Способ измерения порогового тока светодиода Российский патент 2023 года по МПК H01L33/04 H05B45/10 

Изобретение относится к технике измерения параметров полупроводниковых светоизлучающих гетероструктур и светодиодов на их основе и может быть использовано для контроля качества светодиодов и их разделения по уровню дефектности.

Одним из важных электрических параметров светодиодов, характеризующих их качество, является так называемый пороговый ток (или ток появления свечения). Анализ известных литературных источников показывает, что в результате наличия протяженных токопроводящих дефектов в области гетероперехода свечение светодиода появляется только при значениях тока, превышающих некоторое пороговое значение, которое является индивидуальным для каждого конкретного светодиода и объективно характеризует его качество.

Пороговый ток, или ток появления свечения, характеризует потери на безызлучательную рекомбинацию в системе дефектов, пронизывающих активную область светодиода (см., например, Особенности рекомбинационных процессов в светодиодах на основе InGaN/GaN при больших плотностях инжекционного тока (Н.С.Аверкиев, М.Е. Левинштейн, П.В. Петров и др. // Письма в ЖТФ. - 2009. - Вып.19. - С.97. и Шуберт Ф. Светодиоды: пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.).

В ряде работ (см. Сергеев В.А., Фролов И.В., Радаев О.А. Исследование связи степени дефектности светоизлучающих наногетероструктур зеленых InGaN/GaN светодиодов с величиной порогового тока // Письма в ЖТФ. - 2017. - №4. С.89-93; Radaev О.А., Sergeev V.A., Frolov I.V. Evaluation of the quality of green InGaN LEDs by values of the threshold current // J. of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol. 741. - P. 012087.) показано, что характеристики выборочных распределений светодиодов по значениям порогового тока могут быть использованы для оценки их качества и что светодиоды, значения порогового тока которых меньше среднего значения в выборке, характеризуются меньшими концентрациями дефектов в активной области.

Значения порогового тока авторами статьи «Особенности рекомбинационных процессов в светодиодах на основе InGaN/GaN при больших плотностях инжекционного тока» (см. Н.С. Аверкиее, М.Е. Левинштейн, П.В. Петров и др. //Письма в ЖТФ. - 2009 - Вып.19. - С.97.) определялись по минимальной интенсивности излучения светодиода, которая могла быть зарегистрирована использованным в работе фотоприемником. При таком способе определения значение порогового тока определяются пороговой чувствительностью (шумами) фотоприемника.

Для измерения порогового тока светодиода известен способ (см. Сергеев В.А., Фролов И.В., Радаев О.А., Черторийский А.А. Оценка качества гетеропереходных светодиодов по уровню порогового тока // Известия вузов. Электроника. - 2017. - №1. - С.92-95.), который состоит в измерении зависимости мощности излучения светодиода Р(I) от тока и в аппроксимации экспериментальной зависимости Р(I) степенной функцией вида P_A(I)=(I/I₀)^a, где I₀ - некоторое нормирующее значение тока светодиода, при этом за измеренное значения порогового тока I_пор принимается значение тока, при котором аппроксимирующая функция P_A(I) пересекает уровень темнового сигнала фотоприемника (фиг. 1.).

Недостатком данного способа является большая неопределенность результата измерения порогового тока из-за зависимости результата измерения от уровня шума фотоприемника, регистрирующего мощность излучения светодиода, и от точности юстировки и угла направления светового потока на поверхность фотодиода.

Техническая задача состоит в исключении зависимости результата измерения порогового тока светодиода от характеристик фотоприемника и точности оптической юстировки светодиода и фотоприемника при измерении.

Технический результат достигается заявленным способом.

Способ измерения порогового тока светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток и измеряют мощность оптического излучения светодиода при нескольких значениях тока, отличающийся тем, что измеряют ватт-амперную характеристику светодиода путем измерения мощности оптического излучения светодиода Р_k при 10 и более значениях электрического тока при которых уровень сигнала фотоприемника в пять и более раз превышает уровень темнового сигнала, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику Р_k(I_k) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида P(I)=A(I-I_nор)^β, по результатам аппроксимации определяют значение порогового тока светодиода, соответствующее расчетному значению I_пор аппроксимирующей функции.

На поясняющих фигурах представлены:

На фиг. 1 - иллюстрация известного способа измерения значения порогового тока, где гладкой линией показана экспериментальная ватт-амперная характеристика, а штриховой линией - ее аппроксимация;

на фиг. 2 - ватт-амперная характеристика светодиода, где ломаной линией показана экспериментальная кривая, а плавной линией -аппроксимирующая функция;

на фиг. 3 - структурная схема устройства для измерения порогового тока;

на фиг. 4 - ватт-амперные характеристики одного и того же светодиода, измеренные фотоприемником с фотодиодом SFH203 (линии 1) и с фотодиодом ФД256 (линии 2) и их аппроксимации, где штриховыми линиями показаны экспериментальные ватт-амперные характеристики, а гладкими линиями - их аппроксимации;

на фиг. 5 - ватт-амперные характеристики одного и того же светодиода, измеренные фотоприемником с операционным усилителем AD657 (линии 1) и фотоприемником с операционным усилителем ОРА192 (линии 2) и их аппроксимации, где штриховыми линиями показаны экспериментальные ватт-амперные характеристики, а гладкими линиями - их аппроксимации.

Сущность способа состоит в том, что при измерении ватт-амперной характеристики светодиода при уровне оптической мощности, во много, в 5-10 раз превышающей уровень мощности шумов фотоприемника, результат измерения оптической мощности практически не будет зависеть от уровня шума фотоприемника (фиг. 2). При аппроксимации ватт-амперной характеристики светодиода функцией вида P(I)=A(I-I_пор)^β, где А - коэффициент, определяемый функцией преобразования фотоприемника и точностью юстировки, I - ток, протекающий через светодиод, I_пор - пороговый ток, β - показатель степени в аппроксимирующей функции, влияние характеристик фотоприемника будет практически исключено.

При этом значение коэффициента А, определяемое функцией преобразования фотоприемника и точностью юстировки, никак не влияет на точность определения значения порогового тока.

Структурная схема устройства для измерения порогового тока приведена на фиг. 3. Интенсивность излучения контролируемого светодиода измеряется с помощью трансимпедансного фотоприемника в составе фотодиода и малошумящего операционного усилителя. Электрический сигнал с выхода фотоприемника, прошедший через фильтр нижних частот (ФНЧ) на операционном усилителе, измеряется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Результат измерения через микроконтроллер передается в компьютер. При нулевом токе через диод определяют уровень темнового сигнала фотоприемника, затем для корректного вычисления аппроксимирующей функции P_A(I) ток через светодиод увеличивают до тех пор, пока сигнал фотоприемника, пропорциональный Р(I), не будет превышать уровень темнового сигнала фотоприемника как минимум в пять раз, и далее увеличивая ток через светодиод измеряют значения мощности Р_k излучения светодиода при 10 и более значениях электрического тока I_k, при которых уровень сигнала фотоприемника в пять и более раз превышает уровень темнового сигнала фотприемника. Результаты измерения обрабатываются компьютерной программой в среде Mathcad.

Относительное положение исследуемого светодиода и измерительного фотодиода фиксируют с помощью специально изготовленного адаптера, позволяющего точно направлять излучение на поверхность фотоприемника и обеспечивать защиту фотоприемника от внешней засветки в отличие от оптической юстировки светодиода и фотоприемника согласно прототипу.

Для подтверждения независимости значения порогового тока от чувствительности фотодиода были проведены измерения ватт-амперных характеристик одного и того же светодиода с использованием двух фотодиодов различных типов: ФД256 и (фиг. 4). При определении порогового тока I_пор по полученным характеристикам предложенным способом были получены близкие значения порогового тока I_пор1=103 нА и I_пор2=105 нА, различающиеся не более чем на 2%.

Для подтверждения независимости измеренных предложенным способом значений порогового тока от характеристик операционного усилителя в составе фотоприемника были проведены измерения ватт-амперных характеристик одного и того же светодиода с использованием фотоприемника с двумя операционными усилителями разных типов: ОРА192 и AD657 (фиг. 5). По полученным характеристикам получены близкие значения порогового тока I_nop1=148 нА, I_пор2=141 нА, различающиеся менее, чем на 5%.

Таким образом, результаты измерений, выполненных согласно заявляемому способу, показали практическую независимость результата измерения порогового тока светодиода от характеристик фотоприемника.

Способ измерения порогового тока светодиода, при котором измеряют ватт-амперную характеристику светодиода путем измерения мощности оптического излучения светодиода Р_k при нескольких (не менее 10) значениях электрического тока I_k, при которых уровень сигнала фотоприемника в несколько раз превышает уровень темнового сигнала, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида P(I)=A(I-I_пор)^β, по результатам аппроксимации за измеренное значение порогового тока светодиода принимают расчетное значение I_пор аппроксимирующей функции. Технический результат состоит в исключении зависимости результата измерения порогового тока светодиода от характеристик фотоприемника и точности оптической юстировки светодиода и фотоприемника при измерении. 5 ил.

Способ измерения порогового тока светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток и измеряют мощность оптического излучения светодиода при нескольких значениях тока, отличающийся тем, что измеряют ватт-амперную характеристику светодиода путем измерения мощности оптического излучения светодиода P_k при 10 и более значениях электрического тока I_k, при которых уровень сигнала фотоприемника в пять и более раз превышает уровень темнового сигнала, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида P(I)=A(I-I_пор)^β, по результатам аппроксимации определяют значение порогового тока светодиода, соответствующее расчетному значению I_пор аппроксимирующей функции, где А - коэффициент, определяемый функцией преобразования фотоприемника и точностью юстировки, I - ток, протекающий через светодиод, I_пор - пороговый ток, β - показатель степени в аппроксимирующей функции.