Руководитель направления Фролов Илья Владимирович зам. директора по научной работе, канд. техн. наук, доцент эл. почта: ilya-frolov88@mail.ru

Наиболее широкое применение в различных областях техники являются светодиоды и светодиодные матрицы на основе светоизлучающих гетероструктур (СГС) с множественными InGaN/GaN квантовыми ямами. Для таких СГС характерны неоднородность стехиометрического состава слоев квантовой ямы и существенно неоднородное распределение различного рода дефектов в активной области СГС, что в свою очередь является причиной неоднородного распределения плотности тока и температуры в кристалле прибора, ускорения процессов деградации. Прямые методы исследования пространственной неоднородности СГС такие как электронная микроскопия, катодолюминесценция, атомно-зондовая томография, трудоемки, требуют специализированного оборудования и не применимы для массового контроля. Актуальной задачей является повышение эффективности и чувствительности неразрушающих методов и средств измерения пространственной неоднородность параметров и характеристик СГС.

Внешний вид (а) и структурная схема (б) АПК для измерения профиля распределения граничных частот электролюминесценции по площади кристалла светодиода

Разработаны и экспериментально апробированы оригинальные способы измерений и средства измерения граничной частоты и внутренней квантовой эффективности светодиодов, а также порогового тока светодиодов, в том числе в локальных областях СГС.
Разработана модель деградации мощности излучения InGaN/GaN светодиода при испытаниях под действием прямого тока, учитывающая неоднородное распределение концентрации дефектов в СГС. Показано, что темп деградации оптической мощности излучения светодиода существенно зависит от степени неоднородности распределения концентрации дефектов. Достоверность результатов моделирования подтверждена экспериментально.
Преимуществом разработанных средств локальной диагностики является возможность их применения к готовым светодиодам в нормальных условиях с использованием общедоступного измерительного оборудования.

Руководитель направления Сергеев Вячеслав Андреевич директор УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, д-р техн. наук, профессор эл. почта: sva@ulstu.ru

Созданы оригинальные программные средства моделирования теплоэлектрических процессов с использованием среды компьютерного моделирования COMSOL Multiphysics.
Разработана обобщенная теплоэлектрическая модель (ТЭМ) биполярного полупроводникового прибора с учетом механизмов теплоэлектрической обратной связи и наличия в структуре и конструкции прибора макродефектов различной физической природы. На основе обобщенной модели разработаны ТЭМ мощного биполярного СВЧ транзистора (МБТ) с дефектами электрофизического и теплофизического вида. Показано, что температурная зависимость плотности поглощаемой МБТ мощности приводит к неоднородному распределению температуры в структуре прибора (рис.1) и нелинейной зависимости максимальной и средней температуры поверхности кристалла от потребляемой мощности. (рис. 2).

Разработанные программные средства применены для моделирования тепловых процессов в модулях выходных усилителях АФАР X-диапазона . Температурные поля при полной рассеиваемой ВУМ мощности 12 Вт и равномерном распределении рассеиваемой мощности между МИС приведены на рис. 3.

Рис. 3. Конструкция (а), модель (б) и температурное поле (в) ВУМ ППМ АФАР Х-диапазона

Моделирование и анализ распределения плотности тока и температуры в структурах мощных InGaN/GaN светодиодов (СИД) показало, что зависимости квантовой эффективности η от плотности тока и температуры приводит к значительному (в десятки %) увеличению максимальной плотности тока и максимальной температуры гетероперехода и крутизна токовой зависимости теплового сопротивления СИД является информативным параметром для диагностики дефектов.
Для полосковых структур биполярных (БТ) и гетеробиполярных (ГБТ) СВЧ-транзисторов получены аналитические выражения для плотности эмиттерного тока под дорожкой металлизации в изотермическом приближении с учетом падения напряжения на сопротивлениях активной базы и эмиттерной металлизации. Показано, что СВЧ-транзистор с гребенчатой структурой может быть представлен в виде двух параллельно соединенных частей, токи через которые определяются факторами неоднородного токораспределения. Критически важным следствием такого эффекта является снижение тепловой неустойчивости токораспределения.
Разработана 3D теплоэлектрическая модель для расчета температурного поля в гребенчатой структуре ГБТ (рис. 4), с учетом неоднородного распределения плотности тока под эмиттерными дорожками из-за падения напряжения на сопротивлении токоведущей металлизации. Моделирование показало, что в результате совместного действия рассмотренных эффектов распределения температуры и плотности тока вдоль эмиттерных дорожек из монотонно и слабо спадающих от начала дорожки к концу становятся немонотонными и существенно неоднородными. При этом максимум плотности тока и температуры с увеличением рабочего тока смещается от начала к центру дорожек.

Руководитель направления Смирнов Виталий Иванович вед. науч. сотр., д.т.н, профессор эл. почта: smirnov-vi@mail.ru

Для измерения тепловых характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем разработан Измеритель теплового сопротивления полупроводниковых приборов и интегральных схем (рис. 1). Аналоги Измерителя в России не производятся. По функциональным возможностям и техническим характеристикам Измеритель не уступает зарубежному аналогу T3Ster, но на порядок дешевле. Измеритель реализует способы измерения теплового сопротивления по ОСТ 110944-96 «Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления», а также оригинальный модуляционный способ с использованием широтно-импульсной модуляции греющей мощности по гармоническому закону. Измеритель обеспечивает автоматическое измерение зависимостей теплового импеданса ППП от частоты модуляции греющей мощности в диапазоне частот 0,001 – 1000 Гц, по которым определяются компоненты теплового сопротивления всех звеньев тепловой модели ППП.

Рис. 1. Внешний вид разичных модификаций Измерителя (а) и интерфейса его ПО (б)

Аппаратную основу Измерителя, в зависимости от вида контролируемых изделий, составляют импульсные характериографы ИХПП или ИХИС, внесенные в Государственный реестр средств измерений под №70158-18 и №74287-19 соответственно. Объекты измерения: мощные диоды и транзисторы (биполярные, MOSFET, IGBT), тиристоры, силовые транзисторные модули, светодиоды, светодиодные матрицы, солнечные батареи, интегральные схемы. Соответственно Измеритель реализован в трех вариантах, отличающихся техническими характеристиками и предназначенными для измерения теплового сопротивления разных объектов: Rth Meter – для диодов, транзисторов, тиристоров, силовых модулей; IC Meter – для интегральных схем; • LED Meter – для светодиодов, светодиодных матриц и модулей, солнечных батарей (рис. 2).

Руководитель направления Васин Сергей Вячеславович ст. науч. сотр., к.ф.–м.н. эл. почта: vs0902@mail.ru

В лаборатории разрабатываются технологии и проводятся исследования электрофизических и оптических свойств пленочных структур полимерных нанокомпозитов с разной концентрацией и степенью упорядоченности углеродных нанотрубок (УНТ)и металлических наночастиц.
Отработаны технологии функционализации УНТ различных типов, подготовки дисперсных смесей УНТ с различными полимерами (поливиниловый спирт (ПВС), полиметилметакрилат (ПMMA), полипиррол полианилин и др.) и получения нанокомпозитных пленок путем центрифугирования или вытягивания из раствора. Подтверждено, что проводимость полимерных пленок с добавлением МУНТ приобретает нелинейный барьерный характер и меняет знак температурного коэффициента. Путем обработки МУНТ в растворе хлорида железа (III) и NaOH в диэтиленгликоле значительно увеличена их магнитная восприимчивость, что позволяет выравнивать такие «магнитные» МУНТ в полимере в магнитных полях c индукцией менее 0,5 Тл. Показано, что у полимерных пленок с МУНТ, отвержденных в сильном магнитном поле, электропроводность в направлении перпендикулярном поверхности пленки примерно на два порядка больше, чем у пленок с МУНТ, отвержденных в отсутствии магнитного поля, без измерения характера проводимости.

Структура полученных слоев в разрезе и опытные образцы структур

Предложены феноменологические модели, описывающие ВАХ пленочных структур нанокомпозитов ПВС с МУНТ и ПММА с МУНТ на основе механизма туннельной проводимости. Рассмотрено влияние степени (угла) ориентации МУНТ в полимерной матрице под действием магнитного поля на поперечную электропроводность нанокомпозитных пленок.
Исследования оптических свойств пленок ПВС с магниточувствительными МУНТ (М-МУНТ), отверждаемых в магнитном поле (м-пленки) и в его отсутствии (с-пленки), показали, что в оптическом диапазоне длин волн спектр пропускания пленок без М-МУНТ близок к равномерному, а коэффициент пропускания пленок с М-МУНТ монотонно растет с увеличением длины волны излучения; в УФ диапазоне коэффициент пропускания в несколько раз меньше, чем в ИК диапазоне. При этом крутизна зависимости коэффициента пропускания «с-пленки» заметно больше, чем «м-пленки». У пленок обоих типов в видимом диапазоне оптического излучения наблюдается монотонное снижение коэффициента поглощения с ростом длины волны излучения с выходом на плато, причем коэффициент поглощения «м-пленки» заметно больше, чем «с-пленки», во всем диапазоне длин волн. Эти эффекты объясняются более выраженной вертикальной ориентацией М-МУНТ в «м-пленке» и согласуются с зависимостями для массива вертикально ориентированных УНТ в ИК-диапазоне.
Разрабатываемые пленочные структуры могут служить основой для разработки и производства новых типов уникальных сенсоров (датчиков температуры, оптического излучения, изгиба, давления и др.) с улучшенными метрологическими характеристиками на предприятиях радиоэлектронного профиля.

Разработаны оригинальные способы измерений внутренней квантовой эффективности (ВКЭ) светодиодов, основанные на ABC-модели рекомбинации носителей заряда в светоизлучающей гетероструктуре, позволяющий измерять ВКЭ в широком диапазоне температур без применения сложного измерительного оборудования и калиброванных образцов.

Предложенные способы апробированы на примере измерения ВКЭ зеленого и синего коммерческих InGaN светодиодов. Достоверность подтверждена путем сопоставления результатов измерений с результатами измерений, полученными известным способом. Относительная разница результатов измерений составила не более 3% во всем диапазоне токов.

Публикации:

• Frolov, I.V. Measurement of the Internal Quantum Efficiency of Emission in the Local Region of the LED Chip / I.V. Frolov, O.A. Radaev, V.A. Sergeev // St. Petersburg Polytechnic University Journal. Physics and Mathematics.–2022.–Vol. 15, No. 3.3.–P.226–229
• Пат. 2789118 РФ, МПК H01L 33/00. Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода / Фролов И. В., Сергеев В. А.; заявитель и патентообладатель Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук. – № 2022120518; заявл. 26.07.2022; опубл. 30.01.2023. Бюл. №4.
• Фролов, И. В. Измерение внутреннего квантового выхода излучения InGaN светодиода / И. В. Фролов, В. А. Сергеев, О. А. Радаев // Журнал технической физики. – 2021. – Т. 91, вып. 8. – С. 1264–1267
• Пат. 2740433 РФ, МПК G01R 31/26. Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода / Сергеев В. А., Фролов И. В.; заявитель и патентообладатель Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук. – № 2020116923/28(028230); заявл. 12.05.2020; опубл. 14.01.2021. Бюл. №2.

Впервые получено аналитическое выражение для плотности эмиттерного тока под дорожкой эмиттерной металлизации в полосковых структурах биполярных и гетеробиполярных (ГБТ) СВЧ-транзисторов в изотермическом приближении с учетом падения напряжения на распределенных сопротивлениях активной базы и токоведущей эмиттерной металлизации. Разработана 3D теплоэлектрическая модель для расчета температурного поля в гребенчатой структуре ГБТ с учетом неоднородного распределения плотности тока под эмиттерными дорожками металлизации. Путем моделирования в программной среде COMSOL Multiphysics впервые показано, что в результате совместного действия падения напряжения на сопротивлениях эмиттерных дорожек и сильной зависимости плотности эмиттерного тока от температуры распределения температуры и плотности тока вдоль эмиттерных дорожек из монотонно и слабо спадающих от начала дорожки к концу становятся немонотонными и существенно неоднородными. При этом максимум плотности тока и температуры с увеличением рабочего тока смещается от начала к центру дорожек.

Распределение плотности тока (а) и температуры (б) под эмиттерной дорожкой в температуронезависимом (1) и температурозависимом (2) приближениях

Публикации:

• Sergeev, V.A. Two-Section Model of the Current Distribution in Strip Layouts of Bipolar and Hetero-Bipolar Microwave Transistors / Sergeev, V.A., Khodakov, A.M. // Journal of Communications Technology and Electronicsthis, 2022, 67(11), pp. 1400–1405
• Sergeev, V.A. Thermoelectric model of a heterojunction bipolar transistor taking into account the voltage drop on the current-carrying metallization/ V.A. Sergeev, A.M. Hodakov // Radioelektronika, Nanosistemy, Informacionnye Tehnologii, 2022, 14(2), pp. 103–110E

Разработан оригинальный способ и аппаратно-программный комплекс (АПК) для измерения профиля распределения граничных частот электролюминесценции (ЭЛ) по площади кристалла светодиода, который определяется по отношению яркостей излучения локальных областей кристалла светодиода при пропускании через него импульсов тока низкой частоты (~1 кГц) и высокой частоты с приложением напряжения обратной полярности в момент окончания импульса тока, измеренных КМОП камерой. Максимальное пространственное разрешение АПК составляет 0,65 мкм, диапазон изменения амплитуды импульсов тока от 20 мкА до 50 мА. Диапазон изменения частоты следования от 1 кГц до 10 МГц. Достоверность подтверждена сопоставлением результатов измерений среднего значения граничной частоты коммерческих InGaN светодиодов зеленого и синего свечения, полученных представленным способом, с результатами, полученными стандартным способом с применением гармонического тестового сигнала.

Публикации:

• Frolov, I.V. The Method for Measuring the Distribution Profile of the 3dB Frequencies of Electroluminescence Over the Area of the LED Chip / I.V. Frolov, V.A. Segeev, O.A. Radaev // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. – 2023. – Vol.72. – P. 5000806
• Фролов, И.В. Измерение профиля распределения граничных частот электролюминесценции по площади светоизлучающей гетероструктуры / И.В. Фролов, В.А. Сергеев, О.А. Радаев // Приборы и техника эксперимента. – 2021. – №2. – С. 88–92.

На основе комплексного исследования релаксации электропроводности полимерных пленок с МУНТ под действием температуры и влажности разработана и апробирована конструкция двухпараметрического гибкого датчика влажности и температуры в виде двух последовательно соединенных проводящих полимерных пленок на гибкой (силиконовой) подложке, одна из которых покрыта влагонепроницаемым покрытием и служит датчиком только температуры, а вторая — открыта и реагирует как на изменение температуры, так и влажности.

Публикации:

• Патент № 214243 РФ МПК G01N 27/00. Двухпараметрический гибкий датчик влажности и температуры // В. А. Сергеев, С. В. Васин, М. С. Ефимов. – Заяв. № 2022117039 : заявл. 23.06.2022, опубл. 18.10.2022.
• Vyacheslav A. Sergeev, Sergey V. Vasin, Mikhail S. Efimov. Flexible humidity and temperature sensor based on film structures of polymer nanocomposites with carbon nanotubes. RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information Technologies, 2023, 15(1):13-20e.

Разработана модель деградации мощности излучения InGaN/GaN светодиода при испытаниях под действием прямого тока, учитывающая неоднородное распределение концентрации дефектов в гетероструктуре. Согласно результатам моделирования, темп деградации оптической мощности излучения светодиода существенно зависит от степени неоднородности профиля распределения концентрации: при относительном значении σ = 0.2 величина спада мощности излучения после 1000 ч испытаний составляет 17%, а при σ = 0.6 – 38%. Достоверность результатов моделирования подтверждена экспериментально на примере исследования зависимости величины спада мощности излучения коммерческих зеленых светодиодов Oasistek с размерами кристалла 200×130 мкм при испытаниях под действием тока 25 мА в течение 3000 ч. Показано, что относительная разность экспериментальных результатов и результатов расчета не превышает 6%. Модель позволяют прогнозировать темп деградации InGaN светодиодов с различной степенью неоднородности профиля распределения концентрации дефектов и неоднородным распределением плотности тока.

Публикации:

• Frolov, I.V. The model of degradation of an InGaN/GaN LED during current tests taking into account the inhomogeneous distribution of the defects density in the heterostructure / I.V. Frolov, A.M. Hodakov, V.A. Sergeev, O.A. Radaev // Journal of Physics: Conference Series.–2021.–V.2103.– P.012177.

Созданы пленочные структуры полимерных нанокомпозитов с магнитно- функционализированными многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ), ориентированными в поле постоянного магнита, исследованы их вольт-амперные, вольт-фарадные (ВФХ) и шумовые характеристики. Показано, что проводимость пленок поливинилового спирта (ПВС) и полиметилметакрилата с МУНТ имеет барьерный характер, а отверждение пленок с «магнитными» МУНТ в магнитном поле приводит к увеличению их проводимости на 2 порядка. Спектры НЧ шума пленок ПВС с МУНТ имеют вид 1/fγ, а токовые зависимости уровня шума ~ Iα, при этом показатель формы спектра γ пленок, отвержденных в магнитном поле, равен 0,9, а в отсутствии поля ‒ 1,4; показатель α токовой зависимости ‒1,1 и 0,7 соответственно. На ВФХ пленок ПВС с МУНТ, отвержденных в магнитном поле, наблюдался максимум при напряженности поля порядка 0,5·10⁶ В/м.

Публикации:

• Vasin S. V., Sergeev V. A., and Frolov I. V. Study of the Spectral and Polarization Optical Characteristics of Polymer Films with Ordered Carbon Nanotubes // Nanobiotechnology Reports, 2022, Vol. 17, No. 6, pp. 819–823.
• Sergey V. Vasin, Azat M. Nizametdinov, Viacheslav A. Sergeev, Michael S. Efimov. Structure and electrical conductivity of polyvinyl alcohol films with multi-walled carbon nanotubes, cured in a magnetic field. RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information Technologies, 2021, 13(4):457-464.

Впервые проведены измерения теплового импеданса 50-ваттного солнечного модуля на основе поликремния модуляционным методом с использованием широтно-импульсной модуляции греющей мощности по гармоническому закону в диапазоне токов 0,25 ÷2,5 А. Установлено, что амплитуда переменной составляющей температуры перехода солнечного модуля практически не зависит от амплитуды переменной составляющей греющей мощности, что объясняется неоднородным распределением тока и образованием локальных областей разогрева в структуре модуля и подтверждается наличием третьей компоненты полного теплового сопротивления модуля. Результатом действия этого эффекта является сильное уменьшение всех компонент теплового сопротивления солнечного модуля с увеличением греющего тока.

Публикации:

• Smirnov, V.I. Specificity of measuring thermal resistance in solar cells / V.I. Smirnov, V.A. Sergeev, A.A. Gavrikov // IEEE Journal of Photovoltaics, Volume: 9, Issue: 3, May 2019, pp. 775 – 779
• Smirnov, V.I. Modulation method for measuring thermal resistance of solar batteries and its practical implementation / V.I. Smirnov, V.A. Sergeev, A.A. Gavrikov // Journal of Physics: Conference Series, Volume 1353, 0120084.
• Hodakov, A.M. Simulation of thermoelectric processes in the semiconductor structure of a solar cell / A.M. Hodakov, V.I. Smirnov, V.A. Sergeev, A.A. Gavrikov // Journal of Physics: Conference Series, Volume 1368, 042058.

Разработан метод и создан аппаратно-программный измерительный комплекс (АПИК) для диагностики латеральной однородности светоизлучающих гетероструктур путем измерения и анализа фотоэлектрического (фотоэдс или фототока) и оптического (фотолюминесценции) отклика при их локальном фотовозбуждении узкополосным оптическим излучением видимого диапазона в статическом и в динамическом режимах. Электронно-механическая и оптическая системы позиционирования, управляемые микроконтроллером, обеспечивают засветку локальной области гетероструктуры с минимальным диаметром пятна 10 мкм и точностью позиционирования ± 10 мкм. Апробация метода и АПИК на серийных светодиодах показала, что неоднородность фототока на краях кристалла светодиода существенно выше неоднородности в его центральной части. Для InGaN/GaN светодиодов зеленого свечения установлена сильная корреляционная связь уровня фототока с уровнем порогового тока и низкочастотного шума, что подтверждает связь фототока с дефектностью гетероструктуры. Разработанный метод и АПИК могут быть использованы для диагностики качества как светодиодов, так и других классов полупроводниковых приборов с p-n переходами: транзисторов, солнечных элементов, фотодиодов и т.д.

Публикации:

• Сергеев, В.А. Измерительный комплекс для диагностики качества светоизлучающих гетероструктур по фотоэлектрическому и оптическому откликам при локальном фотовозбуждении / В.А. Сергеев, С.В. Васин, И.В. Фролов, О.А. Радаев // Измерительная техника. – 2018. – №9. – С. 49–53.
• Sergeev, V.A. Measuring complex for registering photoelectric response of LED heterostructures under local photoexcitation / V.А. Sergeev, S.V. Vasin, O.A. Radaev, I.V. Frolov // 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Proceedings. National Research University Higher School of Economics, Moscow, Russia, March 14–16, 2018.