Способ определения температурного распределения по поверхности светодиода

Способ определения температурного распределения по поверхности светодиода

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптоэлектронной измерительной технике и может быть использовано для измерения тепловых параметров полупроводниковых светоизлучающих диодов (СД).

Разработка и надежная эксплуатация полупроводниковых светоизлучающих диодов (далее СД) требует знания распределения температуры по поверхности светодиода - термограммы (температурного мэппинга). Это особенно актуально для современных мощных СД большой площади и со сложной топологией контактов, где весьма вероятны локальные перегруженные по току и перегреву области. Выявление таких областей и возможность определения температурных градиентов - важное условие оптимизации конструкции СД, улучшения теплового регулирования и, в конечном итоге, повышения функциональных характеристик, ресурса и надежности.

Известны спектральные способы определения температуры активной области СД, основанные на зависящем от температуры изменении спектральных характеристик излучения СД [см., например, A. Link, et al. J. Appl. Phys. 86, 1999, p. 6256; US 2008/0205482 A1; RU 2473149].

Общим недостатком спектральных способов оценки температуры является получение информация об усредненной по площади температуре активной области.

Известен способ определения температуры СД с помощью нанесения на них нематических жидких кристаллов (далее ЖК) [С.С. Lee and J. Park. Temperature measurement of visible light-emitting diodes using nematic liquid crystal thermography with laser illumination. IEEE Photonics Technol. Lett. 16, 2004, p. 1706].

Способ основан на свойстве ЖК при изменении температуры менять цвет, что позволяет измерять температуру поверхности тела, контактирующего с ЖК пленкой. Недостатком ЖК термографии является слабая разрешающая способность, а также необходимость иметь широкий набор различных ЖК для охвата типичного для СД температурного диапазона 20-150°C. Кроме того, собственное видимое излучение СД затрудняет оценку цвета ЖК и, соответственно, температуры.

Известны способы инфракрасной (ИК) тепловизионной микроскопии, применяемые для определения температурных полей в СД [см., например, А.Л. Закгейм, Г.Л. Курышев и др. Исследование тепловых процессов в мощных InGaN/GaN флип-чип светодиодах с использованием инфракрасной тепловизионной микроскопии. Физика и техника полупроводников, том 44, вып. 3, 2010, с. 390].

Способы ИК тепловизионной микроскопии базируются на законе Стефана-Больцмана, согласно которому интенсивность собственного ИК излучения объекта пропорциональна четвертой степени его температуры:

,

где ε - излучательная способность объекта, σ - постоянная Стефана-Больцмана, T - температура объекта.

С помощью ИК тепловизионного микроскопа (далее ИК микроскоп) регистрируется ИК сигнал, который показывает распределение интенсивности ИК излучения по поверхности объекта, то есть ИК микроскоп формирует ИК изображение объекта, где «яркость» каждой точки определяется ее температурой. Указанное изображение с помощью соответствующей программной обработки преобразуется в цветную термограмму, где цветовая гамма соответствует определенным значениям температуры в различных точках. При наличии температурных градиентов будет регистрироваться высокий цветовой контраст в тех областях, где имеются локальные перегревы. Определение температуры производится в соответствии с цветовой шкалой температур, полученной в ходе предварительной калибровки.

Способы ИК тепловизионной микроскопии позволяют непосредственно измерять температурное распределение по площади исследуемой поверхности СД.

Однако при использовании способов ИК тепловизионной микроскопии применительно к СД возникает ряд проблем: прозрачность для ИК излучения ряда эпитаксиальных структур (например, AlInGaN) и подложек (например, сапфир), а также большой разброс значений излучательной способности материалов, из которых изготовлены входящие в конструкцию СД элементы (контакты, отражающие и просветляющие покрытия, люминофоры, платы-носители и т.д.). При этом некоторые из материалов имеют очень низкую излучательную способность (так, например, излучательная способность Au по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела (АЧТ) составляет менее 10%. Поэтому чрезвычайно важным становится процесс исходной калибровки, когда температура всех элементов СД поддерживается с помощью термостата с одновременной цифровой записью интенсивности ИК излучения (в битах). Калибровочная зависимость "биты-температура" используется затем для определения абсолютных температур элементов конструкции СД в его реальном рабочем режиме. Стоит отметить, что получаемые зависимости зависят не только от материалов элементов СД, но и технологии их изготовления, от применяемого объектива и выбранного времени накопления ПЗС-матрицы ИК тепловизионного микроскопа и, к тому же являются нелинейными функциями температуры.

В этой связи основными недостатками рассматриваемых способов является трудоемкость получения калибровочных кривых и значительная их погрешность для материалов с низкой излучательной способностью. Как следствие, неудовлетворительная достоверность определения температуры в отдельных точках поверхности СД, особенно в зонах, где есть металлические покрытия.

Идеальным объектом для метода ИК тепловизионной микроскопии является АЧТ, поглощающее все падающее на него электромагнитное излучение во всех спектральных диапазонах и при этом имеющее излучательную способность во всех спектральных диапазонах, равную 1. При нагреве АЧТ спектр его излучения определяется только температурой в соответствии с формулой Планка.

В этой связи при тепловизионных измерениях желательно «приблизить» свойства исследуемого объекта по поглощательной и излучательной способностям к свойствам АЧТ.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ ИК тепловизионной микроскопии с применением покрывающего поверхность СД материала в виде микрочастиц углерода, оптические свойства которого приближаются к свойствам АЧТ [С. Oxley, R. Hopper, et al. Probe propels IR thermal microscopy to a new level. Compound semiconductor, January / February 2011, p. 33].

Данный способ предусматривает (для преодоления проблемы прозрачности полупроводниковой структуры и разброса излучательной способности используемых в конструкции СД различных материалов) нанесение на поверхность СД покровного материала, в качестве которого используют отдельные частицы углерода (размером от единиц до десятков микрометров). Частицы углерода поглощают до 99% падающего излучения в видимом диапазоне длин волн и имеют несколько худшее, однако достаточно высокое поглощение в ближнем ИК-диапазоне, то есть являются хорошими имитаторами АЧТ в широком спектральном диапазоне.

В рассматриваемом способе с помощью ИК микроскопа осуществляют регистрацию интенсивности ИК излучения от поверхности СД с нанесенными на нее частицами углерода с использованием результатов предварительной калибровки, а затем пересчитывают ее в температуру. При этом в рассматриваемом способе полагают, что температура частиц соответствует температуре точек поверхности СД, находящихся в тепловом контакте с указанными частицами. Последнее выполняется более-менее строго, если размеры частиц малы и они находятся в хорошем тепловом контакте с поверхностью (хорошая адгезия).

В ходе предварительной калибровки, которую осуществляют при внешнем нагреве СД, находящегося в нерабочем режиме, определяют зависимость интенсивности ИК излучения поверхности СД с нанесенными частицами углерода от температуры нагрева.

Далее с помощью ИК микроскопа в рабочем режиме СД регистрируют ИК сигнал, излучаемый поверхностью СД с нанесенными на нее частицами углерода, который показывает распределение интенсивности ИК излучения по поверхности СД, то есть формирует ИК изображение поверхности.

С помощью специального (стандартного для тепловизионного метода) программного обеспечения на основании ИК изображения поверхности СД получают искомое температурное распределение по поверхности СД - термограмму, где температуре каждой точки поверхности соответствует определенный цвет.

В рассматриваемом способе за счет нанесения частиц углерода на поверхность СД повышается точность определения температуры поверхности СД, снимаются основные проблемы калибровки и низкой излучательной способности отдельных материалов элементов СД.

Однако данному способу присущи следующие недостатки:

случайный характер распределения частиц углерода по поверхности СД приводит к дискретности результатов измерения, а разброс их размеров привносит дополнительную погрешность, обусловленную зависимостью излучательной способности частицы от ее размеров;

частицы углерода поглощают не только ИК излучение, но и собственное электролюминесцентное излучение СД в видимом диапазоне, что приводит к дополнительному разогреву как самих частиц углерода, так и участков поверхности СД, расположенных под ними, то есть происходит искажение истинного теплового режима работы СД.

Задачей заявляемого способа является повышение точности определения температурного распределения по площади поверхности СД.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения температурного распределения по поверхности светодиода, включающем нанесение на поверхность светодиода покровного материла, свойства которого в отношении поглощения и излучения электромагнитных волн ИК диапазона близки к свойствам абсолютно черного тела, определение с помощью ИК тепловизионного микроскопа калибровочной зависимости излучаемого поверхностью светодиода с нанесенным на нее материалом ИК сигнала от температуры при внешнем нагреве светодиода, находящегося в нерабочем режиме, регистрацию с помощью ИК тепловизионного микроскопа излучаемого поверхностью светодиода с нанесенным на нее материалом ИК сигнала в рабочем режиме светодиода с последующей программной обработкой указанного сигнала и получением на основании указанной обработки с учетом полученной калибровочной зависимости температурного распределения по поверхности светодиода, согласно изобретению используют покровный материал, обладающий прозрачностью в области собственной электролюминесценции светодиода и свойства которого в отношении поглощения и излучения электромагнитных волн ИК диапазона близки к свойствам абсолютно черного тела в области спектральной чувствительности ИК тепловизионного микроскопа, при этом покровный материал используют в виде пленки.

В заявляемом способе на поверхность СД наносят покрывающий указанную поверхность материал, благодаря чему устраняется влияние различий в величине излучательной способности материалов элементов, образующих конструкцию СД, на результаты измерения температурного распределения, а также упрощается процесс исходный калибровки.

При этом, поскольку используемый покровный материал обладает прозрачностью в области собственной электролюминесценции СД, указанный материал не поглощает собственное излучение СД, благодаря чему не происходит вызываемого указанным поглощением искажения теплового режима работы СД.

Использование указанного покровного материала в виде пленки позволяет избежать случайного характера распределения материала по поверхности СД и, соответственно, избежать дискретности результатов измерения.

При этом нет необходимости использовать пленочный покровный материал, свойства которого по поглощательной и излучательной способностям в отношении ИК излучения были близки к свойствам АЧТ во всем ИК диапазоне длин волн. Достаточным является, чтобы покровный материал имел указанные свойства только в области спектральной чувствительности ИК микроскопа. При этом обеспечивается высокая чувствительность измерения, что обуславливает повышение точности определения температурного распределения.

Указанные факторы обеспечивают повышение точности измерения сигналов, на основе которых осуществляется определение температурного распределения по поверхности СД.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение точности определения температурного распределения по площади поверхности СД. Кроме того, отпадает необходимость многократных калибровок.

Сущность предлагаемого способа поясняется следующими чертежами:

Фиг. 1 - спектральная характеристика излучения (спектр ЭЛ) синего СД на основе InGaN/GaN гетероструктуры (кривая 1) и относительная спектральная чувствительность ИК-микроскопа на основе InAs фотоприемной матрицы (кривая 2);

Фиг. 2 - спектр поглощения покровного пленочного материала;

Фиг. 3 - спектр отражения покровного пленочного материала;

Фиг. 4 - калибровочная зависимость интенсивности ИК сигнала (в битах) от температуры;

Фиг. 5 - температурное распределение по поверхности СД при рабочем токе 100 мА;

Фиг. 6 - температурное распределение по поверхности СД при рабочем токе 1А.

Фиг. 7 - профиль температурного распределения - температурное распределение по оси А на фиг. 5 при рабочем токе 100 мА (кривая 1) и профиль температурного распределения - температурное распределение по оси А на фиг. 6 при рабочем токе 1А (кривая 2).

Способ осуществляют следующим образом.

Исходя из спектра собственной электролюминесценции СД и области спектральной чувствительности ИК микроскопа выбирают материал покровной пленки, который обладает прозрачностью в области собственной электролюминесценции СД и который обладает высоким коэффициентом поглощения ИК излучения, обеспечивающим его свойства, близкие к свойствам АЧТ, в области спектральной чувствительности ИК микроскопа.

Наносят на исследуемую поверхность СД покровный материал, который образует на ней пленку.

Осуществляют калибровку при внешнем нагреве СД, находящегося в нерабочем режиме, в ходе которой определяют зависимость регистрируемого ИК микроскопом ИК сигнала, соответствующего интенсивности ИК излучения поверхности СД с нанесенным на нее покровным пленочным материалом, от температуры нагрева. Поскольку при внешнем нагреве СД имеет однородное температурное распределение по всей поверхности, регистрируемый ИК микроскопом ИК сигнал в режиме калибровки имеет также одинаковую интенсивность по всей поверхности СД.

С помощью ИК микроскопа в рабочем режиме СД регистрируют ИК сигнал и получают цифровое ИК изображение поверхности СД с нанесенной на нее покровной пленкой в ИК диапазоне, где интенсивность сигнала («яркость») в каждой точке изображения пропорциональна температуре в этой точке.

Далее с помощью специального (стандартного для тепловизионного метода) программного обеспечения и с учетом калибровочной зависимости осуществляют обработку зарегистрированного ИК сигнала и получают искомое температурное распределение по площади поверхности СД в виде цветной термограммы (температурного мэппинга).

Возможность реализации заявляемого способа показана в примере его выполнения.

Определяли температурное распределение по поверхности синего СД на основе InGaN/GaN - гетероструктуры (λ=460 нм) с использованием ИК микроскопа марки УТК 1. Используемый ИК микроскоп имел спектральную чувствительность в диапазоне 2,5-3 мкм, матричный InAs детектор 128×128 пикселей, поле зрения 400×400 мкм², пространственное разрешение до 3 мкм, температурный диапазон 250°C.

На Фиг. 1 показаны спектр излучения указанного СД (кривая 1) и область спектральной чувствительности указанного ИК микроскопа (кривая 2).

Для данных СД и ИК микроскопа в качестве материала покровной пленки использован оптический клей марки "ОК-15" ТУ 2454-001-07505944-2007, обладающий прозрачностью в области собственного излучения СД видимого и ближнего ИК диапазонов (0,3-1,6 мкм) и высокой поглощающей способностью и малым коэффициентом отражения в области спектральной чувствительности ИК микроскопа (см. Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3).

Наносили указанный клей на исследуемую поверхность СД с помощью центрифугирования слоем толщиной 30-40 мкм. При высыхании указанного клея на поверхности СД образовалась пленка, толщина которой являлась достаточной для непрозрачности указанной пленки в диапазоне спектральной чувствительности используемого ИК микроскопа.

Далее в нерабочем режиме СД с помощью ИК микроскопа осуществляли калибровку, в ходе которой регистрировали интенсивность получаемого ИК микроскопом ИК сигнала при постепенном внешнем нагреве в термостате СД от комнатной температуры 20°C до 100°C.

Получили калибровочную кривую, вид которой представлен на Фиг. 4, используемую затем для определения абсолютных температур в реальных рабочих режимах СД.

Подавали питание на СД и получали с помощью ИК микроскопа цифровое ИК изображение поверхности СД с нанесенной на нее покровной пленкой в рабочем режиме СД.

Интенсивность ИК сигнала в каждой точке изображения с помощью программного обеспечения и с учетом полученной калибровочной зависимости пересчитывалась в температуру с получением температурного распределения по поверхности СД - термограммы.

В наглядном виде полученное температурное распределение отображалось на дисплее компьютера, в виде цветного изображения поверхности СД, где каждой температуре соответствовал определенный цвет - температурный мэппинг.

На Фиг. 5 и Фиг. 6 показано температурное распределение по поверхности СД при рабочих токах, величины которых составляли соответственно 100 мА и 1А. Как видно, при малой величине тока распределение температуры близко к однородному, в то время, как при большой величине тока, в связи с локализацией тока вблизи контактных площадок, возникают заметные температурные градиенты: области вблизи контактных площадок, особенно в углах, где плотность тока максимальна, нагреты сильней, чем в середине между ними.

Как видно из фиг. 7, температурный градиент по оси А более сильно выражен при большом рабочем токе СД (кривая 2), чем при меньшем рабочем токе (кривая 1).

Способ определения температурного распределения по поверхности светодиода, включающий нанесение на поверхность светодиода покровного материла, свойства которого в отношении поглощения и излучения электромагнитных волн ИК диапазона близки к свойствам абсолютно черного тела, определение с помощью ИК тепловизионного микроскопа калибровочной зависимости излучаемого поверхностью светодиода с нанесенным на нее материалом ИК сигнала от температуры при внешнем нагреве светодиода, находящегося в нерабочем режиме, регистрацию с помощью ИК тепловизионного микроскопа, излучаемого поверхностью светодиода с нанесенным на нее материалом ИК сигнала в рабочем режиме светодиода с последующей программной обработкой указанного сигнала и получением на основании указанной обработки с учетом полученной калибровочной зависимости температурного распределения по поверхности светодиода, отличающийся тем, что используют покровный материал, обладающий прозрачностью в области собственной электролюминесценции светодиода и свойства которого в отношении поглощения и излучения электромагнитных волн ИК диапазона близки к свойствам абсолютно черного тела в области спектральной чувствительности ИК тепловизионного микроскопа, при этом покровный материал используют в виде пленки.