RU2538070C1 - Method for contactless determination of temperature field non-uniformity in semiconductor light sources - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: disclosed is a method for contactless determination of non-uniformity of the temperature field in semiconductor light sources, which includes measuring temperature at control points of the source structure, wherein temperature sensor functions are performed by components of the source structure itself: the p-n junction of the chip and the fluorescent coating, and the heat-sensitive parameter used is the spectral width of radiation at the level of 0.5 times the maximum value.

EFFECT: providing a competitive edge over fluorescent light sources; semiconductor light sources should have a longer life of at least 100000 hours; improved design and providing optimum thermal conditions of the chip and the fluorescent coating.

1 tbl, 1 dwg

Description

Температура полупроводникового источника белого света (светодиода), содержащего кристалл на основе гетероструктуры GaN - GaInN и люминофор, является важнейшим параметром, определяющим основные эксплутационные характеристики источника, такие как сила света, цветовая температура, цветопередача, долговечность и другие. Для большинства типов источников света устанавливается максимальная рабочая температура кристалла в пределах 50-55°C. Для контроля температуры кристалла разработано множество методов с использованием в качестве термочувствительных параметров: прямое падение напряжения, обратный ток, длины волны максимума спектра излучения, полуширина спектра излучения, инфракрасное излучение и другие [1]. Однако эти методы позволяют определить лишь усредненную по кристаллу температуру. Но для прогнозирования стабильной работы источника света важно знать и неравномерность распределения температурного поля в конструкции источника, так как наличие градиентов температур приводит к возникновению термоупругих механических напряжений, приводящих к образованию дислокации, микротрещин и последующего разрушению кристалла или отслаиванию от поверхности кристалла люминофорного покрытия [2].The temperature of a semiconductor white light source (LED) containing a crystal based on the GaN - GaInN heterostructure and a phosphor is the most important parameter that determines the main operational characteristics of the source, such as light intensity, color temperature, color reproduction, durability, and others. For most types of light sources, the maximum working temperature of the crystal is set in the range of 50-55 ° C. Many methods have been developed to control the crystal temperature using heat-sensitive parameters: forward voltage drop, reverse current, wavelengths of the maximum emission spectrum, half-width of the emission spectrum, infrared radiation, and others [1]. However, these methods make it possible to determine only the temperature averaged over the crystal. But to predict the stable operation of the light source, it is important to know the uneven distribution of the temperature field in the source design, since the presence of temperature gradients leads to the appearance of thermoelastic mechanical stresses leading to the formation of dislocations, microcracks and subsequent destruction of the crystal or peeling of the phosphor coating from the crystal surface [2] .

Наиболее близким, по технической сущности, к предлагаемому изобретению является способ, согласно которому неравномерность температурного поля оценивается по относительной разности температур в контролируемых точках конструкции с помощью датчиков температуры [3]. Получение информации о профилях температуры поля в различных сечениях и оценка неравномерности распределения температур связаны с большими аппаратурными затратами, с необходимостью использования и размещения миниатюрных датчиков температуры, расположенных в различных точках, и соответствующих измерительных схем, преобразующих значения температур в электрические сигналы, удобные для последующей обработки, передачи и хранения. Нестабильность и технологический разброс параметров термодатчиков и их большие (сравнительно с кристаллом) размеры не позволяют обнаруживать малые разности температур и, следовательно, исследовать тонкую структуру температурного поля в полупроводниковых источниках света.The closest, in technical essence, to the proposed invention is a method according to which the non-uniformity of the temperature field is estimated by the relative temperature difference at the controlled points of the structure using temperature sensors [3]. Obtaining information about field temperature profiles in various sections and assessing the unevenness of temperature distribution are associated with high hardware costs, the need to use and place miniature temperature sensors located at different points, and the corresponding measuring circuits that convert temperature values into electrical signals convenient for further processing , transfer and storage. The instability and technological spread of the parameters of the temperature sensors and their large (compared to the crystal) sizes do not allow detecting small temperature differences and, therefore, investigating the fine structure of the temperature field in semiconductor light sources.

Целью данного изобретения является упрощение процесса измерения и повышение точности бесконтактного определения неравномерности температурного поля в полупроводниковых источниках света, преимущественно в структуре кристалл-люминофорное покрытие без использования встроенных термодатчиков. Эта цель достигается тем, что в качестве датчиков температуры используются сами элементы конструкции источника: p-n-переход кристалла и частицы люминофора. В качестве термочувствительных параметров используются длина волны максимума спектра собственного излучения кристалла источника света и его ширина Δλ₁ на уровне 0,5 от максимального значения в диапазоне длин волн 440-470 им, и длина волны максимума и ширина спектра Δλ₂ излучения люминофора в диапазоне длин волн 500-650 нм (чертеж). При этом чувствительность к температуре такого параметра, как полуширина спектра излучения, в два раза выше, чем чувствительность к температуре сдвига длины волны максимума спектра излучения.The aim of this invention is to simplify the measurement process and improve the accuracy of non-contact determination of temperature field unevenness in semiconductor light sources, mainly in the structure of a crystal-phosphor coating without the use of built-in temperature sensors. This goal is achieved by the fact that the structure of the source itself is used as temperature sensors: the pn junction of the crystal and phosphor particles. As the heat-sensitive parameters, the wavelength of the maximum of the spectrum of the natural radiation of the crystal of the light source and its width Δλ ₁ at the level of 0.5 of the maximum value in the wavelength range of 440-470 im, and the wavelength of the maximum and the spectral width Δλ ₂ of the phosphor radiation in the length range are used waves of 500-650 nm (drawing). In this case, the temperature sensitivity of such a parameter as the half-width of the radiation spectrum is two times higher than the sensitivity to the temperature shift of the wavelength of the maximum of the radiation spectrum.

Пример измерения неравномерности температур в конструкции полупроводникового источника света.An example of measuring temperature unevenness in the design of a semiconductor light source.

Измерения проводятся в следующей последовательности.Measurements are carried out in the following sequence.

1. Определяется зависимость полуширины спектра излучения кристалла и люминофора от температуры при импульсном режиме питания полупроводникового источника света (длительность импульсов 0,1-5 мкс: частота следования импульсов 0,5-1 кГц; величина импульсного тока выбирается равной рабочему току при постоянном напряжении). В качестве регистрирующего устройства используется оптоволоконный спектрометр типа USB2000.1. The dependence of the half-width of the radiation spectrum of the crystal and phosphor on the temperature is determined for a pulsed power supply of a semiconductor light source (pulse duration 0.1-5 μs: pulse repetition rate 0.5-1 kHz; the pulse current value is chosen equal to the operating current at constant voltage) . As a recording device, a USB2000 type fiber optic spectrometer is used.

2. Источник света переводится в рабочий режим при постоянном токе и с помощью USB2000 регистрируются термочувствительные характеристики спектра излучения.2. The light source is put into operation at constant current and the temperature-sensitive characteristics of the radiation spectrum are recorded using the USB2000.

3. Путем сравнения результатов измерений по пп.1 и 2 находим значения температур кристалла и люминофорного покрытия, а следовательно, и неравномерность распределения температур в системе кристалл-люминофор.3. By comparing the measurement results according to claims 1 and 2, we find the temperature values of the crystal and the phosphor coating, and, consequently, the uneven distribution of temperatures in the crystal-phosphor system.

Принцип измерений температуры поясняется чертежом, на котором представлен типичный спектр излучения полупроводникового источника белого света. Четко разделяются спектр излучения кристалла синего цвета и спектр излучения люминофора желто-красного цвета. Для определения температуры кристалла используется изменение полуширины спектра его излучения Δλ₁, а для определения температуры люминофорного покрытия используется изменение полуширины спектра Δλ₂. Результаты измерений, проведенные на источниках света производства ОАО Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов (г.Томск), представлены в таблице.The principle of temperature measurements is illustrated in the drawing, which shows a typical radiation spectrum of a semiconductor white light source. The emission spectrum of the blue crystal is clearly separated from the emission spectrum of the yellow-red phosphor. To determine the temperature of the crystal, a change in the half-width of the spectrum of its radiation Δλ _{1 is used} , and to determine the temperature of the phosphor coating, a change in the half-width of the spectrum Δλ _{2 is used} . The results of measurements carried out on light sources produced by the Research Institute of Semiconductor Devices OJSC (Tomsk) are presented in the table.

№ п/пNo. p / p Тип полупроводникового источника света (рабочий ток)Type of semiconductor light source (operating current) Температура кристалла ΔТ°С, относительно температуры окружающей средыCrystal temperature ΔТ ° С, relative to ambient temperature Температура люминофорного покрытия ΔТ°С, относительно температуры окружающей средыThe temperature of the phosphor coating ΔТ ° С, relative to the ambient temperature Разность температур кристалла и покрытия ΔТ°СThe temperature difference between the crystal and the coating ΔТ ° С 1one КИПД154, с линзой (350 мА)KIPD154, with a lens (350 mA) 75,575.5 5656 19,519.5 22 КИПД154, с линзой (200 мА)KIPD154, with a lens (200 mA) 4242 3232 1010 33 КИПД154А91, без линзы (350 мА)KIPD154A91, without lens (350 mA) 8585 7272 11eleven 4four КИПД154А91, без линзы (150 мА)KIPD154A91, without lens (150 mA) 4343 4949 -6-6

Из результатов измерений следует, что предложенный метод определения неравномерности температурного поля позволяет определить разность температур кристалла и люминофорного покрытия и установить различия распределения температур в различных конструктивных исполнениях полупроводниковых источниках света.It follows from the measurement results that the proposed method for determining the non-uniformity of the temperature field allows us to determine the temperature difference between the crystal and the phosphor coating and to establish differences in the temperature distribution in various designs of semiconductor light sources.

Источники информацииInformation sources

1. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.1. Schubert F.E. LEDs - M .: Fizmatlit, 2008 .-- 496 p.

2. Lee Jiunn-Chyi. Journal of Crystal Growth. - 2008. - T.310, №23. - С.5143-5146.2. Lee Jiunn-Chyi. Journal of Crystal Growth. - 2008. - T.310, No. 23. - S.5143-5146.

3. Патент РФ №2051342, G01K 7/00. Способ определения неравномерности температурного поля / Ю.А. Скрипник, А.И. Химичева, В.Т. Кондратов (UA). - №5044044/28; заявл. 07.04.1992; опубл. 27.12.1995.3. RF patent No. 2051342, G01K 7/00. The method for determining the unevenness of the temperature field / Yu.A. Skripnik, A.I. Khimicheva, V.T. Kondratov (UA). - No. 5044044/28; declared 04/07/1992; publ. 12/27/1995.

Claims (1)

Способ бесконтактного определения неравномерности температурного поля в полупроводниковых источниках света по относительной разности температур в точках конструкции, заключающийся в измерении и оценке относительной разности температур в контролируемых точках конструкции, отличающийся тем, что с целью упрощения процесса измерения и повышения точности функции датчиков температуры выполняют сами элементы конструкции источника: p-n-переход кристалла и люминофорное покрытие, а в качестве термочувствительного параметра используется ширина спектра излучения на уровне 0,5 от их максимального значения. The method of non-contact determination of temperature field non-uniformity in semiconductor light sources by the relative temperature difference at the design points, which consists in measuring and assessing the relative temperature difference at the controlled design points, characterized in that the structural elements themselves perform the functions of the temperature sensors to simplify the measurement process and improve the accuracy source: pn-junction of the crystal and the phosphor coating, and as the temperature sensing parameter using e tsya w -width of emission spectrum at 0.5 of their maximum values.

Images