Способ измерения граничной частоты электролюминесценции локальных областей светоизлучающей гетероструктуры
METHOD OF MEASURING THE CUT-OFF FREQUENCY OF ELECTROLUMINESCENCE OF LOCAL REGIONS OF A LIGHT-EMITTING HETEROSTRUCTURE

Изобретение относится к технике измерения динамических характеристик светодиодов и полупроводниковых светоизлучающих структур и может быть использовано для диагностики однородности светоизлучающих гетероструктур (СГС) и их характеризации по динамическим свойствам.
Критически важным параметром светодиодов, определяющими их динамические свойства, являются граничные частоты переключения, значения которых определяются временами жизни носителей заряда в процессе излучательной и безызлучательной рекомбинации в СГС светодиода [см., например, Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.]. Измерения динамических параметров электролюминесценции светодиодов позволяют получать информацию о временах жизни носителей заряда при излучательной и безызлучательной рекомбинации и дают дополнительные сведения о генерационно-рекомбинационных процессах в СГС, то есть позволяют судить о их качестве.
3дБ
Известен способ измерения граничной частоты ƒ электролюминесценции светоизлучающих диодов по уровню 3 дБ (Изменение характеристик зеленых InGaN светодиодов при испытаниях. Фролов И.В., Радаев О.А., Сергеев В.А., Широков А.А. Радиоэлектронная техника. 2016. №1 (9). С. 20-25), состоящий в том, что через светодиод пропускают электрический ток, содержащий постоянную составляющую заданного уровня и переменную составляющую, изменяющуюся по гармоническому закону с заданной амплитудой и начальной частотой несколько килогерц, измеряют мощность излучения светодиода быстродействующим фотоприемником, последовательно увеличивают частоту переменной составляющей тока при поддержании постоянной ее амплитуды, регистрируют значение частоты переменного тока, при котором сигнал фотоприемника становится равным 0,5 начального уровня. Это значение и является граничной частотой электролюминесценции светодиода по уровню 3 дБ.
Недостатком известного способа является его низкая информативность для целей диагностики однородности СГС, поскольку известным способом определяется некоторая усредненная по площади СГС граничная частота электролюминесценции. Вместе с тем известно, что различного рода дефекты, включая неоднородность легирования различных областей СГС, приводят к неравномерной электролюминесценции и разбросу локальных динамических параметров СГС. Таким образом, локальные динамические параметры СГС, в том числе и локальная граничная частота электролюминесценции, являются информативными диагностическими параметрами, и их определение позволяет оценивать качество изготовления СГС и степень ее дефектности.
Техническая задача состоит в обеспечении возможности измерения граничной частоты электролюминесценции локальных областей светоизлучающих гетероструктур, и, как следствие, повышение информативности диагностики однородности светоизлучающих гетероструктур по локальным динамическим параметрам.
Технический результат достигается заявленным способом измерения.
i
3дБ
k
Способ измерения граничной частоты электролюминесценции локальных областей светоизлучающей гетероструктуры, при котором через светоизлучающую гетероструктуру пропускают переменный электрический ток с начальной частотой следования несколько килогерц, частоту изменения которого постепенно увеличивают, регистрируют излучение светоизлучающей гетероструктуры фотоприемником и определяют граничную частоту электролюминесценции при заданном уровне снижения сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что через светоизлучающую гетероструктуру пропускают последовательность импульсов электрического тока скважностью 2 и начальной частотой следования несколько килогерц и цифровой камерой регистрируют излучение с поверхности светоизлучающей гетероструктуры, частоту следования импульсов тока постепенно увеличивают и при каждом заданном значении F частоты следования импульсов тока также регистрируют цифровой камерой излучение с поверхности светоизлучающей гетероструктуры, полученные оцифрованные изображения сохраняют в памяти компьютера, увеличение частоты следования импульсов тока прекращают, когда средний уровень яркости изображения, регистрируемого цифровой камерой, снизится в 1,5 раза относительно значения, измеренного на начальной частоте, на изображении светоизлучающей гетероструктуры выделяют локальную область и находят k-e изображение, на котором средняя яркость выделенной области светоизлучающей гетероструктуры в  раз меньше исходной средней яркости, и определяют для k-го изображения граничную частоту ƒ=F электролюминесценции выбранной локальной области светоизлучающей гетероструктуры, а при отсутствии точного значения  в отношении последующих изображений граничную частоту электролюминесценции локальной области светоизлучающей гетероструктуры определяется путем интерполяции по формуле
k-1
k
k-1
k
3дБ
где q и q - отношение средних яркостей таких двух последовательных изображений k-1 и k при условии  F и F - частоты следования импульсов тока, соответствующие этим изображениям, ƒ - граничная частота электролюминесценции светодиода по уровню 3 дБ.
Технический результат достигается тем, что регистрируется не интегральное излучение светодиода фотодиодом, а изображение светящейся поверхности СГС с помощью цифровой камеры и граничная частота определяется по снижению яркости в выбранной локальной области СГС. С увеличением частоты следования импульсов тока интенсивность излучения СГС будет уменьшаться. Крутизна этого снижения определяется характерными временами жизни носителей заряда и будет различной в различных локальных областях СГС, поскольку эти времена заметно различаются. В результате яркость разных локальных областей СГС будет уменьшаться с ростом частоты импульсов по-разному.
Для определения коэффициента снижения яркости соответствующего граничной частоте электролюминесценции СГС при пропускании через СГС импульсного тока рассмотрим спектр импульсного оптического сигнала, создаваемого этим импульсным током.
Выражение для спектра импульсного тока со скважностью 2, протекающего через СГС, имеет вид
0
где I - амплитуда импульсов тока, ω=2πF - частота следования импульсов тока.
Д
Сигнал, регистрируемый цифровой камерой, пропорционален действующему значению силы тока I (ω) на заданной частоте ω
где К(jω) - передаточная функция СГС при преобразовании электрического тока в излучение, j - комплексная единица.
В общем случае
где τ - время жизни неосновных носителей заряда в гетеропереходе, R - дифференциальное сопротивление прямосмещенной СГС, С - ее емкость; в большинстве случаев при токах, составляющих не более 0,2 от предельно допустимого значения, RC<<τ и
Выражение для спектра импульсного тока, протекающего через светодиод, имеет вид (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: «Советское радио», 1977. - 608 с.)
0
где I - амплитуда импульсов тока, ω - частота следования импульсов тока.
Спектр переменного оптического сигнала согласно (2) и (4) будет определяться выражением
Действующее значение оптического сигнала, которое регистрируется цифровой камерой, определяется средним квадратическим значением постоянной и всех гармонических составляющих:
0
0
0
где Р=IK - амплитудное значение оптического сигнала СГС.
3dВ
3dВ
n
n
a
a
4
На низкой частоте следования импульсов тока (ωτ→0) уровень оптического сигнала равен  На частоте следования импульсов тока, равной граничной частоте модуляции электролюминесценции ƒ, выполняется условие 2πƒτ =1. Учитывая в этом случае быстрое уменьшение членов  суммы в подкоренном выражении с увеличением номера гармоники при n>3: ~1/4n и ограничиваясь тремя членами суммы, для мощности оптического сигнала на граничной частоте получим
3дБ
Таким образом, при использовании в качестве тестового сигнала импульсного сигнала со скважностью 2 частота ƒ будет определяться как частота, на которой действующее значение сигнала цифровой камеры спадает в 1,19 раз относительно значения, измеренного на низкой частоте следования импульсов тока. Заметим, что неоднородность распределения тока по площади структуры не зависит от частоты следования импульсов и не влияет на результат измерения, поскольку граничная частота электролюминесценции определяется по отношению яркости свечения на низкой и высокой частоте при одной и той же плотности тока в выбранной локальной области.
Вариант устройства, реализующего способ, показан на фиг. 1.
Устройство содержит контактную колодку 1 для размещения и подключения СГС, генератор 2 импульсов тока со скважностью 2 и с перестраиваемой частотой следования, цифровую камеру 3 с разрешением N×M пикселей, персональный компьютер 4, устройство управления 5.
i
i
i
k
3дБ
k
Устройство работает следующим образом. После установки контролируемого светодиода в контактную колодку 1 и включения устройства импульсы тока заданной начальной частоты, амплитуды и скважностью 2 с выхода генератора 2 поступают в СГС. Начальная частота выбирается в диапазоне 1,0-10 кГц, то есть заведомо на несколько порядков величины меньше граничной частоты люминесценции СГС. Цифровая камера 3 регистрирует излучение СГС и передает в персональный компьютер 4. Компьютер рассчитывает среднюю арифметическую по площади структуры яркость изображения путем попиксельного суммирования яркости и деления на число пикселей изображения. По команде «Пуск», задаваемой с персонального компьютера 4, устройство управления 5 подает на генератор 1 импульсов тока управляющий сигнал, и частота следования импульсов тока начинает увеличиваться. В моменты времени t при достижении заданных значений частоты F следования импульсов тока устройство управления 5 включает цифровую камеру 3, которая регистрирует изображение светящейся поверхности СГС и передает это изображение в цифровой форме в память персонального компьютера 4. Заданные значения частоты F рекомендуется выбирать в логарифмическом масштабе, исходя из требуемой относительной погрешности измерения граничной частоты электролюминесценции СГС, обычно из расчета 7-10 значений на декаду. Компьютер рассчитывает среднюю по площади структуры яркость изображения и сравнивает со средней яркостью исходного изображения. Когда средняя яркость некоторого К-го изображения будет меньше в 1,5 раза средней яркости исходного изображения, дальнейшее увеличение частоты следования импульсов тока прекращается, генератор импульсов тока выключается, и в памяти компьютера будет сохранено К изображений. Предельное значение отношений средней яркости изображений, равное 1,5 раза, выбрано, как заведомо превышающее возможный уровень неоднородности яркости изображений реальных СГС. Оператор задает на исходном изображении СГС локальную область определенного размера, компьютер рассчитывает среднюю яркость выделенной локальной области и затем определяет номер k изображения, средняя яркость выбранной локальной области на котором будет в  раз меньше исходной средней яркости. Значение частоты F следования импульсов тока, соответствующей этому изображению, и принимается за значение граничной частоты ƒ=F электролюминесценции выбранной локальной области. Если отношение яркостей ни одного из изображений не равно точно значению  то граничную частоту электролюминесценции локальной области СГС персональный компьютер рассчитывает по интерполяционной формуле (1). Затем оператор задает другую локальную область на изображении СГС и процедура определения граничной частоты электролюминесценции повторяется.
Поскольку кристаллы СГС имеют, как правило, форму квадрата, то для упрощения реализации способа для целей диагностики однородности СГС оцифрованное изображение СГС можно разбить на целое число квадратных (или прямоугольных) локальных областей и сравнительный анализ яркости этих областей проводить путем последовательного перебора.