Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода
METHOD FOR MEASURING INTERNAL QUANTUM OUTPUT OF LIGHT-EMITTING DIODE

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.).
Э
Известен способ контроля внутреннего квантового выхода полупроводниковых светодиодных гетероструктур (ППСГ) на основе GaN по патенту РФ 2503024 (опубл. 27.12.2013, бюл. №36). Способ включает возбуждение катодолюминесценции ППСГ путем облучения пучком электронов в импульсном режиме с длительностью импульса от 10 нс до 400 нс с энергией электронов преимущественно 18 кэВ и выше. Электронный пучок, попадая на образец, проникает вглубь ППСГ, вызывая генерацию свободных носителей заряда в ППСГ. Межзонная рекомбинация носителей заряда в активной области приводит к излучению ППСГ, интенсивность которого измеряется в импульсном режиме (одна точка за импульс) при помощи спектрометрической системы на базе монохроматора, фотоэлектронного умножителя и осциллографа. Так как ионизационные потери не зависят от координаты, то абсолютное значение внутреннего квантового выхода η тестируемых ППСГ определяется при помощи эталонного образца ППСГ с известным абсолютным значением η внутреннего квантового выхода по формуле:
Э
где I - измеренная интенсивность оптического излучения катодолюминесценции тестируемой ПСГС, I - интенсивность оптического излучения катодолюминесценции эталонного образца.
Недостатками этого способа является сложность аппаратной реализации, большое время измерения (1500 импульсов электронных пучков) и необходимость наличия эталонного образца.
Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, 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 на значение мощности излучения, соответствующее максимуму квантовой эффективности при температуре 4 К. При реализации этого способа полагается, что при температуре жидкого гелия безызлучательная рекомбинация в структуре светодиода пренебрежимо мала, и вся мощность электрического тока, пропускаемого через светодиод, расходуется на излучательную рекомбинацию (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)).
Недостатком способа является сложность его аппаратной реализации, большая трудоемкость и время проведения точных измерений при температуре жидкого гелия.
Техническая задача состоит в уменьшении аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения при реализации способа.
Технический результат достигается заявленным способом.
1
2
1
2
1
2
m
1
3∂Б1
3∂Б2
1
Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток для возбуждения электролюминесценции светодиода и измеряют мощность его оптического излучения, отличающийся тем, что возбуждение электролюминесценции светодиода осуществляют при двух значениях постоянного электрического тока I и I, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I<I, при каждом из этих значений тока посредством интегрирующей сферы измеряют соответственно полные мощности P 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 значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I рассчитывают по формуле:
2
а при токе I по формуле
где
1
2
Сущность способа состоит в том, что при значениях электрического тока I и I, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода (см. пример на 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 двумя параметрами АВС-модели рекомбинации носителей заряда в ПСГС, которые, в свою очередь, могут быть выражены через интегральную мощность излучения и граничную частоту модуляции электролюминесценции. Теоретическое обоснование способа состоит в следующем.
При отсутствии утечки носителей заряда из активной области ПСГС выражение для внутреннего квантового выхода светодиода η в соответствии с ABC-моделью рекомбинации носителей заряда в гетероструктуре светодиода можно записать в виде:
где А - коэффициент безызлучательной рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла; В -коэффициент излучательной рекомбинации; С - коэффициент Оже-рекомбинации; n -концентрация носителей заряда в активной области ПСГС, определяемая плотностью рабочего тока (М. Meneghini, N. Trivellin, G. Meneghesso, E. Zanoni, U. Zehnder, and B. Hahn, Journal of Applied Physics, 106,114508 (2009)).
В свою очередь (см., например, P. Tian, P.R. Edwards, М.J. Wallace et. al., Journal of Physics D: Applied Physics, 50, 075101 (2017)), с рекомбинационными коэффициентами А, В, С и концентрацией n носителей заряда в активной области связано дифференциальное время жизни носителей заряда τ:
3
При значениях тока, соответствующих участку роста внешней квантовой эффективности светодиода, влиянием Оже-рекомбинации можно пренебречь (Cn≈0). В этом случае
Объединяя (3) и (4) и исключая коэффициент В, получим
то есть для нахождения внутреннего квантового выхода η светодиода необходимо определить значение коэффициента А АВС-модели рекомбинации носителей заряда и время жизни носителей заряда τ.
extr
Полная мощность оптического излучения Р, выходящего их светодиода, зависит от коэффициента оптического вывода излучения η и определяется выражением (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.):
где V - объем активной области, λ - длина волны излучения; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме.
extr
1
2
1
2
Поскольку коэффициент η определяется только свойствами материалов, из которых изготовлен светодиод, и конструкцией светодиода и не зависит от тока, протекающего через светодиод, то для двух значений концентраций носителей заряда n и n, соответствующих заданным значениям электрического тока I и I можно составить систему уравнений:
1
2
1
2
2
1
где Р и Р - полная мощность излучения светодиода, измеренная при токах I и I соответственно (причем I>I).
Решая систему уравнений (7) относительно коэффициента А, получим:
Подставляя (8) в (5), получим общее выражение для нахождения внутреннего квантового выхода η светодиода при произвольном значении тока I:
3∂Б
Поскольку дифференциальное время жизни носителей зарядаτ определяет граничную частоту ƒ модуляции электролюминесценции светодиода (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М: Физматлит, 2008. - 496 с.):
то выражение (9) для внутреннего квантового выхода при произвольном токе I примет вид:
1
3∂Б
3∂Б1
1
1
3∂Б
3∂Б1
а, поскольку при I=Iƒ =ƒ, то для нахождения значения η при значении тока, равном I, после подстановки ƒ =ƒ в формулу (11) получим:
2
2
3∂Б
3∂Б1
соответственно для нахождения значения η при токе I после подстановки ƒ =ƒ в формулу(11) получим
3∂Б1
3∂Б2
1
2
1
2
ƒ и ƒ - значения граничной частоты модуляции электролюминесценции, а Р и Р - значения полной мощности оптического излучения светодиода, при токах I и I соответственно.
Технический результат в виде уменьшения аппаратных затрат достигается за счет того, что при реализации заявляемого способа не требуется сложная криогенная аппаратура; измерения мощности излучения и граничной частоты электролюминесценции светодиода проводятся на стандартном общедоступном радиоизмерительном оборудовании в нормальных условиях по известным методикам. Уменьшение трудоемкости и времени измерения в заявляемом способе достигается за счет того, что не требуется длительной и трудоемкой процедуры подготовки криогенного измерительного оборудования, и не нужно проводить измерения мощности излучения светодиода при большом числе значений рабочего тока для получения токовой зависимости и определения максимума этой зависимости; в заявляемом способе достаточно измерить мощность излучения светодиода и граничную частоту электролюминесценции при двух значениях тока, что обычно занимает несколько минут.