Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высокого качества – Часть 3
В этом выпуске мы заканчиваем статью Сергея Никифорова, 1 и 2 части которой были опубликованы в выпусках #7/2005 и #10/2005 нашего журнала.
Полная версия для печати
в PDF формате
6. Анализ параметров и прогноз качества светодиодов для систем отображения информации от различных производителей, методом исследования деградационных характеристик
Ведущими в мире производителями полупроводниковых кристаллов считаются компании “Nichia”, “Toyoda Gosei”, “Hewlett Packard”, “Cree”, “Osram”, “Lumileds”, “Epistar”. Эти компании отличаются друг от друга не только количеством произведённой продукции, а что самое важное – принципиально различными конструкциями кристаллов собственных разработок. Поэтому, исследуя конкретный светодиод, помимо его технических характеристик, совсем немаловажно знать на основе кристалла какого производителя он изготовлен.
Как правило, знание этого обстоятельства, сразу ответит на многие вопросы опытному пользователю светодиодами ещё до рассмотрения им других данных. Однако, любая наука базируется на исключительно объективных сведениях. Получение их – довольно непростое дело, но в этом разделе хотелось бы обсудить именно такие – объективные результаты исследований параметров кристаллов и светодиодов, полученных в результате многих тысяч измерений и расчётов их характеристик. Во внимание были взяты лишь физические величины, цифры, показания приборов и сравнительные характеристики на их основе.
Были досконально исследованы светоизлучающие диоды более чем 20 фирм-производителей, в том числе, использующих кристаллы указанных выше лидирующих компаний.
Самому детальному исследованию были подвергнуты светодиоды на основе кристаллов “Lumileds”, “Epistar”, “Cree” производства “Сotco”, “Retop”, “Acol”, “Lasemtech Inc”, светодиоды на основе кристаллов “Toyoda Gosei”, “Nichia”. Параллельно исследовались светодиоды на основе кристаллов, произведённых в Юго-Восточной Азии. Это приборы фирм “Brightek”, “ETR”, “Guangyi”, “Lanbaoli Elektroniks”, “Golden Valley Opto”, “Lite-Max optо”, “Sino”, “Ultralight Electronic”, “Sitronics Co.”, “LED YI LIU”, “Кena”, “Shuen”, “Ningbo Foryard Opt.”, “SanderR”, “Ledman” и другие.
Все образцы исследовались по одинаковой методике. Исследования велись при одинаковых условиях и с максимально возможным количеством измеряемых параметров. Во время наработки, каждый светодиод питался от отдельного индивидуального стабилизированного источника тока, с точностью поддержания тока ±0,5 мА. Это обстоятельство исключает возможность появления деградации параметров из-за колебаний прямого тока через кристалл. Большинство выводов сделано на основе наблюдений за изменениями зависимостей параметров в течение не менее 10 000 часов непрерывной работы светодиодов.
Помимо величин, изменяющихся в зависимости от прямого тока через кристалл, поддающихся моделированию или измерению (световой поток или сила света – люмен – Амперная характеристика, Вольт–Амперная характеристика, зависимость координат цветности от прямого тока и т. д.), есть и такие, как например, срок службы, необратимая деградация и т. п., которые не могут быть достоверно установлены в зависимости от изменения вышеуказанного параметра.
Значения этих характеристик возможно косвенно предположить исходя из определения степени близости условий работы кристаллов при различных токах к условиям их работы на нормируемом производителем токе и нормируемым при этом токе срокам службы. А также, анализируя поведение спектральных и фотометрических характеристик излучения при больших токах, по которому можно достаточно точно судить о “здоровье” кристалла, светодиода в целом и его возможном потенциале.
Необходимость данных этого исследования возникает при моделировании новых конструкций светодиодных устройств, учитывающих возможность работы кристаллов при больших плотностях тока, прогнозов ухода параметров при колебаниях температуры окружающей среды, а также при конструировании устройств отображения информации и сигнализации высокой надёжности.
К каждому типу исследуемых светодиодов обязательно применялся метод последовательных измерений большого количества параметров в зависимости от времени наработки (деградационные характеристики параметров – зависимости их значений от времени наработки), что в свою очередь подтвердило отличную эффективность этого метода для определения качества светодиодов. Появилась возможность связать малые отклонения от типичных в характеристиках у светодиодов без времени наработки, с характеристиками после некоторой наработки, приводящие впоследствии к выходу светодиода из строя. Это позволяет сделать достоверный прогноз качества, срока службы и поведения характеристик прибора в процессе всего времени эксплуатации, не прибегая к длительным испытаниям.
По поведению показателей наиболее важных параметров приборов различных конструкций и производителей в течение временной наработки все светодиоды были условно разделены на насколько групп по степени изменения характеристик и изначального (без наработки) соответствия значениям, обозначенным в спецификациях.
Группа 1
Результаты исследований, прежде всего, выявили общее повышение энергетики выхода используемых кристаллов относительно прежних показателей. Наиболее продвинутой в плане освоения новых технологий в производстве светодиодов оказалась фирма "Сotco", которая применила в своих светодиодах новый тип кристалла на основе InGaN/GaN на подложке SiC. Это кристаллы серий Cree XBright™, Cree XThin™ устанавливаемые способом "flip-chip" на эвтектическую прослойку, нанесённую на рамку светодиода. Они стали удачным продолжением в усовершенствовании кристаллов MBright™ на подложке SiC, отличающейся лучшей, чем сапфир, совместимостью кристаллических решёток подложки и выращенной на ней структуры InGaN/GaN.
Группа 2
Другая часть производителей, которые используют в производстве своих светодиодов кристаллы преимущественно конструкций – прототипов “Nichia”, разделилась на несколько категорий по различным качественным показателям приборов на однотипных кристаллах. Но, все они не достигли таких значений силы света и других энергетических показателей светодиодов, как у ведущих фирм. Часто, реальные параметры светодиодов абсолютно разнились с заявленными в спецификациях, обладая и по этим данным не самыми лучшими характеристиками.
Делается это недобросовестным производителем исключительно для того, чтобы обозначить свою продукцию среди других на должном уровне, и сделать её выгодно продаваемой, потому как проверить истинность параметров потребителю в подавляющем большинстве случаев бывает невозможно, а по виртуальным – написанным на бумаге характеристикам светодиоды обладают неплохими параметрами. Однако, на самом деле выясняется, что всё далеко не так.
Группа 3
Следующая категория – это светодиоды, с большим фактором деградации квантового выхода от времени наработки, связанного как с некачественным кристаллом, так и с нарушением технологии при сборке светодиода. В эту группу попали светодиоды фирм “Lite-Max optо”, “Sino”, “Ultralight Electronic”, “Guangyi”, “Ningbo Foryard Opt.”, “Sander”, использующие кристаллы неизвестных производителей из Юго-Восточной Азии. Подавляющее большинство этих кристаллов имеет широко известную структуру, представленную на Рис. 19, однако, их характеристики не имеют ничего общего с такими же производства “Nichia” по всей вероятности из-за несовершенства оборудования и несоблюдения технологического процесса их выращивания.
Группа 4
Ещё одну категорию составляют светодиоды “Sitronics Co.”, “LED YI LIU” и др., с большим разбросом параметров (более +50%) в партии из нескольких сотен штук, усугубляющимся деградацией, не позволяющим использовать их в сколь ответственной аппаратуре, требующей единства характеристик всех светодиодов группы, поэтому детальное рассмотрение их не приводится.
Исследования статистических данных производства больших партий (до 1 млн. штук) некоторых производителей (например, “Сotco”) показали, что вне зависимости от категории (группы светодиодов, разбитых по принципу идентичности или малого (до ±10%) разброса параметров) количество образцов, определённых описанным методом как неизбежно выйдущих из строя практически одинаково, и составляет примерно 12 - 15%.
Причём, изначально, эти светодиоды признаются годными, потому как действительно соответствуют всем параметрам производителя, которые он указывает в спецификации. Конечно, приведённые цифры колеблются в зависимости от качества партии применяемых пластин кристаллов, соблюдения технологической дисциплины, и т. д. Однако, селекция потенциально неисправных образцов на производстве и является продолжением и развитием описанной методики (с помощью деградационных характеристик) определения критериев, по которым необходимо проводить эту селекцию. Таким образом, удастся применять абсолютно качественные светодиоды, отсортированные по необходимым критериям и быть уверенным в том, что их параметры непосредственно в проектируемом изделии не будут изменяться непредсказуемо.
7. Некоторые итоги исследований
Подытоживая сказанное, стоит заметить, что важность проводимых исследований и постоянного мониторинга новаций и разработок, позволяет не только судить о состоянии рынка светодиодной продукции, но и принимать правильные решения в стратегии использования тех или иных светодиодов в устройствах на их основе. Нельзя не уделять внимание некоторым, принципиально разнящимся с классическими, разработкам в области создания новых средств для полупроводниковой оптоэлектроники. Именно такой подход требуется при проектировании современных устройств отображения информации и оправдан качеством и высокими параметрами производимых экранов и табло на светодиодах при устойчивой тенденции к снижению их стоимости.
Литература:
- 1. Sze S. M. “Physics of Semiconductor devices” - 1984
- 2. Moss T. S. “Semiconductor Opto – Electronics” - 1973
- 3. Абрамов В. С., Никифоров С. Г., Соболь П. А., Сушков В. П. “Свойства зелёных и синих InGaN – светодиодов”. “Светодиоды и лазеры” №1 – 2, (2002 г.) стр. 30-33
- 4. Агафонов Д. Р., Аникин П. П., Никифоров С. Г. “Вопросы конструирования и производства светоизлучающих диодов и систем на их основе”. “Светотехника” №6 (2002 г.) стр. 6-11
