2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of measurement method for temperature/strain distribution in light-emitting and electric-power devices of nitride semiconductor
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18H01429
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山形 幸彦 九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (70239862)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
嶋田 賢男 津山工業高等専門学校, 総合理工学科, 准教授 (10628845)
眞鍋 由雄 津山工業高等専門学校, 総合理工学科, 特命教授 (30779898)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | パルスレーザー / ラマン散乱 / GaN / GaN LEDモジュール / ジャンクション温度 / 2次元計測 / 歪み |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，パルスレーザーラマン散乱法（PLRS法）による温度／歪みの2次元計測システムを構築し，動作中の各種窒化物半導体照明／パワーデバイスの実計測とシミュレーション結果との比較検討により，キーパラメータ抽出による放熱設計指針を確立する事を目指している．
本年度は主に，PLRSシステムを用いて青色LEDモジュールのチップ温度とLED発光強度を計測し，照明用LEDモジュールの解析，評価を行った．具体的には，動作中の青色LEDモジュール（425チップ，17直×25並）において，インジェクションシーダー付Nd:YAGレーザー，高感度・高波長分解能の分光器，及びPLRS理論スペクトルフィッティングを用いて，チップ温度を測定精度±4℃で測定した．モジュール基板温度，LED発光強度の同時測定により熱抵抗値の入力電力依存性や発光効率のチップ温度依存性を実験的に初めて示し，照明用LEDモジュールの熱特性，動作特性の一部を明らかにした．また，LEDモジュールのチップ温度分布で，実測値とシミュレーション予測値との大きな相違も明らかにした．
また，チップ毎にVf法，及び熱電対による温度測定が可能な標準モジュール（20チップ：5直×4並）のVf法の操作手順を確立し，測定誤差±1.1 ℃を達成した．温度勾配（分布）がある場合も測定が可能となり，PLRS法，及び熱シミュレーションとの相互比較・検討が可能となった．さらに，有限要素法ベースの汎用シミュレーションソフトウェアを用いて，市販の表面実装型LED電球（32チップ）の動作時の熱解析を行った．発熱量（チップ温度）を規格値で推定して解析した結果，定格入力時に解析値は実測値に比べ約15℃低くなった．これらの結果により，PLRS法によるチップ温度の実計測がLEDモジュールの熱特性評価や熱シミュレーションに有用なツールであることが改めて示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究の最終目標は，窒化物半導体照明／パワーデバイスの温度／歪みの2次元計測のためのパルスレーザーラマン散乱法（PLRS法）の確立，動作中デバイスでのPLRS法，他法による同時計測及びシミュレーション結果との比較検討による放熱設計指針の提示である．
現在までに，高感度・高波長分解能を目指し設計・製作した分光システム，及びPLRS理論スペクトルフィッティングによる波長決定精度の向上により，青色LEDチップ温度の測定精度±4℃を達成した．PLRS法によるチップ温度計測により，実際の照明用LEDモジュールでの熱抵抗値の実測や光放射特性などが一部解明されており，本研究課題を遂行していく上で最も重要な課題を克服したと言える．
PLRS法によるチップ温度と，複数チップの平均的温度が得られるVf法，及び熱抵抗値の仮定が必要な熱電対法による値とを比較可能な標準LEDモジュールを設計，製作した．作製した標準LEDモジュールを用い，Vf法では1チップの特性変化が測定値に大きく影響を与えている事を明らかにした．Vf法，熱電対法のPLRS法による校正と各法のキーパラメータの抽出，さらに熱シミュレーションに必要な実計測データを提供できる環境が構築できている．
熱シミュレーションでは，予備実験より得たLED実装基板等の熱伝導率や熱損失割合を用いたLEDモジュールの解析結果が熱電対による実測結果とほぼ一致することを示した．また，白色LEDのCOBモジュールではパルスレーザー照射による蛍光樹脂，及びチップの加熱効果が小さい（1℃以下）事を示した．
PLRS法による白色LEDモジュールのチップ温度計測に関しては，信号強度が弱いため未だ適用できていないが，本研究の目標を達成する上で，ほぼ当初計画通りに研究が進展していると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに構築した，精度±4℃のパルスレーザーラマン散乱（PLRS）計測システム，及び熱電対，Vf法でもチップ温度が推定可能な標準LEDモジュールを用いて，種々の動作条件下で，各方法によるチップ温度（2次元分布），およびLEDモジュールの発光特性を診断する．モジュール基板の熱伝導係数，熱容量等を用いて，熱拡散（温度分布）をシミュレーションにより解析する．PLRS法，熱電対やVf法で測定したチップ温度の比較・検討，及びこれらの実測結果とシミュレーション結果とを系統的に調査することで，実際のLEDモジュールに熱電対およびVf法を適用する際の問題点を抽出する．
また，白色LEDモジュールの蛍光樹脂の蛍光発光損失，戻り光による遮熱効果，発光効率や波長変換効率の変化等，蛍光樹脂や動作条件の変化がLED発光特性を及ぼす影響を，PLRS法によるチップ温度計測を通して定量的に評価する．さらに，パルス電気入力と遅延同期レーザー入射によるパルス応答評価手法を開発し，温度（歪み）の伝搬特性を評価する．これらを通して，照明用固体発光モジュールの光学・熱シミュレーションの精度向上に資する実計測データを供給し，モジュールの最適動作のためのキーパラメータ抽出と設計指針を提示する．
さらに，面内温度傾斜をつけたGaN基板での1次元PLRS計測を行い，PLRSスペクトルの分離による1次元温度分布計測の可能性を調査する．次に，1次元温度分布計測にシート状ビーム掃引を組み合わせ，面内2D計測システムの構築を目指す．さらに，スペクトルの分離によるGaN縦型FETのドリフト層等の深さ方向の1次元温度（歪み）分布計測の可能性を調査する．面内2D計測と深さ方向1次元分布計測とを組み合わせて固体照明モジュールやパワーデバイスの温度／歪みの3D分布計測の可能性を探る．
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Research Products
(5 results)
