RU2541098C1

RU2541098C1 - METHOD OF SCREENING HIGH-POWER InGaN/GaN LIGHT-EMITTING DIODES

Info

Publication number: RU2541098C1
Application number: RU2013144805/28A
Authority: RU
Inventors: Наталия Михайловна Шмидт; Евгения Игоревна Шабунина; Надежда Андреевна Тальнишних; Антон Евгеньевич Черняков; Александр Львович Закгейм
Original assignee: Наталия Михайловна Шмидт
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of screening high-power InGaN/GaN light-emitting diodes (LEDs) includes taking measurements at room temperature in any sequence of forward and reverse biasing and current densities on LEDs, screening according to specific criteria, subsequent ageing of LEDs at specific conditions, repeating said measurements under initial conditions except one, with final screening of unreliable LEDs.

EFFECT: high accuracy of screening and wider field of use of LEDs by screening off unreliable LEDs with a service life shorter than 50000 hours of any manufacturer without prolonged tests.

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике, а именно к способам отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, излучающих в видимом диапазоне длин волн, предназначенных для применения в качестве твердотельных источников энергосберегающего освещения.The invention relates to semiconductor technology, and in particular to methods of rejecting high-power LEDs based on InGaN / GaN, emitting in the visible wavelength range, intended for use as solid-state sources of energy-saving lighting.

Наибольший практический интерес представляет способ отбраковки, без долговременных испытаний, ненадежных мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, с укороченным сроком службы меньше 50000 часов. Необходимость в таком способе вызвана тем, что для решения проблем энергосберегающего освещения и рентабельности перехода на твердотельное освещение необходимы сроки службы светодиодов более 50000 часов. Кроме того, твердотельные энергосберегающие лампы состоят из 7-10 светодиодов, и преждевременный выход даже одного из них снижает срок службы всего изделия. Основные проблемы, возникающие при разработке способа отбраковки ненадежных мощных (синих) светодиодов на основе InGaN/GaN, с укороченным сроком службы меньше 50000 часов, связаны с тем, что в отличие от светодиодов на основе традиционных полупроводниковых материалов развитие деградационного процесса в мощных (синих) светодиодах на основе InGaN/GaN плохо предсказуемо, особенно в первые 5000 часов, т.к. наблюдается волнообразное изменение значений мощности (внешней квантовой эффективности) во времени [Meneghesso G., Meneghini M. and Zanoni E., J. Phys. D: Appl. Phys, 43, 2010, p.354007]. Причем для светодиодов даже из одной партии характер изменения может существенно отличаться. Кроме того, небольшая часть светодиодов, не отличающаяся по начальным значениям квантовой эффективности от большей части светодиодов из этой партии, может деградировать катастрофически. При этом за короткие времена работы, меньше 1000 часов, значения внешней квантовой эффективности уменьшаются более чем на 30% относительно начальных, вплоть до полного выхода из строя. Эти особенности развития деградационного процесса в мощных InGaN/GaN (синих) светодиодах приводят к тому, что срок службы светодиодов из одной партии с близкими значениями внешней квантовой эффективности не эквивалентен времени старения контрольных светодиодов из этой партии. Скорость развития деградационного процесса в InGaN/GaN светоизлучающих структурах существенно зависит от характера наноструктурной организации [Kamanin A.V., Kolmakov A.G., Kopev P.S., Onushkin G.A., Sakharov A.V., Shmidt N.M., Sizov D.S., Sitnikova A.A., Zakgeim A.L. and R.V. Zolotareva R.V., Usikov A.S., Degradation of blue LEDs related to structural disorder, Phys. stat. sol. (c) 3, 2129-2132 (2006)]. Этот параметр определяется не только выбором режима роста, но и особенностями ростовых установок, режимами роста зародышевого слоя, индивидуально подбираемого в каждой фирме для конкретной установки. Естественно ожидать неидентичности этого параметра для структур, выращенных на разных фирмах. Эти особенности развития деградационного процесса во многом определяются сложной внутренней структурой этих материалов, квазиэпитаксиальных, в силу особенностей роста в неравновесных условиях и с большим рассогласованием параметров решетки относительно подложки. В результате формируется столбчатая структура с системой протяженных дефектов, включающая высокую плотность дислокации, их скоплений, дилатационных и дислокационных стенок, пронизывающих всю активную область светодиодов, а также локальные неоднородности состава по индию [Ю.Г. Шретер, Ю.Т. Ребане, В.А. Зыков, В.Г. Сидоров. Широкозонные полупроводники, С.-Петербург «Наука», 2001, 124]. Процесс деградации инициируется неоднородным протеканием тока по протяженным дефектам и неоднородностям состава и сопровождается локальными разогревами, миграцией индия и галлия. Кроме того, одновременно развиваются, как было установлено авторами, конкурирующие процессы, частично подавляющие процессы безызлучательной рекомбинации путем взаимодействия инжектируемых носителей с системой протяженных дефектов.Of greatest practical interest is the method of rejecting, without long-term tests, unreliable high-power LEDs based on InGaN / GaN, with a shortened service life of less than 50,000 hours. The need for this method is due to the fact that to solve the problems of energy-efficient lighting and the cost-effectiveness of the transition to solid-state lighting, LEDs have a life of more than 50,000 hours. In addition, solid-state energy-saving lamps consist of 7-10 LEDs, and the premature exit of even one of them reduces the life of the entire product. The main problems that arise when developing a method for rejecting unreliable high-power (blue) LEDs based on InGaN / GaN, with a shorter service life of less than 50,000 hours, are associated with the fact that, unlike LEDs based on traditional semiconductor materials, the development of the degradation process in high-power (blue) LEDs based on InGaN / GaN are poorly predicted, especially in the first 5000 hours, because there is a wave-like change in the values of power (external quantum efficiency) in time [Meneghesso G., Meneghini M. and Zanoni E., J. Phys. D: Appl. Phys, 43, 2010, p. 345400]. Moreover, for LEDs even from one batch, the nature of the change can differ significantly. In addition, a small part of the LEDs, which does not differ in initial values of quantum efficiency from most of the LEDs from this batch, can degrade catastrophically. Moreover, for short operating times, less than 1000 hours, the values of external quantum efficiency decrease by more than 30% compared to the initial ones, until the complete failure. These features of the development of the degradation process in high-power InGaN / GaN (blue) LEDs lead to the fact that the service life of LEDs from one batch with close values of external quantum efficiency is not equivalent to the aging time of the control LEDs from this batch. The rate of development of the degradation process in InGaN / GaN light-emitting structures substantially depends on the nature of the nanostructured organization [Kamanin A.V., Kolmakov A.G., Kopev P.S., Onushkin G.A., Sakharov A.V., Shmidt N.M., Sizov D.S., Sitnikova A.A., Zakgeim A.L. and R.V. Zolotareva R.V., Usikov A.S., Degradation of blue LEDs related to structural disorder, Phys. stat. sol. (c) 3, 2129-2132 (2006)]. This parameter is determined not only by the choice of the growth mode, but also by the characteristics of the growth plants, the growth regimes of the germ layer, individually selected in each company for a particular plant. It is natural to expect the non-identity of this parameter for structures grown in different firms. These features of the development of the degradation process are largely determined by the complex internal structure of these materials, quasi-epitaxial, due to the peculiarities of growth under nonequilibrium conditions and with a large mismatch of the lattice parameters relative to the substrate. As a result, a columnar structure is formed with a system of extended defects, including a high density of dislocations, their clusters, dilatation and dislocation walls penetrating the entire active region of the LEDs, as well as local compositional heterogeneities according to India [Yu.G. Schröter, J.T. Rebane, V.A. Zykov, V.G. Sidorov. Wide-gap semiconductors, St. Petersburg "Science", 2001, 124]. The degradation process is initiated by an inhomogeneous current flow through extended defects and inhomogeneities of the composition and is accompanied by local heating, migration of indium and gallium. In addition, competing processes, partially suppressing nonradiative recombination processes through the interaction of injected carriers with a system of extended defects, are simultaneously developing, as was established by the authors.

Известны способы определения (прогнозирования) срока службы мощных синих светодиодов, предложенные крупными фирмами. Наиболее полно они представлены на сайтах фирмы Cree (США) [CreeEZ™ LEDs XLamp XR - E Lumen Maintenance, http://www.cree.com] и фирмы Philips Lumileds (США) [http://www.philipslumileds.com] - известных производителей мощных высокоэффективных синих светодиодов на основе InGaN/GaN, в том числе для твердотельного энергосберегающего освещения со сроком службы более 50000 часов.Known methods for determining (predicting) the life of high-power blue LEDs, proposed by large companies. They are most fully represented on the websites of Cree (USA) [CreeEZ ™ LEDs XLamp XR - E Lumen Maintenance, http://www.cree.com] and Philips Lumileds (USA) [http://www.philipslumileds.com] - well-known manufacturers of high-performance high-performance blue LEDs based on InGaN / GaN, including for solid-state energy-saving lighting with a service life of more than 50,000 hours.

Однако они не позволяют отбраковать ненадежные светодиоды, а прогнозируют срок службы светодиодов в партии на основе данных по долговременным испытаниям 1000-5000 часов небольшой части светодиодов из каждой партии.However, they do not allow rejecting unreliable LEDs, but predict the life of the LEDs in the batch based on long-term test data of 1000-5000 hours of a small part of the LEDs from each batch.

Известно, что для светодиодов на всех полупроводниковых материалах наиболее чувствительным параметром к процессам дефектообразования является вольтамперная характеристика [Ф.Е. Шуберт «Светодиоды», перевод под ред. Юновича А.Э., Москва, Физматлит, (2008), С.384]. Причем, как было показано, для светоизлучающих структур на основе традиционных A³B⁵ эволюция вида ВАХ позволяет контролировать развитие дефектообразования и деградацию оптической мощности. Известны некоторые критерии по значениям токов и напряжений, типичные для ненадежных светодиодов на основе арсенида галлия [Гореленок А.Т., Груздов В.Г., Евстропов В.В. и др. / Токи туннельного типа в p-n гетероструктурах InGaAsP/InP. ФТП, 1984, Т.18, в.6, с.1032-1038].It is known that for LEDs on all semiconductor materials, the most sensitive parameter to the processes of defect formation is the current-voltage characteristic [F.E. Schubert "LEDs", translation, ed. Yunovich A.E., Moscow, Fizmatlit, (2008), P.384]. Moreover, as was shown, for light-emitting structures based on traditional A ³ B ^{5, the} evolution of the I – V characteristic makes it possible to control the development of defect formation and the degradation of optical power. Some criteria are known for the values of currents and voltages that are typical for unreliable LEDs based on gallium arsenide [Gorelenok AT, Gruzdov VG, Evstropov VV et al. / Tunnel type currents in pn InGaAsP / InP heterostructures. FTP, 1984, T. 18, v.6, s.1032-1038].

Очевидно, что эти критерии не могут быть перенесены на светодиоды с активной областью с другой шириной запрещенной зоны, какими являются мощные синие InGaN/GaN светодиоды. Кроме того, для мощных высокоэффективных синих светодиодов на основе InGaN/GaN однозначной связи снижения значений внешней квантовой эффективности с ухудшением ВАХ не было установлено, в силу более сложного процесса дефектообразования и существования конкурирующих процессов, частично подавляющих процессы безызлучательной рекомбинации. Тем не менее, некоторые участки ВАХ мощных светодиодов на основе InGaN/GaN применяют для отбраковки.Obviously, these criteria cannot be transferred to LEDs with an active region with a different band gap, such as high-power blue InGaN / GaN LEDs. In addition, for high-power high-performance blue LEDs based on InGaN / GaN, a clear connection between a decrease in the external quantum efficiency and a decrease in the I – V characteristic was not established, due to the more complex process of defect formation and the existence of competing processes that partially suppress nonradiative recombination processes. Nevertheless, some sections of the I – V characteristics of high-power InGaN / GaN LEDs are used for rejection.

Известны способы отбраковки светодиодов: путем сравнения падения напряжения на светодиодах из одной партии между собой при пропускании тока в прямом направлении при малом тестовом сигнале [TW 201035574, LED light bar inspection method and. inspection apparatus thereof] или путем сравнения значений тока и напряжения светодиодов, при пропускании тока в прямом направлении, с ранее установленным критерием [JP 2006352025, 2006-12-28, METHOD OF INSPECTING LIGHT EMITTING DIODE LIGHT SOURCE, LED LIGHT SOURCE, AND FILM SCANNING DEVICE]. Оба способа позволяют отбраковать светодиоды с отличающимися от основной массы параметрами в условиях конкретного производства, без указания критерия по этим значениям, а также по сроку службы, пригодного для применения в условиях других производств. Более универсальный способ отбраковки предложен в заявке на патент [JP 2004342809, METHOD AND DEVICE FOR INSPECTING DETERIORATION OF LED, 2004-12-02]. Однако ни один из способов не гарантирует отбраковку ненадежных светодиодов с укороченным сроком службы меньше 50000 часов.Known methods for rejecting LEDs: by comparing the voltage drop across the LEDs from the same batch with each other when passing current in the forward direction with a small test signal [TW 201035574, LED light bar inspection method and. inspection apparatus this] or by comparing the current and voltage of the LEDs while passing the current in the forward direction with the previously established criterion [JP 2006352025, 2006-12-28, METHOD OF INSPECTING LIGHT EMITTING DIODE LIGHT SOURCE, LED LIGHT SOURCE, AND FILM SCANNING DEVICE]. Both methods allow the rejection of LEDs with parameters that differ from the main mass in the conditions of a particular production, without specifying a criterion for these values, as well as for the service life suitable for use in other industries. A more versatile rejection method is proposed in the patent application [JP 2004342809, METHOD AND DEVICE FOR INSPECTING DETERIORATION OF LED, 2004-12-02]. However, none of the methods guarantees the rejection of unreliable LEDs with a shortened service life of less than 50,000 hours.

Последние два способа имеют общие с предлагаемым способом операции и их последовательность, поэтому они были взяты в качестве аналога и прототипа. Оба способа практически используют известный, развитый для светодиодов на основе традиционных материалов A³B⁵ [Ф.Е. Шуберт «Светодиоды», ред. Юновича A.Э., Москва, Физматлит, (2008), с.384] подход к отбраковке светодиодов по особенностям вольтамперных характеристик (ВАХ). При этом используют только контроль, прямой ветви ВАХ по изменению значений падения напряжения при заданном уровне прямого тока (плотности). Такой контроль позволяет в основном отбраковать светодиоды, зашунтированные паразитным параллельным сопротивлением. В синих мощных светодиодах в роли такого шунта могут выступать протяженные дефекты, пронизывающие активную область.The last two methods have operations in common with the proposed method and their sequence, so they were taken as an analog and prototype. Both methods practically use the well-known, developed for LEDs based on traditional materials A ³ B ⁵ [F.E. Schubert "LEDs", ed. Yunovich A.E., Moscow, Fizmatlit, (2008), p. 384] an approach to rejecting LEDs according to the characteristics of current-voltage characteristics (CVC). In this case, only control is used, of the direct branch of the I – V characteristic for changing the values of the voltage drop at a given level of forward current (density). Such control allows mainly to reject LEDs shunted by parasitic parallel resistance. In high-power blue LEDs, extended defects penetrating the active region can act as such a shunt.

Способ отбраковки мощных синих светодиодов, предложенный в [JP 2006352025], взят в качестве аналога предлагаемого изобретения. Способ содержит измерение прямого падения напряжения (U_п) при протекании малого тестового сигнала через каждый светодиод или группу светодиодов; сравнение измеренных значений между собой и по ранее установленному критерию, полученному из сравнительных результатов; отбраковку светодиодов по значениям, отличающимся от установленного критерия. Контроль падения напряжения позволяет отбраковать наиболее дефектные светодиоды для данного конкретного производства, т.к. критерий устанавливается из сравнительных результатов. Величина падения напряжения определяется при малом тестовом токовом сигнале при прямом протекании и по ней, согласно [Ф.Е. Шуберт «Светодиоды» под ред. Юновича A.Э., Москва, Физматлит, 2008, с.384], можно выявить светодиоды, зашунтированные параллельным паразитным сопротивлением. Однако такие шунты не единственный фактор, приводящий к развитию деградационного процесса. Присутствие областей в светодиодах с паразитным локальным последовательным сопротивлением, с одновременно присутствующими паразитными параллельным и последовательным сопротивлениями также способствует развитию деградационного процесса. Этот процесс может также развиваться в локальных областях с неоднородным составом твердого раствора, практически образующих локальные паразитные p-n переходы с пониженным барьером с существенно меньшей площадью, чем основной переход, включенные параллельно основному. Кроме того, авторы выяснили, что состав твердого раствора в таких локальных областях может быть неравновесным и изменять свои свойства под действием протекающего тока [А.Е. Chernyakov, M.E. Levinshtein, P.V. Petrov, N.M. Shmidt, E.I. Shabunina, A.L. Zakheim <Failure mechanisms in blue InGaN/GaN LEDs for high power operation> Microelectronics Reliability, 52 (2012), p.2180]. В результате светодиоды с такими особенностями могут быть отбракованы только после старения. Таким образом, способ-аналог выявляет только часть ненадежных светодиодов, причем типичных только для данного производства.The method of rejecting high-power blue LEDs, proposed in [JP 2006352025], is taken as an analogue of the invention. The method comprises measuring a direct voltage drop (U _p ) during the flow of a small test signal through each LED or group of LEDs; comparing the measured values with each other and according to a previously established criterion obtained from comparative results; rejection of LEDs according to values that differ from the established criterion. Monitoring the voltage drop allows you to reject the most defective LEDs for this particular production, because the criterion is established from comparative results. The magnitude of the voltage drop is determined with a small test current signal with direct flow and along it, according to [F.E. Schubert "LEDs", ed. Yunovich A.E., Moscow, Fizmatlit, 2008, p. 384], it is possible to identify LEDs shunted by parallel parasitic resistance. However, such shunts are not the only factor leading to the development of a degradation process. The presence of areas in LEDs with parasitic local series resistance, with parasitic parallel and series resistance simultaneously present, also contributes to the development of the degradation process. This process can also develop in local areas with an inhomogeneous composition of the solid solution, which practically form local parasitic pn junctions with a reduced barrier with a substantially smaller area than the main transition, which are connected in parallel with the main one. In addition, the authors found that the composition of the solid solution in such local regions can be nonequilibrium and change their properties under the influence of the flowing current [A.E. Chernyakov, ME Levinshtein, PV Petrov, NM Shmidt, EI Shabunina, AL Zakheim <Failure mechanisms in blue InGaN / GaN LEDs for high power operation> Microelectronics Reliability, 52 (2012), p.2180]. As a result, LEDs with these features can only be rejected after aging. Thus, the analogue method reveals only a part of unreliable LEDs, and typical only for this production.

Известен способ отбраковки мощных синих светодиодов, предложенный в [JP 2004342809], выбранный в качестве прототипа. Способ содержит следующую последовательность операций: измерение падения напряжения (U_п) при протекании прямого тока 10^-9 А (соответствует плотности тока j=10^-7 А/см²) или меньше через каждый светодиод или группу светодиодов, нагрев светодиода током и повторное измерение U_п, быстрое охлаждение светодиодов до температуры, соответствующей первому измерению, измерение U_п так же, как в начале, определение разницы между значениями U_п в этих 3-х измерениях и отбраковка светодиодов по значениям, отличающимся от установленного критерия. Возможности этого способа существенно расширены по сравнению с аналогом.A known method of rejecting high-power blue LEDs, proposed in [JP 2004342809], selected as a prototype. The method contains the following sequence of operations: measuring the voltage drop (U _p ) when a direct current of 10 ^-9 A flows (corresponds to a current density of j = 10 ^-7 A / cm ² ) or less through each LED or group of LEDs, heating the LED with current and re-measuring U _p , quick cooling of the LEDs to the temperature corresponding to the first measurement, measurement of U _p as in the beginning, determination of the difference between the values of U _p in these 3 dimensions and rejection of the LEDs according to values different from the established criterion. The capabilities of this method are significantly expanded in comparison with the analogue.

Однако и этот способ недостаточно точен и не позволяет в полном объеме отбраковать ненадежные светодиоды с укороченным сроком службы. Такой вывод можно сделать на основании того, что режим нагрева светодиода током (практически режим старения) или критерии, отражающие этот режим, не приводятся в формуле способа-прототипа. Между тем, хорошо известно, что уровень тока, протекающего в прямом направлении (инжекционного тока), оказывает определяющее влияние на скорость развития деградационного процесса (сайты фирмы Cree (США), http://www.cree.com] и фирмы Philips Lumileds (США) [http://www.philipslumileds.com), а, следовательно, и на эффективность отбраковки светодиодов, содержащих локальные области с неравновесным составом твердого раствора. Кроме того, контроль только падения напряжения при малом уровне токового сигнала не позволяет выявить в полной мере светодиоды, содержащие локальные области твердого раствора с повышенным содержанием индия (т.е. с пониженным барьером).However, this method is not accurate enough and does not allow to fully reject unreliable LEDs with a shortened service life. This conclusion can be made on the basis that the mode of heating the LED with current (practically the aging mode) or the criteria that reflect this mode are not given in the formula of the prototype method. Meanwhile, it is well known that the level of current flowing in the forward direction (injection current) has a decisive influence on the rate of development of the degradation process (websites of Cree (USA), http://www.cree.com] and Philips Lumileds ( USA) [http://www.philipslumileds.com), and, consequently, on the rejection efficiency of LEDs containing local regions with nonequilibrium solid solution composition. In addition, monitoring only the voltage drop at a low level of the current signal does not fully reveal the LEDs containing local areas of the solid solution with a high indium content (i.e., with a low barrier).

Способ-прототип, несмотря на введенную операцию нагрева под действием протекающего тока, выявляет только часть ненадежных светодиодов, причем типичных только для данного производства. Таким образом, способ не является универсальным (подходящим для светодиодов разных фирм-производителей), обеспечивает лишь частичную отбраковку наиболее ненадежных светодиодов, не гарантирующую отсутствие катастрофических отказов светодиодов за времена не менее 50000 часов.The prototype method, despite the introduced heating operation under the influence of a flowing current, detects only a part of unreliable LEDs, and typical only for this production. Thus, the method is not universal (suitable for LEDs of different manufacturers), provides only a partial rejection of the most unreliable LEDs, not guaranteeing the absence of catastrophic LED failures for at least 50,000 hours.

Предлагаемое изобретение решает задачи повышения точности отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN и расширения области применения за счет обеспечения отбраковки ненадежных светодиодов со сроком службы меньше 50000 часов любых производителей, без долговременных испытаний.The present invention solves the problem of increasing the accuracy of the rejection of high-power LEDs based on InGaN / GaN and expanding the scope by providing the rejection of unreliable LEDs with a service life of less than 50,000 hours of any manufacturers, without long-term tests.

Задачи решаются способом отбраковки мощных светодиодов на основе InGaN/GaN, включающим проведение измерений при комнатной температуре, в любой последовательности, падения напряжения U_п на светодиодах при протекании прямого тока с плотностью j=10^-7 А/см², плотности тока j₁ при смещении напряжения в прямом направлении U_пр=(1.3-1.4) В, плотности тока j₂ при смещении напряжения в обратном направлении U_обр=(1.3-1.4) В, плотности тока j₃ при U_обр=5.0 В, проведение после каждого измерения первичной отбраковки светодиодов с значениями соответственно U_п<1.2 В при j=10^-7 А/см², j₁>10^-7 А/см² при U_пр=(1.3-1.4) В, j₂>10^-7 А/см² при U_обр=(1.3-1.4) В, j₃>5 10^-5 А/см² при U_обр=5.0 В, последующее проведение старения светодиодов при температуре p-n перехода 100°C в течение 95-100 часов, повторное проведение упомянутых измерений при тех же условиях с окончательной отбраковкой ненадежных светодиодов, при этом отбраковку светодиодов при U_пр=(1.3-1.4) В производят при условии j₁>10^-6 А/см².The problems are solved by the method of rejecting high-power LEDs based on InGaN / GaN, including measurements at room temperature, in any sequence, the voltage drop U _p on the LEDs when direct current flows with a density j = 10 ^-7 A / cm ² , current density j ₁ at bias voltage in the forward direction U _ave = (1.3-1.4), current density j ₂ when the bias voltage in the reverse direction U _mod = (1.3-1.4), B ₃ j of the current density at 5.0 U = _mod B, conduct after each measurement primary rejection LEDs with values respectively U _n <1.2, etc. j = 10 ^-7 A / cm ^2, j _1> 10 ^-7 A / cm ² at U _ave = (1.3-1.4) In, j _2> 10 ^-7 A / cm ² for U = _mod (1.3-1.4) V, j ₃ > 5 10 ^-5 A / cm ² at U _ar = 5.0 V, subsequent aging of the LEDs at a pn junction temperature of 100 ° C for 95-100 hours, repeated measurements under the same conditions with the final rejection of unreliable LEDs, wherein the LEDs upon rejection U _ave = (1.3-1.4) In producing provided j _1> 10 ^-6 A / cm ^2.

Новыми признаками являются все дополнительные измерения, (кроме измерения падения напряжения U_п на светодиодах при протекании прямого тока с плотностью j=10^-7 А/см²), а также первичная отбраковка светодиодов по результатам этих дополнительных измерений по значениям напряжений и плотностей токов, старение при определенных условиях и вторичная отбраковка при изменении условия отбраковки для j₁.New features are all additional measurements (except for measuring the voltage drop U _p on the LEDs when direct current flows with a density j = 10 ^-7 A / cm ² ), as well as the primary rejection of the LEDs according to the results of these additional measurements according to the values of voltages and current densities, aging under certain conditions and secondary rejection when changing the rejection condition for j ₁ .

Достижение технического результата основано на том, что в отличие от способа-прототипа кроме контроля падения напряжения U_п при протекании тока в прямом направлении с плотностью тока j=10^-7 А/см² авторами впервые предложено использование контроля нескольких дополнительных участков вольтамперной характеристики, чувствительных к изменению состояния всей дефектной системы светодиода, в том числе после процесса старения в заданных условиях, а также проведение отбраковки после каждого измерения параметров U и j до и после старения.The achievement of the technical result is based on the fact that, in contrast to the prototype method, in addition to controlling the voltage drop U _p when the current flows in the forward direction with a current density of j = 10 ^-7 A / cm ^{2, the} authors first proposed the use of control of several additional sections of the current-voltage characteristic, sensitive to a change in the state of the entire defective LED system, including after the aging process under specified conditions, as well as rejection after each measurement of the parameters U and j before and after aging.

В предлагаемом изобретении, начиная с исходного этапа, до старения, вводятся измерения дополнительных параметров, таких как плотность тока j₁ при смещении напряжения в прямом направлении U_пр=(1.3-1.4) В, плотность тока j₂ при смещении в обратном направлении U_обр=(1.3-1.4) В, а также j₃ при U_обр=5.0 В, при этом все измерения проводятся при температуре (300±10) К (комнатной). После первого этапа измерений (после каждого измерения) проводится обязательная первичная отбраковка светодиодов с значениями U_п<1.2 В при j=10^-7 А/см², j₁>10^-7 А/см² при U_пр=(1.3-1.4) В, j₂>10^-7 A/см² при U_обр=(1.3-1.4) В, j₃>5·10^-5 А/см² при U_обр=5.0 В. Затем проводится старение светодиодов при температуре p-n перехода 100°C в течение 95-100 часов и окончательная отбраковка ненадежных светодиодов с условием при U_пр=(1.3-1.4) В j₁>10^-6 А/см².In the present invention, starting from the initial stage, before aging, measurements of additional parameters are introduced, such as current density j ₁ with forward voltage bias U _pr = (1.3-1.4) V, current density j ₂ with reverse bias U _ar = (1.3-1.4) V, as well as j ₃ at U _arr = 5.0 V, while all measurements are carried out at a temperature of (300 ± 10) K (room). After the first measurement step (after each measurement), mandatory primary rejection of LEDs with values of U _p <1.2 V at j = 10 ^-7 A / cm ² , j ₁ > 10 ^-7 A / cm ² at U _pr = (1.3-1.4 ) B, j _2> 10 ^-7 A / cm ² at U = _mod (1.3-1.4) In, j _3> 5 × 10 ^-5 A / cm ² at U _mod = 5.0 V. Then, aging is carried out at a temperature of the LED pn transition of 100 ° C for 95-100 hours and the final rejection of unreliable LEDs with the condition at U _pr = (1.3-1.4) V j ₁ > 10 ^-6 A / cm ² .

Целесообразность введения дополнительных параметров впервые установлена авторами. Значения j₁ отражают вклад избыточных токов, вызванных присутствием локальных областей с пониженным барьером, причем для их выявления наиболее подходит область смещений в прямом направлении U_пр=(1.3-1.4) В. Выбор этого диапазона обусловлен тем, что при U_пр>1.4 В для всех светодиодов типичным является значительный рост значений тока и их сближение. В результате значения тока для большинства светодиодов с разной надежностью слабо различимы. При U_пр<1.3 В значения тока как при смещении в прямом, так и в обратном направлении экспоненциально уменьшаются, в том числе и для ненадежных светодиодов. Это приводит к тому, что критерий ненадежности уменьшится до значений (1.0-5.0)10^-8 А/см². Введение такого критерия сразу существенно сужает область применения предлагаемого способа, практически исключая его использование в условиях массового производства в связи с тем, что измерение значений тока, соответствующих этим плотностям, требует применения электрометров и экранировки от наводок, что нерентабельно для массового производства.The feasibility of introducing additional parameters was first established by the authors. The values of j ₁ represent the contribution of excessive currents caused by the presence of local areas with reduced barrier, and for them to identify the most suitable region shifts in the forward direction U _ave = (1.3-1.4) B. Selection of this range due to the fact that the U _pr> 1.4 for all LEDs, a significant increase in current values and their convergence is typical. As a result, the current values for most LEDs with different reliability are poorly distinguishable. At U _pr <1.3 V, the current values both for forward and reverse bias decrease exponentially, including for unreliable LEDs. This leads to the fact that the criterion of unreliability is reduced to values (1.0-5.0) 10 ^-8 A / cm ² . The introduction of such a criterion immediately significantly narrows the scope of the proposed method, virtually eliminating its use in mass production due to the fact that measuring current values corresponding to these densities requires the use of electrometers and shielding from interference, which is unprofitable for mass production.

Авторами экспериментально установлен критерий для ненадежных светодиодов на первом этапе отбраковки, на исходных светодиодах, до старения, U_пр=(1.3-1.4) В по превышению плотности тока j₁>10^-7 A/см².The authors have experimentally established criteria for untrusted LEDs in the first stage culling, at the initial LED before aging, U _ave = (1.3-1.4) in excess of the current density j _1> 10 ^-7 A / cm ^2.

Результаты долговременных испытаний светодиодов, отбракованных по этому критерию, показали, что для них типичным являются катастрофические выходы из строя, причем после разных временных интервалов, как правило, от 100 до 5000 часов, а для отдельных светодиодов даже после 10 часов. Такое поведение связано с тем, что присутствие локальных областей с повышенным содержанием индия в твердом растворе (т.е. с меньшей шириной запрещенной зоны) приводит к неоднородному протеканию тока, причем в этих локальных областях плотность тока оказывается выше, что усиливает дефектообразование в них. Установить этот критерий без долговременных испытаний невозможно, т.к. из-за обнаруженного авторами механизма подавления безызлучательной рекомбинации инжектируемыми носителями изменений внешней квантовой эффективности долгое время не наблюдаются, более того, может наблюдаться небольшой рост эффективности из-за уменьшения последовательного сопротивления.The results of long-term tests of LEDs rejected by this criterion showed that catastrophic failures are typical for them, moreover, after different time intervals, as a rule, from 100 to 5000 hours, and for individual LEDs even after 10 hours. This behavior is due to the fact that the presence of local regions with an increased indium content in the solid solution (i.e., with a smaller band gap) leads to an inhomogeneous current flow, and in these local regions the current density is higher, which enhances the defect formation in them. It is impossible to establish this criterion without long-term tests, because Due to the mechanism discovered by the authors to suppress nonradiative recombination by injected carriers, changes in the external quantum efficiency are not observed for a long time; moreover, a slight increase in efficiency can be observed due to a decrease in the series resistance.

Дополнительный параметр j₂ при U_обр=(1.3-1.4) В позволяет контролировать избыточные токи, связанные не только с безызлучательной рекомбинацией в системе протяженных дефектов, шунтирующих светодиод, но и вызванные накоплением индия в области отдельных протяженных дефектов. Это известная особенность светодиодов на основе InGaN/GaN [F. Bertram, S. Srinivasan, L. Geng, F.A. Ponce. Microscopic correlation of red shifted luminescence and surface defects in thick In_xGa_1-xN layers. Appl. Phys. Lett, 80, 3524-3527 (2002)], приводящая к образованию твердого раствора, обогащенного индием в области дефекта, т.е. с уменьшенной шириной запрещенной зоны, что и приводит к увеличению значений j₂, наиболее отличающихся для ненадежных светодиодов при U_обр=(1.3-1.4) В.Additional parameter j _mod ₂ for U = (1.3-1.4) The monitor allows excessive currents associated not only with the non-radiative recombination of extended defects in the system, the shunt LED, but also caused by the accumulation of indium in the individual extended defects. This is a known feature of InGaN / GaN LEDs [F. Bertram, S. Srinivasan, L. Geng, FA Ponce. Microscopic correlation of red shifted luminescence and surface defects in thick In _x Ga _1-x N layers. Appl. Phys. Lett, 80, 3524-3527 (2002)], leading to the formation of a solid solution enriched with indium in the defect region, i.e. with a reduced band gap, which leads to an increase in the values of j ₂ , the most different for unreliable LEDs at U _arr = (1.3-1.4) V.

Критерий ненадежности по величине тока для светодиодов с такими особенностями до сих пор не был установлен. Авторами на основе результатов исследований по долговременному старению светодиодов был установлен критерий отбраковки таких светодиодов по превышению j₂ более 10^-7 А/см² при U_обр=(1.3-1.4) В. При меньших значениях U_обр в силу сильной экспоненциальной зависимости тока от напряжения значения плотности тока даже для ненадежных светодиодов меньше 10^-7 А/см², и контроль в условиях массового производства затруднен. Увеличение U_обр более 1.4 В нецелесообразно, так как не приводит к выявлению дополнительного количества ненадежных светодиодов.The unreliability criterion for the current value for LEDs with such features has not yet been established. Based on the results of studies on the long-term aging of LEDs, the authors established a criterion for rejecting such LEDs when j ₂ exceeds 10 ^-7 A / cm ² for U _arr = (1.3-1.4) V. At lower values of U _arr due to the strong exponential dependence of the current on voltage values of current density even for unreliable LEDs are less than 10 ^-7 A / cm ² , and control in mass production is difficult. An increase in U _arr more than 1.4 V is impractical, since it does not lead to the identification of an additional number of unreliable LEDs.

Введение дополнительного параметра j₃ позволяет отбраковать светодиоды с плохой изоляцией периферии p-n перехода, и/или с присутствием областей локального пробоя статическими зарядами - явления, типичного для синих мощных светодиодов из-за высокого сопротивления при нулевом смещении. При этом, как показали исследования, присутствие областей локального пробоя статическими зарядами выявляется только на обратной ветви по превышению j₃>5·10^-7 А/см² при U_обр=5.0 В. Присутствие таких областей, также как плохая изоляция периферии p-n перехода, усиливает неоднородность протекания тока в прямом направлении, а при длительном протекании приводит к локальным перегревам, носящим случайный характер, и к миграции ионов металлов. В результате наблюдается снижение срока службы, причем непредсказуемое. Критерии по плотности тока и значению j₃ были установлены авторами в ходе долговременных испытаний светодиодов разных фирм производителей. Значения j₃<5·10^-5 А/см² не приводят к катастрофическим отказам. Уменьшение значения U_обр не позволяет выявить все ненадежные светодиоды, превышение этого значения не приводит к выявлению дополнительных ненадежных светодиодов. Выяснено, что в самых ненадежных светодиодах изменения внешней квантовой эффективности носят пороговый характер, вызывая их катастрофические отказы, в то время как повышение плотности тока, превышающее критерий, значительно раньше сигнализирует об укороченном сроке службы. Следует отметить, что светодиод является ненадежным, даже если подпадает под один из перечисленных критериев. Однако на практике, чаще всего для ненадежных светодиодов является типичным превышение нескольких критериев.The introduction of the additional parameter j ₃ allows us to reject LEDs with poor isolation of the periphery of the pn junction, and / or with the presence of local breakdown regions by static charges, a phenomenon typical of blue high-power LEDs due to the high resistance at zero bias. At the same time, studies have shown that the presence of local breakdown regions by static charges is detected only on the reverse branch when j ₃ > 5 · 10 ^-7 A / cm ^{2 is} exceeded at U _ar = 5.0 V. The presence of such regions, as well as poor isolation of the periphery of the pn junction , enhances the heterogeneity of the current flow in the forward direction, and with prolonged flow leads to local overheating, which is random in nature, and to the migration of metal ions. As a result, a decrease in service life is observed, and unpredictable. The criteria for current density and j ₃ value were established by the authors during long-term tests of LEDs from different manufacturers. Values j ₃ <5 · 10 ^-5 A / cm ² do not lead to catastrophic failures. Reducing the value of U _arr does not allow to identify all unreliable LEDs, exceeding this value does not lead to the identification of additional unreliable LEDs. It was found that in the most unreliable LEDs, changes in the external quantum efficiency are threshold in nature, causing their catastrophic failures, while an increase in current density exceeding the criterion signals a shorter service life much earlier. It should be noted that the LED is unreliable, even if it falls under one of the listed criteria. However, in practice, most often for unreliable LEDs, it is typical to exceed several criteria.

Авторами установлена необходимость проведения отбраковки в два этапа с обязательным удалением отбракованных светодиодов после первого этапа, т.к. внутреннее сопротивление отбракованных светодиодов на порядки ниже, чем у надежных светодиодов. В результате в момент включения в общую цепь всех светодиодов вместе на надежных светодиодах падение напряжения будет намного больше, что может привести к локальным пробоям надежных светодиодов и к снижению их срока службы. Вторая стадия необходима для выявления ненадежных светодиодов, содержащих локальные области с неравновесным составом, не отличающихся по величине внешней квантовой эффективности и ВАХ от надежных светодиодов на первой стадии отбраковки. Такие светодиоды выявляются только в процессе старения.The authors established the need for rejection in two stages with the mandatory removal of rejected LEDs after the first stage, because the internal resistance of rejected LEDs is orders of magnitude lower than that of reliable LEDs. As a result, at the time of switching on all the LEDs together on reliable LEDs, the voltage drop will be much larger, which can lead to local breakdowns of reliable LEDs and reduce their service life. The second stage is necessary to identify unreliable LEDs containing local regions with an nonequilibrium composition, not differing in the magnitude of the external quantum efficiency and CVC from reliable LEDs in the first stage of rejection. Such LEDs are detected only during aging.

Для эффективного выявления ненадежных светодиодов с локальными областями, содержащими твердые растворы неравновесного состава, принципиальное значение имеет выбор режима старения. Плотность инжекционного тока является одним из основных факторов, определяющих скорость развития процесса старения. На практике используются различные комбинации плотности тока, времени старения и температуры окружающей среды. Целесообразно контролировать температуру p-n перехода, определяющий вклад в которую дает разогрев инжекционным током. В этом случае проще обеспечивать воспроизводимость условий старения, регулируя небольшие изменения температуры окружающей среды изменением инжекционного тока. Экспериментально определен следующий режим старения: температура p-n перехода (95-100)°C, время старения 100 часов. Снижение температуры ниже 95°C приводит к необходимости увеличения времени старения, увеличение температуры выше 100°C возможно, но нецелесообразно, т.к. результаты долговременных испытаний на обширном статистическом материале показали, что при (95-100)°C и времени старения 100 часов наступает насыщение по количеству выявляемых светодиодов с параметрами, превышающими критерии для надежных светодиодов. Некоторое количество таких светодиодов выявляется, начиная уже с 10 часов старения, но с увеличением времени добавляются все новые и новые светодиоды. Исходя из этих результатов, установлен временной интервал старения (95-100) часов. Процесс старения под действием инжекционного тока в первую очередь развивается в локальных неоднородностях, таких как локальные области с повышенным составом твердого раствора по индию, в том числе и с неравновесным составом, в системе протяженных дефектов, в областях локальных статических пробоев. Поэтому после старения целесообразно контролировать те же параметры, что и на первом этапе, т.к. как изменения характерных участков ВАХ значительно раньше сигнализирует об укороченном сроке службы светодиодов, чем изменения внешней квантовой эффективности. При этом, как показали результаты долговременных испытаний, проведенных авторами, критерии по значениям U_n, j₂, j₃ при (300±10) К остаются теми же самыми, что и на первом этапе, кроме критерия j₁. Выяснено, что в процессе старения величина j₁ может изменяться в пределах порядка, но это не влечет за собой катастрофических выходов из строя и сокращения срока службы, если j₁ не превышает величину 10^-6 А/см² при U_пр=(1.3-1.4) В.To effectively identify unreliable LEDs with local areas containing solid solutions of non-equilibrium composition, the choice of the aging mode is of fundamental importance. The injection current density is one of the main factors determining the rate of development of the aging process. In practice, various combinations of current density, aging time and ambient temperature are used. It is advisable to control the pn junction temperature, which determines the contribution to which the heating by injection current gives. In this case, it is easier to ensure reproducibility of the aging conditions by regulating small changes in the ambient temperature by changing the injection current. The following aging regime was experimentally determined: pn junction temperature (95-100) ° C, aging time 100 hours. Lowering the temperature below 95 ° C makes it necessary to increase the aging time, increasing the temperature above 100 ° C is possible, but impractical, because the results of long-term tests on extensive statistical material showed that at (95-100) ° C and an aging time of 100 hours, saturation occurs in the number of detected LEDs with parameters that exceed the criteria for reliable LEDs. A number of such LEDs are detected starting from 10 hours of aging, but with increasing time, more and more new LEDs are added. Based on these results, the time interval of aging (95-100) hours is established. The aging process under the influence of an injection current primarily develops in local inhomogeneities, such as local regions with an increased solid solution composition in India, including those with a nonequilibrium composition, in a system of extended defects, in regions of local static breakdowns. Therefore, after aging, it is advisable to control the same parameters as in the first stage, because how changes in characteristic sections of the I – V characteristic much earlier signalize a shorter lifespan of LEDs than changes in external quantum efficiency. Moreover, as shown by the results of long-term tests conducted by the authors, the criteria for the values of U _n , j ₂ , j ₃ at (300 ± 10) K remain the same as at the first stage, except for criterion j ₁ . It was found that in the process of aging, the value of j ₁ can vary within an order of magnitude, but this does not entail catastrophic failures and a reduction in service life if j ₁ does not exceed a value of 10 ^-6 A / cm ² at U _pr = (1.3- 1.4) B.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

На исходных (до проведения старения) мощных светодиодах на основе InGaN/GaN проводятся, в любой очередности, измерения следующих параметров при температуре (300±10) К: падения напряжения U_п при протекании прямого тока с плотностью j=10^-7 А/см²; плотности тока j₁ при смещении напряжения в прямом направлении U_пр=(1.3-1.4) В; плотности тока j₂ при смещении в обратном направлении U_обр=(1.3-1.4) В; плотности тока j₃ при U_обр=5.0 В. После каждого измерения производят первичную отбраковку светодиодов по установленным критериям ненадежности: U_п<1.2 В при j=10^-7 А/см², j₁>10^-7 А/см² при U_пр=(1.3-1.4) В, j₂>10^-7 А/см² при U_обр=(1.3-1.4) В, j₃>5·10^-5 А/см² при U_обр=5.0 В. Светодиоды с одним или несколькими параметрами, соответствующими установленному критерию, отбраковываются. Оставшиеся светодиоды подвергаются старению, их помещают в термостат, пропускают прямой ток плотностью 50 А/см² и с помощью подогрева устанавливают температуру p-n перехода 100°C. Контроль температуры p-n перехода при проведении старения применяется большинством фирм, при этом измеряют температуру окружающей среды, температуру разогрева p-n перехода инжекционным током и дополнительный подогрев в термостате или потоком теплого воздуха, нивелирующий колебания окружающей среды. Процесс старения в предлагаемом способе осуществляется в течение (95-100) часов, затем светодиоды охлаждаются до (300±10) К и проводятся повторные измерения всех вышеперечисленных параметров при этой температуре. При этом проводят вторичную отбраковку по тем же критериям, что и при первичной отбраковке, кроме параметра j₁. Для этого параметра выявлен более мягкий критерий: у ненадежных светодиодов j₁>10^-6 А/см² при U_пр=(1.3-1.4) В.At the initial (before aging) high-power LEDs based on InGaN / GaN, the following parameters are measured, in any order, at a temperature of (300 ± 10) K: voltage drop U _p when direct current flows with a density j = 10 ^-7 A / cm ² ; current density j ₁ at the bias voltage in the forward direction U _ave = (1.3-1.4) V; current density j ₂ when displaced in the opposite direction U _arr = (1.3-1.4) V; current density j ₃ at U _ar = 5.0 V. After each measurement, the primary rejection of the LEDs is made according to the established unreliability criteria: U _p <1.2 V at j = 10 ^-7 A / cm ² , j ₁ > 10 ^-7 A / cm ² at U _ave = (1.3-1.4) In, j _2> 10 ^-7 A / cm ² for U = _mod (1.3-1.4) In, j _3> 5 × 10 ^-5 A / cm ² at U _mod = 5.0 V. LEDs with one or more parameters that meet the specified criteria are rejected. The remaining LEDs undergo aging, they are placed in a thermostat, direct current with a density of 50 A / cm ^{2 is} passed, and with the help of heating, the transition temperature pn of the transition is set to 100 ° C. The temperature control of the pn junction during aging is used by most companies, while measuring the ambient temperature, the heating temperature of the pn junction by injection current and additional heating in a thermostat or by a stream of warm air, leveling out environmental fluctuations. The aging process in the proposed method is carried out for (95-100) hours, then the LEDs are cooled to (300 ± 10) K and repeated measurements are made of all of the above parameters at this temperature. In this case, secondary rejection is carried out according to the same criteria as in the primary rejection, except for parameter j ₁ . For this parameter, a milder criterion was revealed: for unreliable LEDs, j ₁ > 10 ^-6 A / cm ² at U _pr = (1.3-1.4) V.

Пример.Example.

Для проверки предлагаемого способа на группах из 200 светодиодов фирмы Lumileds, взятых из одной партии, и 200 светодиодах фирмы Cree, также взятых из одной партии, собранных в корпус и имеющих значение внешней квантовой эффективности 45% с разбросом ±2% при плотности тока 5.0 А/см², были апробированы способ-прототип и предлагаемый способ. При этом сравнение способов проводилось с учетом проверки результатов путем долговременных испытаний.To test the proposed method on groups of 200 Lumileds LEDs taken from one batch and 200 Cree LEDs, also taken from one batch, assembled in a housing and having an external quantum efficiency of 45% with a spread of ± 2% at a current density of 5.0 A / cm ² , the prototype method and the proposed method were tested. Moreover, a comparison of the methods was carried out taking into account verification of the results by means of long-term tests.

В соответствии со способом-прототипом на светодиодах фирмы Lumileds (100 шт.) и на светодиодах фирмы Cree (100 шт.) проведены измерения падения напряжения (U_п) при протекании прямого тока 10^-9 А (плотность тока 10^-7 А/см²) через каждый светодиод. На светодиодах фирмы Lumileds на 8 шт. разброс значений был U_п=(0.8-1.1) В, т.е. U_п<1.2 В, на остальных 92 светодиодах U_п=(1.2-1.3) В. На светодиодах фирмы Cree на 5 шт. разброс значений U_п был U_п=(1.0-1.1) В, на остальных 95 светодиодах U_п=(1.3-1.4) В.In accordance with the prototype method, Lumileds LEDs (100 pcs.) And Cree LEDs (100 pcs.) Measured the voltage drop (U _p ) with a direct current of 10 ^-9 A (current density 10 ^-7 A / cm ² ) through each LED. On LEDs of the company Lumileds for 8 pcs. the scatter of values was U _p = (0.8-1.1) V, i.e. U _p <1.2 V, on the remaining 92 LEDs U _p = (1.2-1.3) V. On Cree LEDs for 5 pcs. the range of values of U _p was U _p = (1.0-1.1) V. On the remaining 95 LEDs, U _p = (1.3-1.4) V.

Затем был проведен нагрев током в течение 10 часов с типичной плотностью рабочего тока для мощных светодиодов, равной 50 А/см², [http://www.philipslumileds.com]. Проведено повторное измерение U_п при протекании прямого тока 10^-9 А (плотность тока j=10^-7 А/см²) через каждый светодиод, затем проведено резкое охлаждение до температуры первого измерения (300±10) К и снова измерение U_п при токе 10^-9 А через каждый светодиод. После измерений партии светодиодов фирмы Lumileds было выявлено 6 светодиодов с разбросом значений U_п=(0.6-0.8) В и 7 светодиодов с U_п=(0.9-1.1) В, на остальных 87 светодиодах значения U_п=(1.2-1.3) В не изменились.Then, current heating was carried out for 10 hours with a typical operating current density for high-power LEDs of 50 A / cm ² [http://www.philipslumileds.com]. A repeated measurement of U _{p was} performed with a direct current of 10 ^-9 A (current density j = 10 ^-7 A / cm ² ) flowing through each LED, then it was quenched to the temperature of the first measurement (300 ± 10) K and again the measurement of U _p at current 10 ^-9 A through each LED. After measuring a batch of Lumileds LEDs, 6 LEDs with a spread of U _p = (0.6-0.8) V and 7 LEDs with U _p = (0.9-1.1) V were detected, and on the remaining 87 LEDs, U _p = (1.2-1.3) V not changed.

На светодиодах фирмы Cree было выявлено 4 светодиода с разбросом значений U_п=(0.7-0.9) В и 5 светодиодов с U_п=(1.0-1.1) В, на остальных 91 светодиодах значения U_п=(1.3-1.4) В не изменились.On Cree LEDs, 4 LEDs with a scatter of U _p = (0.7-0.9) V and 5 LEDs with U _p = (1.0-1.1) V were detected, on the remaining 91 LEDs, U _p = (1.3-1.4) V did not change .

Таким образом по способу-прототипу считаются ненадежными и должны быть отбракованы 13 светодиодов фирмы Lumileds и 9 светодиодов фирмы Cree.Thus, the prototype method is considered unreliable and should be rejected 13 LEDs from Lumileds and 9 LEDs from Cree.

На всех светодиодах был проведен процесс старения в одном из общепринятых на фирме Lumileds режимах: температура p-n перехода T_j=85°C, плотность тока в прямом направлении J=50 А/см² в течение 1000 часов [http://www.philipslumileds.com]. Измерения внешней квантовой эффективности после старения показали, что из светодиодов фирмы Lumileds 12 шт.перестали светить (т.е. произошли катастрофические отказы), на 10 шт. значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 30%, что более чем на 30% меньше исходных значений, на 7 светодиодах значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 37%, что более чем на 10% меньше исходных значений. Уменьшенные значения внешней квантовой эффективности по данным фирмы Lumileds свидетельствуют о пониженном сроке службы, меньше 30000 часов.The aging process was carried out on all the LEDs in one of the modes generally accepted at Lumileds: temperature pn junction T _j = 85 ° C, current density in the forward direction J = 50 A / cm ² for 1000 hours [http: //www.philipslumileds .com]. Measurements of the external quantum efficiency after aging showed that 12 pcs of Lumileds LEDs ceased to shine (i.e., catastrophic failures), by 10 pcs. the values of external quantum efficiency decreased to 30%, which is more than 30% less than the initial values; on 7 LEDs, the values of external quantum efficiency decreased to 37%, which is more than 10% less than the initial values. Reduced values of external quantum efficiency according to Lumileds indicate a reduced service life, less than 30,000 hours.

После проведения той же процедуры на светодиодах фирмы Cree выявлено 6 светодиодов с катастрофическим отказом, 8 светодиодов с уменьшенной до 39% внешней квантовой эффективностью, что более чем на 5% меньше исходных значений и по данным фирмы свидетельствует о пониженном сроке службы, меньше 50000 часов, а также на 6 шт.значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 31%, что более чем на 30% меньше исходных значений.After carrying out the same procedure, 6 LEDs with a catastrophic failure, 8 LEDs with external quantum efficiency reduced to 39%, which is more than 5% less than the initial values, are revealed by Cree LEDs, which indicates a reduced service life, less than 50,000 hours, and also by 6 pcs. the values of external quantum efficiency decreased to 31%, which is more than 30% less than the initial values.

Долговременные испытания показали, что ненадежных светодиодов, с укороченным сроком службы существенно больше (29 шт. фирмы Lumileds и 20 шт. фирмы Cree), чем отбраковано по способу-прототипу (13 светодиодов фирмы Lumileds и 9 светодиодов фирмы Cree). Таким образом, способ-прототип не позволяет отбраковать все ненадежные светодиоды со сроком службы меньше 50000 часов.Long-term tests showed that unreliable LEDs with a shorter service life were significantly more (29 pcs. Of Lumileds and 20 pcs. Of Cree) than rejected by the prototype method (13 LEDs of the company Lumileds and 9 LEDs of the company Cree). Thus, the prototype method does not allow to reject all unreliable LEDs with a service life of less than 50,000 hours.

В соответствии с предлагаемым способом на 100 шт. светодиодов фирмы Lumileds и на 100 шт.светодиодов фирмы Cree были проведены измерения падения напряжения (U_п) при протекании прямого тока с плотностью j=10^-7 А/см² через каждый светодиод при (300±10) К. На 8 светодиодах фирмы Lumileds разброс значений U_п=(0.8-1.1) В. Такие значения согласно установленным критериям соответствуют ненадежным светодиодам. На остальных 92 светодиодах U_п=(1.2-1.3) В. На 5 светодиодах фирмы Cree разброс значений U_п=(1.0-1.1) В. Эти значения согласно установленным критериям соответствуют ненадежным светодиодам. На остальных 95 светодиодах U_п=(1.3-1.4) В.In accordance with the proposed method per 100 pcs. Lumileds LEDs and 100 pcs of Cree LEDs, the voltage drop (U _p ) was measured during forward current flow with a density j = 10 ^-7 A / cm ² through each LED at (300 ± 10) K. At 8 LEDs of the company Lumileds scatter of values of U _p = (0.8-1.1) B. Such values, according to established criteria, correspond to unreliable LEDs. On the remaining 92 LEDs, U _p = (1.2-1.3) V. At 5 Cree LEDs, the scatter of the values of U _p = (1.0-1.1) V. These values, according to the established criteria, correspond to unreliable LEDs. On the remaining 95 LEDs, U _p = (1.3-1.4) V.

Кроме того, проведены измерения дополнительных параметров: плотности тока j₁ при смещении в прямом направлении U_пр=(1.3-1.4) В, плотности тока j₂ при смещении в обратном направлении U_обр=(1.3-1.4) В, а также j₃ при U_обр=5.0 В.Moreover, the measurements of additional parameters: current density j at offset ₁ in the forward direction U _ave = (1.3-1.4) V, the current density j ₂ when shifting in the reverse direction U _mod = (1.3-1.4) B, and j ₃ at U _arr = 5.0 V.

Получены следующие результаты: из 92 светодиодов фирмы Lumileds с U_п=(1.2-1.3) В 4 шт. имели j₁=(3.0-5.0)10^-7 А/см², 3 шт. имели j₂=5·10^-7 А/см² и j₃=1·10^-4 А/см², а также 2 шт. - j₃=2·10^-4 А/см², т.е. значения, согласно установленным критериям, соответствующие ненадежным светодиодам. На остальных 83 светодиодах измерены следующие значения: j₁=(6.0-9.0)10^-8 А/см²; j₂=(0.8-5.0)10^-8 А/см² и j₃=(1.0-4.0)10^-7 А/см².The following results were obtained: from 92 LEDs of the company Lumileds with U _p = (1.2-1.3) In 4 pcs. had j ₁ = (3.0-5.0) 10 ^-7 A / cm ² , 3 pcs. had j ₂ = 5 · 10 ^-7 A / cm ² and j ₃ = 1 · 10 ^-4 A / cm ² , as well as 2 pcs. - j ₃ = 2 · 10 ^-4 A / cm ² , i.e. values according to established criteria corresponding to unreliable LEDs. The following values were measured on the remaining 83 LEDs: j ₁ = (6.0-9.0) 10 ^-8 A / cm ² ; j ₂ = (0.8-5.0) 10 ^-8 A / cm ² and j ₃ = (1.0-4.0) 10 ^-7 A / cm ² .

На светодиодах фирмы Cree после измерения дополнительных параметров получены следующие результаты: из 95 светодиодов с U_п=(1.3-1.4) В - 2 шт. с j₁=(2.0-4.0)10^-7 А/см² и j₂=(2.0-3.0)10^-7 А/см²; 3 шт.с j₂=2.0·10^-7 А/см², а также 2 шт. с j₃=8.0·10^-5 А/см², т.е. с значениями, согласно установленным критериям соответствующими ненадежным светодиодам. На остальных 88 светодиодах измерены следующие значения: j₁=(2.0-6.0)10^-8 А/см²; j₂=(0.6-4.0)10^-8 А/см² и j₃=(1.0-3.0)10^-5 А/см². Все светодиоды с превышением значений хотя бы по одному из критериев, предложенных в способе, были отбракованы.The following results were obtained on Cree LEDs after measuring additional parameters: from 95 LEDs with U _p = (1.3-1.4) V - 2 pcs. with j ₁ = (2.0-4.0) 10 ^-7 A / cm ² and j ₂ = (2.0-3.0) 10 ^-7 A / cm ² ; 3 pcs. With j ₂ = 2.0 · 10 ^-7 A / cm ² , as well as 2 pcs. with j ₃ = 8.0 · 10 ^-5 A / cm ² , i.e. with values according to established criteria corresponding to unreliable LEDs. On the remaining 88 LEDs, the following values were measured: j ₁ = (2.0-6.0) 10 ^-8 A / cm ² ; j ₂ = (0.6-4.0) 10 ^-8 A / cm ² and j ₃ = (1.0-3.0) 10 ^-5 A / cm ² . All LEDs with excess values at least one of the criteria proposed in the method were rejected.

На оставшихся 83 светодиодах фирмы Lumileds и 88 светодиодах фирмы Cree был проведен процесс старения при температуре p-n перехода 100°C в течение 100 часов. После охлаждения были проведены измерения всех параметров светодиодов при (300±10) К.The remaining 83 Lumileds LEDs and 88 Cree LEDs were aged at a pn junction temperature of 100 ° C for 100 hours. After cooling, measurements were made of all the parameters of the LEDs at (300 ± 10) K.

На 71 светодиоде фирмы Lumileds измерены следующие значения параметров: U_п=(1.2-1.3) В; j₁=(4.0-9.0)10^-7 А/см²; j₂=(0.8-5.0)10^-8 А/см² и j₃=(1.0-4.0)10^-5 А/см². На остальных светодиодах: 3 шт. с U_п=1.2 В, j₁=2·10^-6 А/см²; 4 шт. с U_п=0.2 В и j₂=(2.0-6.0)10^-7 А/см²; 5 шт. с U_п=(0.6-0.8) В и j₃=(1.0-2.0)10^-6 A/см², эти значения согласно установленным критериям соответствуют светодиодам с укороченным сроком службы.The following parameter values were measured on 71 Lumileds LEDs: U _p = (1.2-1.3) V; j ₁ = (4.0-9.0) 10 ^-7 A / cm ² ; j ₂ = (0.8-5.0) 10 ^-8 A / cm ² and j ₃ = (1.0-4.0) 10 ^-5 A / cm ² . On the remaining LEDs: 3 pcs. with U _p = 1.2 V, j ₁ = 2 · 10 ^-6 A / cm ² ; 4 things. with U _p = 0.2 V and j ₂ = (2.0-6.0) 10 ^-7 A / cm ² ; 5 pieces. with U _p = (0.6-0.8) V and j ₃ = (1.0-2.0) 10 ^-6 A / cm ² , these values according to the established criteria correspond to LEDs with a shortened service life.

На 80 светодиодах фирмы Cree измерены следующие значения параметров: U_п=(1.3-1.4) В; j₁=(1.0-4.0)10^-7 A/см²; j₂=(2.0-5.0)10^-8 А/см² и j₃=(1.0-4.0)10^-5 А/см². На остальных светодиодах: 4 шт. с U_п=1.3 В, j₁=(1.0-2.0)10^-6 A/см²; 3 шт. с U_п=0.5 В и j₂=(1.0-4.0)10^-7 А/см²; 2 шт. с U_п=(1.0-1.1) В и j₁=(1.0-2.0)10^-6 A/см².The following parameter values were measured on 80 Cree LEDs: U _p = (1.3-1.4) V; j ₁ = (1.0-4.0) 10 ^-7 A / cm ² ; j ₂ = (2.0-5.0) 10 ^-8 A / cm ² and j ₃ = (1.0-4.0) 10 ^-5 A / cm ² . On the remaining LEDs: 4 pcs. with U _p = 1.3 V, j ₁ = (1.0-2.0) 10 ^-6 A / cm ² ; 3 pcs. with U _p = 0.5 V and j ₂ = (1.0-4.0) 10 ^-7 A / cm ² ; 2 pcs. with U _p = (1.0-1.1) V and j ₁ = (1.0-2.0) 10 ^-6 A / cm ² .

Эти параметры превышают установленные критерии, что означает, что у этих светодиодов должен быть укороченный срок службы. Общее количество отбракованных светодиодов по предлагаемому способу: у фирмы Lumileds - 29 шт., у фирмы Cree - 20 шт.These parameters exceed the established criteria, which means that these LEDs should have a shortened service life. The total number of rejected LEDs by the proposed method: the company Lumileds - 29 pcs., The company Cree - 20 pcs.

Для проверки эффективности установленных критериев на всех светодиодах, в том числе отбракованных на 1-ой и последующей стадии, был проведен процесс старения в одном из принятых на фирме Lumileds режимах T_j=85°C, J=50 А/см² в течение 1000 часов [http://www.philipslumileds.com]. Измерения внешней квантовой эффективности после старения показали, что на светодиодах фирмы Lumileds 12 шт. перестали светить (т.е. произошли катастрофические отказы), на 11 шт.значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 28-30%, что более чем на 30% меньше исходных значений, на 6 светодиодах значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 35-37%, что более чем на 10% меньше исходных значений. Уменьшенные значения внешней квантовой эффективности по данным фирмы Lumileds свидетельствуют о пониженном сроке службы, меньше 30000 часов.To check the effectiveness of the established criteria at all LEDs, including those rejected at the first and subsequent stages, the aging process was carried out in one of the modes accepted at Lumileds T _j = 85 ° C, J = 50 A / cm ² for 1000 hours [http://www.philipslumileds.com]. Measurements of the external quantum efficiency after aging showed that 12 pcs on Lumileds LEDs. ceased to shine (i.e. catastrophic failures), by 11 pcs. the values of external quantum efficiency decreased to 28-30%, which is more than 30% less than the initial values, on 6 LEDs the values of the external quantum efficiency decreased to 35-37% , which is more than 10% less than the initial values. Reduced values of external quantum efficiency according to Lumileds indicate a reduced service life, less than 30,000 hours.

В результате общее число ненадежных светодиодов фирмы Lumileds с укороченным сроком службы - 29 шт., выявленных после долговременных испытаний, совпадает с количеством отбракованных по предлагаемому способу светодиодов после 100 часов старения.As a result, the total number of unreliable Lumileds LEDs with a shortened service life of 29 pcs., Identified after long-term tests, coincides with the number of LEDs rejected by the proposed method after 100 hours of aging.

После проведения той же процедуры на светодиодах фирмы Cree выявлено 7 светодиодов с катастрофическим отказом, 9 светодиодов с уменьшенной до (36-39)% внешней квантовой эффективностью, что более чем на 5% меньше исходных значений и по данным фирмы свидетельствует о пониженном сроке службы - меньше 50000 часов. Кроме того, на 4 шт. значения внешней квантовой эффективности уменьшились до 31%, что более чем на 30% меньше исходных значений.After carrying out the same procedure, 7 LEDs with a catastrophic failure, 9 LEDs with external quantum efficiency reduced to (36-39)%, which is more than 5% less than the initial values, are revealed by Cree LEDs, which indicates a reduced service life - less than 50,000 hours. In addition, 4 pcs. the values of external quantum efficiency decreased to 31%, which is more than 30% less than the initial values.

Результаты долговременных испытаний выявили такое же количество - 20 шт. светодиодов фирмы Cree с укороченным сроком службы, которое прогнозировалось предлагаемым способом по превышению установленных критериев после 100 часов старения.The results of long-term tests revealed the same amount - 20 pcs. Cree LEDs with a shortened service life, which was predicted by the proposed method for exceeding the established criteria after 100 hours of aging.

Проверка граничных значений параметров напряжений при прямом и обратном смещении (1.3-1.4) В путем проведения долговременных испытаний показала, что уменьшение значений напряжения ниже 1.3 В приводит к уменьшению значений тока, что делает метод неприменимым в массовом производстве, увеличение же верхнего граничного значения сопровождается значительным ростом значений тока для всех светодиодов, при этом ненадежные светодиоды слабо отличаются от надежных светодиодов. Проверка граничных значений времени проведения старения (95-100) часов путем проведения долговременных испытаний показала, что снижение времени не обеспечивает полного выявления всех ненадежных светодиодов по предложенным критериям, а увеличение времени старения свыше 100 часов не приводит к выявлению дополнительных ненадежных светодиодов.Checking the boundary values of the voltage parameters with forward and reverse bias (1.3-1.4) In through long-term tests showed that a decrease in voltage values below 1.3 V leads to a decrease in current values, which makes the method inapplicable in mass production, an increase in the upper boundary value is accompanied by a significant increase in current values for all LEDs, while unreliable LEDs differ only slightly from reliable LEDs. Checking the boundary values of the aging time (95-100) hours by means of long-term tests showed that reducing the time does not fully identify all unreliable LEDs according to the proposed criteria, and increasing the aging time over 100 hours does not lead to the identification of additional unreliable LEDs.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает решение поставленных задач. Он позволяет прямыми измерениями и за меньшие на порядки времена старения, а также более полно, чем способ-прототип, отбраковать ненадежные светодиоды с укороченным сроком службы меньше 50000 часов. Благодаря тому, что выбранные для контроля параметры отражают реальные свойства дефектной системы светодиодов, способ обеспечивает отбраковку ненадежных с укороченным сроком службы мощных InGaN/GaN светодиодов различных фирм-производителей (является более универсальным, чем известные способы), а также решает задачу ускорения процесса отбраковки светодиодов. Значительное снижение времени старения обеспечивает оперативность получения информации, что делает способ незаменимым при разработке технологии роста и сборки мощных InGaN/GaN светодиодов.Thus, the proposed method provides a solution to the tasks. It allows direct measurements and for orders of magnitude shorter aging times, as well as more fully than the prototype method, to reject unreliable LEDs with a shortened service life of less than 50,000 hours. Due to the fact that the parameters chosen for monitoring reflect the real properties of the defective LED system, the method provides the rejection of unreliable high-speed InGaN / GaN LEDs of various manufacturers (it is more universal than the known methods), and also solves the problem of accelerating the rejection process of LEDs . A significant reduction in the aging time ensures the speed of obtaining information, which makes the method indispensable in developing technology for the growth and assembly of powerful InGaN / GaN LEDs.

Claims

A method of rejecting high-power InGaN / GaN-based LEDs, including measurements at room temperature, in any sequence of voltage drop U _p on the LEDs when direct current flows with a density j = 10 ^-7 A / cm ² , current density j ₁ with a voltage bias of forward U _ave = (1.3-1.4) V, the current density j ₂ when the bias voltage in the reverse direction U _mod = (1.3-1.4) V, the current density j _mod ₃ at U = 5.0 V, after carrying out each measurement of the primary reject LEDs with values respectively U _p <1.2 V at j = 10 ^-7 A / cm ² , j ₁ > 10 ^-7 A / cm ^2, with U _ave = (1.3-1.4) In, j _2> 10 ^-7 A / cm ² for U = _mod (1.3-1.4) In, j _3> 5 × 10 ^-5 A / cm ² at U _mod = 5.0 V, the subsequent aging of the LEDs at a pn junction temperature of 100 ° C for (95-100) hours, the repeated measurements under the same conditions with the final rejection of unreliable LEDs, the rejection of the LEDs at U _pr = (1.3-1.4 ) B produce under condition j ₁ > 10 ^-6 A / cm ² .