Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0010

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0010
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур Российской академии наук
Название доклада
Разработка методов и аппаратуры для исследования и контроля тепловых процессов в мощных полупроводниковых излучающих приборах на основе гетероструктур.
Докладчик
Закгейм Александр Львович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка методов компьютерного моделирования и экспериментального исследования тепловых процессов в мощных полупроводниковых излучателях, а также их аппаратурная реализация, включая разработку экспериментального образца аппаратно-программного комплекса (ЭО АПК) для контроля и анализа тепловых характеристик приборов. В конечном счете, разработка должна обеспечить повышение энергетических характеристик, надежности и ресурса работы приборов
Актуальность и новизна исследования
Для быстро развивающегося твердотельного светодиодного (СД) освещения, саморазогрев мощных излучателей становится главным фактором, ограничивающим функциональные и ресурсные возможности приборов. Проблема отвода тепла и контроля температуры активной области применительно к светодиодам выдвигает ряд новых задач, связанных с:
- особенностями конструкции мощных СД, а именно сложная многоэлементная топология контактов и многослойная внутренняя структура мощных СД, ведущая к неоднородности токорастекания и тепловыделения, минимизации площади теплового контакта и др.
- сильные нелинейные зависимости электрических, спектральных и мощностных параметров от тока, температуры и времени наработки;
- наличие сложно учитываемых и интерпретируемых положительных теплоэлектрических обратных связей.
Описание исследования

Основные составляющие прикладного научного исследования заключаются в следующем.

1. Математическое моделирование и расчеты распределения плотности тока, температуры и ближнего поля электролюминесценции (с применением пакета программ Simuled) в излучающих InGaN/GaN  светодиодах различных конструкций: «flip-chip», «face-up», «vertical». Нестационарная теплоэлектрическая модель, включает:
- Самосогласованный (учитывающий положительную электро-тепловую обратную связь) трехмерный  (3D) расчет растекания тока и теплопереноса в излучающем кристалле с многослойной гетероструктурой;
- Рассмотрение активной области как бесконечно тонкой поверхности, нелинейная проводимость которой описывалается  в рамках модели Шокли;
- Расчет внутреннего  квантового выхода (IQE) в рамках ABC-модели  на основе задаваемых констант рекомбинации;
- Расчет ближнего поля электролюминесценции  в модели трассировки лучей с учетом зависимости IQE в данной точке от плотности тока и температуры в ней;
- Учет одностороннего  отвода тепла через поверхность монтажа.

2. Математическое моделирование идентификации параметров тепловых цепей светодиодов, основанное на представлении теплового импеданса в виде суммы тепловых импедансов отдельных слоев конструкции в схеме  Фостера. Решение задачи идентификации параметров элементов тепловых эквивалентных схем, позволяющей определять значения тепловых параметров отдельных элементов конструкции светодиода по результатам измерения динамических тепловых характеристик. Разработанный подход: измерении теплового импеданса (модуля |ZТ(ω)| и фазы φТ(ω)) на нескольких фиксированных частотах модуляции греющей мощности по гармоническому закону.

3. Разработка методик и экспериментальное исследования распределения температурных и яркостных (ближнее поле электролюминесценции) полей в мощных светодиодах на основе комбинации ИК-тепловизионной и оптической микроскопии. Экспериментальные температурные и яркостные профили для светодиодов  «flip-chip», «face-up», «vertical» конструкций,   анализ  и верификация разработанных моделей.

4. Разработка экспериментального образца аппаратно-программного комплекса (ЭО АПК) для контроля  тепловых характеристик приборов (построения эквивалентной тепловой модели и определения тепловых сопротивлений ее звеньев:
- Разработка алгоритмов идентификации параметров на основе переходных характеристик  темперачуствительного параметра - прямого напряжения при широтно-импульсной модуляции греющей мощности;
- Разработка программы  управления микропроцессорного измерительного модуля ЭО АПК с использованием широтно-импульсной модуляции греющей мощности;
Разработка программы для персонального компьютера обработки данных по алгоритмам идентификации параметров тепловых цепей полупроводниковых излучателей;
- Разработка эскизной конструкторской документация на ЭО АПК, включающей  чертеж общего вида, структурную электрическую схему, функциональную схему, принципиальные электрические схемы составляющих модулей и др.;
- Изготовление ЭО АПК и проведение исследовательский испытаний в соответствии с разработанными Программой и методиками для определения функциональных возможностей и метрологических характеристик прибора и их соответствия требованиям, заложенным в ТЗ.

5. С использованием ЭО АПК   измерены  тепловые импедансы широкого набора  светодиодов различных конструкций,  проведен анализ и сравнение полученных данных с результатами, получаемыми с помощью других приборов и методик (Thermal Thester T3Ster,    инфракрасный сканирующий  микроскоп УТК-1).

 

 

 

Результаты исследования

Среди полученных результатов исследования можно выделить следующие.

1. В теоретическом аспекте:
- Самосогласованная 3D математическую модель для расчета растекания тока, теплопереноса и распределения интенсивности электролюминесценции в излучающих кристаллах на основе AlInGaN квантоворазмерных гетероструктур вертикальной и флип-чип конструкций. В сравнении с аналогами разработанную модель отличает учет теплоэлектрических обратных связей и нелинейных зависимостей прямого напряжения и квантового выхода излучения от плотности тока и температуры;
- Математическая модель идентификации параметров тепловых цепей по результатам измерения динамических тепловых характеристик.  теплового импеданса (модуля |ZТ(ω)| и фазы φТ(ω)) при модуляции  греющей мощности по гармоническому закону. Разработка на этой основе пакета программ управления режимами измерения и обработки результатов для ЭО АПК.

2. В экспериментальном  аспекте:
- Разработана лабораторная  методика измерения температурных и яркостных полей на основе ИК-тепловизионной микроскопии и оптической микроскопии, предложены оригинальные решения для повышения точности измерений.  С  использованием ИК и оптической микроскопии получены детальные картины профилей распределения температурных полей, плотности тока и интенсивности люминесценции в зависимости от конструкции и режимов работы светодиодов;
- Совместный  анализ распределения температурных и яркостных  полей позволил уточнить  картины тепло- и токораспределенияв излучающих кристаллах  с выявлением «перегруженных» участков «bottleneck», локализованных, как правило, вблизи краев контактных площадок или дефектов, а также возникающих вследствие  конструктивных недостатков ( не оптимальная контактов  контактов, монтажных площадок и др.);
- Установлена зависимость теплового сопротивления от уровня возбуждения (рабочего тока),  предложено использование этой зависимости   для оценки неоднородности распределения плотности тока и тепловыделения  и отбраковки потенциально ненадежных приборов.

Главным результатом исследований следует считать разработку,  изготовление и всесторонние испытания ЭО АПК для измерения тепловых импедансов полупроводниковых приборов, в том числе мощных светодиодов для систем освещения. 

Практическая значимость исследования
Разработанный ЭО АПК для измерения тепловых импедансов полупроводниковых приборов по своим функциональным возможностям является аналогом занимающего монопольное положение на мировом рынке прибора Thermal Thester T3Ster (Mentor Graphics Corporation, США) стоимостью более $130000, что делает практически невозможным его использование для большинства отечественных предприятий, разрабатывающих и применяющих светодиоды и светодиодные лампы. Предполагаемая стоимость разработанного ЭО АПК на порядок меньше стоимости зарубежного аналога. что открывает перспективы его широкого применения в научно-исследовательских и промышленных организациях России, занимающихся разработкой, производством и эксплуатацией мощных полупроводниковых приборов, особенно светодиодов для светотехнических применений.
Разработанные компьютерные модели и ПО для расчета токо-, тепло- и светораспределения в излучающих кристаллах могут быть использованы для исследования физических процессов в светодиодах и разработки новых образцов приборов.
Методики ИК тепловизионной и оптической микроскопии представляют самостоятельную ценность для исследований температурных полей и ближнего поля электролюминесценции в различного типа полупроводниковых излучающих приборах.