Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода

Авторы патента:

H01L33/00 - Полупроводниковые приборы по меньшей мере с одним потенциальным барьером или с поверхностным барьером, предназначенные для светового излучения, например инфракрасного; специальные способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы таких приборов (соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42; полупроводниковые лазеры H01S 5/00; электролюминесцентные источники H05B 33/00)

Владельцы патента RU 2789118:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, согласно которому через светодиод пропускают электрический ток и при заданном значении постоянного тока из диапазона токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, измеряют мощность оптического излучения светодиода, при этом мощность оптического излучения светодиода измеряют при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I_k, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида по результатам аппроксимации определяют параметры m и q аппроксимирующей функции, и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при произвольном значении тока в заданном диапазоне рассчитывают по формуле Способ направлен на уменьшение аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения, а также обеспечивает расширение функциональных возможностей способа. 2 ил.

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

Важнейшим параметром светодиодов, определяющим их энергетическую эффективность, является внутренний квантовый выход, значение которого определяется как отношение числа фотонов, рожденных в активной области светодиода в единицу времени, к числу инжектированных в эту область электронов (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.).

Известен способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода (см., например, G. Chen et al. Performance of high-power III-nitride light emitting diodes // Phys. stat. sol. (a) 205, No. 5, 1086-1092 (2008)), состоящий в пропускании через светодиод при температуре жидкого гелия 4 К электрического тока для возбуждения электролюминесценции, в измерении токовой зависимости мощности оптического излучения светодиода и определении по токовой зависимости максимального значения внешней квантовой эффективности светодиода. Значение внутреннего квантового выхода светодиода определяют путем нормирования значения мощности излучения светодиода при заданной температуре к значению мощности излучения, соответствующему максимуму квантовой эффективности при температуре 4 К. При реализации этого способа полагается, что при температуре жидкого гелия безызлучательная рекомбинация пренебрежимо мала, и вся мощность электрического тока, пропускаемого через светодиод, расходуется на излучательную рекомбинацию.

Недостатком способа является сложность его аппаратной реализации, большая трудоемкость и время проведения точных измерений при температуре жидкого гелия.

Наиболее близким к предлагаемому и принятым за прототип является способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода по патенту №2740433 РФ. Способ состоит в том, что через светодиод пропускают электрический ток для возбуждения электролюминесценции и при двух значениях постоянного электрического тока I₁ и I₂, соответствующих диапазону роста на токовой зависимости внутренней квантовой эффективности светодиода, причем I₁<I₂, измеряют полные мощности Р₁ и P₂ оптического излучения светодиода, затем при каждом из этих значений тока через светодиод дополнительно пропускают переменный гармонический ток малой амплитуды I_m<I₁ и измеряют соответственно значения ƒ_3∂Б1 и ƒ_3∂Б2 граничной частоты модуляции электролюминесценции, и по полученным значениям полных мощностей P₁ и P₂ и граничных частот значения ƒ_3∂Б1 и ƒ_3∂Б2 модуляции электролюминесценции рассчитывают значение внутреннего квантового выхода η светодиода при токе I₁ и токе I₂.

Недостатком данного способа является значительные аппаратные затраты, трудоемкость и большое время измерения, обусловленное необходимостью измерения граничной частоты электролюминесценции при двух значениях прямого тока. Кроме того, этот способ позволяет определять значение внутреннего квантового выхода ц при двух значениях тока.

Техническая задача состоит в уменьшении аппаратных затрат, трудоемкости и времени измерения при реализации способа, а также в расширении функциональных возможностей способа.

Технический результат достигается заявленным способом.

Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток и при заданном значении постоянного тока из диапазона токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, измеряют мощность оптического излучения светодиода, отличающийся тем, что измеряют ватт-амперную характеристику светодиода путем измерения мощности оптического излучения светодиода Р_k при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I_k, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида по результатам аппроксимации определяют параметры m и q аппроксимирующей функции, и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при произвольном значении тока I в указанном диапазоне рассчитывают по формуле

Изобретение иллюстрируется фигурами. На фиг. 1 представлена токовая зависимость внутренней квантовой эффективности светодиода, на фиг. 2 показана нормированная зависимость экспериментальной ватт-амперной характеристики светодиода.

Сущность способа состоит в том, что при значениях электрического тока I_k, соответствующих диапазону роста внутренней квантовой эффективности светодиода на токовой зависимости (см. фиг. 1), механизмом Оже-рекомбинации в структуре светодиода можно пренебречь (см., например, A combined electro-optical method for the determination of the recombination parameters in InGaN-based light-emitting diodes / M. Meneghini, N. Trivellin et al. // Journal of Applied Physics 106, 114508 (2009)). В этом случае внутренний квантовый выход светодиода будет определяться только плотностью тока и комбинацией двух параметров (А и В) так называемой АВС-модели рекомбинации носителей заряда в структуре светодиода, которая, в свою очередь, может быть определена из функциональной зависимости мощности излучения от силы тока или по ватт-амперной характеристике.

Мощность излучения светодиода в общем случае определяется выражением (см., например, Шуберт, Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М: Физматлит, 2008. - 496 с.)

где η_extr - коэффициент вывода излучения; V - объем активной области; h - постоянная Планка; с - скорость света; λ - длина волны излучения; В - коэффициент излучательной рекомбинации; n - концентрация носителей заряда в активной области.

При отсутствии утечки носителей заряда из активной области полный ток светодиода I определяется через рекомбинационные параметры следующим образом:

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

При малых токах, при которых влиянием Оже-рекомбинации можно пренебречь, третье слагаемое в ABC модели обращается в ноль: Сn³≈0, и выражение (2) примет вид:

Из решения уравнения (3) получим выражение для концентрации носителей заряда:

где введено обозначение

Подставляем выражение (4) в формулу (1) получим выражение для токовой зависимости мощности излучения светодиода

где - масштабный коэффициент, определяющий уровень оптической мощности, a q - «параметр формы», определяющий кривизну ватт-амперной характеристики.

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

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

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

Соответственно при γ_inj≈1

Подставляя в (7) выражение (4) для концентрации носителей заряда, после простых преобразований получим окончательное выражение для токовой зависимости внутреннего квантового выхода светодиода:

Выражение (8), как уже отмечалось, справедливо только в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности на токовой зависимости.

Технический результат в виде уменьшения аппаратных затрат достигается за счет того, что при реализации заявляемого способа не требуется измерение граничной частоты электролюминесценции светодиода, поэтому исключается связанная с этими измерениями аппаратура. По этой же причине в заявляемом способе достигается уменьшение трудоемкости и времени измерения, поскольку исключается довольно длительный (до нескольких минут) и трудоемкий процесс измерения граничной частоты электролюминесценции светодиода. Следует отметить, что в предлагаемом способе предполагается измерение мощности излучения светодиода при нескольких значениях (рекомендуемое число этих значений ≥5) прямого тока, но это не приведет к заметному увеличению времени измерения, поскольку эти измерения проводятся в едином измерительном цикле без каких-либо дополнительных отключений и(или) подключений измерительной аппаратуры к контролируемому светодиоду.

Расширение функциональной возможности способа достигается за счет того, что в результате проведенных измерительных и вычислительных процедур значение внутреннего квантового выхода может быть определено не при двух заданных токах, а при любом произвольном значении тока в заданном диапазоне.

Способ измерения внутреннего квантового выхода светодиода, при котором через светодиод пропускают электрический ток и при заданном значении постоянного тока из диапазона токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, измеряют мощность оптического излучения светодиода, отличающийся тем, что измеряют ватт-амперную характеристику путем измерения мощности оптического излучения светодиода Р_k при нескольких произвольно выбранных значениях электрического тока I_k, находящихся в диапазоне токов, соответствующих росту внутренней квантовой эффективности светодиода, полученную экспериментальную ватт-амперную характеристику P_k(I_k) аппроксимируют методом наименьших квадратов функцией вида по результатам аппроксимации определяют параметры m и q аппроксимирующей функции, и значение внутреннего квантового выхода η светодиода при произвольном значении тока I в указанном диапазоне рассчитывают по формуле

Изобретение относится к оптонаноэлектронике, в частности к устройствам на основе квантовых молекул. Преобразователь лазерного излучения на основе квантовой молекулы в электрическом поле, содержащий базовый элемент, представляющий собой систему двух туннельно-связанных квантовых точек - квантовую молекулу, легированную D–– и A+–центрами, с квантовыми точками на основе GaAs радиусами 20 нм и 200 нм, с амплитудой потенциала конфайнмента 0,2 эВ и 0,35 эВ соответственно и длиной волны двухфотонной накачки λ=80 мкм, отличающийся тем, что квантовая молекула находится во внешнем электрическом поле ~2,5×106 В/м, посредством которого осуществляется управление интенсивностью лазерного излучения в диапазоне видимого света.

Функциональный элемент квантового излучателя // 2781531

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в квантовой криптографии, в системах передачи информации, квантовых вычислений или обработки данных, а также в качестве метрологического стандарта светового потока и для энергетики. Функциональный элемент квантового излучателя представляет собой нитевидный нанокристалл со структурой стержень-оболочка, выполненный из полупроводниковых материалов.

Светодиод белого света с композитным люминофором // 2780382

Изобретение относится к области электротехники, а именно к светодиоду с эмиссией белого света, и может быть использовано при изготовлении светодиодов в устройствах бытового и промышленного назначения. Снижение энергопотребления за счет использования композитного материала с высоким уровнем флуоресценции и повышение надежности устройства является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что светодиод выполнен с длиной волны эмиссии, составляющей 405 nm, корпус которого выполнен в форме типа "пуля", и снабжен покрытием из прозрачного полимера на основе полиуретана и этилацетата с нанесенным на него методом обсыпки мелкодисперсным флуоресцентным композитным материалам на основе нитрида углерода и оксида алюминия g-C3N4/Al2O3, при этом поверхностный слой прозрачного полимера защищает эмиссионное покрытие от механических повреждений.

Способ коллоидного синтеза квантовых точек бинарных полупроводников // 2774829

Изобретение относится к способу коллоидного синтеза квантовых точек бинарных полупроводников состава элементов М (металл) и Н (неметалл), включающему смешивание в стеклянной колбе-реакторе заранее приготовленных нагретых до определённой температуры растворов прекурсоров-элементов с такими концентрациями, чтобы в растворе в колбе-реакторе они были: первого прекурсора ММ и второго – МН, характеризующемуся тем, что используется общий для всех случаев несольватирующий для второго прекурсора растворитель, нагретый до температуры на 5-15 градусов ниже точки его кипения; концентрации прекурсоров выбраны в соотношении МН:ММ в пределах 0.01-0.1, подбираемом экспериментально из условия максимальной скорости, оцениваемой минимальным временем t, образования квантовых точек; исходный выдержанный нагретый раствор содержит первый прекурсор, а второй добавляется капельными порциями в нулевой точке отсчёта времени процесса; при этом смешивание проводится за время не более 0.1t.

Электрооптический конструктивный узел с отводом тепла, а также способ изготовления такого конструктивного узла // 2770597

Изобретение относится к электрооптическому конструктивному узлу и способу изготовления электрооптического конструктивного узла. Предложен конструктивный узел (1), состоящий по меньшей мере из одной базовой пластины (2), соединенной с ней обратной пластины (3) и электрооптического элемента (4).

Способ снижения вредного воздействия на человека излучения полноспектрального светодиодного светильника // 2765922

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД). За счет применения данной комбинированной технологии вырастает мощность излучения в диапазоне длин волн 490-510 нанометров (синий пик), поэтому при равных мощностных характеристиках светодиодного светильника одновременно снижается мощность излучения в диапазоне длин волн 400-470 нанометров.

Габаритная светодиодная лампа // 2756571

Изобретение относится к безцокольной габаритной светодиодной лампе и может использоваться в автомобильной технике для габаритных огней, подсветки номера, освещения салона. Техническим результатом является увеличение площади расположения светодиодов большой мощности при эффективном теплоотводе с помощью радиатора, чем обеспечивается больший срок службы лампы и возможность повышения светимости для габаритной светодиодной лампы.

Светоизлучающий диод на кремниевой подложке // 2755933

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно к светоизлучающим диодам. Светоизлучающий диод содержит подложку из кремния с нанесенным на нее слоем карбида кремния, на котором сформированы слои светоизлучающей структуры, и снабжен токоподводящими контактами.

Способ изготовления светоизлучающего диода // 2755769

Способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs включает формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs, травление световыводящей поверхности AlGaAs/GaAs по маске фронтального омического контакта и текстурирование по маске фронтального омического контакта световыводящей поверхности светоизлучающего диода жидкостным химическим селективным стравливанием контактного слоя GaAs гетероструктуры в травителе, содержащем гидроксид аммония (NH4OH), перекись водорода (H2O2) и деионизованную воду, и последующим травлением слоя AlGaAs гетероструктуры на глубину (0,8-1,1) мкм в травителе, содержащем фторид аммония (NH4F), фтороводород (HF), перекись водорода и деионизованную воду.

Многослойный материал для фотопроводящих антенн // 2755003

Изобретение относится к полупроводниковым материалам группы А3В5, используемым для изготовления фотопроводящих антенн для генерации или детектирования электромагнитных волн терагерцевого диапазона. Способ формирования материала для фотопроводящей антенны заключается в формировании многослойной структуры, состоящей из чередующихся слоев InGaAs/InAlAs, эпитаксиально выращенных при температуре 300-500°С на подложке GaAs или InP с ориентацией (100).