристик излучения.......51

2.1.4. Группа общих температурных характеристик, условий хранения и эксплуатации...60

2.2. Концепция и принципы построения системы измерительного оборудования.....61

2.2.1. Описание разработанных средств измерений и области его применения.

Сертификация средств измерения и аккредитация измерительной лаборатории......62

2.3. Методики измерений и расчёта параметров.................................85

2.3.1. Исходные измерения....................................................85

2.3.2. Расчёт колориметрических характеристик излучения......................88

2.3.3. Фотометрические характеристики. Измерение углового распределения силы света и

расчёт светового потока......................................................92

2.3.4. Электрические характеристики. Измерение и расчёт электрических и

электрофизических характеристик светодиодов..................................100

Глава 3. Исследование деградации параметров светодиодов. Описание экспериментов по изучению деградации параметров. Методика подготовки и проведения эксперимента по

изучению деградации. Описание эксперимента..................................102

3.1. Наиболее общая методика подготовки и проведения эксперимента по изучению

деградации..................................................................103

3.2. Последовательность и порядок измерений в ходе эксперимента.............103

3.3. Описание эксперимента..................................................105

3.3.1. Изготовление образцов со специальными параметрами для исследования,

технология их производства и отбора.........................................106

3.3.2. Результаты температурных исследований параметров светодиодов.........118

3

3.3.3. Влияние температурных зависимостей характеристик светодиодов на восприятие глазным аппаратом человека результирующего излучения......................144

3.4.Комплексное исследование характеристик светодиодов различных производителей. 165

3.4.1. Исследования параметров светодиодов производства компании CREE.....165

3.4.2. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp ХР-Е, XLamp XP-G и XLamp

XM-L......................................................................188

3.4.3. Светодиоды фирмы Philips - Lumileds «Luxeon «REBEL»..................199

3.4.4. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД».............203

3.4.5. Исследование светодиодов производства Samsung.......................212

3.4.6. Исследование светодиодов производства Seoul Semiconductor...........218

Глава 4. Обоснование физических механизмов деградации по результатам экспериментов.

4.1. Деградационные характеристики групп светодиодов.......................228

4.2 Описание деградационных характеристик..................................229

4.3. Физические механизмы деградации параметров............................240

4.4. Практическое применение результатов экспериментов при разработке и производстве

светодиодов................................................................255

4.5. Анализ результатов прогнозирования деградации параметров светодиодов и сравнение результатов исследований по фактической наработке образцов в течение 50000ч....................................................................263

*

Глава 5. Разработка полупроводниковых излучающих устройств высокой степени надёжности для нужд РЖД...................................................270

5.1. Оценка используемых приборов световой сигнализации на РЖД и новых разработок,

претендующих на внедрение..................................................270

5.2. Конструкция и основные принципы построения светодиодной лампы ЖСС для

использования в линзовых комплектах........................................296

5.2.1. Обоснование параметров применяемых излучающих кристаллов для лампы ЖСС,

схемы их включения и доказательства безопасности............................302

5.2.2. Расчёт корригирующего фильтра........................................321

5.3. Оценка катафотного эффекта. Разработка методики по определению требований к

отражающим характеристикам светооптических систем...........................329

5.4. Оценка фотобиологической безопасности излучения лампы ЖСС..............350

Заключение. Основные выводы и результаты работы.............................359

Список использованной литературы............................................364

Приложения..................................................................374

4

Введение

Актуальность темы

Стремительное развитие технологии производства излучающих структур в последние годы привело к значительным успехам в области повышения качества приборов на их основе. Существенно увеличилось число различных конструкций и типов серийно производимых кристаллов, изготовленных на основе эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов AlGalnP и AlGalnN, позволяющих создавать источники излучения с любыми необходимыми характеристиками для различных сфер применения. Большой выбор цветов свечения, комбинация мощного излучения с любой формой его пространственного распределения и с возможностью получения любого цветового оттенка в широком динамическом диапазоне интенсивностей излучения открывают огромные перспективы использования светоизлучающих диодов на основе этих структур в качестве источников света для различных устройств. Однако, имеют место некоторые проблемы при изготовлении как самих гетероструктур, так и светодиодов на их основе, которые до сих пор недостаточно исследованы, а отсутствие методов их комплексного решения на стадии производства излучающих кристаллов и технологии их сборки в светодиодах существенно ограничивает применение готовых приборов в большинстве устройств специальной сигнализации (светофоры, световая сигнализация [1]), в устройствах ответственного применения с повышенной степенью надёжности (судовое, шахтное и аварийное освещение) и в устройствах стратегического назначения (военная и космическая техника). Наиболее значимой из всего спектра существующих проблем является проблема изменения (деградации) всего комплекса первоначальных параметров излучающих структур и светодиодов в целом. На практике это проявляется в виде изменения значений некоторых характеристик устройств с исполнительной частью на светодиодах, приводящее к искажению визуального восприятия информации человеком. Это может иметь место, например, в больших полноцветных экранах на основе многоцветных кластеров светодиодов (система RGB), в которых одновременно находятся в работе более 500 - 800 тыс. светодиодов, первоначально отобранных по принципу максимальной близости их параметров.

Во время эксплуатации у светодиодов с различным цветом свечения могут иметь место неодинаковые изменения величины светового потока и его перераспределение по углам излучения, изменение спектров излучения и, как следствие, различные изменения значений силы света. Эти изменения приводят к появлению неоднородностей на площади экрана в виде цветных пятен с несбалансированным белым цветом и нарушенной цветопередачей изображения. В светофоре этот эффект приводит к изменению осевых

5

значений силы света, определённых стандартами, и угловых характеристик излучения светоблоков, что неизбежно влечёт за собой ухудшение условий освещённости сетчатки глаза водителя или машиниста [3], и, как следствие, уменьшение расстояния восприятия и верности распознавания цвета сигнала. Важность этого факта достаточно велика: в конечном итоге обнаружение и правильность определения цвета сигнала светофора определяет безопасность движения в целом и жизнь человека в частности [2, 3].

Изучение механизмов деградации в сложившихся условиях массового производства кристаллов и светодиодов на их основе является очень актуальным. Результаты исследований выходят за рамки чисто научных программ и становятся необходимыми непосредственно на производстве, где уже сейчас всё больше требуется достоверная оценка не только параметров произведённых светодиодов, но и прогнозирование их надёжности и срока службы. Эта тенденция требует необходимости проведения новых исследований не только физических причин изменения различных свойств гетероструктур на основе твёрдых растворов AlGalnP и AtGalnN во время наработки светодиодов, но и разработки методик применения результатов этих исследований при конструировании и производстве светодиодов и устройств на их основе. Неотъемлемой часть таких исследований и внедрения их результатов в промышленное производство является также разработка новых методов и методик в области метрологии излучения, современных средств измерений характеристик светодиодов и устройств на их основе. 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. При этом для определения степени влияния конструкций и технологий изготовления гетероструктур AlGalnP и AlGalnN и кристаллов на их основе на скорость деградации важнейших параметров приборов исследуемые светодиоды должны иметь идентичные конструкции и технологии сборки.

К важнейшим параметрам светодиодов относятся световой поток, сила света и падение прямого напряжения при рабочей величине прямого тока. В современном производстве эти параметры измеряются на каждом выпускаемом приборе с помощью автоматизированных установок и светодиоды сортируются по группам, имеющим определённые типичные значения этих параметров в пределах от минимальных до максимальных значений.

Установление связи между скоростью деградации важнейших параметров светодиодов в процессе наработки с величинами этих параметров до наработки, в перспективе, даёт

6

возможность количественно прогнозировать срок службы светодиодов ещё на стадии их производства. В результате, имея такую возможность контролировать качество и потенциальную долговечность приборов, использование наиболее качественных из них позволяет строить устройства на их основе, имеющие максимальную надёжность при последующей эксплуатации, что особенно важно в ответственных светосигнальных приборах: светофорах, навигационной и индикаторной аппаратуре.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений AIIIBV, используемых в высоконадёжных приборах»»

Цель работы

Разработка современных методов и средств измерения фотометрических (радиометрических), колориметрических (спектральных) и электрических характеристик полупроводниковых излучающих кристаллов и светодиодов на их основе, использующихся как для изучения механизмов деградации характеристик приборов на основе материалов А'*'В\ производственного контроля параметров светодиодной продукции, так и для формирования комплексных исследовательских лабораторий, имеющих статус аккредитованных испытательных центров РФ для сертификационных испытаний светотехнической продукции.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- - Разработать фотометрические методы и соответствующие средства измерения для определения параметров излучения светодиодов и устройств на их основе, исследования деградационных явлений в полупроводниковых излучающих структурах и механизмов деградации их характеристик.

- Разработанные средства измерений (СИ) утвердить как типы СИ (занести в Госреестр СИ) с целью формирования высокоточных фотометрических измерительных систем для сертификационных испытаний светодиодных изделий и разработки методик измерений их параметров, в том числе в системе ГОСТ Р.

- На основе созданных СИ разработать и организовать производство высокоточных фотометрических измерительных комплексов для оснащения светотехнических производств (контроль качества), отделов разработки и КБ, научных, исследовательских и мобильных лабораторий, национальных центров по сертификационным испытаниям.

- Сформировать расширенную систему физических параметров и характеристик светодиодов, основанную на их взаимозависимости и учитывающую деградационные явления.

- Исследовать и установить причины возникновения деградации основных параметров излучающих структур и приборов на их основе, провести моделирование электрических и оптических характеристик исследуемых структур.

7

- Найти взаимосвязь между степенью и скоростью деградации основных характеристик со значениями параметров в начале наработки.

- Разработать методики производственной сортировки светодиодов и устройств на их основе по сроку службы (потенциальной степени деградации параметров), позволяющие существенно повысить долю выхода качественной и надёжной светодиодной продукции и спрогнозировать срок её службы.

- Используя результаты, полученные с помощью созданных средств и методик измерения полного комплекса характеристик светодиодов и закономерностей изменения параметров в процессе деградации электрических и излучающих свойств светодиодов с различной конструкцией кристаллов, изготовленных из эпитаксиальных гетероструктур твёрдых растворов AlGalnP, InGaN и AlGalnN разработать светодиодные излучатели, используемые в качестве источников света, для применения в светосигнальных устройствах особо ответственного назначения (в железнодорожных светофорах).

Научная новизна

1. Сформулированы принципы построения средств измерений и метрологических комплексов на их основе для прецизионных исследований полупроводниковых излучающих структур фотометрическими (радиометрическими) методами.

2. Предложена принципиально новая конструкция фотометра (радиометра), обеспечивающая максимальную точность измерения силы излучения (силы света) и её пространственного распределения независимо от расстояния фотометрирования и значения шага угла поворота гониометра (вплоть до 1 угловой минуты).

3. С помощью оптимизированной системы радиометр-гониометр, выявлено, что наибольшая точность измерений значения силы излучения (силы света) и её пространственного распределения для большинства источников обеспечивается радиометром с диаметром чувствительной части, близкой к диаметру максимально открытого зрачка глаза. Это условие наиболее важно при исследованиях на фотобиологическую безопасность излучения.

4. Благодаря применению принципиально нового разработанного фотометрического метода неразрушающего контроля параметров светодиодов на основе гетероструктур AlGalnP, InGaN и AlGalnN выявлена взаимосвязь между степенью и скоростью деградации основных характеристик со значениями параметров в начале наработки, а также в любое время в течение срока службы.

5. С помощью разработанного фотометрического метода исследования излучающих структур выявлен эффект перераспределения плотности изменения интегрального

8

значения светового потока (мощности излучения) со временем наработки в пределах пространственной диаграммы излучения.

6. Предложен метод расчёта светового потока <P(t), для любого времени наработки светодиода t, учитывающий плотность тока через излучающую структуру. Указанный метод использован для прогноза потенциальной степени деградации светового потока на срок до 100 000ч.

7. Предложена модель, описывающая электрические и излучающие свойства InGaN кристаллов светодиодов, в которой учтено неоднородное распределение атомов индия в активной области гетероструктуры. Согласно этой модели, кристалл светодиода представляет собой совокупность параллельно включённых микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных n-GaN и p-GaN эмиттеров, но отличающихся друг от друга содержанием индия (xln.) в квантовых ямах и величиной площади р-п перехода S(xln.). Показано, что при различных значениях xln. зависимости плотности тока от напряжения у микро диодов сильно отличаются.

Практическая значимость работы

1. Предложенная новая, расширенная система существующих физических параметров светодиодов, основанная на их взаимозависимости и включающая характеристики, описывающие деградацию параметров светодиодов: скорость деградации светового потока и силы света, изменение прямого напряжения за время наработки позволила формировать оптимальные методики измерения характеристик и научные программы исследований полупроводниковых излучающих структур.

2. Новая комплексная методика измерений, компьютерные программы расчётов светотехнических, фотометрических, колориметрических, электрических и энергетических характеристик и параметров светодиодов существенно повысили скорость и точность измерения и расчёта значений величин при оценке качества приборов на производстве и при исследованиях в лаборатории.

3. Разработанные методики и средства измерения характеристик светодиодов (измерительный комплекс), а также методы отбора приборов по степени потенциальной деградации параметров, использованы в области производства светодиодов со статусом вторичного эталона (эталонные источники на основе светодиодов).

4. Разработанные метрологические средства измерения характеристик светодиодов (измерительный комплекс) являются универсальными для исследования параметров любых источников в диапазоне длин волн 180 - ПООнм и мощности излучения 1 мВт -1000Вт и нашли своё применение от производственных участков, научных исследовательских лабораторий, до аккредитованных испытательных центров по

9

сертификационным испытаниям светотехнической продукции. Указанный метрологический комплекс использован при формировании единственного вновь созданного за последние десятилетия независимого аккредитованного в Государственной системе ГОСТ Р сертификационного испытательного центра «АРХИЛАЙТ».

5. Разработанный алгоритм (последовательность) и режимы измерений, критерии сортировки светодиодов используются на стандартном производственном сортировочном оборудовании. Это позволяет достоверно отделить приборы с потенциально большими (от -20% за 10000 час., и более) скоростями деградации силы света или светового потока. Показано, что предложенные методы сортировки на производстве не требуют дополнительного оборудования, времени и трудозатрат персонала.

6. Применение в различных устройствах светодиодов, отсортированных по разработанным методикам на производстве позволило уменьшить, не менее чем на 90% количество приборов, чей световой поток деградировал более чем на 20% или вышедших из строя процессе наработки всего за 2 - 3 тыс. час. Это имеет особо важное значение при их использовании в изделиях, влияющих на здоровье и жизнь человека (светофоры, медицинские световые приборы, аварийное освещение, и т.д.).

7. На основе указанных выше методов исследования и сортировки потенциальной степени надёжности излучающих кристаллов, разработаны и внедрены в производство высоконадёжные светодиодные лампы для использования в системах световой сигнализации ОАО «РЖД», существенно увеличивающие безопасность движения на ЖД, в том числе скоростного.

8. Результаты исследований светодиодов, проведённые в работе (деградационные, метрологические, производственные и др.) вошли в новую нормативную базу Государственной системы сертификации ГОСТ Р (ГОСТ Р 54350-2011, ГОСТ Р 54945-2012 и др.), а также в другие нормативные документы (САНПиНы, СНиПы), регламентирующие применение светодиодов и устройств на их основе.

Научные положения, выносимые на защиту

Положение 1. Учёт неоднородного распределения атомов индия в активной области гетероструктуры основе InGaN позволяет представить кристалл светодиода как совокупность параллельно включённых микродиодов с различным содержанием индия в квантовых ямах активной области и показать, что спектр излучения и суммарный световой поток светодиода в целом являются суперпозицией спектров излучения и световых потоков всех микро диодов.

Положение 2. Изменение значения интегрального светового потока при наработке всегда происходит одновременно с перераспределением его плотности внутри пространственной

10

диаграммы излучения по причине неравномерной степени деградации интенсивности излучения микродиодов с различным содержанием индия и изменения шунтирующего действия центров безизлучательной рекомбинации.

Положение 3. Величина деградации энергетических характеристик излучения (световой поток, мощность излучения) находится в зависимости от степени перераспределения плотности светового потока (мощности излучения) по пространственной диаграмме в процессе наработки.

Положение 4. Длинноволновый сдвиг спектра излучения обусловлен тем, что в большей степени деградации подвержены области структуры с малым содержанием индия в активном слое (формирующие наиболее коротковолновую часть спектрального распределения излучения), через которые протекают токи с существенно большей плотностью, что и приводит в процессе наработки к смещению спектров излучения в длинноволновую область.

Положение 5. Скорость деградации светового потока светодиодов на основе кристаллов, выращенных при одних условиях, различна, и имеет зависимость от величины их прямого напряжения и значения светового потока (световой эффективности) в начальный момент времени наработки.

Положение 6. Неоднородность спектрального состава пространственного распределения излучения структур на основе материалов А^'В\ изменяющаяся при наработке, обусловлена неравномерностью степени деградации секторов с различным содержанием атомов индия.

Апробация работы

Материалы по теме настоящей работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:

- 1-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2001 год, докладом о методах измерения световых характеристик светодиодов.

- 25 сессии Международной комиссии по освещению (С1Е) в Сан-Диего, США, 2003 год с представлением доклада «Red LED Railway Traffic Lights Visional Perception Research».

- 37-ом международном семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 28 - 30 ноября 2006 г. в МЭИ, докладом о результатах исследований физических механизмов деградации и сортировки светодиодов на производстве с применением разработанной методики

и

- семинаре «МИСиС -ULVAC - АГУ «Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники» 2006 г.

- 5-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в МГУ им. Ломоносова, Москва, 2007 год, докладом «Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGalnN».

- 38-ом международном семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» 2007 г, МЭИ, докладом «Надёжность и стабильность параметров светодиодов закладываются на производстве».

- 6-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 2008 год, докладом «Исследования и анализ зависимости квантового выхода светодиодов на основе материалов AlGalnN от плотности тока в неразогревающем режиме».

- 6-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия -структуры и приборы» в ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 2008 год, докладом «Метод исследования деградации излучающих свойств материалов на основе InGaN с помощью прецизионных измерений светового потока».

- на конкурсе молодых учёных «Роснано». Москва, 3-5 декабря 2008 г докладом «Исследования деградации структуры полупроводниковых кристаллов и излучающих диодов на их основе».

- конференции «ТрансЖат -2008», 22-24 октября 2008г. докладом «Физические аспекты восприятия приборов световой ЖД сигнализации на основе светодиодов и оправданность их применения».

- 4-м международном российско-японском семинаре МИСиС-Interactive Согр.-ВКГТУ, Усть-Каменогорск, 24 - 25 июня 2008г. докладом «Влияние ультразвукового воздействия на деградацию InGaN светодиодов».

- 7-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. Ломоносова, Москва, 01-03 февраля 2010 г. докладом ««Л.И.С.Т.» - первый в России независимый аттестованный испытательный центр в области изучения деградационных явлений и метрологии излучения полупроводников».

- 8-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 26 - 28 мая 2011 г. докладом «Светодиодная лампа для железнодорожных светофоров».

- конференции фонда «Сколково», октябрь 2011 докладом «Современное состояние реальных параметров светодиодов. Опыт и эволюция исследований».

12

- 1-ом Всероссийский светотехническом форуме «Инновационные продукты, материалы и технологии», Саранск, декабрь 2011 докладом «Лаборатория исследований источников света «Архилайт» - самый современный независимый аккредитованный испытательный центр в области метрологии излучения полупроводниковых и традиционных источников света».

- конференции «Светодиоды, чипы, продукция, материалы, оборудование» в рамках выставки «Экспоэлектроника-2012», «LED Tech Expo», Москва, 10-13 апреля 2012г. докладом «Измерительное оборудование отечественного производства от лаборатории «АРХИЛАЙТ» для оснащения производственных фотометрических лабораторий».

- 9-ой Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 13-15 июня 2013 г. докладом «Исследования деградации параметров гетероструктур InGaN на подложках из различных материалов в течение 50000ч и сравнение результатов с прогнозом на стадии наработки до 2000ч».

Публикации, патенты и акты о внедрении.

Всего по теме диссертационной работы автором опубликовано 85 печатных работ, из них 11 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК. Также, по теме работы получено 9 патентов на изобретения и полезные модели, зарегистрировано 8 актов о внедрении результатов работы на разных предприятиях, в различные области народного хозяйства.

13

Глава 1.

Аналитический обзор публикаций

1.1. Светоизлучающие диоды на основе гетероструктур

Источники оптического излучения весьма разнообразны. Однако большинство из них не удовлетворяют всей совокупности современных требований и находят применение лишь в отдельных светотехнических устройствах, главным образом в индикаторных приборах [3,9].

При оценке перспективности того или иного источника определяющую роль играет агрегатное состояние активного светящегося вещества или вещества, заполняющего рабочий объем. Из всех возможных вариантов - вакуум, газ, жидкость, твердое тело -предпочтение отдаётся твердотельному, а "внутри" него - монокристаллическому как обеспечивающему наибольшую долговечность и надёжность приборов. Одними из твердотельных источников оптического излучения являются светоизлучающие полупроводниковые диоды, основанные на принципе спонтанной инжекционной электролюминесценции.

При подаче прямого смещения концентрация неосновных носителей у границ р-п-перехода резко повышается и становится значительно выше равновесной. К инжектированным неосновным носителям подтягиваются основные и их концентрация у границ р-п-перехода становится выше равновесной. Диффундируя вглубь полупроводника, неравновесные носители рекомбинируют, проникая в среднем на расстояние диффузионной длины от слоя объёмного заряда р-п-перехода. Если при этом существенная доля актов рекомбинации происходит с излучением света, то, создав условия для выхода этого излучения наружу, полупроводниковый диод можно использовать как источник излучения. Такой диод называют светодиодом. Особенно широкое применение в последние годы получили источники видимого света. Человеческий глаз чувствует излучение в диапазоне от 0,45 до 0,7 мкм для энергий квантов от 1,8 до 2,8 эВ. Видимое излучение с длиной волны менее 720 нм можно получить лишь от широкозонных полупроводников с шириной запрещённой зоны Eg более 1,72 эВ. Таким образом, для источников видимого света нужны полупроводники с шириной запрещенной зоны от 1,8 до 2,8 эВ или больше, если используются не межзонные переходы, а излучательные переходы через глубокие примесные уровни.

Наилучшие параметры излучения имеют светоизлучающие диоды на основе гетероструктур (или гетеропереходов). Гетеропереходом называется переходный слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещенной зоны. Каждый из полупроводников, образующих гетеропереход, может иметь одинаковый или различный тип электропроводности и, соответственно, каждая пара полупроводников может образовывать четыре гетероструктуры: pt - щ, ш - П2, ш - р2, pi - р2- Здесь индекс 1

14

относится к полупроводникам с широкой запрещенной зоной (широкозонный полупроводник, а индекс 2 - к полупроводнику с узкой зоной (узкозонный полупроводник). При образовании гетероперехода происходит перераспределение носителей заряда, что приводит к появлению контактной разности потенциалов. Уровень Ферми для гетерострукруры в равновесном состоянии единый. На рис. 1.1. показана энергетическая диаграмма излучающей гетероструктуры GaAlAs - GaAs в состоянии равновесия [4]. На границе перехода образуется разрыв (скачок) энергии. Таким образом, гетероструктура имеет различные потенциальные барьеры для инжектируемых дырок и электронов. Движение носителей в равновесном состоянии гетероструктуры определяется носителями заряда только одного типа, для гетероструктуры на рис. 1.1. - электронами. Поэтому при приложении прямого напряжения имеет место односторонняя инжекция -только электронов из широкозонного слоя - эмиттера в узкозонный слой - базу. Такую структуру с широкозонным эмиттером и узкозонной базой называют ординарной гетероструктурой [4, 30]. Наряду с ординарной, в светодиодах используется двойная гетероструктура, в которой имеется дополнительный запирающий широкозонный рз -слой того же, что и база, типа проводимости

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма излучающей ординарной гетероструктуры

В двойной гетероструктуре второй потенциальный барьер препятствует выходу электронов из базовой области, зона базы образует потенциальную яму, в которой скапливаются инжектированные электроны. Избыточная концентрация носителей в активной (излучающей) области и односторонняя инжекция резко повышают внутренний квантовый выход гетероструктуры, а также ее быстродействие. Односторонняя инжекция в гетеропереходах не связана со степенью легирования эмиттерной и базовой областей, как это имеет место в обычном (гомогенном) переходе. В результате она сохраняется до значительных плотностей тока и появляется возможность изменения степени легирования областей гетероструктуры без ухудшения инжекции р-п-переходов. Другой

15

отличительной особенностью гетероструктур является разница в оптических свойствах базы и эмиттера. В результате спектральная характеристика излучения узкозонной базы оказывается сдвинутой в область длинных волн по отношению к спектральной характеристике поглощения широкозонного эмиттера. Поэтому излучение выводится из светодиода через эмиттер практически без поглощения. В излучателях с двойной гетероструктурой и удаленной подложкой сказывается явление многократного отражения - «многопроходной эффект». Лучи, претерпевающие на внешней границе кристалла гетероструктуры полное внутреннее отражение, многократно отразившись от различных граней кристалла, в конце концов, падают на внешнюю границу под таким углом, который дает возможность им выйти наружу. Многопроходный эффект является полезным только в том случае, если поглощение излучения в полупроводнике мало. Поглощение в узкозонной базе удается несколько компенсировать с помощью фотолюминесценции: поглощение кванта ведет к новому акту излучения.

Все преимущества гетеропереходов достижимы только при высоком качестве гетероперехода. Для получения качественного гетероперехода необходимо иметь хорошее совпадение параметров структуры - коэффициентов теплового расширения и постоянных кристаллических решеток. В гетероструктуре GaAlAs-GaAs значения коэффициентов теплового расширения при 300 К - 5,2 Ю^-К"' для AlAs и 5,0 10^-К * для GaAs; параметры решетки - 5,667 А для AlAs и 5,653 А для GaAs [9].

Рекордные результаты по разработке светодиодов для коротковолновой (синей, зеленой) части видимого спектра были достигнуты методом эпитаксии из металлорганических соединений и твёрдых растворов в системе AlInGaN группой фирмы Nichia. В работе [5] было показано, что на основе многослойных гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с тонким (2-^-3 нм) активным слоем из InGaN возможно создание светодиодов в указанной спектральной области с внешним квантовым выходом до 4 9 %, так как твердые

растворы GaN с A1N и InN обеспечивают перекрытие области длин волн от 200 нм до 640 нм. Этот факт также позволяет рассматривать GaN в качестве базового материала для изготовления инжекционных лазеров, светодиодов и фотоприемников на указанный диапазон. Интерес к GaN вызван совокупностью его свойств, открывающих перед этим материалом большие перспективы в различных областях электронной техники. GaN -полупроводник с прямым характером межзонных переходов и шириной запрещенной зоны 3.39 эВ (300 К). Высокая термическая, химическая и радиационная стойкость GaN позволяют использовать его для изготовления приборов, работающих при повышенных температурах и в неблагоприятных условиях. Хорошая теплопроводность снимает многие проблемы охлаждения рабочей области, что ведет к увеличению срока службы приборов. Нитриды галлия, алюминия и индия кристаллизуются в гексагональной решетке типа вюрцита (a-GaN), в отличие от кубических кристаллов GaAs, InAs, GaP, AlAs и других.

16

Есть сведения о получении кубических фаз GaN со структурой типа сфалерита (b GaN) и со структурой типа поваренной соли, однако эти фазы являются метастабильными [1]. Нитридные соединения А"'В^ характеризуются высокой степенью ионности, обусловливающей прочность и слабую миграцию точечных дефектов. Особая роль азота проявляется в формировании короткодействующих силовых связей, которые приводят к меньшим постоянным кристаллических решеток, чем для других соединений AIIIBV. Нитридные полупроводники имеют малые атомные объемы, многие их свойства близки к свойствам алмаза, в них удачно сочетаются большая величина запрещенной зоны значительная твердость и высокая теплопроводность.

Нитридные соединения А*"В^ - прямозонные полупроводники. В них происходит прямой излучательный переход между экстремумами энергетического спектра, расположенными в центре зоны Бриллюэна. Некоторые параметры нитридов А'^В^ представлены в табл. 1.1 [2].

Таблица 1.1

Параметры нитридов элементов III группы

InN GaN AIN

Ширина запрещенной зоны при 300 К, эВ 1,89 3,39 6,2

Постоянная решетки а, нм 0,3548 0,3189 0,3112

Постоянная решетки с, нм 0,570 0,5185 0,498

Статическая диэлектрическая постоянная 19,6 9,8 8,5

Показатель преломления 2,98 2,5 2,15

Эффективная масса электронов, отн. ед. 0,11 0,22 0,314

Эффективная масса легких дырок, отн. ед. 0,17 0,259 0,471

Эффективная масса тяжелых дырок, отн. Ед. 0,5 0,54 3,68

Подвижность электронов, см^/(В-с) 1500

Подвижность дырок, См2/(В-с) 300

Плотность, г/см^ 6,88 6,1 3,26

Температура плавления, °C 1100 1700 3000

Теплопроводность при 300 К, Вт-см" * К*' ЬЗ 1,3 2

17

Параметры реальной кристаллической решетки GaN и других нитридов сильно зависят от величины напряжений и количества дефектов в ней, поэтому часто наблюдается разброс в экспериментальных значениях параметра решетки а порядка 0,3160-0,3190 нм для GaN. Ширина запрещенной зоны InN, по другим данным, составляет 1,95 эВ [3].

Для твердых растворов InxGai-xN и AlxGat-xN характерно линейное изменение периода решетки от состава. Зависимость ширины запрещенной зоны (Eg) от состава твердого раствора InxGai-xN в общем виде можно записать следующим образом (1.1.):

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Никифоров, Сергей Григорьевич, 2015 год

Список использованной литературы

1. Официальные рекомендации Международной комиссии по освещению (МКО), публикация МКО № 2.2(ТС-1.6) Цвета световых сигналов. 1975.

2. Джадд Д., Вышецки Г. Цвет в науке и технике: Пер. с англ, под ред. Л.Ф. Артюшина; М.: Мир, 1978.

3. Агафонов Д. Р., Мурашова М. А., Никифоров С. Г., Пинчук О. П., Столяревская Р. И. // Исследования визуального восприятия красных железнодорожных светофоров на основе СИД. «Светотехника» №6 (2003 г.) стр.22.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Том 1-2, «Мир», Москва, 1984 г.

5. Shuji Nakamura, Gerhard Fasol. "The Blue Laser Diode. GaN based Light Emitters and Lasers." Springer, 1998

6. Мармалюк А. А. Исследование и разработка процесса МОС - гидридной эпитаксии нитрида галлия. // Дисс. канд. техн, наук - М., 1998 - 177 с.

7. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. // Свойства зелёных и синих InGaN - светодиодов. «Светодиоды и лазеры» №1 - 2, (2002г.) с. 30 - 33.

8. Кудряшов В.Е., Мамакин С.С., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Ковалёв А.Н., Маняхин Ф.И. Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе гетероструктур из GAN - зависимость от тока и напряжения. // «Физика и техника полупроводников», 2001г, том 35, вып. 7., стр 861 - 868.

9. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. -М.: Радио и связь, 1990.

10. Именков А.Н., Гребенщикова Е.А., Журтанов Б.Е., Данилова Т.Н., Сиповская М.А., Власенко Н.В., Яковлев Ю.П.. Свойства светодиодов на основе GaSb с сетчатыми омическими контактами. // «Физика и техника полупроводников», 2004г, том 38, вып. 11., стр 1399- 1407.

И. Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Полупроводниковые приборы, «Лань», Москва, С. - П., Краснодар, 2003 г.

12. www.lumileds.com Тиристорный эффект в кристаллах на подложке GaP.

13. www.cree.com Технические характеристики кристаллов на подложке SiC.

14. Абрамов В.С., Сушков В.П., Сыпко Н.И. Метод измерения температуры р-п перехода светодиодов. // «Светодиоды и лазеры» №1 - 2, (2002г.) с. 35 - 37.

15. Никифоров С.Г. Температура в жизни и работе светодиодов. // «Компоненты и технологии» №9, (2005 г.) с. 48 - 54., №1, (2006 г.) с. 18 - 23.

365

16. Патент РФ №2114492 «Светоизлучающий диод» (Светоизлучающий диод с линзой на основе макролона и улучшенным теплоотводом).

17. ГОСТ 25695-91 «Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры»,

18. ГОСТ 24179-80 «Светофильтры, светофильтры-линзы, линзы, рассеиватели и отклоняющие вставки стеклянные для сигнальных приборов железнодорожного транспорта»

19. Патент PCT/RU99/00389 Luminescent diode devise (Узконаправленный светодиод с линзой Френеля).

20. Никифоров С.Г. Теперь электроны можно увидеть: светодиоды делают электрический ток очень заметным. // «Компоненты и технологии» №3, (2006 г.) с. 96 - 103.

21. Никифоров С.Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для систем отображения информации высшего качества. // «Компоненты и технологии» №5, (2005 г.) с.48 - 57.

22. Бочкарёва Н.И., Ефремов А.А., Ребане Ю.Т., Горбунов Р.И., Клочков А.В., Шретер Ю.Г. Деградация инжекции носителей заряда и деградация голубых светодиодов. // «Физика и техника полупроводников», 2006 г, том 40, вып. 6., стр 122 - 127.

23. Гонтарук А.Н., Корбутяк Д.В., Корбут Е.В., Мачулин В.Ф., Олих Я.М., Тартачник В.П. Деградационно-релаксационные явления в светоизлучающих р - п - структурах на основе фосфида галлия, стимулированные ультразвуком. // ЖТФ, 1998, том 24, № 15.

24. Ковалёв А.Н., Маняхин Ф.И., Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Изменение люминесцентных электрических свойств светодиодов из структур InGaN/AlGaN/GaN при длительной работе. // «Физика и техника полупроводников», 1999г, том 33, вып. 2., стр 224 - 232.

25. Никифоров С.Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? // «Компоненты и технологии» №7, (2005 г.) с.16 - 24.

26. D.R. Agafonov, Р.Р. Anikin, S.G. Nikiforov, «On Design and Manufacturing of LED and systems based on LED». // «Light & Engineering», volume 11, number 1,2003, p. 50 - 56.

27. Котюк А.Ф. Основы оптической радиометрии М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003г.

28. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004.

29. Технический доклад МКО "Измерения СИД". (Technical report "Measurements of LED's" C1E127-1997 [ISBN 3 900 734 84 4]).

30. Мосс T. Полупроводниковая оптоэлектроника. «Мир», Москва, 1976 г.

31. Закгейм А.Л. Особенности работы светодиодов сине-зеленого диапазона на основе InGaN- структур с квантово-размерной активной областью при высоких уровнях возбуждения. // Электроника, №3, (1999), стр. 16.

366

32. Маияхин Ф.И., Кодак А. Метод контроля технологии светодиодных структур. // «Компоненты и технологии» №6, (2005 г.) с.236 - 238.

33. Сидоров В.Г, Сидоров Д.В., Соколов В.И. Влияние внутренних механических напряжений на характеристики светодиодов из арсенида галлия. // «Физика и техника полупроводников», 1998г, том 32, №11., стр 1393 - 1398.

34. Патент РФ №2170995 «Светодиодное устройство» (Светодиод, охлаждаемый Пельтье)).

35. Рожанский И.В, Закгейм Д.А.. Анализ причин падения эффективности электролюминесценции светодиодных гетероструктур AlGalnN при большой плотности тока накачки. // «Физика и техника полупроводников», 2006г, том 40, вып. 7, стр 861 - 867.

36. D. Winston. Simwindows 1.5.0.

37. D. Winston. Physical simulation of optoelectronic semiconductor devices. The thesis for P.H.D. degree. Department of E.C.E. of the University of Colorado, 1996.

38. Сушков В.П., Кузнецов Г.Д., Рабинович О.И. Компьютерное моделирование параметров полупроводниковых компонентов микроэлектроники. Москва, «Учёба», 2005г.

39. Никифоров С.Г. Исследование параметров семейства светодиодов CREE XLamp. // «Компоненты и технологии» №11 2006, стр. 42 - 49.

40. Четверикова И.Ф., Чукичёв М.В., Храмцов А.Н. Оптические свойства нитрида галлия. М.: ЦНИИ «Электроника», 1982, 58 стр. (Обзоры по электронной технике. Сер. 6, Материалы, вып. 8).

41. Коган Л.М. Светоизлучающие диоды // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. 1982, вып. 3. стр. 100-111.

42. Юнович А.Э. Излучательная рекомбинация и оптические свойства фосфида галлия. // Излучательная рекомбинация в полупроводниках. М.: «Наука», 1972, стр. 224-297.

43. Коган Л.М. Полупроводниковые светоизлучающие диоды. М.: Энергоатомиздат, 1983, 207 стр.

44. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Влияние дислокационной структуры и характера примесного легирования на излучательные характеристики твёрдых растворов АЗВ5. // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1987, вып.4 (190), стр. 27-34.

45. Дзино В.Н., Кононок М.Л., Скарин В.К., Щербаков Н.В. Автоматизация процессов сборки полупроводниковых индикаторов. // Электронная промышленность, 1982, вып. 5-6, стр.57-58.

46. Носов Ю.Р. Применение оптоэлектронных приборов. М.: Радио и связь, 1981, 342 стр.

367

47. Ермаков О.Н., Аксёнов В.Ф., Игнаткина Р.С. Светоизлучающие диоды зелёного цвета свечения с повышенной температурной стабильностью потока излучения. // Тез. докл. на 4 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М., 1982, стр. 103.

48. Ермаков О.Н., Аксёнов В.Ф., Игнаткина Р.С. Светодиоды видимого диапазона спектра с повышенной температурной стабильностью излучательных характеристик. // Тез. докл. на 5 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М., 1984, стр. 157.

49. Синкевич В.Ф., Соловьёв В.Н. Физические механизмы деградации полупроводниковых приборов. // Зарубежная электронная техника, 1984, вып. 2 (273), стр. 3-46.

50. Горин Б.В., Кив Е.В., Плотникова Л.Г., Соловьёв В.Н. М.: ЦНИИ «Электроника» 1983, 56 стр. (Обзоры по электронной технике, вып. 48).

51. Птащенко А.А. Деградация светоизлучающих приборов. // Журнал прикладной спектроскопии. 1980, вып. 5, стр. 781-803.

52. Gold R. D., Weisberg L. R. Permanent Degradation of GaAs Tunnel Diodes. // Solid State Electronics, 1967, Vol. 7, #11. P. 811-821.

53. Сушков В.П., Щепетилова Л.А. Деградация интенсивности излучения инжекционных источников света. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1971, вып. 5, стр. 3-7.

54. Сушков В.П. Физические основы деградации полупроводниковых излучающих диодов. // Физические основы надёжности и деградации полупроводниковых приборов, ч.

1. Кишинёв, 1982, стр. 24-25.

55. Shimano N. The effect of Thermal Stress on the Temperature Dependence of Degradation in GaAs0,9P0,l LEDs Operating at High Currents Densities. // J Appl. Phys.- Vol. 51, #3. P. 18181824.

56. Аладинский B.K., Карацюба А.П. Диффузионная теория деградационных явлений в электролюминесцентных диодах. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1978, вып. 4, стр. 51-58.

57. Николаенко В.В., Свечникова С.В., Сушков В.П., Сыпко Н.И. Исследование вольт-амперных и ампер-яркостиых характеристик светоизлучающих диодов на основе соединения GaAs0,6P0,4. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1981, вып. 6, стр. 63-72.

58. Мулюкин Н.В., Сушков В.П., Новиков В.П., Кашеварова Е.В. Исследование импульсных режимов работы полупроводниковых источников света, используемых в системах отображения информации. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1977, вып. 4, стр. 55-62.

368

59. Егоров Л.П., Никифоров С.С., Воротынский В.А. Форсированные испытания для оценки надёжности светоизлучающих приборов. // Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1978, вып. 7, стр. 113-118.

60. Гурков Л.Н., Ермаков О.Н., Ермошина Т.А., Сушков В.П. Импульсная фотометрия ЦЗИ. // Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов. Тбилиси, 1980, стр. 70-71.

61. Волков В.В., Закгейм А.Л. Мощные полупроводниковые источники излучения. Электроника №3, (1999), стр. 16.

62. Mukai Т., Yamada М., Nakamura S. Characteristics of InGaN-based UV/Blue/Green/Amber/Red Light-Emitting-Diodes. Jpn.J.Appl.Phys. 38, (1999), L3976.

63. Nakamura S. et. al. High-power single-quantum-well structure blue and violet light-emitting diodes. Appl. Phys. Lett. 67, (1995), LI868.

64. Nakamura S., Fasol G. The blue Laser Diode; GaN based Light Emitters and Lasers. Heidelberg, 1997.

65. Ковалев A.H., Маняхин Ф.И. Эффективные светодиоды на основе AlGaN/InGaN/GaN гетероструктур. // Изв. вузов. Материалы электронной техники.— 1998-№1.

67. Туркин А.Н. Механизмы излучательной рекомбинации в гетероструктурах на основе InGaN/AlGaN/GaN с одиночными квантовыми ямами // Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., Москва, 1998.

68. Лундин В.В. Эпитаксиальные слои GaN и многослойные структуры GaN/AlGaN. Разработка технологии выращивания и исследование свойств // Дисс. на соиск. уч. ст. к.т.н., С.-Пб., 1998.

69. Нашельский А.Я. Технология спецматериалов электронной техники. М.: Металлургия, 1993.

70. Hatcher М. Traditional Cree seeks next big thing. Compound Semiconductor, September, 12, 2006.

71. Hatcher M. Osram develops tiny thin-GaN white LED. Compound Semiconductor, April, 13, 2005.

72. Jinschek J.R. et al. Local indium segregation and band gap variations in high efficiency green light emitting InGaN/GaN diodes. Solid State Com., 137, 230-234,2006.

73. Ермаков O.H. Излучательные характеристики гетероструктур на основе широкозонных четырёхкомпонентных твёрдых растворов АЗВ5. // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1984, вып. 6, стр. 16-26.

369

74. Аладинский В.К., Барышников Д.А., Соляр В.Г. Расчёт нелинейности температурной зависимости прямого напряжения р-п перехода. // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1984, вып. 6, стр. 16-26.

75. Николаев Ю.Н., Кулешов В.М. Зависимость температурного коэффициента излучения светодиодов от тока питания. // Тез. докл. на 5 Всесоюз. конф. «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М., 1984, стр. 164.

76. Кравцов В.Е., Кузнецов В.И., Ловинский Л.С. Метод температурной стабилизации потоков излучения светодиодов. // Метрология. - 1979, №8, стр. 15-19.

77. Баринова Э.Ю., Вишневская Б.И., Коган Л.М. Температурная зависимость зелёного светодиода из GaP в интервале температур от -60 до +60оС. // Электронная техника. Сер.

2, Полупроводниковые приборы, 1982, вып. 7, стр. 46-53.

78. Птащенко А.А., Мороз Н.В., Цап Б.В. Деградация излучающих р-п-переходов // Обеспечение качества и надежности РЭА и ЭВА. Межвузовск. сборн. научи, труд. Москва. МИП. - 1989.-С.62-79.

79. Закон «Об обеспечении единства измерений» (в ред. Федерального закона от 10.01.2003 № 15-ФЗ).

80. ГОСТ Р 51000.4-2011. Система аккредитации в РФ. «Общие требования к аккредитации испытательных лабораторий». Госстандарт РФ, официальная копия документа № 036.637.

81. ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000. «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий».

82. Кудряшов В.Е., Туркин А.Н., Юнович А.Э., Ковалёв А.Н., Маняхин Ф.И. Люминесцентные и электрические свойства светодиодов с множественными квантовыми ямами. // «Физика и техника полупроводников», 1999г, том 33, вып. 4, стр. 445 - 450.

83. Патент на изобретение №2134000 «Светодиодный источник с углом излучения 3° для систем управления транспортом». Приоритет от 31.12.1997.

84. С.Г. Никифоров. Разработка методик контроля деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGalnP и AlGalnN. // Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Москва, 2007 год.

85. Патент на изобретение №2436196 «Светодиодный источник с для систем управления транспортом». Приоритет от 11.06.2010.

86. Патент на изобретение №2444091 «Светодиодный источник излучения». Приоритет от 16.07.2010.

87. Патент на изобретение №2444676 «Светодиодный источник излучения». Приоритет от 16.08.2010.

370

88. Патент на изобретение №2402108 «Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом». Приоритет от 09.11.2009.

89. Патент на полезную модель №130404 «Фотометрический датчик». Приоритет от 18.12.2012.

90. Патент на полезную модель №88771 «Светодиодный модуль». Приоритет от 03.07.2009.

91. Патент на полезную модель №133562 «Светодиодный источник излучения для систем управления транспортом». Приоритет от 17.05.2013.

92. Патент на полезную модель №139759. «Светодиодная лампа с корригирующим фильтром для систем управления железнодорожным и/или автомобильным транспортом». Заявка №2013141040/07(062614). Приоритет от 06.09.2013.

93. Патент на полезную модель №130394 «Комплекс средств исследования и измерения светотехнической продукции». Приоритет от 23.11.2012.

94. ГОСТ 25695-91 Светофоры дорожные. Типы. Основные параметры.

95. Патент на изобретение №2008129653. Светодиодный источник излучения. Приоритет от 27.01.2010

96. ТУ 3185-003-01404314-2009.

97. ТУ 32 ЦШ 3185-075-95982431-2009

98. Проект ГОСТ Р «Системы светооптические светодиодные для железнодорожной светофорной сигнализации. Технические требования и методы контроля».

99. Интернет-ресурс httn://www.swarco.com.

100. С.Г. Никифоров. Лаборатория исследований источников света «Архилайт» - самый современный независимый аккредитованный испытательный центр в области метрологии излучения полупроводниковых и традиционных источников света. // 1-ый Всероссийский светотехнический форум «Инновационные продукты, материалы и технологии», Саранск, декабрь 2011.

101. Азизян Г.В., Никифоров С.Г. Эталонный источник света на основе светодиодов для калибровки фотометрического оборудования. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1, 2013, стр. 36-39.

102. ГОСТ 23198-94 Лампы электрические. Методы измерения спектральных и цветовых характеристик

103. ГОСТ Р 54350-2011 Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний.

104. С.Г. Никифоров. Интернациональная физика и отечественная лирика современной метрологии света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2012, стр. 74-84.

371

105. Хыобел Д. Глаз, мозг, зрение. // Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 239 с.

106. Физиология сенсорных систем: 4.1. Физиология зрения. //Л.: Наука, 1971.-416

107. Берман С.М., Клиер Р.Д. Недавно открытый фоторецептор человека и предыдущие исследования в области зрения. // «Светотехника» №3 2008, с 49-53.

108. Т.Н. Хацевич. Физиологическая оптика: Учебное пособие. - Новосибирск: СГГА. -1998. - 4.1.-98 с.

109. Йордан В., Халбриттер В., Хорак В. Метрологические требования к определению характеристик фотобиологических опасностей ламп и светодиодов //Светотехника -№5, -2009, стр. 50-57

110. ТУ 16-675. 217-87. Взамен ГОСТ 11085-79. Лампы накаливания малогабаритные и среднегабаритные для светофоров железнодорожного транспорта. Технические условия.

111. С. Г. Никифоров. Физические аспекты восприятия приборов световой ЖД сигнализации на основе светодиодов и оправданность их применения. // Доклад на конференции «ТрансЖат -2008», 22-24 октября 2008г.

112. С.Г. Никифоров, М.А. Мурашова, А. Шищенко. Исследование фотобиологической опасности светодиодных осветительных приборов, для нужд железнодорожного транспорта. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1,2011, стр. 34-40.

113. С.Г. Никифоров. Система параметров светодиодов. Электрические, фотометрические, спектральные (колориметрические) и энергетические характеристики. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2011, стр. 16-27.

114. С.Г. Никифоров. Фотометрический метод исследования гетероструктур. // «Заводская лаборатория» № 1,2010, том 76, стр. 28- 33.

115. Е.К. Наими, С.Г. Никифоров, О.И. Рабинович, В.П. Сушков. Влияние ультразвуковой вибрации на деградацию светоизлучающих диодов на основе InGaN. // «Материалы Электронной Техники» №1 2009, стр 86-92.

116. В.С. Абрамов, В.П. Сушков. С.Г. Никифоров. Светодиодная лампа для железнодорожных светофоров. // 8-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» ФТИ им. Иоффе, С-Пб, 26 - 28 мая 2011 г.

117. В.П. Сушков. С.Г. Никифоров. Метод контроля потенциальной степени деградации характеристик светодиодов на основе твёрдых растворов AlGalnN. // «Полупроводниковая Светотехника» № 3,2011, стр. 10-13.

118. Сводка требований стандартов С1Е S009/IEC 62471

120. С.Г. Никифоров. Исследования параметров светодиодов CREE XLamp ХР-Е/ХР-G/XM-L. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2011, стр. 12-18.

372

121. С.Г. Никифоров. Новые возможности светодиодов Luxeon REBEL. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2011, стр. 8-9.

122. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов средней мощности от Samsung. // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2013, стр. 41-44.

123. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов большой мощности от Seoul Semiconductor. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2013, стр. 52-57.

124. С.Г. Никифоров. Исследование светодиодов производства ОАО «Светлана-ЛЕД». // «Полупроводниковая Светотехника» № 2,2012, стр. 16-20.

125. Азизян Г.В., Артамонов А., Никифоров С.Г. Гониофотометрическая установка для определения углового распределения силы света. // «Полупроводниковая Светотехника» № 1,2010, стр. 41 -43.

126. В.С. Абрамов, к.т.н., С.Г. Никифоров, к.т.н., А.А. Иванов П. Пензев, X. Мухов. Светодиодная лампа для ЖД светофоров. // «Полупроводниковая Светотехника» № 3, 2010, стр. 47-52.

127. Никифоров С.Г., А.Л. Архипов. Исследования деградации параметров гетероструктур InGaN на подложках из различных материалов в течение 50000ч и сравнение результатов с прогнозом на стадии наработки до 2000ч. // 9-я Всероссийская Конференция «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» МГУ им. М.В. Ломоносова, Москва, 13 -15 июня 2013 г.

128. С.Г. Никифоров. Исследование фотобиологической опасности популярных источников света: от ламп накаливания до Солнца. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2013, стр. 32-38.

129. А.П. Аникин, Д.П. Аникин, А.П. Величко, В.В. Кузнецов, С.Г. Никифоров, О.И. Рабинович. Спектральный метод и установка для разработки и исследования люминофоров для производства светодиодов белого цвета. // «Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика» №3 2014, стр.46-52.

130. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов, О.И. Рабинович. Исследования характеристик светодиодов и прогнозирование потенциальной степени деградации. // «Приборы н системы. Управление, контроль, диагностика» №5 2014, стр.63-68.

131. С.Г. Никифоров, А. Л. Архипов. Лаборатория «Архилайт» - современный аккредитованный испытательный центр в области исследований полупроводниковых излучающих гетероструктур. // «Инновации и инвестиции» №11 2014, стр.240-247.

132. С.Г. Никифоров. Методы и средства измерения характеристик фотобиологической опасности популярных источников света. // «Инновации и инвестиции» №12 2014, стр. 167-172.

373

133. С.Г. Никифоров. Фотометрические и радиометрические методы измерений параметров излучения светодиодов. // «Перспективы науки» №12 2014 стр. 109-116.

134. С.Г. Никифоров. Физические основы цветового восприятия и спектральные методы измерения цветопередачи светодиодных и традиционных источников света. // «Научное обозрение» №1 2015, стр. 53-64.

135. С.Г. Никифоров, А.Л. Архипов. Ремикс по - светотехнически. // «Полупроводниковая Светотехника» № 5,2014, стр. 8-15.

136. С.Г. Никифоров. Прогноз срока службы и изменения параметров промышленных светодиодов при наработке с помощью фотометрического метода. // «Инновации и инвестиции» №1,2015, стр. 152-156.

137. Rabinovich О.1., Nikiforov S.G., Sushkov V.P., Shishov A.V. New results of InGaN LED simulation // Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, Volume 6468,2007, Article number 64680U

138. ГОСТ P МЭК 62471-2013 Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем.

374

Приложения

375

Интегральная мощность излучения

= 0.4128W

и =40.7)4%

Мощность излучения

= 0.03

2 m

Энергия в точке максимума

Эффективность излучения

?Е

— = 0.03%

Рх

Р^ = 4.881х 10

Эффективность спектральная световая

К = 320.43^

W

Сила излучения

W

sr

Ю

W

180

sr

190

350

Световой поток

В видимом диапазоне

Ф = 132.241т

Сила света

0

3

45-00 deg horizontal 00-45 deg

За пределами V(;.)

Рр = 0.000 IW

Ежах*

Iymax= ^-07cd

260 270 280

W

)E^=0.t248 -

На расстоянии Н = 2.075 m Энергетическая освещённость в области точки максимума

W

Р^ = 0.4127W

?Iv

— = 99.968%

Приложение 2.1.

376

Chromaticity coordinates

Spatial radiation pattern

3^1 iax= 46 136 nm nm

<st — 0.5 = HWn !77.5 .-14 nm 1 S ni

^,1 0.1 = ' 5 r23 65 nm

st tn .HWQ 1 = 24 9.5 m

1 1 nm

?2 C olor co ordinal es

x = o.: ГУ-03 137 376

Z=0.3 536

A

1 D6j

0*---------------------------------<------------------------------------------------------------------------------

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 035 0.4 045 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75

Приложение 2.1.

377

АЧ parameters

Мощность Мощность диапазоне излучения

излучения в видимом

Мощность излучения за пределами

видимого диапазона

Суммарный световой поток

Максимальная сила света

Total Optic power P^ = 0 4128 W

Optic power into V( L) Pjv = 0 4127 W

Pjv — = 99 968 % PE

Optic power out V( b) Pg= 0 0001 w

PE — = 0 03 % Рц

Total Luminous Flux Ф = 132 24 lm

Luminous Intensity max Ivmax =40 О? cd

Осевая сила света

Освещенность по оси на расст. Н = 2 075 m Энергетическая сила света максимальная

осевая

Угловые характеристики и распределение мощности по основным плоскостям

on -axis

On-axts illumination on chst H

Power tntensity max

Power tntensity on-axis

1251

1248

Angles and Optic Power pattern to planes,%

45-00 ptane

ёРдзо = 33 03 %

Horizontal plane

dPoo = 33 03%

Өоз = 121 262 deg 0(^ = 171 725 deg f7 Q 5 = 121 262 deg

HQ, = 171 725 deg

Средние значения углов

Электрические параметры

Эффективность световая

Фотометрическое отношение

кпд

Спектральная Световая эффективность

Энергетическая освещённость на расстоянии Н = 2 075 m

Максимальная длина волны

00-45 plane dP()45 = 33 94%

Averadge angle 0,5lv max

Averadge angle 0,1tv max

Etectrical data

Power input

Efficacy

Ivmax/10001m

Efficiency

Luminous Efficacy

Energy illumination

on a distance H = 2 08

Maximum wavelength

HiQ5= 125 022 deg Vm = 172 113 deg

Qav0 5 = 122 515 deg

QavO 1 = 171 854 deg lg = 0 35 A

U = 2 90 V

Pm = 1 014 W

= 130418 —

V w

cd

N = 303 ---

klm

и = 4071 %

К = 320 43 — W w

m P- = 0 03 2

m

Xmax = 446 nm

Полуширина спектра излучения

Ширина спектра излучения

Координаты цветности

Доминирующая длина волны

Центроиды ая длина волны

Доля ОСПЭЯ отн V( X)

Коррелированная цветовая температура

Цветовая температура по Планку

SLHW о 5

SLHW о ]

Color coordinates х =

Dominant wavelength

Centroid wavelength

Spectral part to V( X) Correlated color temperature (CCT) Plank Color temperature

SLHW Q 5 = 141 5 nm

SLHW Q j = 249 5 nm

0 314 Y= 0333 Z = 0354

^dom = 562 18 nm

Xcentroid = 545 5 nm

P^ = 44%

Tg = 6446 1 К

Tpiank =7389 5 К

Приложение 2.1. Пример комплекса измеренных и рассчитанных параметров и характеристик светодиода.

378

у;

Приложение 2.2. Внешний вид фотометрической установки «Флакс-20».

379

Приложение 2.3. Фотометрическая установка «Флакс-7» и её гониометр.

380

Приложение 2.4. ч.1. Эталонный источник излучения на основе светодиодов.

381

Приложение 2.4. ч.2. Эталонный источник излучения на основе светодиодов.

382

Приложение 2.5. Спектрометрическая установка «Спекорд».

383

Приложение 2.6. Стенд для измерения спектральных и колориметрических характеристик на основе спектрофотометра Specord-S600- «Спекорд» во время измерений совместно с установкой «Флакс-20».

384

Приложение 2.7. Стенд для непрерывной наработки образцов с целью изучения деградационных характеристик излучающих структур и светодиодов на их основе.

385

Приложение 2.8. Внешний вид плат со светодиодами и блок - схема системы питания светодиодов для режима наработки.

386

d<D,tm

—0Һ 100Һ —ЗООҺ —-500Һ 1000Һ —2000Һ —3000Һ 5000Һ —

dQ.deg.

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

б) Приложение 2.9. Динамика относительного (а) и абсолютного (6) изменения

распределения светового потока в объёме кристалла в зависимости от времени наработки

в виде соответствующих плоских проекций пространственного распределения (шаг

измерения светового потока - телесный угол, образованный плоским при разбиении всего

сектора излучения на 40 частей - 1 град., время наработки указано на сносках).

о внедрении в практику производства светотехнических приборов, в том числе светодиодных для нужд РЖД результатов диссертационной работы Никифорова С.Г.

«Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений А"в\ используемых в высоконадёжных приборах».

1. Наименование учреждения, где внедрена работа: АЭМЗ - филиал ОАО "ЭЛТЕЗА".

2. Наименование и сущность внедряемой работы: Измерения фотометрических характеристик ЖД светофоров и светосигнальных устройств на производстве с целью их паспортизации, контроля качества и обеспечения высокой надёжности светотехнической продукции.

3. Наименование учреждения, где произведена работа: ООО «АРХИЛАЙТ».

4. Форма внедрения: применение на производстве.

5. Ответственные за внедрение и исполнители: главный инженер АЭМЗ — филиала ОАО «ЭЛТЕЗА)) Пензев П.В.

6. Эффективность внедрения: В настоящее время АЭМЗ является основным поставщиком осветительных приборов и светосигнальной техники (светофоры, указатели, линзовые комплекты и др.), в т.ч. на светодиодах для нужд РЖД. Создание новых фотометрических средств (фотометров особых конструкций) и методик измерений параметров светодиодов, модулей на их основе, а также традиционных источников света, позволило производить высокоточный анализ их характеристик, контроль параметров выпускаемой продукции и паспортизацию линзовых комплектов, светооптических систем и светофорных головок. На основе результатов измерений параметров применяемых светодиодов принимается решение о запуске производства каждой партии продукции, а также измерения и расчёты используются при проектировании новых конструкций светоблоков и светосигнальных устройств. С помощью указанных средств измерений проводится оценка параметров светодиодов различных партий или производителей для принятия решения об их применении в тех или иных типах устройств или о соответствии необходимым требованиям готовой продукции. Все эти меры стали возможны после создания фотометрического измерительного стенда, поверки его средств измерений (фотометров), и

1

позволили значительно повысить качество производства продукции, производительность работы контролёров ОТК и разработчиков.

7. Дата внедрения: август 2012 года.

Подписи ответственных за внедрение:

Начальник производственного отдела

О.Б. Пивнев

Начальник ОТК

Председатель комиссии:

Главный инженер

Члены комиссии:

Г лавный технолог

Ведущий инженер

А.А. Ханычев

П.В. Пензев

Н.Н. Дерюженко

А.Ф. Чепурнаев

2

ЛайтТек плюс

«УТВЕРЖДАЮ)):

Ген " )

о внедрении в практику производства светодиодов и светодиодных модулей для нуҗд автомобильной промышленности результатов диссертационной работы Никифорова С.Г.

«Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений А*"в\ используемых в высоконадёжных приборах».

!. Наименование учреждения, где внедрена работа: ЗАО «ЛайтТек плюс)).

2. Наименование и сущность внедряемой работы: Измерения комплекса параметров и характеристик светодиодов и устройств на их основе, сортировка светодиодов на производстве с целью обеспечения высокой надёжности светодиодной продукции.

3. Наименование учреждения, где произведена работа: ООО «АРХИЛАЙТ)).

4. Форма внедрения: применение на производстве.

5. Ответственные за внедрение и исполнители: Петров А.А., Миронов А.В.. Комарова Т.С.

6. Эффективность внедрения: ЗАО «ЛайтТек плюс)) является основным поставщиком осветительных приборов на светодиодах и производит до 80% от общей потребности ОАО «АВТОВАЗ)). Использование разработанных в диссертационной работе Никифорова С.Г. методик измерений параметров светодиодов на производстве позволяет оперативно контролировать качество выполнения технологических операций при сборке светодиодов методом измерения светотехнических и электрических характеристик приборов на различных стадиях производственного цикла и мобильно их корректировать. Применение указанных измерений и оценка их результатов существенно сокращают время и трудозатраты при проектировании новых конструкций светодиодов, их оптических систем и режимов работы излучающих структур, а также светодиодных модулей и устройств на светодиодах. Разработанная в диссертационной работе методика отбора образцов по сходству различных параметров, описание и классификация дефектов производства, приводящих к деградации характеристик светодиодов, используется при входном контроле и оптимизации технологических операций и обеспечивает высокую надёжность выпускаемой светодиодной продукции, что является приоритетом при использовании в автомобилестроении.

7. Дата внедрения: март 2012 г.

Подписи ответственных за внедрение:

Главный инженер

Начальник ОТК

Председатель комиссии:

Главный технолог

Члены комиссии:

Миронов А.В.

Комарова Т.С.

Ульянкина Т.В.

Технолог

Ведущий инженер

39 6?

PC Инжиниринг

«Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений А***В\ используемых в высоконадёжных приборах».

1. Наименование учреждения, где внедрены результаты работы: ООО «РС Инжиниринг».

2. Наименование и сущность внедряемой работы: Разработка оптической системы излучающий кристалл-люминофор-оптический фильтр для светодиодных ламп железнодорожных светофоров.

3. Наименование учреждения, где произведена работа: ООО «АРХИЛАЙТ».