СПОСОБ ОТБРАКОВКИ МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ InGaN/GaN
METHOD OF SCREENING HIGH-POWER InGaN/GaN LIGHT-EMITTING DIODES

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, излучающих в видимом диапазоне длин волн, предназначенных для применения в качестве твердотельных источников энергосберегающего освещения.
Наибольший практический интерес представляет способ отбраковки, без долговременных испытаний, ненадежных мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, с укороченным сроком службы меньше 50000 часов. Необходимость в таком способе вызвана тем, что для решения проблем энергосберегающего освещения и рентабельности перехода на твердотельное освещение необходимы сроки службы светодиодов более 50000 часов. Кроме того, твердотельные энергосберегающие лампы состоят из 7-10 светодиодов, и преждевременный выход даже одного из них снижает срок службы всего изделия. Основные проблемы, возникающие при разработке способа отбраковки ненадежных мощных (синих) светодиодов на основе InGaN/GaN, с укороченным сроком службы меньше 50000 часов, связаны с тем, что в отличие от светодиодов на основе традиционных полупроводниковых материалов развитие деградационного процесса в мощных (синих) светодиодах на основе InGaN/GaN плохо предсказуемо, особенно в первые 5000 часов, т.к. наблюдается волнообразное изменение значений мощности (внешней квантовой эффективности) во времени [Meneghesso G., Meneghini M. and Zanoni E., J. Phys. D: Appl. Phys, 43, 2010, p.354007]. Причем для светодиодов даже из одной партии характер изменения может существенно отличаться. Кроме того, небольшая часть светодиодов, не отличающаяся по начальным значениям квантовой эффективности от большей части светодиодов из этой партии, может деградировать катастрофически. При этом за короткие времена работы, меньше 1000 часов, значения внешней квантовой эффективности уменьшаются более чем на 30% относительно начальных, вплоть до полного выхода из строя. Эти особенности развития деградационного процесса в мощных InGaN/GaN (синих) светодиодах приводят к тому, что срок службы светодиодов из одной партии с близкими значениями внешней квантовой эффективности не эквивалентен времени старения контрольных светодиодов из этой партии. Скорость развития деградационного процесса в InGaN/GaN светоизлучающих структурах существенно зависит от характера наноструктурной организации [Kamanin A.V., Kolmakov A.G., Kopev P.S., Onushkin G.A., Sakharov A.V., Shmidt N.M., Sizov D.S., Sitnikova A.A., Zakgeim A.L. and R.V. Zolotareva R.V., Usikov A.S., Degradation of blue LEDs related to structural disorder, Phys. stat. sol. (c) 3, 2129-2132 (2006)]. Этот параметр определяется не только выбором режима роста, но и особенностями ростовых установок, режимами роста зародышевого слоя, индивидуально подбираемого в каждой фирме для конкретной установки. Естественно ожидать неидентичности этого параметра для структур, выращенных на разных фирмах. Эти особенности развития деградационного процесса во многом определяются сложной внутренней структурой этих материалов, квазиэпитаксиальных, в силу особенностей роста в неравновесных условиях и с большим рассогласованием параметров решетки относительно подложки. В результате формируется столбчатая структура с системой протяженных дефектов, включающая высокую плотность дислокации, их скоплений, дилатационных и дислокационных стенок, пронизывающих всю активную область светодиодов, а также локальные неоднородности состава по индию [Ю.Г. Шретер, Ю.Т. Ребане, В.А. Зыков, В.Г. Сидоров. Широкозонные полупроводники, С.-Петербург «Наука», 2001, 124]. Процесс деградации инициируется неоднородным протеканием тока по протяженным дефектам и неоднородностям состава и сопровождается локальными разогревами, миграцией индия и галлия. Кроме того, одновременно развиваются, как было установлено авторами, конкурирующие процессы, частично подавляющие процессы безызлучательной рекомбинации путем взаимодействия инжектируемых носителей с системой протяженных дефектов.
Известны способы определения (прогнозирования) срока службы мощных синих светодиодов, предложенные крупными фирмами. Наиболее полно они представлены на сайтах фирмы Cree (США) [CreeEZ™ LEDs XLamp XR - E Lumen Maintenance, http://www.cree.com] и фирмы Philips Lumileds (США) [http://www.philipslumileds.com] - известных производителей мощных высокоэффективных синих светодиодов на основе InGaN/GaN, в том числе для твердотельного энергосберегающего освещения со сроком службы более 50000 часов.
Однако они не позволяют отбраковать ненадежные светодиоды, а прогнозируют срок службы светодиодов в партии на основе данных по долговременным испытаниям 1000-5000 часов небольшой части светодиодов из каждой партии.
3
5
Известно, что для светодиодов на всех полупроводниковых материалах наиболее чувствительным параметром к процессам дефектообразования является вольтамперная характеристика [Ф.Е. Шуберт «Светодиоды», перевод под ред. Юновича А.Э., Москва, Физматлит, (2008), С.384]. Причем, как было показано, для светоизлучающих структур на основе традиционных AB эволюция вида ВАХ позволяет контролировать развитие дефектообразования и деградацию оптической мощности. Известны некоторые критерии по значениям токов и напряжений, типичные для ненадежных светодиодов на основе арсенида галлия [Гореленок А.Т., Груздов В.Г., Евстропов В.В. и др. / Токи туннельного типа в p-n гетероструктурах InGaAsP/InP. ФТП, 1984, Т.18, в.6, с.1032-1038].
Очевидно, что эти критерии не могут быть перенесены на светодиоды с активной областью с другой шириной запрещенной зоны, какими являются мощные синие InGaN/GaN светодиоды. Кроме того, для мощных высокоэффективных синих светодиодов на основе InGaN/GaN однозначной связи снижения значений внешней квантовой эффективности с ухудшением ВАХ не было установлено, в силу более сложного процесса дефектообразования и существования конкурирующих процессов, частично подавляющих процессы безызлучательной рекомбинации. Тем не менее, некоторые участки ВАХ мощных светодиодов на основе InGaN/GaN применяют для отбраковки.
Известны способы отбраковки светодиодов: путем сравнения падения напряжения на светодиодах из одной партии между собой при пропускании тока в прямом направлении при малом тестовом сигнале [TW 201035574, LED light bar inspection method and. inspection apparatus thereof] или путем сравнения значений тока и напряжения светодиодов, при пропускании тока в прямом направлении, с ранее установленным критерием [JP 2006352025, 2006-12-28, METHOD OF INSPECTING LIGHT EMITTING DIODE LIGHT SOURCE, LED LIGHT SOURCE, AND FILM SCANNING DEVICE]. Оба способа позволяют отбраковать светодиоды с отличающимися от основной массы параметрами в условиях конкретного производства, без указания критерия по этим значениям, а также по сроку службы, пригодного для применения в условиях других производств. Более универсальный способ отбраковки предложен в заявке на патент [JP 2004342809, METHOD AND DEVICE FOR INSPECTING DETERIORATION OF LED, 2004-12-02]. Однако ни один из способов не гарантирует отбраковку ненадежных светодиодов с укороченным сроком службы меньше 50000 часов.
3
5
Последние два способа имеют общие с предлагаемым способом операции и их последовательность, поэтому они были взяты в качестве аналога и прототипа. Оба способа практически используют известный, развитый для светодиодов на основе традиционных материалов AB [Ф.Е. Шуберт «Светодиоды», ред. Юновича A.Э., Москва, Физматлит, (2008), с.384] подход к отбраковке светодиодов по особенностям вольтамперных характеристик (ВАХ). При этом используют только контроль, прямой ветви ВАХ по изменению значений падения напряжения при заданном уровне прямого тока (плотности). Такой контроль позволяет в основном отбраковать светодиоды, зашунтированные паразитным параллельным сопротивлением. В синих мощных светодиодах в роли такого шунта могут выступать протяженные дефекты, пронизывающие активную область.
п
Способ отбраковки мощных синих светодиодов, предложенный в [JP 2006352025], взят в качестве аналога предлагаемого изобретения. Способ содержит измерение прямого падения напряжения (U) при протекании малого тестового сигнала через каждый светодиод или группу светодиодов; сравнение измеренных значений между собой и по ранее установленному критерию, полученному из сравнительных результатов; отбраковку светодиодов по значениям, отличающимся от установленного критерия. Контроль падения напряжения позволяет отбраковать наиболее дефектные светодиоды для данного конкретного производства, т.к. критерий устанавливается из сравнительных результатов. Величина падения напряжения определяется при малом тестовом токовом сигнале при прямом протекании и по ней, согласно [Ф.Е. Шуберт «Светодиоды» под ред. Юновича A.Э., Москва, Физматлит, 2008, с.384], можно выявить светодиоды, зашунтированные параллельным паразитным сопротивлением. Однако такие шунты не единственный фактор, приводящий к развитию деградационного процесса. Присутствие областей в светодиодах с паразитным локальным последовательным сопротивлением, с одновременно присутствующими паразитными параллельным и последовательным сопротивлениями также способствует развитию деградационного процесса. Этот процесс может также развиваться в локальных областях с неоднородным составом твердого раствора, практически образующих локальные паразитные p-n переходы с пониженным барьером с существенно меньшей площадью, чем основной переход, включенные параллельно основному. Кроме того, авторы выяснили, что состав твердого раствора в таких локальных областях может быть неравновесным и изменять свои свойства под действием протекающего тока [А.Е. Chernyakov, M.E. Levinshtein, P.V. Petrov, N.M. Shmidt, E.I. Shabunina, A.L. Zakheim <Failure mechanisms in blue InGaN/GaN LEDs for high power operation> Microelectronics Reliability, 52 (2012), p.2180]. В результате светодиоды с такими особенностями могут быть отбракованы только после старения. Таким образом, способ-аналог выявляет только часть ненадежных светодиодов, причем типичных только для данного производства.
п
п
п
п
-9
-7
2
Известен способ отбраковки мощных синих светодиодов, предложенный в [JP 2004342809], выбранный в качестве прототипа. Способ содержит следующую последовательность операций: измерение падения напряжения (U) при протекании прямого тока 10 А (соответствует плотности тока j=10 А/см) или меньше через каждый светодиод или группу светодиодов, нагрев светодиода током и повторное измерение U, быстрое охлаждение светодиодов до температуры, соответствующей первому измерению, измерение U так же, как в начале, определение разницы между значениями U в этих 3-х измерениях и отбраковка светодиодов по значениям, отличающимся от установленного критерия. Возможности этого способа существенно расширены по сравнению с аналогом.
Однако и этот способ недостаточно точен и не позволяет в полном объеме отбраковать ненадежные светодиоды с укороченным сроком службы. Такой вывод можно сделать на основании того, что режим нагрева светодиода током (практически режим старения) или критерии, отражающие этот режим, не приводятся в формуле способа-прототипа. Между тем, хорошо известно, что уровень тока, протекающего в прямом направлении (инжекционного тока), оказывает определяющее влияние на скорость развития деградационного процесса (сайты фирмы Cree (США), http://www.cree.com] и фирмы Philips Lumileds (США) [http://www.philipslumileds.com), а, следовательно, и на эффективность отбраковки светодиодов, содержащих локальные области с неравновесным составом твердого раствора. Кроме того, контроль только падения напряжения при малом уровне токового сигнала не позволяет выявить в полной мере светодиоды, содержащие локальные области твердого раствора с повышенным содержанием индия (т.е. с пониженным барьером).
Способ-прототип, несмотря на введенную операцию нагрева под действием протекающего тока, выявляет только часть ненадежных светодиодов, причем типичных только для данного производства. Таким образом, способ не является универсальным (подходящим для светодиодов разных фирм-производителей), обеспечивает лишь частичную отбраковку наиболее ненадежных светодиодов, не гарантирующую отсутствие катастрофических отказов светодиодов за времена не менее 50000 часов.
Предлагаемое изобретение решает задачи повышения точности отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN и расширения области применения за счет обеспечения отбраковки ненадежных светодиодов со сроком службы меньше 50000 часов любых производителей, без долговременных испытаний.
п
1
пр
2
обр
3
обр
п
1
пр
2
обр
3
обр
пр
1
-7
2
-7
2
-7
2
-7
2
-5
2
-6
2
Задачи решаются способом отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, включающим проведение измерений при комнатной температуре, в любой последовательности, падения напряжения U на светодиодах при протекании прямого тока с плотностью j=10 А/см, плотности тока j при смещении напряжения в прямом направлении U=(1.3-1.4) В, плотности тока j при смещении напряжения в обратном направлении U=(1.3-1.4) В, плотности тока j при U=5.0 В, проведение после каждого измерения первичной отбраковки светодиодов с значениями соответственно U<1.2 В при j=10 А/см, j>10 А/см при U=(1.3-1.4) В, j>10 А/см при U=(1.3-1.4) В, j>5 10 А/см при U=5.0 В, последующее проведение старения светодиодов при температуре p-n перехода 100°C в течение 95-100 часов, повторное проведение упомянутых измерений при тех же условиях с окончательной отбраковкой ненадежных светодиодов, при этом отбраковку светодиодов при U=(1.3-1.4) В производят при условии j>10 А/см.
п
1
-7
2
Новыми признаками являются все дополнительные измерения, (кроме измерения падения напряжения U на светодиодах при протекании прямого тока с плотностью j=10 А/см), а также первичная отбраковка светодиодов по результатам этих дополнительных измерений по значениям напряжений и плотностей токов, старение при определенных условиях и вторичная отбраковка при изменении условия отбраковки для j.
п
-7
2
Достижение технического результата основано на том, что в отличие от способа-прототипа кроме контроля падения напряжения U при протекании тока в прямом направлении с плотностью тока j=10 А/см авторами впервые предложено использование контроля нескольких дополнительных участков вольтамперной характеристики, чувствительных к изменению состояния всей дефектной системы светодиода, в том числе после процесса старения в заданных условиях, а также проведение отбраковки после каждого измерения параметров U и j до и после старения.
1
пр
2
обр
3
обр
п
1
пр
2
обр
3
обр
пр
1
-7
2
-7
2
-7
2
-5
2
-6
2
В предлагаемом изобретении, начиная с исходного этапа, до старения, вводятся измерения дополнительных параметров, таких как плотность тока j при смещении напряжения в прямом направлении U=(1.3-1.4) В, плотность тока j при смещении в обратном направлении U=(1.3-1.4) В, а также j при U=5.0 В, при этом все измерения проводятся при температуре (300±10) К (комнатной). После первого этапа измерений (после каждого измерения) проводится обязательная первичная отбраковка светодиодов с значениями U<1.2 В при j=10 А/см, j>10 А/см при U=(1.3-1.4) В, j>10 A/см при U=(1.3-1.4) В, j>5·10 А/см при U=5.0 В. Затем проводится старение светодиодов при температуре p-n перехода 100°C в течение 95-100 часов и окончательная отбраковка ненадежных светодиодов с условием при U=(1.3-1.4) В j>10 А/см.
1
пр
пр
пр
-8
2
Целесообразность введения дополнительных параметров впервые установлена авторами. Значения j отражают вклад избыточных токов, вызванных присутствием локальных областей с пониженным барьером, причем для их выявления наиболее подходит область смещений в прямом направлении U=(1.3-1.4) В. Выбор этого диапазона обусловлен тем, что при U>1.4 В для всех светодиодов типичным является значительный рост значений тока и их сближение. В результате значения тока для большинства светодиодов с разной надежностью слабо различимы. При U<1.3 В значения тока как при смещении в прямом, так и в обратном направлении экспоненциально уменьшаются, в том числе и для ненадежных светодиодов. Это приводит к тому, что критерий ненадежности уменьшится до значений (1.0-5.0)10 А/см. Введение такого критерия сразу существенно сужает область применения предлагаемого способа, практически исключая его использование в условиях массового производства в связи с тем, что измерение значений тока, соответствующих этим плотностям, требует применения электрометров и экранировки от наводок, что нерентабельно для массового производства.
пр
1
-7
2
Авторами экспериментально установлен критерий для ненадежных светодиодов на первом этапе отбраковки, на исходных светодиодах, до старения, U=(1.3-1.4) В по превышению плотности тока j>10 A/см.
Результаты долговременных испытаний светодиодов, отбракованных по этому критерию, показали, что для них типичным являются катастрофические выходы из строя, причем после разных временных интервалов, как правило, от 100 до 5000 часов, а для отдельных светодиодов даже после 10 часов. Такое поведение связано с тем, что присутствие локальных областей с повышенным содержанием индия в твердом растворе (т.е. с меньшей шириной запрещенной зоны) приводит к неоднородному протеканию тока, причем в этих локальных областях плотность тока оказывается выше, что усиливает дефектообразование в них. Установить этот критерий без долговременных испытаний невозможно, т.к. из-за обнаруженного авторами механизма подавления безызлучательной рекомбинации инжектируемыми носителями изменений внешней квантовой эффективности долгое время не наблюдаются, более того, может наблюдаться небольшой рост эффективности из-за уменьшения последовательного сопротивления.
2
обр
x
1-x
2
обр
Дополнительный параметр j при U=(1.3-1.4) В позволяет контролировать избыточные токи, связанные не только с безызлучательной рекомбинацией в системе протяженных дефектов, шунтирующих светодиод, но и вызванные накоплением индия в области отдельных протяженных дефектов. Это известная особенность светодиодов на основе InGaN/GaN [F. Bertram, S. Srinivasan, L. Geng, F.A. Ponce. Microscopic correlation of red shifted luminescence and surface defects in thick InGaN layers. Appl. Phys. Lett, 80, 3524-3527 (2002)], приводящая к образованию твердого раствора, обогащенного индием в области дефекта, т.е. с уменьшенной шириной запрещенной зоны, что и приводит к увеличению значений j, наиболее отличающихся для ненадежных светодиодов при U=(1.3-1.4) В.
2
обр
обр
обр
-7
2
-7
2
Критерий ненадежности по величине тока для светодиодов с такими особенностями до сих пор не был установлен. Авторами на основе результатов исследований по долговременному старению светодиодов был установлен критерий отбраковки таких светодиодов по превышению j более 10 А/см при U=(1.3-1.4) В. При меньших значениях U в силу сильной экспоненциальной зависимости тока от напряжения значения плотности тока даже для ненадежных светодиодов меньше 10 А/см, и контроль в условиях массового производства затруднен. Увеличение U более 1.4 В нецелесообразно, так как не приводит к выявлению дополнительного количества ненадежных светодиодов.
3
3
обр
3
3
обр
-7
2
-5
2
Введение дополнительного параметра j позволяет отбраковать светодиоды с плохой изоляцией периферии p-n перехода, и/или с присутствием областей локального пробоя статическими зарядами - явления, типичного для синих мощных светодиодов из-за высокого сопротивления при нулевом смещении. При этом, как показали исследования, присутствие областей локального пробоя статическими зарядами выявляется только на обратной ветви по превышению j>5·10 А/см при U=5.0 В. Присутствие таких областей, также как плохая изоляция периферии p-n перехода, усиливает неоднородность протекания тока в прямом направлении, а при длительном протекании приводит к локальным перегревам, носящим случайный характер, и к миграции ионов металлов. В результате наблюдается снижение срока службы, причем непредсказуемое. Критерии по плотности тока и значению j были установлены авторами в ходе долговременных испытаний светодиодов разных фирм производителей. Значения j<5·10 А/см не приводят к катастрофическим отказам. Уменьшение значения U не позволяет выявить все ненадежные светодиоды, превышение этого значения не приводит к выявлению дополнительных ненадежных светодиодов. Выяснено, что в самых ненадежных светодиодах изменения внешней квантовой эффективности носят пороговый характер, вызывая их катастрофические отказы, в то время как повышение плотности тока, превышающее критерий, значительно раньше сигнализирует об укороченном сроке службы. Следует отметить, что светодиод является ненадежным, даже если подпадает под один из перечисленных критериев. Однако на практике, чаще всего для ненадежных светодиодов является типичным превышение нескольких критериев.
Авторами установлена необходимость проведения отбраковки в два этапа с обязательным удалением отбракованных светодиодов после первого этапа, т.к. внутреннее сопротивление отбракованных светодиодов на порядки ниже, чем у надежных светодиодов. В результате в момент включения в общую цепь всех светодиодов вместе на надежных светодиодах падение напряжения будет намного больше, что может привести к локальным пробоям надежных светодиодов и к снижению их срока службы. Вторая стадия необходима для выявления ненадежных светодиодов, содержащих локальные области с неравновесным составом, не отличающихся по величине внешней квантовой эффективности и ВАХ от надежных светодиодов на первой стадии отбраковки. Такие светодиоды выявляются только в процессе старения.
n
2
3
1
1
1
пр
-6
2
Для эффективного выявления ненадежных светодиодов с локальными областями, содержащими твердые растворы неравновесного состава, принципиальное значение имеет выбор режима старения. Плотность инжекционного тока является одним из основных факторов, определяющих скорость развития процесса старения. На практике используются различные комбинации плотности тока, времени старения и температуры окружающей среды. Целесообразно контролировать температуру p-n перехода, определяющий вклад в которую дает разогрев инжекционным током. В этом случае проще обеспечивать воспроизводимость условий старения, регулируя небольшие изменения температуры окружающей среды изменением инжекционного тока. Экспериментально определен следующий режим старения: температура p-n перехода (95-100)°C, время старения 100 часов. Снижение температуры ниже 95°C приводит к необходимости увеличения времени старения, увеличение температуры выше 100°C возможно, но нецелесообразно, т.к. результаты долговременных испытаний на обширном статистическом материале показали, что при (95-100)°C и времени старения 100 часов наступает насыщение по количеству выявляемых светодиодов с параметрами, превышающими критерии для надежных светодиодов. Некоторое количество таких светодиодов выявляется, начиная уже с 10 часов старения, но с увеличением времени добавляются все новые и новые светодиоды. Исходя из этих результатов, установлен временной интервал старения (95-100) часов. Процесс старения под действием инжекционного тока в первую очередь развивается в локальных неоднородностях, таких как локальные области с повышенным составом твердого раствора по индию, в том числе и с неравновесным составом, в системе протяженных дефектов, в областях локальных статических пробоев. Поэтому после старения целесообразно контролировать те же параметры, что и на первом этапе, т.к. как изменения характерных участков ВАХ значительно раньше сигнализирует об укороченном сроке службы светодиодов, чем изменения внешней квантовой эффективности. При этом, как показали результаты долговременных испытаний, проведенных авторами, критерии по значениям U, j, j при (300±10) К остаются теми же самыми, что и на первом этапе, кроме критерия j. Выяснено, что в процессе старения величина j может изменяться в пределах порядка, но это не влечет за собой катастрофических выходов из строя и сокращения срока службы, если j не превышает величину 10 А/см при U=(1.3-1.4) В.
Способ осуществляют следующим образом.
п
1
пр
2
обр
3
обр
п
1
пр
2
обр
3
обр
1
1
пр
-7
2
-7
2
-7
2
-7
2
-5
2
2
-6
2
На исходных (до проведения старения) мощных светодиодах на основе InGaN/GaN проводятся, в любой очередности, измерения следующих параметров при температуре (300±10) К: падения напряжения U при протекании прямого тока с плотностью j=10 А/см; плотности тока j при смещении напряжения в прямом направлении U=(1.3-1.4) В; плотности тока j при смещении в обратном направлении U=(1.3-1.4) В; плотности тока j при U=5.0 В. После каждого измерения производят первичную отбраковку светодиодов по установленным критериям ненадежности: U<1.2 В при j=10 А/см, j>10 А/см при U=(1.3-1.4) В, j>10 А/см при U=(1.3-1.4) В, j>5·10 А/см при U=5.0 В. Светодиоды с одним или несколькими параметрами, соответствующими установленному критерию, отбраковываются. Оставшиеся светодиоды подвергаются старению, их помещают в термостат, пропускают прямой ток плотностью 50 А/см и с помощью подогрева устанавливают температуру p-n перехода 100°C. Контроль температуры p-n перехода при проведении старения применяется большинством фирм, при этом измеряют температуру окружающей среды, температуру разогрева p-n перехода инжекционным током и дополнительный подогрев в термостате или потоком теплого воздуха, нивелирующий колебания окружающей среды. Процесс старения в предлагаемом способе осуществляется в течение (95-100) часов, затем светодиоды охлаждаются до (300±10) К и проводятся повторные измерения всех вышеперечисленных параметров при этой температуре. При этом проводят вторичную отбраковку по тем же критериям, что и при первичной отбраковке, кроме параметра j. Для этого параметра выявлен более мягкий критерий: у ненадежных светодиодов j>10 А/см при U=(1.3-1.4) В.
Пример.
2
Для проверки предлагаемого способа на группах из 200 светодиодов фирмы Lumileds, взятых из одной партии, и 200 светодиодах фирмы Cree, также взятых из одной партии, собранных в корпус и имеющих значение внешней квантовой эффективности 45% с разбросом ±2% при плотности тока 5.0 А/см, были апробированы способ-прототип и предлагаемый способ. При этом сравнение способов проводилось с учетом проверки результатов путем долговременных испытаний.
п
п
п
п
п
п
п
-9
-7
2
В соответствии со способом-прототипом на светодиодах фирмы Lumileds (100 шт.) и на светодиодах фирмы Cree (100 шт.) проведены измерения падения напряжения (U) при протекании прямого тока 10 А (плотность тока 10 А/см) через каждый светодиод. На светодиодах фирмы Lumileds на 8 шт. разброс значений был U=(0.8-1.1) В, т.е. U<1.2 В, на остальных 92 светодиодах U=(1.2-1.3) В. На светодиодах фирмы Cree на 5 шт. разброс значений U был U=(1.0-1.1) В, на остальных 95 светодиодах U=(1.3-1.4) В.
2
-9
-7
2
-9
п
п
п
п
п
Затем был проведен нагрев током в течение 10 часов с типичной плотностью рабочего тока для мощных светодиодов, равной 50 А/см, [http://www.philipslumileds.com]. Проведено повторное измерение U при протекании прямого тока 10 А (плотность тока j=10 А/см) через каждый светодиод, затем проведено резкое охлаждение до температуры первого измерения (300±10) К и снова измерение U при токе 10 А через каждый светодиод. После измерений партии светодиодов фирмы Lumileds было выявлено 6 светодиодов с разбросом значений U=(0.6-0.8) В и 7 светодиодов с U=(0.9-1.1) В, на остальных 87 светодиодах значения U=(1.2-1.3) В не изменились.
п
п
п
На светодиодах фирмы Cree было выявлено 4 светодиода с разбросом значений U=(0.7-0.9) В и 5 светодиодов с U=(1.0-1.1) В, на остальных 91 светодиодах значения U=(1.3-1.4) В не изменились.
Таким образом по способу-прототипу считаются ненадежными и должны быть отбракованы 13 светодиодов фирмы Lumileds и 9 светодиодов фирмы Cree.
j
2
На всех светодиодах был проведен процесс старения в одном из общепринятых на фирме Lumileds режимах: температура p-n перехода T=85°C, плотность тока в прямом направлении J=50 А/см в течение 1000 часов [http://www.philipslumileds.com]. Измерения внешней квантовой эффективности после старения показали, что из светодиодов фирмы Lumileds 12 шт.перестали светить (т.е. произошли катастрофические отказы), на 10 шт. значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 30%, что более чем на 30% меньше исходных значений, на 7 светодиодах значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 37%, что более чем на 10% меньше исходных значений. Уменьшенные значения внешней квантовой эффективности по данным фирмы Lumileds свидетельствуют о пониженном сроке службы, меньше 30000 часов.
После проведения той же процедуры на светодиодах фирмы Cree выявлено 6 светодиодов с катастрофическим отказом, 8 светодиодов с уменьшенной до 39% внешней квантовой эффективностью, что более чем на 5% меньше исходных значений и по данным фирмы свидетельствует о пониженном сроке службы, меньше 50000 часов, а также на 6 шт.значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 31%, что более чем на 30% меньше исходных значений.
Долговременные испытания показали, что ненадежных светодиодов, с укороченным сроком службы существенно больше (29 шт. фирмы Lumileds и 20 шт. фирмы Cree), чем отбраковано по способу-прототипу (13 светодиодов фирмы Lumileds и 9 светодиодов фирмы Cree). Таким образом, способ-прототип не позволяет отбраковать все ненадежные светодиоды со сроком службы меньше 50000 часов.
п
п
п
п
п
-7
2
В соответствии с предлагаемым способом на 100 шт. светодиодов фирмы Lumileds и на 100 шт.светодиодов фирмы Cree были проведены измерения падения напряжения (U) при протекании прямого тока с плотностью j=10 А/см через каждый светодиод при (300±10) К. На 8 светодиодах фирмы Lumileds разброс значений U=(0.8-1.1) В. Такие значения согласно установленным критериям соответствуют ненадежным светодиодам. На остальных 92 светодиодах U=(1.2-1.3) В. На 5 светодиодах фирмы Cree разброс значений U=(1.0-1.1) В. Эти значения согласно установленным критериям соответствуют ненадежным светодиодам. На остальных 95 светодиодах U=(1.3-1.4) В.
1
пр
2
обр
3
обр
Кроме того, проведены измерения дополнительных параметров: плотности тока j при смещении в прямом направлении U=(1.3-1.4) В, плотности тока j при смещении в обратном направлении U=(1.3-1.4) В, а также j при U=5.0 В.
п
1
2
3
3
1
2
3
-7
2
-7
2
-4
2
-4
2
-8
2
-8
2
-7
2
Получены следующие результаты: из 92 светодиодов фирмы Lumileds с U=(1.2-1.3) В 4 шт. имели j=(3.0-5.0)10 А/см, 3 шт. имели j=5·10 А/см и j=1·10 А/см, а также 2 шт. - j=2·10 А/см, т.е. значения, согласно установленным критериям, соответствующие ненадежным светодиодам. На остальных 83 светодиодах измерены следующие значения: j=(6.0-9.0)10 А/см; j=(0.8-5.0)10 А/см и j=(1.0-4.0)10 А/см.
п
1
2
2
3
1
2
3
-7
2
-7
2
-7
2
-5
2
-8
2
-8
2
-5
2
На светодиодах фирмы Cree после измерения дополнительных параметров получены следующие результаты: из 95 светодиодов с U=(1.3-1.4) В - 2 шт. с j=(2.0-4.0)10 А/см и j=(2.0-3.0)10 А/см; 3 шт.с j=2.0·10 А/см, а также 2 шт. с j=8.0·10 А/см, т.е. с значениями, согласно установленным критериям соответствующими ненадежным светодиодам. На остальных 88 светодиодах измерены следующие значения: j=(2.0-6.0)10 А/см; j=(0.6-4.0)10 А/см и j=(1.0-3.0)10 А/см. Все светодиоды с превышением значений хотя бы по одному из критериев, предложенных в способе, были отбракованы.
На оставшихся 83 светодиодах фирмы Lumileds и 88 светодиодах фирмы Cree был проведен процесс старения при температуре p-n перехода 100°C в течение 100 часов. После охлаждения были проведены измерения всех параметров светодиодов при (300±10) К.
п
1
2
3
п
1
п
2
п
3
-7
2
-8
2
-5
2
-6
2
-7
2
-6
2
На 71 светодиоде фирмы Lumileds измерены следующие значения параметров: U=(1.2-1.3) В; j=(4.0-9.0)10 А/см; j=(0.8-5.0)10 А/см и j=(1.0-4.0)10 А/см. На остальных светодиодах: 3 шт. с U=1.2 В, j=2·10 А/см; 4 шт. с U=0.2 В и j=(2.0-6.0)10 А/см; 5 шт. с U=(0.6-0.8) В и j=(1.0-2.0)10 A/см, эти значения согласно установленным критериям соответствуют светодиодам с укороченным сроком службы.
п
1
2
3
п
1
п
2
п
1
-7
2
-8
2
-5
2
-6
2
-7
2
-6
2
На 80 светодиодах фирмы Cree измерены следующие значения параметров: U=(1.3-1.4) В; j=(1.0-4.0)10 A/см; j=(2.0-5.0)10 А/см и j=(1.0-4.0)10 А/см. На остальных светодиодах: 4 шт. с U=1.3 В, j=(1.0-2.0)10 A/см; 3 шт. с U=0.5 В и j=(1.0-4.0)10 А/см; 2 шт. с U=(1.0-1.1) В и j=(1.0-2.0)10 A/см.
Эти параметры превышают установленные критерии, что означает, что у этих светодиодов должен быть укороченный срок службы. Общее количество отбракованных светодиодов по предлагаемому способу: у фирмы Lumileds - 29 шт., у фирмы Cree - 20 шт.
j
2
Для проверки эффективности установленных критериев на всех светодиодах, в том числе отбракованных на 1-ой и последующей стадии, был проведен процесс старения в одном из принятых на фирме Lumileds режимах T=85°C, J=50 А/см в течение 1000 часов [http://www.philipslumileds.com]. Измерения внешней квантовой эффективности после старения показали, что на светодиодах фирмы Lumileds 12 шт. перестали светить (т.е. произошли катастрофические отказы), на 11 шт.значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 28-30%, что более чем на 30% меньше исходных значений, на 6 светодиодах значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 35-37%, что более чем на 10% меньше исходных значений. Уменьшенные значения внешней квантовой эффективности по данным фирмы Lumileds свидетельствуют о пониженном сроке службы, меньше 30000 часов.
В результате общее число ненадежных светодиодов фирмы Lumileds с укороченным сроком службы - 29 шт., выявленных после долговременных испытаний, совпадает с количеством отбракованных по предлагаемому способу светодиодов после 100 часов старения.
После проведения той же процедуры на светодиодах фирмы Cree выявлено 7 светодиодов с катастрофическим отказом, 9 светодиодов с уменьшенной до (36-39)% внешней квантовой эффективностью, что более чем на 5% меньше исходных значений и по данным фирмы свидетельствует о пониженном сроке службы - меньше 50000 часов. Кроме того, на 4 шт. значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 31%, что более чем на 30% меньше исходных значений.
Результаты долговременных испытаний выявили такое же количество - 20 шт. светодиодов фирмы Cree с укороченным сроком службы, которое прогнозировалось предлагаемым способом по превышению установленных критериев после 100 часов старения.
Проверка граничных значений параметров напряжений при прямом и обратном смещении (1.3-1.4) В путем проведения долговременных испытаний показала, что уменьшение значений напряжения ниже 1.3 В приводит к уменьшению значений тока, что делает метод неприменимым в массовом производстве, увеличение же верхнего граничного значения сопровождается значительным ростом значений тока для всех светодиодов, при этом ненадежные светодиоды слабо отличаются от надежных светодиодов. Проверка граничных значений времени проведения старения (95-100) часов путем проведения долговременных испытаний показала, что снижение времени не обеспечивает полного выявления всех ненадежных светодиодов по предложенным критериям, а увеличение времени старения свыше 100 часов не приводит к выявлению дополнительных ненадежных светодиодов.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает решение поставленных задач. Он позволяет прямыми измерениями и за меньшие на порядки времена старения, а также более полно, чем способ-прототип, отбраковать ненадежные светодиоды с укороченным сроком службы меньше 50000 часов. Благодаря тому, что выбранные для контроля параметры отражают реальные свойства дефектной системы светодиодов, способ обеспечивает отбраковку ненадежных с укороченным сроком службы мощных InGaN/GaN светодиодов различных фирм-производителей (является более универсальным, чем известные способы), а также решает задачу ускорения процесса отбраковки светодиодов. Значительное снижение времени старения обеспечивает оперативность получения информации, что делает способ незаменимым при разработке технологии роста и сборки мощных InGaN/GaN светодиодов.