RU2740433C1 - Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода - Google Patents
Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740433C1 RU2740433C1 RU2020116923A RU2020116923A RU2740433C1 RU 2740433 C1 RU2740433 C1 RU 2740433C1 RU 2020116923 A RU2020116923 A RU 2020116923A RU 2020116923 A RU2020116923 A RU 2020116923A RU 2740433 C1 RU2740433 C1 RU 2740433C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- light
- led
- values
- internal quantum
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/2607—Circuits therefor
- G01R31/2632—Circuits therefor for testing diodes
- G01R31/2635—Testing light-emitting diodes, laser diodes or photodiodes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
Abstract
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. Сущность способа состоит в том, что возбуждение электролюминесценции светодиода осуществляют при двух значениях постоянного электрического тока I1 и I2, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I1<I2, при каждом из этих значений тока измеряют соответственно полные мощности P1 и Р2 оптического излучения светодиода, затем при каждом из этих значений тока через светодиод дополнительно пропускают переменный гармонический ток малой амплитуды Im<I1 и измеряют соответственно значения ƒ3∂Б1 и ƒ3∂Б2 граничной частоты модуляции электролюминесценции и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I1 и I2 рассчитывают по предложенным формулам. Преимущества изобретения состоят в уменьшении аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения при реализации способа. 1 ил.
Description
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 контроля внутреннего квантового выхода полупроводниковых светодиодных гетероструктур (ППСГ) на основе GaN по патенту РФ 2503024 (опубл. 27.12.2013, бюл. №36). Способ включает возбуждение катодолюминесценции ППСГ путем облучения пучком электронов в импульсном режиме с длительностью импульса от 10 нс до 400 нс с энергией электронов преимущественно 18 кэВ и выше. Электронный пучок, попадая на образец, проникает вглубь ППСГ, вызывая генерацию свободных носителей заряда в ППСГ. Межзонная рекомбинация носителей заряда в активной области приводит к излучению ППСГ, интенсивность которого измеряется в импульсном режиме (одна точка за импульс) при помощи спектрометрической системы на базе монохроматора, фотоэлектронного умножителя и осциллографа. Так как ионизационные потери не зависят от координаты, то абсолютное значение внутреннего квантового выхода η тестируемых ППСГ определяется при помощи эталонного образца ППСГ с известным абсолютным значением ηЭ внутреннего квантового выхода по формуле:
где I - измеренная интенсивность оптического излучения катодолюминесценции тестируемой ПСГС, IЭ - интенсивность оптического излучения катодолюминесценции эталонного образца.
Недостатками этого способа является сложность аппаратной реализации, большое время измерения (1500 импульсов электронных пучков) и необходимость наличия эталонного образца.
Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, состоящий в пропускании через светодиод при температуре жидкого гелия 4 К электрического тока для возбуждения электролюминесценции, в измерении токовой зависимости мощности оптического излучения светодиода и определении по токовой зависимости максимального значения внешней квантовой эффективности светодиода. Значение внутреннего квантового выхода светодиода определяют путем нормирования значения мощности излучения светодиода при заданной температуре на значение мощности излучения, соответствующее максимуму квантовой эффективности при температуре 4 К. При реализации этого способа полагается, что при температуре жидкого гелия безызлучательная рекомбинация в структуре светодиода пренебрежимо мала, и вся мощность электрического тока, пропускаемого через светодиод, расходуется на излучательную рекомбинацию (см., например, G. Chen et al. Performance of high-power III-nitride light emitting diodes // Phys. stat. sol. (a) 205, No. 5, 1086-1092 (2008)).
Недостатком способа является сложность его аппаратной реализации, большая трудоемкость и время проведения точных измерений при температуре жидкого гелия.
Техническая задача состоит в уменьшении аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения при реализации способа.
Технический результат достигается заявленным способом.
Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток для возбуждения электролюминесценции светодиода и измеряют мощность его оптического излучения, отличающийся тем, что возбуждение электролюминесценции светодиода осуществляют при двух значениях постоянного электрического тока I1 и I2, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I1<I2, при каждом из этих значений тока посредством интегрирующей сферы измеряют соответственно полные мощности P1 и P2 оптического излучения светодиода, затем при каждом из этих значений тока через светодиод дополнительно пропускают переменный гармонический ток малой амплитуды Im<I1 и измеряют соответственно значения ƒ3∂Б1 и ƒ3∂Б2 граничной частоты модуляции электролюминесценции, и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I1 рассчитывают по формуле:
Сущность способа состоит в том, что при значениях электрического тока I1 и I2, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода (см. пример на фиг. 1), механизмом Оже-рекомбинации в структуре светодиода можно пренебречь (см., например, A combined electro-optical method for the determination of the recombination parameters in InGaN-based light-emitting diodes / M. Meneghini, N. Trivellin et al. // Journal of Applied Physics 106, 114508 (2009)). В этом случае внутренний квантовый выход светодиода будет определяться только плотностью тока и двумя параметрами АВС-модели рекомбинации носителей заряда в ПСГС, которые, в свою очередь, могут быть выражены через интегральную мощность излучения и граничную частоту модуляции электролюминесценции. Теоретическое обоснование способа состоит в следующем.
При отсутствии утечки носителей заряда из активной области ПСГС выражение для внутреннего квантового выхода светодиода η в соответствии с ABC-моделью рекомбинации носителей заряда в гетероструктуре светодиода можно записать в виде:
где А - коэффициент безызлучательной рекомбинации по механизму Шокли-Рида-Холла; В -коэффициент излучательной рекомбинации; С - коэффициент Оже-рекомбинации; n -концентрация носителей заряда в активной области ПСГС, определяемая плотностью рабочего тока (М. Meneghini, N. Trivellin, G. Meneghesso, E. Zanoni, U. Zehnder, and B. Hahn, Journal of Applied Physics, 106,114508 (2009)).
В свою очередь (см., например, P. Tian, P.R. Edwards, М.J. Wallace et. al., Journal of Physics D: Applied Physics, 50, 075101 (2017)), с рекомбинационными коэффициентами А, В, С и концентрацией n носителей заряда в активной области связано дифференциальное время жизни носителей заряда τ:
При значениях тока, соответствующих участку роста внешней квантовой эффективности светодиода, влиянием Оже-рекомбинации можно пренебречь (Cn3≈0). В этом случае
Объединяя (3) и (4) и исключая коэффициент В, получим
то есть для нахождения внутреннего квантового выхода η светодиода необходимо определить значение коэффициента А АВС-модели рекомбинации носителей заряда и время жизни носителей заряда τ.
Полная мощность оптического излучения Р, выходящего их светодиода, зависит от коэффициента оптического вывода излучения ηextr и определяется выражением (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.):
где V - объем активной области, λ - длина волны излучения; h - постоянная Планка; с - скорость света в вакууме.
Поскольку коэффициент ηextr определяется только свойствами материалов, из которых изготовлен светодиод, и конструкцией светодиода и не зависит от тока, протекающего через светодиод, то для двух значений концентраций носителей заряда n1 и n2, соответствующих заданным значениям электрического тока I1 и I2 можно составить систему уравнений:
где Р1 и Р2 - полная мощность излучения светодиода, измеренная при токах I1 и I2 соответственно (причем I2>I1).
Решая систему уравнений (7) относительно коэффициента А, получим:
Подставляя (8) в (5), получим общее выражение для нахождения внутреннего квантового выхода η светодиода при произвольном значении тока I:
Поскольку дифференциальное время жизни носителей зарядаτ определяет граничную частоту ƒ3∂Б модуляции электролюминесценции светодиода (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М: Физматлит, 2008. - 496 с.):
то выражение (9) для внутреннего квантового выхода при произвольном токе I примет вид:
а, поскольку при I=I1 ƒ3∂Б =ƒ3∂Б1, то для нахождения значения η1 при значении тока, равном I1, после подстановки ƒ3∂Б =ƒ3∂Б1 в формулу (11) получим:
соответственно для нахождения значения η2 при токе I2 после подстановки ƒ3∂Б =ƒ3∂Б1 в формулу(11) получим
ƒ3∂Б1 и ƒ3∂Б2 - значения граничной частоты модуляции электролюминесценции, а Р1 и Р2 - значения полной мощности оптического излучения светодиода, при токах I1 и I2 соответственно.
Технический результат в виде уменьшения аппаратных затрат достигается за счет того, что при реализации заявляемого способа не требуется сложная криогенная аппаратура; измерения мощности излучения и граничной частоты электролюминесценции светодиода проводятся на стандартном общедоступном радиоизмерительном оборудовании в нормальных условиях по известным методикам. Уменьшение трудоемкости и времени измерения в заявляемом способе достигается за счет того, что не требуется длительной и трудоемкой процедуры подготовки криогенного измерительного оборудования, и не нужно проводить измерения мощности излучения светодиода при большом числе значений рабочего тока для получения токовой зависимости и определения максимума этой зависимости; в заявляемом способе достаточно измерить мощность излучения светодиода и граничную частоту электролюминесценции при двух значениях тока, что обычно занимает несколько минут.
Claims (5)
- Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток для возбуждения электролюминесценции и измеряют мощность оптического излучения светодиода, отличающийся тем, что возбуждение электролюминесценции светодиода осуществляют при двух значениях постоянного электрического тока I1 и I2, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I1<I2, при каждом из этих значений тока посредством интегрирующей сферы измеряют соответственно полные мощности Р1 и Р2 оптического излучения светодиода, затем при каждом из этих значений тока через светодиод дополнительно пропускают переменный гармонический ток малой амплитуды Im<I1, измеряют соответственно значения ƒ3∂Б1 и ƒ3∂Б2 граничной частоты модуляции электролюминесценции и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I1 рассчитывают по формуле:
- а при токе I2 по формуле:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020116923A RU2740433C1 (ru) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020116923A RU2740433C1 (ru) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2740433C1 true RU2740433C1 (ru) | 2021-01-14 |
Family
ID=74183798
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020116923A RU2740433C1 (ru) | 2020-05-12 | 2020-05-12 | Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2740433C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010101629A1 (en) * | 2009-03-01 | 2010-09-10 | Tau Science Corporation | High speed quantum efficiency measurement apparatus utilizing solid state lightsource |
CN202101838U (zh) * | 2011-01-10 | 2012-01-04 | 杭州远方光电信息股份有限公司 | 一种led内量子效率的测量装置 |
RU115500U1 (ru) * | 2012-01-10 | 2012-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА СВЕТОДИОДНЫХ GaN ГЕТЕРОСТРУКТУР |
RU2503024C2 (ru) * | 2012-04-03 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ GaN |
-
2020
- 2020-05-12 RU RU2020116923A patent/RU2740433C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010101629A1 (en) * | 2009-03-01 | 2010-09-10 | Tau Science Corporation | High speed quantum efficiency measurement apparatus utilizing solid state lightsource |
CN202101838U (zh) * | 2011-01-10 | 2012-01-04 | 杭州远方光电信息股份有限公司 | 一种led内量子效率的测量装置 |
RU115500U1 (ru) * | 2012-01-10 | 2012-04-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА СВЕТОДИОДНЫХ GaN ГЕТЕРОСТРУКТУР |
RU2503024C2 (ru) * | 2012-04-03 | 2013-12-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ GaN |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
G. Chen et al. Performance of high-power III-nitride light emitting diodes // Phys. stat. sol. (a) 205, 5, 1086-1092 (2008). * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Shaklee et al. | Direct determination of optical gain in semiconductor crystals | |
Vierheilig et al. | Beyond blue pico laser: development of high power blue and low power direct green | |
Wang et al. | High-efficiency diode lasers at high output power | |
KR101116840B1 (ko) | 광소자의 내부 양자 우물 효율을 측정하는 방법 및 장치 | |
Timmerman et al. | Carrier dynamics and excitation of E u 3+ ions in GaN | |
RU2740433C1 (ru) | Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода | |
Smowton et al. | Temperature-dependent threshold current in InP quantum-dot lasers | |
CN105866822A (zh) | 一种基于半导体激光器的x射线辐射场探测装置及方法 | |
KR101194349B1 (ko) | 광소자의 내부양자효율 및 재결합율을 산출하는 방법 | |
Kim et al. | Optical Gain Spectroscopy of a Semipolar {2021}-Oriented Green InGaN Laser Diode | |
RU2789118C1 (ru) | Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода | |
Scheibenzuber et al. | Dynamics of GaN-based laser diodes from violet to green | |
Hildebrand et al. | Investigations on unsaturated optical gain spectra of GaAs-GaAlAs-DHS lasers at above-threshold conditions | |
US20150323463A1 (en) | Method and device for measuring internal quantum efficiency of an optical element | |
Basrur et al. | The process and efficiency of ultraviolet generation from gallium nitride blue light emitting diodes | |
Mitsuno et al. | Activation process of GaAs NEA photocathode and its spectral sensitivity | |
RU2503024C2 (ru) | СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ GaN | |
RU2578051C1 (ru) | Способ определения времени межуровневой релаксации электрона в полупроводниковых квантовых точках на основе гетероперехода первого рода | |
Cingolani et al. | Direct and indirect electron-hole plasmas in gallium selenide | |
Schwarz | Emission of biased green quantum wells in time and wavelength domain | |
Frolov et al. | Measurement of the internal quantum efficiency of emission in the local region of the LED chip | |
Sergeev et al. | Measurement of the Dynamic Characteristics of Separate Spectral Bands of the LEDs Electroluminescence Spectra | |
Karl et al. | Interplay of different photoluminescence degradation mechanisms in InGaAlP light emitting diode structures investigated by intense laser excitation | |
Tomašiūnas et al. | Differential Charge Carrier Lifetime Investigated in a Blue InGaN LED at Operational Conditions | |
Wood et al. | Electron transport in AlGaInP quantum well lasers |