Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода
METHOD FOR MEASURING THE INTERNAL QUANTUM YIELD OF AN LED

Изобретение относится к технике измерения параметров полупроводниковых светоизлучающих гетероструктур и светодиодов на их основе и может быть использовано для контроля качества светодиодов на основе GaN и их разделения по уровню энергетической эффективности.
Важнейшим параметром светодиодов, определяющим их энергетическую эффективность, является внутренний квантовый выход, значение которого определяется как отношение числа фотонов, рожденных в активной области светодиода в единицу времени, к числу инжектированных в эту область электронов (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.).
Известен способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода (см., например, G. Chen et al. Performance of high-power III-nitride light emitting diodes // Phys. stat. sol. (a) 205, No. 5, 1086-1092 (2008)), состоящий в пропускании через светодиод при температуре жидкого гелия 4 К электрического тока для возбуждения электролюминесценции, в измерении токовой зависимости мощности оптического излучения светодиода и определении по токовой зависимости максимального значения внешней квантовой эффективности светодиода. Значение внутреннего квантового выхода светодиода определяют путем нормирования значения мощности излучения светодиода при заданной температуре к значению мощности излучения, соответствующему максимуму квантовой эффективности при температуре 4 К. При реализации этого способа полагается, что при температуре жидкого гелия безызлучательная рекомбинация пренебрежимо мала, и вся мощность электрического тока, пропускаемого через светодиод, расходуется на излучательную рекомбинацию.
Недостатком способа является сложность его аппаратной реализации, большая трудоемкость и время проведения точных измерений при температуре жидкого гелия.
1
2
1
2
1
2
m
1
3∂Б1
3∂Б2
1
2
3∂Б1
3∂Б2
1
2
Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода по патенту №2740433 РФ. Способ состоит в том, что через светодиод пропускают электрический ток для возбуждения электролюминесценции и при двух значениях постоянного электрического тока I и I, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I<I, измеряют полные мощности Р и P оптического излучения светодиода, затем при каждом из этих значений тока через светодиод дополнительно пропускают переменный гармонический ток малой амплитуды I<I и измеряют соответственно значения ƒ и ƒ граничной частоты модуляции электролюминесценции, и по полученным значениям полных мощностей P и P и граничных частот значения ƒ и ƒ модуляции электролюминесценции рассчитывают значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I и токе I.
Недостатком данного способа является значительные аппаратные затраты, трудоемкость и большое время измерения, обусловленное необходимостью измерения граничной частоты электролюминесценции при двух значениях прямого тока. Кроме того, этот способ позволяет определять значение внутреннего квантового выхода ц при двух значениях тока.
Техническая задача состоит в уменьшении аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения при реализации способа, а также в расширении функциональных возможностей способа.
Технический результат достигается заявленным способом.
k
k
k
k
Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток и при заданном значении постоянного тока из диапазона токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, измеряют мощность оптического излучения светодиода, отличающийся тем, что измеряют ватт-амперную характеристику светодиода путем измерения мощности оптического излучения светодиода Р при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P(I) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида  по результатам аппроксимации определяют параметры m и q аппроксимирующей функции, и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при произвольном значении тока I в указанном диапазоне рассчитывают по формуле
Изобретение иллюстрируется фигурами. На фиг. 1 представлена токовая зависимость внутренней квантовой эффективности светодиода, на фиг. 2 показана нормированная зависимость экспериментальной ватт-амперной характеристики светодиода.
k
Сущность способа состоит в том, что при значениях электрического тока I, соответствующих диапазону роста внутренней квантовой эффективности светодиода на токовой зависимости (см. фиг. 1), механизмом Оже-рекомбинации в структуре светодиода можно пренебречь (см., например, A combined electro-optical method for the determination of the recombination parameters in InGaN-based light-emitting diodes / M. Meneghini, N. Trivellin et al. // Journal of Applied Physics 106, 114508 (2009)). В этом случае внутренний квантовый выход светодиода будет определяться только плотностью тока и комбинацией двух параметров (А и В) так называемой АВС-модели рекомбинации носителей заряда в структуре светодиода, которая, в свою очередь, может быть определена из функциональной зависимости мощности излучения от силы тока или по ватт-амперной характеристике.
Мощность излучения светодиода в общем случае определяется выражением (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М: Физматлит, 2008. - 496 с.)
extr
где η - коэффициент вывода излучения; V - объем активной области; h - постоянная Планка; с - скорость света; λ - длина волны излучения; В - коэффициент излучательной рекомбинации; n - концентрация носителей заряда в активной области.
При отсутствии утечки носителей заряда из активной области полный ток светодиода I определяется через рекомбинационные параметры следующим образом:
inj
inj
где е - элементарный заряд, V - объем активной области гетероструктуры; γ -коэффициент инжекции носителей заряда в активную область, который у нормальных бездефектных светодиодов близок к единице γ≈1; А, В и С - коэффициенты безызлучательной рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла, излучательной рекомбинации и безызлучательной Оже-рекомбинации соответственно.
3
При малых токах, при которых влиянием Оже-рекомбинации можно пренебречь, третье слагаемое в ABC модели обращается в ноль: Сn≈0, и выражение (2) примет вид:
Из решения уравнения (3) получим выражение для концентрации носителей заряда:
где введено обозначение
Подставляем выражение (4) в формулу (1) получим выражение для токовой зависимости мощности излучения светодиода
где  - масштабный коэффициент, определяющий уровень оптической мощности, a q - «параметр формы», определяющий кривизну ватт-амперной характеристики.
k
k
k
k
Измеряя значения P полной мощности излучения при заданных значениях прямого тока I, получим экспериментальную ватт-амперной характеристику {R(I)} светодиода (пример такой нормированной характеристики приведен на фиг. 2).
k
k
Значения коэффициента m и параметра формы q определяются путем аппроксимации экспериментальной ватт-амперной характеристики {R(I)} функцией (5), например, методом наименьших квадратов.
Записав выражение для внутреннего квантового выхода согласно определению, после подстановки в него выражений для мощности и тока получим
inj
Соответственно при γ≈1
Подставляя в (7) выражение (4) для концентрации носителей заряда, после простых преобразований получим окончательное выражение для токовой зависимости внутреннего квантового выхода светодиода:
Выражение (8), как уже отмечалось, справедливо только в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности на токовой зависимости.
Технический результат в виде уменьшения аппаратных затрат достигается за счет того, что при реализации заявляемого способа не требуется измерение граничной частоты электролюминесценции светодиода, поэтому исключается связанная с этими измерениями аппаратура. По этой же причине в заявляемом способе достигается уменьшение трудоемкости и времени измерения, поскольку исключается довольно длительный (до нескольких минут) и трудоемкий процесс измерения граничной частоты электролюминесценции светодиода. Следует отметить, что в предлагаемом способе предполагается измерение мощности излучения светодиода при нескольких значениях (рекомендуемое число этих значений ≥5) прямого тока, но это не приведет к заметному увеличению времени измерения, поскольку эти измерения проводятся в едином измерительном цикле без каких-либо дополнительных отключений и(или) подключений измерительной аппаратуры к контролируемому светодиоду.
Расширение функциональной возможности способа достигается за счет того, что в результате проведенных измерительных и вычислительных процедур значение внутреннего квантового выхода может быть определено не при двух заданных токах, а при любом произвольном значении тока в заданном диапазоне.