Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода Российский патент 2023 года по МПК H01L33/00 

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.

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 I₁ и I₂, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I₁<I₂, измеряют полные мощности Р₁ и P₂ оптического излучения светодиода, затем при каждом из этих значений тока через светодиод дополнительно пропускают переменный гармонический ток малой амплитуды I_m<I₁ и измеряют соответственно значения ƒ_3∂Б1 и ƒ_3∂Б2 граничной частоты модуляции электролюминесценции, и по полученным значениям полных мощностей P₁ и P₂ и граничных частот значения ƒ_3∂Б1 и ƒ_3∂Б2 модуляции электролюминесценции рассчитывают значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I₁ и токе I₂.

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.

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_k при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I_k, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) 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.

Сущность способа состоит в том, что при значениях электрического тока I_k, 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.)

где η_extr - 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:

где е - элементарный заряд, V - объем активной области гетероструктуры; γ_inj -коэффициент инжекции носителей заряда в активную область, который у нормальных бездефектных светодиодов близок к единице γ_inj≈1; А, В и С - коэффициенты безызлучательной рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла, излучательной рекомбинации и безызлучательной Оже-рекомбинации соответственно.

При малых токах, при которых влиянием Оже-рекомбинации можно пренебречь, третье слагаемое в ABC модели обращается в ноль: Сn³≈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.

Измеряя значения P_k полной мощности излучения при заданных значениях прямого тока I_k, получим экспериментальную ватт-амперной характеристику {R_k(I_k)} светодиода (пример такой нормированной характеристики приведен на фиг. 2).

Значения коэффициента m и параметра формы q определяются путем аппроксимации экспериментальной ватт-амперной характеристики {R_k(I_k)} функцией (5), например, методом наименьших квадратов.

Записав выражение для внутреннего квантового выхода согласно определению, после подстановки в него выражений для мощности и тока получим

Соответственно при γ_inj≈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.

Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, согласно которому 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, при этом мощность оптического излучения светодиода измеряют при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I_k, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) 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 в заданном диапазоне рассчитывают по формуле Способ направлен на уменьшение аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения, а также обеспечивает расширение функциональных возможностей способа. 2 ил.

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 путем измерения мощности оптического излучения светодиода Р_k при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I_k, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) 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