Способы и средства измерения пороговых и предельных динамических параметров электролюминесценции светодиодов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Радаев Олег Александрович

• Радаев Олег Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Радаев Олег Александрович

Введение

Глава 1 Методы и средства измерения пороговых и динамических характеристик светодиодов, и их связь с качеством и надежностью изделий

1.1 Принцип работы, конструкция и основные характеристики светодиодов

1.1.1 Принцип работы и конструкция светодиодов

1.1.2 Основные характеристики и параметры светодиодов

1.2 Методы и средства измерения электрических и энергетических характеристик светодиодов

1.2.1 Нормативные требования к измерению характеристик светодиодов

1.2.2 Измерение электрических характеристик светодиодов

1.2.3 Измерение ватт-амперных характеристик светодиодов

1.3 Особенности характеристик светодиодов в области малых токов

1.4 Пороговые параметры светодиодов

1.5 Граничная частота электролюминесценции светодиодов при малых токах

Выводы

Глава 2 Способ и установка для измерения порогового тока светодиодов

2.1 Анализ требований к средствам измерения порогового тока светодиодов ... 41 2.1.1 Требования к источнику тока

2.1.3 Анализ фотодетекторов и их метрологических характеристик

2.1.4 Анализ фотоприемных устройств и их метрологических характеристик

2.2 Установка для измерения ватт-амперной характеристики

светодиодов в диапазоне малых токов

2.2.1 Структурная схема установки

2.2.2 Прецизионный источник тока

2.2.3 Трансимпедансный усилитель

2.2.4 Управляющая программа

2.3 Принцип и способ измерения порогового тока светодиодов

2.3.1 Аппроксимация ватт-амперной характеристика светодиода

2.3.2 Анализ функций, аппроксимирующих ватт-амперную

характеристику в диапазоне малых токов

2.4 Исследование зависимости значения порогового тока

от характеристик фотоприемных устройств

2.5 Оценка инструментальной погрешности установки для измерения

порогового тока светодиодов

2.5.1 Оценка погрешности установки тока источника тока

2.6 Оценка случайной погрешности определения порогового тока светодиода

Выводы

Глава 3 Анализ составляющих погрешности измерения граничной частоты электролюминесценции светодиодов

3.1 Погрешность измерения граничной частоты электролюминесценции светодиодов, обусловленная нелинейностью ватт-амперной характеристики

3.2 Погрешность измерения граничной частоты электролюминесценции светодиодов с учетом аддитивного шума фотоприемника

3.3 Связь порогового и граничной частоты модуляции СИД

Выводы

Глава 4 Оценка качества и надежности СИД по пороговому току и граничной частоте электролюминесценции

4.1. Связь порогового тока с дефектностью светоизлучающих гетероструктур

4.2 Связь порогового тока светодиодов с параметрами НЧ-шума светодиодов

4.3 Контроль качества светодиодных матриц по пороговому току

4.4 Измерение порогового тока в локальных областях кристалла светодиода

4.5 Пороговый ток отдельных спектральных составляющих

спектра излучения InGaN светодиодов

Выводы

Глава 5 Результаты исследовательских испытаний светодиодов

5.1 Изменение порогового тока и граничной частоты электролюминесценции при токовых испытаниях

5.2 Изменение динамических характеристик спектра электролюминесценции 1иОаК светодиодов при токовых испытаниях

5.3 Результаты испытаний светодиодных матриц

5.4 Сравнение эффективности отбраковки потенциально ненадежных

светодиодов по пороговому току и прямому падению напряжения

Выводы

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение A

Приложение Б

Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Способы и средства измерения пороговых и предельных динамических параметров электролюминесценции светодиодов»

Введение

Актуальность темы. Светоизлучающие диоды (светодиоды, СИД) находят все более широкое применение в системах индикации, подсветки, навигации, передачи информации и др. Несмотря на постоянное совершенствование технологий изготовления светоизлучающих гетероструктур (СГС) одной из ключевых проблем остается снижение энергетической эффективности и деградация электрооптических характеристик светоизлучающих приборов на их основе при эксплуатации.

С целью повышения физической и функциональной надежности технических устройств и систем с использованием СИД активно разрабатываются способы и средства неразрушающего контроля их качества и оценки надежности. Ведется активный поиск и исследование характеристик и параметров СИД, чувствительных к дефектам СГС. В качестве диагностических параметров в работах Никифорова С.Г., Бочкаревой Н.И., Маняхина Ф.И., Зубкова В.И., Толбанова О.П. и др. предлагаются параметры вольт-амперных (ВАХ) и вольт-фарадных (ВФХ) характеристик СИД. В работах Карповича И.А., Барановского М.В., Глинского Г.Ф., Сергеева В.А., Li Q., Liu L., Wang W и др. для контроля качества и однородности ГСС предлагается использовать параметры фотоотклика. Большое число работ посвящено исследованию тепловых и шумовых характеристик СИД.

В работах А.В. Градобоева, Е.И. Шабуниной, Н.М. Шмидт, С. Румянцева, S. Sawyer, M. Meneghini, X. Cao показано, что наиболее чувствительными к дефектам СГС являются параметры СИД, измеренные в области малых токов, такие как пороговый ток и граничная частота модуляции электролюминесценции СИД. Сложность и особенности измерения этих параметров в области малых токов определяются необходимостью преобразования слабого оптического излучения в электрический сигнал, принципиальной невозможностью разделения постоянной и переменной составляющей оптического излучения, малостью полезных электрических сигналов и сложностью их выделения на фоне сигналов постоянного уровня.

Так называемый пороговый ток или ток появления свечения в работах Н.С. Аверкиева, М.Е. Левинштейна, П.В. Петрова, Carlo De Santi, Matteo Buffolo, Nicola Renso и др. определялся по минимальной мощности излучения СИД, которая могла быть зарегистрирована используемым в работе фотоприемником. При этом объективный параметр СИД оказывается зависимым от пороговой чувствительности фотоприемника, а оценки погрешностей измерения этого параметра в литературе не приводятся.

При измерении граничной частоты электролюминесценции через СИД пропускают сумму постоянного и гармонического тока малой амплитуды и регистрируют переменную составляющую оптического излучения фотоприемным устройством. При регистрации слабых оптических сигналов большое влияние на результат измерений оказывают аддитивные шумы фотоприемника, а при увеличении амплитуды переменной составляющей тока возникают нелинейные искажения, обусловленные нелинейностью ВАХ и ватт-амперной (ВтАХ) характеристик СИД и вносящие погрешности в результат измерений.

Таким образом, для повышения достоверности оценки функциональных возможностей, качества и надежности СИД необходимо повышать точность измерения порогового тока и граничной частоты электролюминесценции.

Цель работы - повышение точности и достоверности измерения порогового тока и граничной частоты электролюминесценции СИД в диапазоне малых токов для задач диагностики их качества и прогнозирования надежности.

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

1. Обзор и анализ известных способов и средств измерения статических и динамических параметров электролюминесценции СИД при малых токах.

2. Разработка способа объективного определения значения порогового тока СИД, не зависящего от чувствительности фотоприемного устройства.

3. Разработка экспериментальной автоматизированной установки для измерения ВтАХ СИД в диапазоне малых токов и определения порогового тока по результатам их измерения.

4. Анализ и оценка составляющих погрешности измерения граничной частоты электролюминесценции СИД при малых токах в зависимости от уровня тестового сигнала, обусловленных нелинейностью ВтАХ и влиянием шума фотоприемного устройства.

5. Проведение испытаний СИД под действием токовых нагрузок для выявления корреляционных связей значений пороговых токов и граничных частот электролюминесценции с качеством СГС и темпом деградации оптической мощности при испытаниях.

Методы исследований. При выполнении работы использовались методы теории погрешностей, теории радиотехнических цепей и сигналов, методы спектрального анализа, физики полупроводниковых приборов. При разработке программного обеспечения использовался язык программирования С#. Обработка результатов эксперимента осуществлялась с использованием стандартных программ MS Office, MatLAB и оригинальных программ, разработанных в среде визуального программирования LabView.

Научная новизна работы.

1. Разработан защищенный патентом на изобретение способ определения порогового тока СИД по результатам измерения и аппроксимации его ВтАХ независимый от чувствительности фотоприемного устройства с погрешностью не более 5%; разработанный способ применим для измерения порогового тока отдельных кристаллов светодиодных матриц.

2. Установлено, что погрешность определения порогового тока СИД при

отношении сигнал/шум 35 дБ в 2,7 раза меньше, чем при аппроксимации ВтАХ общепринятой функцией вида Р(1) = Р0^(1/Ь)ь

3. Получено выражение для определения значения амплитуды гармонического сигнала, при котором суммарная относительная погрешность измерения граничной частоты электролюминесценции СИД, обусловленная

аппроксимации его ВтАХ функцией вида

при

влиянием шума фотоприемного устройства и нелинейностью ВтАХ СИД, принимает минимальное значение.

4. Установлена связь порогового тока со степенью дефектности структуры СИД. Показано, что при испытаниях в режиме постоянного тока СИД с большими значениями порогового тока деградируют быстрее. Коэффициент корреляции между значениями порогового тока СИД и темпом спада мощности составляет 0,9.

5. Показано, что при отбраковке потенциально ненадежных СИД, склонных к ускоренной деградации, по пороговому току вероятность ошибки второго рода в 1,7 раза меньше, чем при отбраковке по прямому падению напряжения.

Практическая значимость работы.

1. Способ и установка для измерения порогового тока СИД могут быть использованы для разделения СИД по уровню дефектности на входном контроле на предприятиях-изготовителях продукции с использованием СИД и светодиодных матриц.

2. При отбраковке СИД по пороговому току вероятность ошибок второго рода (пропуска потенциально ненадежных приборов) в 1,7 раз меньше, чем при отбраковке известным способом по прямому падению напряжения. Использование методики отбраковки потенциально ненадежных СИД по пороговому току на стадии входного контроля позволяет повысить надежность светотехнических устройств на основе СИД.

3. Экспериментальные результаты исследования изменений пороговых токов и граничных частот электролюминесценции СИД под действием внешних факторов использованы для разработки способа определения СИД, склонных к ранней деградации.

4. Установка для измерения порогового тока СИД, реализующая способ измерения по патенту № 2807500 РФ, внедрена на входном контроле АО «Ульяновское конструкторское бюро приборостроения».

5. Результаты диссертационной работы использованы в Ульяновском филиале Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова Российской

академии наук при проведении исследований по тематическому плану НИР и выполнении проектов «Диагностика дефектности светоизлучающих InGaN/GaN гетероструктур по параметрам пространственной неоднородности динамических характеристик электролюминесценции» (РФФИ, проект №19-07-00562, 2019-2021 годы), «Модификация электрофизических и оптических характеристик светодиодов под воздействием импульсов тока повышенной плотности и импульсного лазерного излучения» (РФФИ, проект №19-47-730002, 2019-2022 годы), «Исследование механизмов деградации светоизлучающих InGaN/GaN наногетероструктур под действием токовых и температурных нагрузок» (РФФИ, проект № 16-32-60051, 2016-2018 годы), «Диагностика качества гетеропереходных InGaN/GaN и AlGaN/GaN светодиодов методами динамической фотоэлектрической спектроскопии» (РФФИ, проект №16-47-732159). Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на радиотехническом факультете Ульяновского государственного технического университета при проведении занятий по дисциплинам «Элементы и устройства оптоэлектроники» и «Оптические измерения», а также при выполнении НИР по проекту FEUF-2023-0003 Ульяновского государственного университета "Развитие перспективных нелинейно-оптических подходов к разработке генераторов излучения специальных диапазонов для использования в биофотонике, медицине и сенсорика".

Практическая значимость работы подтверждена актами об использовании и внедрении результатов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Аппроксимация ВтАХ СИД в диапазоне малых токов функциями вида Р(1) = F[ak, (I-Ith)\, где Ith - параметр функции, позволяет получить объективную оценку значения порогового тока СИД независимо от шумов и чувствительности фотоприемного устройства путем экстраполяции функции Р(1) до значения P=0.

2. Аппроксимация ВтАХ СИД, измеренной в диапазоне малых токов,

функцией вида

позволяет определить значение

порогового тока с наименьшей погрешностью по сравнению общепринятой функцией.

3. Погрешность измерения граничной частоты электролюминесценции СИД в диапазоне малых токов зависит от амплитуды тестового гармонического сигнала. Существует значение амплитуды, при котором суммарная относительная погрешность измерения граничной частоты электролюминесценции СИД, обусловленная влиянием шума фотоприемного устройства и нелинейностью ВтАХ, принимает минимальное значение. При увеличении амплитуды тестового сигнала на 10% относительно амплитуды, при которой достигается минимум суммарной погрешности, увеличение погрешности составляет порядка 1%.

4. Значение порогового тока определяется степенью дефектности гетероструктуры СИД, сильно коррелирует (г=0,9) с темпом спада мощности их излучения в процессе испытаний и может использоваться в качестве диагностического и прогнозирующего параметра. СИД, значения порогового тока которых меньше среднего значения в выборке, характеризуются меньшими концентрациями дефектов в активной области и меньшим темпом спада мощности излучения при токовых испытаниях.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (г.Ульяновск, 2015 - 2023 гг.), Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (г. Саратов, 2015 - 2023 гг.), международной школе-конференции "Saint-Petersburg OPEN" (г.Санкт-Петербург, 2016 - 2024 гг.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (г. Саратов, 2018, 2020, 2022 гг.), Международная научно-техническая конференция INTERMATIC (г.Москва, 2013-2018 гг.); Международной конференции и молодежной школе «Информационные технологии и нанотехнологии» (ИТНТ) (г.Самара, 2022, 2023 гг.).

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы, включая разработку способа и методики определения порогового тока СИД, расчеты погрешностей измерения граничной частоты электролюминесценции при малых токах, разработку измерительных установок и проведение измерений, получены автором лично. Обсуждение и интерпретация экспериментальных результатов проводились при его непосредственном участии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ, в том числе: 4 работы в изданиях из перечня ВАК, 11 работ в изданиях, индексируемых в WoS и Scopus, 17 работ в прочих изданиях, получено 3 патента на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 118 наименований, трех приложений. Общий объем диссертации составляет 132 страницы, включая 14 таблиц и 60 рисунков.

Глава 1 Методы и средства измерения пороговых и динамических характеристик светодиодов, и их связь с качеством и надежностью изделий

1.1 Принцип работы, конструкция и основные характеристики светодиодов

Светоизлучающий диод - это полупроводниковый прибор с р-п переходом или гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в световую [1-4]. Преобразование энергии из одного вида в другой происходит в результате излучательной рекомбинации носителей заряда в полупроводниковой структуре. В условиях теплового равновесия число актов излучательной рекомбинации равно числу актов поглощения фотонов равновесного теплового излучения. Поэтому структура излучает ровно столько фотонов (и той же энергии), сколько поглощает из окружающего пространства. Для того, чтобы излучение преобладало над поглощением, необходимо создать избыточную над равновесной концентрацию электронно-дырочных пар, что достигается путем пропускание прямого тока через р-п переход [1-3].

При приложении прямого смещения потенциальный барьер в р-п переходе понижается и электроны из п-области инжектируются в ^-область, а дырки из р-области - в п-область (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 - Энергетическая диаграмма обычного (гомогенного) р-п перехода при прямом смещении V; наклонными стрелками показана инжекция электронов и дырок; вертикальными - рекомбинация электрона и дырки [4]

1.1.1 Принцип работы и конструкция светодиодов

Инжектированные электроны и дырки рекомбинируя отдают свою энергию либо квантам света (излучательная рекомбинация), либо тепловым колебаниям решетки (фононам) или другим электронам (безызлучательная рекомбинация). Излучательная рекомбинация при пропускании прямого тока через р-п переход называется инжекционной электролюминесценцией. Вероятность излучательной рекомбинации пропорциональна концентрации электронно-дырочных пар, поэтому наряду с увеличением концентраций основных носителей в р- и п-областях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет рекомбинация. В обычных р-п переходах эта толщина не может быть меньше диффузионной длины. Эту задачу Ж. И. Алфёрову с сотрудниками удалось решить путем создания гетероструктур из различных полупроводниковых соединений [5]. На рисунке 1.2 показана энергетическая диаграмма гетероструктуры, в которой между внешними р-и п-областями широкозонных полупроводников с шириной запрещенной зоны Eg2 и Egз расположен тонкий слой узкозонного полупроводника с шириной запрещенной зоны Egl и толщиной d порядка сотен или десятков атомных слоев.

Помимо потенциального барьера обычного р-п перехода в гетеропереходе на гетерограницах слоя образуются потенциальные барьеры для электронов АЕС и

активная область

\ ЧСа,.^

Рисунок 1.2 - Энергетическая диаграмма р-п 1иОаК/АЮаК/ОаК

гетероструктуры при прямом смещении

дырок АЕу. При прямом смещении перехода возникнет инжекция электронов и дырок с обеих сторон в узкозонный слой. При этом электроны будут стремиться занять положения с наименьшей энергией, опускаясь на дно потенциальной (квантовой) ямы в слое, а дырки устремятся вверх - к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии. Широкозонные слои гетероперехода можно сильно легировать, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей, и даже не легируя узкозонную область примесями достигать при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных пар в этом слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в квантовые ямы (КЯ), инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер АЕС, дырки - на барьер АЕу и оказываются запертыми в КЯ, перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.

Конструкции маломощного и мощного СИД показаны на рисунке 1.3.

а)

б)

Рисунок 1.3 - Конструкция и внешний вид светодиодов: а) маломощный индикаторный светодиод; б) мощный для светодиодного освещения [6]

Кристалл мощного СИД со светоизлучающей гетероструктурой монтируется на кристаллодержателе с рефлектором и закрывается выпуклой прозрачной силиконовой линзой для формирования нужного телесного угла излучения.

Кристаллдержатель отводит тепло от активной области. Добавляя в материал линзы люминофоры формируют излучение нужного спектрального состава.

Кристалл маломощного СИД монтируется на дне алюминиевого отражателя в форме миниатюрной тарелки. Эта конструкция вместе с токоведущими выводами размещается в цилиндре из прозрачной пластмассы со сферическим торцом, что обеспечивает и защиту кристалла, и формирование светового потока.

В 1989 г. С. Накамура при исследовании пленок нитридов элементов III группы, выращенных методом газофазной эпитаксии из металл-органических соединений, путем подбора режимов легирования буфферных слоев Mg и 7п получил слои ^-типа с большой концентрацией дырок в GaN-гетероструктурах [6, 7]. По этой технологии в настоящее время изготавливаются многослойные светоизлучающие гетероструктуры GaN/Gal-xInxN с нелегированными активными слоями Gal-xInxN толщиной до 2-3 нм и СИД на их основе.

Спектр излучения СИД и эффективность преобразования электрической энергии в световую определяются энергетической диаграммой гетероструктуры, типом и концентрацией примесей и конструкцией СИД. Современные СИД на основе соединений АШБУ, А11БУ1 и А1УБУ1 и их твердых растворов, перекрывают спектральный диапазон длин волн от 0.26 мкм до 4.5 мкм.

В сверхтонких слоях энергетический спектр электронов и дырок зависит от толщины слоя, и регулировать цвет свечения можно, изменяя не состав полупроводника, а толщину КЯ [6, 7], однако при выращивании необходимо обеспечивать на границах минимальное число дефектов.

1.1.2 Основные характеристики и параметры светодиодов

Как и у обычных полупроводниковых диодов электрические свойства СИД принято описывать ВАХ и ВФХ характеристиками, вид которых определяется топологией светоизлучающей гетероструктуры. Для измерения ВАХ и ВФХ СИД применяют такие же методы и средства измерения, как и для обычных диодов [810].

Свойства излучения СИД описывают спектральной характеристикой, диаграммой направленности и ватт-амперной характеристикой [11]. Наряду с энергетическими величинами для описания свойств СИД используют фотометрические характеристики [8,10-12].

Таблица 1.1 - Энергетические и фотометрические величины излучения СИД

Энергетические параметры Определение Формула Световые параметры

Название и обозначение Единица измерения Название и обозначение Единица измерения

Поток (мощность) излучения Фе Вт Скорость переноса энергии излучения Ф _ йЯ. е й Световой поток Фи лм

Сила Излучения 1е Вт/ср Поток в единице телесного угла 1 _ й ф. й О Сила света 1и кд=лм/ср

Спектральная характеристика отражает зависимость спектральной плотности мощности излучения СИД от длины волны (рис. 1.4 а).

Центральная длина волны излучения ко - длина волны, соответствующая максимальной спектральной плотности мощности излучения СИД.

Ширина спектра излучения Акт - интервал длин волн, в котором спектральная плотность мощности излучения СИД составляет не менее половины максимальной. Типичные значения ширины спектра излучения Акт для современных СИД составляют несколько десятков нанометров.

Диаграмма направленности (рис. 1.4 б) отражает зависимость силы излучения СИД от направления излучения.

Угол излучения 0 - плоский угол, содержащий фотометрическую ось СИД и образуемый направлениями, в которых сила излучения составляет не менее половины максимальной. Типичные значения углов излучения 0 для современных СИД составляют от 10 до 60°.

а) б)

Рисунок 1.4 - Относительная спектральная характеристика (а) и диаграмма

направленности (б) светодиода [11]

Ватт-амперная характеристика отражает зависимость выходной мощности излучения СИД от тока. Измерить ватт-амперную характеристику СИД достаточно сложно, так как СИД имеет широкую диаграмму направленности, и на практике вместо ватт-амперной характеристики часто используют токовую зависимость силы света в максимуме диаграммы направленности СИД (рис. 1.5).

Современные СИД на основе гетероструктур АШБУ имеют силу света порядка десятков и сотен кандел. В общем случае увеличение температуры ведет к уменьшению мощности излучения СИД.

Сила тока

Рисунок 1.5 - Токовые характеристики силы света (условно) в максимуме диаграммы направленности светодиода при различных температурах [11]

К основным параметрам СИД относятся:

• Inp.max - максимально допустимый постоянный прямой ток, при котором обеспечивается заданная надежность при длительной работе;

• In.max - максимально допустимый импульсный прямой ток, при котором обеспечивается заданная надёжность при длительной работе;

• Ризл - мощность излучения, измеряемая в ваттах, Вт;

• Ризли - импульсная мощность излучения - амплитуда светового потока, излучаемого в импульсе;

• иоБР. max - максимально допустимое обратное напряжение;

• 1нр.изл и Ъсп.изл - время нарастания и время спада излучения - интервал времени с момента включения или выключения тока, в течение которого мощность излучения СИД меняется от 0,1 до 0,9 или от 0,9 до 0,1 максимального значения. Современные СИД обладают достаточно высоким быстродействием; излучение нарастает и спадает за время порядка 10-8 с.

Важнейшим параметром СИД является коэффициент преобразования электрической энергии в световую (к.п.д.), который определяется отношением выходной мощности излучения Рвыгх к мощности, подаваемой на СИД Рвх:

Р N • hv

к.п.д. = = N^hvv (11)

Рвх IU ' ( )

где Иф - число фотонов, излучаемых СИД в единицу времени; I, U - ток и напряжение на СИД, соответственно.

Учитывая, что I = eNB, где e - заряд электрона; Nb - число электронов или дырок, прошедших через СИД в единицу времени, получим

Р N •V

к.п.д. = РвыХ = hv (12)

РВХ qUN К 9

Величина

^ = ^ (1.3)

N В

называется внешней квантовой эффективностью СИД.

Поскольку часть образованных в кристалле СИД фотонов задерживается внутри конструкции СИД из-за поглощения и отражения от поверхностей, то внешняя квантовая эффективность СИД всегда меньше внутренней квантовой эффективности, равной

^ = ^, (1.4)

^ В

где Ыфв - число фотонов, появляющихся внутри кристалла.

Таким образом, внутренняя квантовая эффективность определяется свойствами гетероструктуры в области излучательной рекомбинации, а внешняя квантовая эффективность и к.п.д. являются параметрами, отражающими не только свойства гетероструктуры, но и конструкцию СИД.

С увеличением температуры сила света СИД, в связи с уменьшением вероятности излучательных переходов, уменьшается и в рабочем диапазоне температур (от минус 60 до +40 °С) яркость может изменяться в 2-3 раза. Потому важными параметрами, особенно для мощных СИД, являются тепловые параметры - тепловое сопротивление переход корпус и температурные коэффициенты мощности излучения и сдвига спектра [1, 8, 13]

1.2 Методы и средства измерения электрических и энергетических

характеристик светодиодов 1.2.1 Нормативные требования к измерению характеристик светодиодов

В настоящее время нормативные требования сформулированы в ГОСТах применительно к измерению характеристик СИД, используемых в светодиодных лампах и светильниках [14-19], и главным образом, в отношении фотометрических и колориметрических характеристик. Общие требования к измерительному оборудованию для измерений характеристик СИД сводятся к следующим:

- измерительное оборудование должно обеспечивать стандартные условия, соответствующие заданным условиям эксплуатации испытуемого устройства;

- погрешность измерений должна быть не более определенного значения, например, для вольтметров и амперметров - не более 0,1-0,2%;

- оборудование должно быть расположено таким образом, чтобы минимизировать влияние постороннего и рассеянного света.

В отношении измерения характеристик СИД, используемых в специальных системах, например бортового осветительного оборудования, единые требования не установлены.

В России широкое применение СИД в различных, в том числе и в специальных областях техники, сдерживается следующими факторами [19]:

- отсутствуют методы входного контроля основных характеристик;

- не существует четкой классификации СИД;

- нет общих технических требований к СИД.

В этих условиях различные лаборатории разрабатывают собственное измерительное и испытательное оборудование. До сих пор в России нет понятий, определяющих работоспособность СИД, даже, если СИД деградировал на 50 %, он все равно еще считается работоспособным. За рубежом при контроле качества светодиодной продукции руководствуются стандартами ISO-9001 и LM-79. Новая редакция стандарта светодиодного твердотельного освещения ANSI/IES LM-79-24 установила очередное повышение отраслевых норм [20] при измерении как оптических, так и электрических параметров СИД. Оптические параметры включают в себя общий световой поток, световую эффективность (лм/Вт), распределение интенсивности света, координаты цветности, цветовую температуру, индекс цветопередачи, световую эффективность и другие. Электрические параметры включают среднеквадратичные значения переменного напряжения и переменного тока, активную мощность переменного тока, гармоническое искажение тока, частоту напряжения, постоянное напряжение, постоянный ток, мощность постоянного тока и другие, обеспечивая точную оценку производительности продукта при электрическом приводе. Эти параметры

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Радаев Олег Александрович, 2025 год

Источник тока

измерителя порогового тока

Рисунок 4.6 - Структурная схема аппаратно-программного комплекса

Измерения профилей распределения порогового тока по площади кристалла СИД проводились при комнатной температуре в следующем порядке. СИД размещался на предметном столике микроскопа. Через СИД поочередно пропускали ток заданного уровня и регистрировали изображения кристалла. Спектральный диапазон чувствительности камеры FL-20BW составляет 300 -1100 нм, максимум чувствительности достигается на длине волны излучения 495 нм. При измерениях время экспозиции устанавливалось в диапазоне от 300 мс до 3600 с. Монохромные изображения с разрешением 5472x3648 пикселей и разрядностью 16 бит, полученные камерой, сохранялись в памяти компьютера. Затем проводился попиксельный расчет значения порогового тока путем аппроксимации полученных зависимостей мощности излучения от тока отдельного пикселя изображения. На рисунке 4.7 приведен пример профиля распределения тока Ith по площади кристаллов исследованных СИД.

Распределение тока Ith по кристаллу исследованных СИД неравномерное. Среднее значение порогового тока зеленого СИД составляет 58 нА, а в локальных областях ток Ith достигает 80 нА. Среднее значение порогового тока синего СИД составляет 11 нА, тогда как в локальных областях ток Ith достигает 30 нА.

а) б)

Рисунок 4.7 - Профили распределения порогового тока Ith по кристаллу зеленого светодиода XRCGRN-L1-0000-00M01 (а) и синего светодиода

XRCBLU-L1-0000-00G01 (б)

Для оценки степени однородности профилей распределения рассчитывались средние значения порогового тока по площади кристалла, стандартное отклонение от и коэффициент k = Si/S, где Si - площадь кристалла, в пределах которой значения порогового тока превышают среднее значение; S - площадь кристалла. Согласно полученным оценкам, для синего СИД значение коэффициента к составляет 0,33, а для зеленого - 0,21. Это означает, что распределение порогового тока по площади кристалла зеленого СИД более однородное, чем распределение по площади кристалла синего СИД, у которого значительную часть площади составляют области со значениями порогового тока, существенно превосходящего среднее значение.

4.5 Пороговый ток отдельных спектральных составляющих спектра излучения InGaN светодиодов

В качестве объектов исследования использовались коммерческие СИД на основе InxGa1-xN/GaN гетероструктуры ультрафиолетового (УФ) (Amax = 363 нм, x = 0,02), голубого (Amax = 465 нм, x = 0,19) и зеленого (Amax — 525 нм, x — 0,38) свечения.

Спектры излучения светодиодов при нескольких значениях малых токов (100 - 1000 нА для голубых и зеленых и 25 - 70 мкА для УФ СИД) измерены спектрометром Ocean Optics USB 2000, имеющим разрешающую способность 1,5

нм [102, 103]. Время экспозиции оптического сигнала устанавливалось в диапазоне 100 мс - 5 с. Из полных спектров излучения программно выделялись составляющие на разных участках спектра с шагом 5 нм и строились ватт-амперные характеристики. Для определения порогового тока Ith использовалась разработанная методика. Результаты измерений пороговых токов отдельных спектральных составляющих исследованных СИД приведены на рисунке 4.8.

а)

б)

в)

Рисунок 4.8 - Результаты измерений порогового тока фиолетового (a), голубого (б) и зеленого (в) светодиодов на разных участках спектра излучения

Для всех исследованных СИД пороговый ток длинноволновых составляющих спектра больше, чем пороговый ток коротковолновых составляющих. Относительная разница значений порогового тока спектральных составляющих коротковолнового и длинноволнового крыла спектра излучения по уровню половинной мощности излучения составляет для ультрафиолетовых 2.8%, для голубых - 4.4 %, для зеленых - 25.7 %.

Для объяснения полученных результатов рассмотрим модель формирования спектра излучения 1пОаЫ/ОаК гетероструктурой с неоднородным распределением индия, представленную в работе [104]. Согласно модели, СИД может быть представлен совокупностью параллельно включенных микродиодов, имеющих одинаковые параметры широкозонных п - ОаК и р - ОаК эмиттеров, но отличающихся друг от друга концентрацией индия х в квантовых ямах (рис. 4.9).

Рисунок 4.9 - Электрическая модель светодиода с неоднородным распределения индия в квантовой яме 1иОаК/ОаК гетероструктуры [67]

Последовательно с этой совокупностью микродиодов включено общее сопротивление контактов. Площади микродиодов (секторов, площадок) Б(х) с различным содержанием индия х в КЯ в первом приближении могут быть описаны гауссовским распределением относительно средних значений х = 0,4 для зеленых СИД и х = 0,2 для синих. При значениях х = 0,15.0,17 (более мелкие КЯ) плотность тока значительно больше, чем при значениях х = 0,18.0,25. Каждый микродиод имеет пороговое напряжение (1=1 .п), которое прямо

пропорционально ширине запрещенной зоны и обратно пропорционально концентрации индия x в КЯ. Поскольку различие между Uthi и Uthn составляет единицы процентов, то различие в значениях порогового тока Ith_i и Ithn обусловлено различием последовательных (дифференциальных) сопротивлений микродиодов Rt: Ri < Rn, что согласуется с результатами моделирования вольт-амперных характеристик синих СИД по принципу распределения площадей с различным содержанием Inx, представленными в работе [104].

Увеличение концентрации x индия в КЯ приводит не только к образованию кластеров, но и к увеличению степени неоднородности его распределения [105]. Экспериментальные результаты, представленные в работе [106], показывают, что при концентрациях индия, превышающих x = 0.1, наблюдается существенное увеличение неоднородности его распределения, что подтверждается уширением края оптического поглощения.

Экспериментальные результаты могут быть интерпретированы следующим образом: при прохождении тока через СГС излучательная рекомбинация сначала возникает в областях с меньшей концентрацией индия, формирующих коротковолновое крыло спектра излучения. По мере увеличения тока излучение возникает в областях с большей концентрацией индия. Чем больше неоднородность концентрации индия в квантовой яме, тем больше относительная разница в значениях Ith на длинноволновых и коротковолновых составляющих спектра.

Выводы

1. Исследована связь порогового тока с качеством СГС. Установлено, что светодиоды с малым пороговым током имеют более равномерный профиль распределения концентрации носителей заряда в СГС, чем СИД с большим пороговым током. Следовательно, СИД с более равномерным профилем имеют меньшую концентрацию дефектов в активной области и характеризуются малыми значениями порогового тока.

2. Установлена сильная корреляционная связь значений порогового тока с уровнем НЧ-шума, что подтверждает возможность использования порогового тока как диагностического параметра. Корреляционная связь между пороговым током и уровнем НЧ-шума, измеренным в режиме малых токов, значительно больше, чем в режиме больших токов, поскольку при малых токах генерационно-рекомбинационные процессы на дефектных уровнях сильнее влияют на флуктуации тока.

3. Показана возможность измерения порогового тока отдельных кристаллов COB светодиодных матриц с последовательным включением кристаллов в матрице.

4. На коммерческих зеленых и синих светодиодах показано, что распределение порогового тока по площади кристалла зеленого СИД более однородное, чем распределение по площади кристалла синего СИД.

5. Проведены исследования порогового тока отдельных спектральных составляющих излучения трех типов светодиодов: фиолетового, голубого и зеленого свечения. Установлено, что у всех исследованных СИД пороговый ток длинноволновых составляющих спектра больше, чем пороговый ток коротковолновых составляющих. Относительная разница значений порогового тока спектральных составляющих коротковолнового и длинноволнового участка спектра излучения составляет для ультрафиолетовых 2.8%, для голубых — 4.4 %, для зеленых — 25.7 %. На основе полученных результатов исследования сделан вывод, что чем больше неоднородность распределения концентрации индия в квантовой яме, тем больше относительная разница в значениях Ith на длинноволновых и коротковолновых составляющих спектра.

Глава 5 Результаты исследовательских испытаний светодиодов 5.1 Изменение порогового тока и граничной частоты электролюминесценции

при токовых испытаниях

Для установления связи между значениями порогового тока и скоростью спада мощности излучения СИД при токовой нагрузке были проведены их испытания при комнатной температуре на постоянном токе 25 мА в течение 500 часов. Результаты испытаний показали, что спад мощности излучения СИД, находящихся в первом интервале гистограммы распределения (рис. 4.1), составляет около 5% относительно исходного значения, а спад мощности излучения СИД, не входящих в данный интервал, в среднем достигает 30%. Коэффициент корреляции между исходными значениями порогового тока светодиодов и значениями относительного снижения мощности их излучения через 500 часов испытаний составляет 0,9.

На двух выборках объемом по 10 штук коммерческих InGaN синих типа КИПД40Т20-С1-П7 и зеленых типа КИПД40У20-Л5-П7 маломощных СИД проведены более длительные сравнительные испытания под действием постоянного максимально допустимого тока плотностью 25 А/см2 при комнатной температуре в течение 5 000 часов. В процессе испытаний контролировались вольтамперные (ВАХ), люмен-амперные характеристики, ватт-амперные характеристики в диапазоне токов начала свечения и граничные частоты электролюминесценции. Вольт-амперные характеристики измеряли цифровым мультиметром КейЫеу DMM6500 в диапазоне токов от 1 нА до 20 мА. Для измерений люмен-амперных характеристик в диапазоне токов 0,1 - 20 мА использовали измеритель светового потока с интегрирующей сферой TES133.

Установлено, что темп деградации СИД двух типов существенно различается: за время испытаний снижение светового потока излучения относительно начального значения составило в среднем по выборке 36 % для синих и 11 % для зеленых (рис. 5.1).

Рисунок 5.1 - Спад мощности излучения синих КИПД40Т20-С1-П7 и зеленых КИПД40У20-Л5-П7 светодиодов в процессе испытаний под действием постоянного тока плотностью 25 А/см2 при температуре окружающей среды 25 °С

Наибольшие изменения вольт-амперных характеристик в процессе испытаний происходят в области прямых смещений до 2 В, а наибольшие изменения ватт-амперных характеристик - в диапазоне тока начала свечения СИД. Изменения ВАХ (рис. 5.2) определяются увеличением туннельно-рекомбинационной компоненты тока, что обусловлено ростом концентрации безызлучательных центров рекомбинации на интерфейсе гетероперехода.

Рисунок 5.2 - Вольт-амперные характеристики двух зеленых светодиодов, измеренные до и после 5000 ч испытаний под действием постоянного тока

плотностью 25 А/см2

Установлено, что в процессе испытаний происходит монотонное увеличение порогового тока СИД (рис. 5.3, рис. 5.4). Наибольшие изменения наблюдаются в первые 2000 ч испытаний, затем скорость изменения уменьшается. Среднее по выборке значение приращения порогового тока после 5000 ч испытаний для синих СИД составило 99% , для зеленых - 26 %.

170

1 ISO о 130

? по <0

2 90

о

о 70 с

50

0 1000 2000 3000 4000 5000 Время испытаний, ч

Рисунок 5.3 Изменения порогового тока начала свечения синих светодиодов в процессе испытаний под действием постоянного тока плотностью 25 А/см2 при температуре окружающей среды 25 °С

200

< 190

I

X 180

а

>s 170

л

ю о 160

о о. 150

о

с 140

0 1000 2000 3000 4000 5000 Время испытаний, ч

Рисунок 5.4 Изменения порогового тока начала свечения зеленых светодиодов в процессе испытаний под действием постоянного тока плотностью 25 А/см2 при температуре окружающей среды 25 °С

Граничная частота электролюминесценции /здб в процессе испытаний изменяется немонотонно: в первые 2000 ч испытаний синих и 1000 ч испытаний зеленых СИД произошло увеличение /Здб на 3% относительно исходных значений, а при дальнейших испытаниях наблюдался незначительный спад /Здб (рис. 5.5).

а) б)

Рисунок 5.5 - Изменения граничной частоты электролюминесценции синих (а) и зеленых (б) светодиодов в процессе испытаний под действием постоянного тока плотностью 25 А/см2 при температуре окружающей среды 25 °С

5.2 Изменение динамических характеристик спектра электролюминесценции InGaN светодиодов при токовых испытаниях

Исследованы коммерческие зеленые СИД производства фирмы Cree, имеющие следующие параметры: материал активной области InGaN, центральная длина волны спектра излучения 525 нм, номинальный рабочий ток 20 мА. Испытания СИД проводились под действием импульсного тока повышенной плотности при температуре окружающей среды 25 °С в течение 200 ч при следующих значениях импульсов тока: амплитудное значение тока 300 мА, длительность импульса 100 мкс, период 10 мс. Температура активной области СИД при испытаниях не превышала 30 °С.

Для измерения граничных частот отдельных спектральных составляющих полного спектра излучения СИД разработан аппаратно-программный комплекс [107], структурная схема которого представлена на рисунке 5.6.

Питание СИД осуществляется постоянным током, который модулируется переменным током малой амплитуды в диапазоне частот 0,1 - 10 МГц. Регистрация оптического сигнала производится широкополосным фотоприемником с равномерной АЧХ в полосе частот до 10 МГц. Для исследования частотных

характеристик СИД использовался анализатор цепей НР4195А. Монохроматор необходим для выделения спектральной составляющей оптического излучения. Исследования динамики электролюминесценции СИД не в полном спектре излучения, а на фиксированных длинах волн спектра позволяет получить дополнительную информацию о параметрах отдельных энергетических уровней, формирующих полный спектр излучения.

Рисунок 5.6 - Структурная схема установки, для измерения граничной частоты отдельных спектральных составляющих излучения светодиода

На рисунке 5.7 сплошной линией показана зависимость граничной частоты /ЗдБг от длины волны излучения к одного из образцов до испытаний, измеренная при токе 500 мкА, соответствующем максимуму внешней квантовой эффективности. Пунктирной линией показан спектр излучения СИД. Зависимость /3дБ_(к) имеет немонотонный характер. Наиболее существенные изменения мощности Р оптического излучения СИД и граничных частот модуляции /Здб_ происходят в первые 100 ч испытаний под действием импульсного тока. В результате испытаний мощность излучения СИД уменьшилась на 10 %. Установлено, что спад мощности излучения СИД при испытаниях сопровождается увеличением граничной частоты модуляции /зав. На рисунке 5.8 сплошной линией показано относительное изменение частоты /зав после 100 ч испытаний. Из графика видно, что увеличение граничной частоты модуляции коротковолновых составляющих спектра излучения на 3 % больше, чем увеличение граничной частоты модуляции длинноволновых составляющих.

Рисунок 5.7 - Зависимость частоты Рисунок 5.8 - Относительное

f3dB от длины волны излучения изменение частоты f3dB после 100 ч

светодиода испытаний

5.3 Результаты испытаний светодиодных матриц

Испытания матриц проводились под действием постоянного тока 140 мА при максимально допустимой температуре окружающей среды для матриц этого типа 110 °С в течение 11 суток. При испытаниях контролировались пороговые токи кристаллов, вольт-амперные характеристики матриц в диапазоне напряжений от 17 до 32 В и диапазоне токов от 1 нА до 200 мА, а также световой поток матриц. Напряжение на матрице измеряли прецизионным мультиметром Tektronix DMM4040, ток - мультиметром Keythley DMM6500, световой поток - люксметром ТКА-Люкс с фотометрической сферой при токе 150 мА.

Результаты измерений пороговых токов кристаллов матриц показали, что их значения существенно различаются. В табл. 5.2 приведены оценки средних

значений , СКО oth, коэффициентов вариации v = (ajlth ) x 100% и изменений

среднего значения А Ith порогового тока кристаллов пяти COB матриц до и после испытаний.

Матрица D14 характеризуется наименьшим средним значением порогового тока кристаллов, а матрица D6 - наибольшим. Наименьшее значение коэффициента вариации у матрицы D2, наибольшее - у матрицы D6. В процессе

испытаний среднее значение порогового тока матриц изменилось: у матриц D1, D6 и D14 увеличилось, а у матриц D2 и D5 - уменьшилось.

Таблица 5.2. - Оценки выборочных значений пороговых токов кристаллов ____ светодиодных СОВ матриц

№ матрицы D1 D2 D5 D6 D1 4

До испытаний После испытаний До испытаний После испытаний До испытаний После испытаний До испытаний После испытаний До испытаний После испытаний

Хн > нА 12 25 42 24 38 15 73 76 24 35

ath, нА 4,8 12,8 1,1 5,6 2,2 5,9 9,4 8,4 1,4 7,0

V, % 39.2 51,8 2.6 23 5.8 39,5 12.9 11,0 5.8 19,9

A 1л , % 108 -43 -61 4 46

ВАХ матриц также изменились, причем наиболее существенные изменения произошли в диапазоне напряжений от 17 до 24 В, при которых доминирует ток утечки (рис. 5.9).

а) б)

Рисунок 5.9 - Вольт-амперные характеристики светодиодных СОВ матриц (а) и Б2 (б): 1 - до испытаний; 2 - после испытаний

В таблице 5.3 приведены значения прямого тока матриц при прямом напряжении на матрицах 20 В до и после испытаний. После испытаний у матриц

D1, D6 и D14 произошло увеличение тока утечки, а у матриц D2 и D5 -уменьшение. Наибольшие изменения произошли у матриц D1 и D14, наименьшие - у матрицы D6.

Таблица 5.3 - Значения прямого тока матриц при напряжении 20 В

I, нА

Номер матрицы D1 D2 D5 D6 D14

До испытаний 7,6 45,9 19,6 19,1 9,9

После испытаний 18,9 10,0 7,3 25,7 24,7

Относительное изменение, % 149 -78 -63 35 149

Коэффициент корреляции между относительными изменениями начального участка ВАХ (таблица 5.3) и средних значений пороговых токов матриц (таблица 5.2) составляет 0,94, что указывает на сильную корреляционную связь между этими величинами.

В процессе испытаний у всех исследованных СОВ матриц произошло уменьшение светового потока (таблица 5.4), причем у тех матриц, у которых пороговый ток вырос, спад светового потока больше, чем у тех матриц, у которых пороговый ток уменьшился. Коэффициент корреляции между значениями ДФ и Д

Ith составляет 0,96.

Полученные результаты подтверждают возможность использования порогового тока светодиодов для прогнозирования надежности.

Таблица 5.4 - Изменение параметров матриц при испытаниях

№ матрицы Изменение порогового тока Д Ih, % Спад светового потока ДФ, %

D1 108 19

D2 -43 8

D5 -61 10

D6 4 12

D14 46 16

Установленные корреляционные связи между пороговым током и изменение параметров COB матриц при испытаниях показывают возможность диагностики качества светодиодных COB матриц по пороговому току отдельных кристаллов в составе матриц.

5.4 Сравнение эффективности отбраковки потенциально ненадежных светодиодов по пороговому току и прямому падению напряжения

Способы отбраковки СИД по параметрам ВAX являются наиболее распространенными, поскольку параметры ВAX, особенно на ее начальном участке, характеризуются высокой чувствительностью к дефектам [108-112], и могут быть легко измерены. Наиболее широко на практике применяется отбраковка потенциально ненадежных СИД по прямому падению напряжения при заданном токе [108-110]. В данной главе представлены результаты исследовании корреляционных связей порогового тока СИД и прямого падения напряжения на СИД при заданном токе с темпом спада мощности излучения при долговременных токовых испытаниях синих СИД и сравнении эффективности отбраковки дефектных и потенциально ненадежных светодиодов по этим параметрам.

Исследования проводились на выборке в количестве 50 штук синих InGaN/GaN СИД отечественного производства [113, 114], имеющих следующие параметры: рабочий ток 20 мA, длина волны в максимуме спектра излучения 470 нм, максимальная сила света 1500 мКд при токе 20 мA, линза диаметром 5 мм. Перед испытаниями были измерены ВAX СИД в диапазоне токов 10-10 - 0,5 10-1 A, люмен-амперные характеристики в диапазоне токов 10-3 - 0,5 10-1 A и ватт-амперные характеристики в диапазоне токов начала свечения 10-9 - 10-6 A. Измерение ВAX проводилось на автоматизированной с использованием графической среды программирования LabView установке, состоящей из прецизионного мультиметра Keithley 6500, используемого для измерения тока, и цифрового мультиметра Tektronix DMM4040, используемого для измерения напряжения на СИД. Измерение

люмен-амперных характеристик проводилось на измерителе светового потока ТКА-КК1, представляющего собой интегрирующую сферу.

Испытания указанной выборки СИД проводились при комнатной температуре на постоянном токе плотностью 25 А/см2 в течение 7 000 часов.

На рисунке 5.10 представлена кривая спада среднего значения мощности излучения СИД в процессе испытаний. Время деградации Tdeg определялось как время спада светового потока на 30% от начального значения, что соответствует общепринятому критерию оценки отказа СИД [115,116]. Экспериментально установлено, что среднее время Tdeg_mean спада светового потока светодиодов исследованной выборки до уровня 0.7 от начального уровня составило 2598 ч.

I- ?

0 X

1 ° £ §

га 1

5 I

03 ^

Щ СП

11

Рисунок 5.10 - Усредненная по выборке зависимость мощности излучения светодиодов 40Т20-С1-П7 от времени испытаний под действием постоянного

тока плотностью 25 А/см2

На рисунке 5.11 и рисунке 5.12 представлены корреляционные поля порогового тока и напряжения на СИД при токе 20 мА и времени деградации Tdeg. Среднее значение порогового тока исследованных СИД составило /// = 20.9 нА, а среднее значение падения напряжения при токе 20 мА и = 2.926 В.

На корреляционном поле, представленном на рисунке 5.11, прослеживается ниспадающая линия тренда: светодиоды с большими значениями порогового тока имеют меньшее значение времени деградации Tdeg. Коэффициент корреляции значений этих параметров составляет п,т~ -0,53±0,1

о

5

И-

О

Ш О

то 5 ^ 1

й

с 2 и »

И ^

01 а со

3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000

10

15 20 25

Пороговый ток, нА

30

35

Рисунок 5.11 - Корреляционное поле порогового тока светодиодов и спада мощности их излучения в процессе испытаний до уровня 0.7 от

начального значения

г«» о а х ш

о

а >

о

I»

о

го Ч го с

и

а §

01 а со

3200 3000 2800 2600 2400 2200 2000

• •

• • • •

2,895 2,905 2,915 2,925 2,935 2,945 2,955 2,965 Падение напряжения при токе 20 мА

Рисунок 5.12 - Поле корреляции между падением напряжения на светодиодах при токе 20 мА и временем спада мощности их излучения при испытании до уровня 0.7 от начального значения

Между падением напряжения на СИД при токе 20 мА и временем деградации Tdeg также существует заметная положительная корреляция с коэффициентом п,т~ 0,33±0,1.

По результатам выборочных измерений построены гистограммы распределений СИД по пороговому току (рис. 5.13) и падению напряжения, измеренному при токах 100 нА, 1 мА и 20 мА (рис. 5.14).

На всех гистограммах распределений СИД по прямому падению напряжения, измеренному при различных токах, проявляются две моды. Каждая из мод по аналогии с двухмодальными распределениями полупроводниковых изделий по уровню НЧ шума и тепловому сопротивлению, представленными в [117], вероятно, соответствует преимущественно дефектным и бездефектным изделиям.

Рисунок 5.13 - Гистограмма распределения светодиодов по пороговому току

Гистограмма распределения СИД по значениям порогового тока хорошо аппроксимируется логарифмически нормальным законом со средним значением /// = 20.9 нА и СКО ош~4.7 нА и не имеет выраженной второй моды.

По полученным гистограммам проведена оценка эффективности отбраковки потенциально ненадежных СИД по пороговому току и прямому падению напряжения на СИД. К потенциально ненадежным отнесены СИД в количестве 23 шт., время спада которых меньше значения Tdeg_mean, доля таких СИД в каждом интервале гистограмм показана штриховкой.

а)

б)

в)

Рисунок 5.14 - Гистограмма распределения светодиодов по падению напряжения при токе 100 нА (а), 1 мА (б) и 20 мА (в)

Эффективность отбраковки по аналогии с [117] можно оценивать коэффициентом кЭФФ = (п0ТК \^потк), где N — общее число приборов в выборке, Nо - число отбракованных по заданному значению параметра

приборов,

Потк — общее число приборов, оказавших в процессе испытаний, потк — количество отказавших приборов, попадающих в группу отбракованных. Коэффициент КЭФФ по смыслу показывает во сколько раз частость отказов в отбракованной группе изделий превышает частость отказов в выборке.

Кроме этого, оценивались также вероятности ошибок первого Р1 и второго Р2 рода при отбраковке, где Р1 - вероятность того, что забраковано годное изделие, Р2 - пропущено дефектное изделие. Эти вероятности определяют выбор отбраковочного уровня информативного параметра и ожидаемые затраты от отбраковки изделий.

При отсутствии второй моды для логарифмически нормального закона распределения отбраковочный уровень информативного параметра можно выбирать на уровне среднего значения.

При наличии второй моды в распределении изделий по информативному параметру, как показано в [118], оптимальным по коэффициенту эффективности оказывается отбраковочный уровень на границе раздела мод.

Отбраковка по пороговому току проводилась по среднему значению порогового тока по исследованной выборке /// = 20.9 нА: отбраковке подлежали светодиоды, у которых пороговый ток превышал //.

По падению напряжения при токе 100 нА потенциально ненадежными считались СИД, у которых напряжение превышало 1,882 В; по падению напряжения, измеренному при токе 1 мА - СИД, у которых напряжение было меньше 2,583 В, а по падению напряжения, измеренному при токе 20 мА, к потенциально ненадежным относились СИД, у которых напряжение было меньше 2,917 В. Результаты разделения СИД по надежности по исследуемым информативным параметрам приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 Оценка результатов разделения светодиодов по надежности

Информативный параметр Кол-во отбракованных светодиодов КЭФФ Кол-во ложно отбракованных годных светодиодов (Л) Кол-во неотбракованных ненадежных светодиодов (Р2)

По пороговому току 19 1,93 2 (0,07) 6 (0,26)

По падению напряжения при токе 20 мА 15 1,88 2 (0,07) 10 (0,45)

По падению напряжения при токе 1 мА 15 1,74 3 (0,11) 11 (0,48)

По падению напряжения при токе 100 нА 13 1,88 1 (0,05) 11 (0,48)

Из таблицы видно, что при отбраковке по пороговому току коэффициент эффективности больше, а вероятность ошибок второго рода существенно меньше,

чем при отбраковке по падению напряжения. Очевидно, что значения вероятностей Р1 и Р2 зависят от выбора критерия отбраковки. Для снижения вероятности ошибок второго рода, наиболее опасных с точки зрения обеспечения надежности радиоэлектронной аппаратуры, значение отбраковочного уровня порогового тока надо увеличивать, однако при этом будет возрастать вероятность ошибок первого рода.

Представленные результаты показывают, что пороговый ток и падение напряжения при заданном токе, могут быть использованы в качестве информативных параметров для отбраковки потенциально ненадежных светодиодов, склонных к ускоренной деградации. При этом эффективность отбраковки светодиодов по пороговому току заметно выше, а вероятность ошибок второго рода существенно меньше, чем при отбраковке по падению напряжения, тогда как значение вероятности ошибок первого рода примерно одинаковы.

Выводы

1. Установлена связь между значениями порогового тока и скоростью спада мощности излучения СИД при испытаниях под действием тока. Результаты исследований показали, что спад мощности излучения СИД с низкими значениями порогового тока составляет порядка 5% относительно исходного значения, а спад мощности излучения СИД с пороговым током порядка 100 нА и больше в среднем достигает 30%. Коэффициент корреляции между исходными значениями порогового тока светодиодов и значениями относительного снижения мощности их излучения через 500 часов испытаний составляет 0,9.

2. Установленные корреляционные связи между пороговым током и изменением параметров СОВ матриц при испытаниях показывают возможность диагностики качества светодиодных СОВ матриц по пороговому току отдельных кристаллов в составе матриц.

3. Показано, что пороговый ток и падение напряжения при заданном токе могут быть использованы в качестве информативных параметров для отбраковки потенциально ненадежных светодиодов, склонных к ускоренной деградации. При этом эффективность отбраковки светодиодов по пороговому току заметно выше, а вероятность ошибок второго рода существенно меньше, чем при отбраковке по падению напряжения, тогда как значение вероятности ошибок первого рода примерно одинаковы.

4. Проведены исследования изменений динамических характеристик спектра электролюминесценции InGaN светодиодов при токовых испытаниях. Установлено, что спад мощности излучения СИД при ускоренных испытаниях под действием импульсного тока сопровождается увеличением граничной частоты электролюминесценции f3dB, при этом увеличение граничной частоты коротковолновых составляющих спектра излучения на 3 % больше, чем увеличение граничной частоты длинноволновых составляющих.

В работе получены следующие результаты:

1. Разработан способ определения порогового тока СИД по результатам

измерения и аппроксимации его ВтАХ независимо от чувствительности

фотоприемного устройства, состоящий в задании прецизионным источником

нарастающего тока через СИД, регистрации сигнала, пропорционального

мощности излучения СИД, высокочувствительным фотоприемником на основе

фотодиода и малошумящего трансимпедансного усилителя и определении

значения порогового тока путем аппроксимации ВтАХ функцией вида

т '

~2

равс (I)=т (ур+ш-ы -1)

2. Предложенный способ позволяет измерять пороговый ток отдельных кристаллов светодиодных матриц, а также профиль распределения порогового тока по площади кристаллов светодиодов, что позволяет выявлять кристаллы матриц и локальные области кристаллов с повышенной концентрацией дефектов.

3. Установлено, аппроксимация ВтАХ функцией вида рвс (I) = т (^ 1 + 2?(I - 1Л) -1)2 дает меньшую погрешность определения порогового тока,

чем аппроксимация общепринятой функцией вида Рропгег(1) = а(|1 - 1Й|)6. При

отношении сигнал/шум 35 дБ аппроксимация функцией Рлвс позволяет определять пороговый ток с погрешностью в 2,7 раза меньше, чем аппроксимация функцией

Рр

4. Разработана автоматизированная установка для измерения порогового тока СИД разработанным способом. Основные технические характеристики установки: диапазоны изменения тока через СИД 0 - 60 мкА, 0 - 300 мкА, 0 - 3 мА; минимальный шаг изменения тока 1 нА для диапазона тока 0 - 60 мкА; скорость нарастания тока СИД зависит от шага изменения тока и находится в диапазоне 3 мкА/с - 10 А/с; погрешность установки тока ± 0.5 % для диапазона 0 - 60 мкА.

5. Впервые рассмотрены ограничения на амплитуду переменного сигнала при измерении граничной частоты электролюминесценции СИД. Показано, что погрешность измерения переменной составляющей мощности излучения СИД в диапазоне малых токов (до 100 мкА), обусловленна нелинейностью ВтАХ СИД и влиянием шумов измерительных цепей. Показано, что существует значение амплитуды переменного тока, при которой суммарная погрешность измерений граничной частоты электролюминесценции СИД принимает минимальное значение. Получено выражение для определения значения амплитуды гармонического сигнала, при котором суммарная относительная погрешность измерения граничной частоты электролюминесценции СИД принимает минимальное значение.

6. Установлена связь порогового тока с дефектностью структуры СИД. Показано, что при испытаниях в режиме постоянного тока СИД с большими значениями порогового тока деградируют быстрее, чем СИД с малыми значениями порогового тока. Коэффициент корреляции между значениями порогового тока СИД и скоростью спада мощности составляет 0,9.

7. Показано, что пороговый ток и падение напряжения при заданном токе могут быть использованы в качестве информативных параметров для отбраковки потенциально ненадежных СИД, склонных к ускоренной деградации. При этом эффективность отбраковки СИД по пороговому току заметно выше, а вероятность ошибок второго рода в 1,7 раза меньше, чем при отбраковке по падению напряжения, тогда как значение вероятности ошибок первого рода примерно одинаковы.

Список сокращений и условных обозначений

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ВтАХ - ватт-амперная характеристика

ВФХ - вольт-фарадная характеристика

КЯ - квантовая яма

ЛФД - лавинный фотодиод

НЧ - низкочастотный

ОПЗ - область пространственного заряда

ОУ - операционный усилитель

СГС - светоизлучающая гетроструктура

СИД - светоизлучающий диод

СКО - среднее квадратическое отклонение

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФЭУ - Фотоэлектронный умножитель

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бугров В.Е., Виноградова К.А. Оптоэлектроника светодиодов. Учебное пособие. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 174 с.

2. Самохвалов, М. К. Элементы и устройства оптоэлектроники : учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - Ульяновск : УлГТУ, 2015. - 223 с.

3. Шуберт Ф. Е. Светодиоды. - М. : Физматлит, 2008. - 496 с.

4. Юнович А.Э. Свет их гетероперехода // Природа. - 2001 . - №1. - С. 38-46.

5. Алфёров Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур// Физика и техника полупроводников. - 1998. - №1. - С. 3-18.

6. Сергеев В.А. Элементы и устройства наноэлектроники : учебное пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. - Ульяновск : УлГТУ, 2016. - 117 с.

7. Алферов Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепции и применения в физике, электронике и технологии // Успехи физических наук. - 2002. - № 9. - С. 1072-1086.

8. Никифоров С.Г. Система параметров светодиодов. Электрические, фотометрические, спектральные (колориметрические) и энергетические характеристики // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - № 5. - С. 16-27.

9. Смирнов В.И. Физика полупроводниковых приборов: учебное пособие. -М. : Инфра-Инженерия, 2023. - 212 с.

10. Игнатов А. Н. Оптоэлектроника и нанофотоника: Учебное пособие.-СПб.: Издательство «Лань», 2011. - 544 с.

11. Малышев С.А., Чиж А.Л., Василевский Ю.Г., Гришанов В.А., Ерошенко М.Н., Манего С.А. Лабораторный практикум по курсу «Оптоэлектроника» для студентов специальности «Микроэлектроника». -Новочеркасск : Новочеркасский политехнический институт, 2007. - 57 с.

12. Кузебных Н.И., Несмелов Н.С. Исследование параметров и характеристик светодиодов. Томск: Руководство к лабораторной работе. ТУСУР, 2014. - 21 с.

13. Сергеев В.А. Диагностика полупроводниковых источников излучения: учебное пособие для вузов / В.А. Сергеев, И.В. Фролов, О.А. Радаев. - Ульяновск : УлГТУ, 2021 - 95 с.

14. ГОСТ 19834.4-79. Диоды полупроводниковые излучающие инфракрасные. Методы измерения мощности излучения. - М.: Издательство стандартов, 1979. - 7 с.

15. ГОСТ Р 55702-2013 Источники света электрические. Методы измерений электрических и световых параметров - М.: Стандартинформ, 2014. - 48 с.

16. ГОСТ Р 8.749-2011 Светодиоды. Методы измерения фотометрических характеристик. - М. : Статинформ, 2012

17. ГОСТ Р 8.971-2019 Лампы, светильники и модули светодиодные. Методы измерения фотометрических и колориметрических характеристик. - М. : Статинформ, 2019

18. ГОСТ 23198-2021 Источники света электрические. Методы измерений спектральных и цветовых характеристик. - М. : Статинформ, 2021.

19. Изучение основных параметров светоизлучающих диодов: метод. указания / Сост.: В.Р. Иванова. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2015. - 40 с.

20. Новая редакция стандарта светодиодного твердотельного освещения ANSI/IES LM-79-24, что ознаменовало собой очередное повышение отраслевых норм. https://m.Hsungroup .сот/новости/новости-технологии/новая-редакция-стандарта-светодиодного-твердотельного-освещения-ANSI-IES-LM-79-24.

21. Маняхин Ф. И., Гусева С. Е. Вольт-амперные характеристики светодиодов на основе широкозонных полупроводников // Достижения вузовской науки. - 2013. - №7. - С. 223-226.

22. Прудаев И.А., Голыгин И.Ю., Новиков В.А., Данюк Д.Б., Скакунов М.С., Толбанов О.П. Механизмы протекания тока в светодиодах на основе InGaN/GaN // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55, № 8/2. - С. 101-102.

23. Семакова А.А. , Баженов Н.Л., Мынбаев К.Д., Черняев А.В., Кижаев С.С., Стоянов Н.Д.Исследование вольт-амперных характеристик светодиодных гетероструктур на основе InAsSb в диапазоне температур 4.2-300 K // Физика и техника полупроводников. - 2021. - Т. 55, вып. 6 . - С. 502-506.

24. Рыбальченко А.Ю., Ермолаева Н.В., Ратушный В.И. Исследование вольт-амперных характеристик светодиодов видимого диапазона // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». - 2022. - Т. 11, № 5. - С. 343-347.

25. Карандашев С. А. , Матвеев Б. А. , Ременный М. А. Источники спонтанного излучения на основе арсенида индия (обзор: десять лет спустя)// Физика и техника полупроводников. - 2019. - Т.53, вып. 2. - С. 147-157.

26. Еханин С. Г. Исследование вольтамперных характеристик сверхъярких светодиодов: методические указания к лабораторному занятию по дисциплине «Методы неразрушающего контроля и диагностики» / С.Г. Еханин. -Томск: Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2022. - 19 с.

27. Шульга А.А. Методы измерения мощности излучения светодиодов // Оптический журнал. - 2021. - Т. 88, № 7. - С. 70-76.

28. Симонова А.В. Влияние ионизирующего излучения на деградационные процессы в светодиодах при эксплуатации. Диссертация канд. техн. наук. Томск, 2019.

29. Градобоев А. В., Орлова К. Н., Жамалдинов Ф. Ф. Потери мощности излучения в светодиодах // Приборы и техника эксперимента. - 2023. - № 1. - С. 80-86.

30. Руководство пользователя ЯЮКЛ.411734.002 РЭ. Установка измерения статических параметров светодиодов РОLI_500. - 2009. - 28 с.

31. Савкова Т. Н., Кравченко А. И., Подденежный Е. Н., Колесник Ю. Н., Кухаренко С. Н., Лукашев В. М. Исследование энергетических мощных светодиодов при импульсном возбуждении // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. -2015. - № 3. - С. 78-85

32. Кузмин, В. Приборы для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов / В. Кузмин, В. Антонов, О. Круглов // Полупроводник. светотехника. - 2010. - № 3. - С. 26-30.

33. Баковец, Н. В. Метод калибровки фотометрического шара / Н. В. Баковец, Д. В. Скумс, О. Б. Тарасова // Метрология и приборостроение. - 2014. -№ 4. - С. 11-16.

34. Савкова, Т. Н. Измерение энергии тепловых потерь мощного светодиодного модуля / Т. Н. Савкова, А. И. Кравченко // Вестн. Гомел. гос. техн. ун-та им. П. О. Сухого. - 2013. - № 1. - С. 55-60.

35. Расул А.Р., Орлова К.Н. Анализ ватт-амперных характеристики светодиодов изготовленных из различных материалов // Вестник национального исследовательского ядерного университета «МИФИ». - 2024. - Т. 13, № 1. - С. 52-58.

36. Matteo Meneghini, Nicola Trivellin, Gaudenzio Meneghesso, Enrico Zanoni, Ulrich Zehnder, and Berthold Hahn. A combined electro-optical method for the determination of the recombination parameters in InGaN-based light-emitting diodes // Journal of Applied Physics. - 2009. - V.106. - P. 114508.

37. Сергеев В. А. Оценка качества гетеропереходных светодиодов по уровню порогового тока / В. А. Сергеев, О. А. Радаев, И. В. Фролов, А. А. Черторийский // Известия вузов. Электроника. - 2017. - Т. 22, №1. - С. 92-95.

38. Changfu Li et al. Electroluminescence properties of InGaN/GaN multiple quantum well-based LEDs with different indium contents and different well widths // SciEntific REPOrts. - 2017. - V. 7. - P. 15301.

39. Meneghesso G., Meneghini M., Zanoni E. // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2010. - V. 43. - P. 354007.

40. Renso N, De Santi C, Caria A, Dalla Torre F, Zecchin L, Meneghesso G, Zanoni E, Meneghini M. Degradation of InGaN-based LEDs: Demonstration of a recombination-dependent defect-generation process // Journal of Applied Physics. -2020. - V. 127. - P. 185701.

41. Reliability of Semiconductor Lasers and Optoelectronic Devices / Robert Herrick, Osamu Ueda. - Elsevier Science, 2021.

42. Cao, X. A., et al. Defect generation in InGaN/GaN light-emitting diodes under forward and reverse electrical stresses // Microelectronics Reliability - 2003. - V. 43, №12. - P. 1987-1991.

43. Cao, X. A., et al. Diffusion and tunneling currents in GaN/InGaN multiple quantum well light-emitting diodes // IEEE Electron Device Letters. - 2002. - V.23(9).

- P. 535-537.

44. Sawyer S., Rumyantsev S., Shur M. Degradation of AlGaN-based ultraviolet light emitting diodes// Solid-State Electronics. - 2008. - V.52. - P. 968 - 972.

45. Proton Degradation of Light-Emitting Diodes/ Johnston A. H., Rax B. G., Selva L. E., Barnes C. E. // Published in IEEE Transactions on Nuclear Science. - 1999.

- V.46(6) - P. 1-9.

46 Особенности рекомбинационных процессов в светодиодах на основе InGaN/GaN при больших плотностях инжекционного тока/ Н.С. Аверкиев, М.Е. Левинштейн, П.В. Петров, А.Е. Черняков, Е.И. Шабунина, Н.М. Шмидт. // Письма в ЖТФ. - 2009. - Т.35, №19. - С. 97-102.

47. Sawyer, S., et al. Current and optical noise of GaN/AlGaN light emitting diodes // Journal of Applied Physics. - 2006. - V. 100 (3).

48. De Santi, Carlo, et al. Evidence for defect-assisted tunneling and recombination at extremely low current in InGaN/GaN-based LEDs // Applied Physics Express. 2019. - V. 12(5). - P. 052007.

49. Берман, Л. С. Нелинейная полупроводниковая емкость / Л. С. Берман. -М.: Физматгиз, 1963. - 88 с.

50. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений / Под ред. Горюнова Н. Н. и Носова Ю. Р. - М. : Сов. радио, 1968. - 304 с.

51. Keiser G. Optical fiber communication, 1991. -461 p.

52. Cai S. et al. Influence of multiple quantum well number on modulation bandwidth of InGaN/GaN light-emitting diodes //Journal of Optics. - 2021. - Т. 50. -С. 83-89.

53. Zhu S. et al. Influence of AlGaN electron blocking layer on modulation bandwidth of GaN-based light emitting diodes //Ecs Solid State Letters. - 2014. - V. 3.

- №. 3. - P. R11.

54. Pei Y. et al. LED modulation characteristics in a visible-light communication system //Optics and Photonics Journal. - 2013. - V. 3. - №. 2B. - P. 139-142.

55. Huang H. et al. Optimized photoelectric receiver to enhance modulation bandwidth of visible light communication system //Optical and Quantum Electronics. -2018. - V. 50. - P. 1-12.

56. Meng, Xiao, et al. Study on efficiency droop in InGaN/GaN light-emitting diodes based on differential carrier lifetime analysis // Applied Physics Letters. - 2016.

- V. 108 (1).

57. Tian, Pengfei, et al. Temperature-dependent efficiency droop of blue InGaN micro-light emitting diodes // Applied Physics Letters. - 2014. - V. 105(17).

58. Фролов И.В., Сергеев В.А. Диагностический контроль качества светодиодов по локальным параметрам электролюминесценции и фототока. Монография. - М.: СОЛОН-Пресс, 2023. - 160 с.,

59. Ma, Z., Cao, H., Lin, S., Li, X., Xi, X., Li, J., & Zhao, L. (2020). Optical and frequency degradation behavior of GaN-based micro-LEDs for visible light communication // Optics Express. - V. 28(9). - P. 12795-12804.

60. Keithley Ultra-sensitive Current Sources Series 6200 Data Sheet [Electronic resource]. - URL: https://download.tek.com/datasheet/6220-6221.pdf.

61. AN13. Voltage to Current Conversion [Electronic resource]. - URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an13f.pdf

62. Lei, Shengjie, and Zhiyong Wei. A high-precision weak current source using operational amplifiers // International Journal of Electronics. - 2012. - V. 99(6). - P. 761-775.

63. TI Precision Designs: Verified Design Low Level (5 ^A) V-to-I Converter [Electronic resource]. - URL: https://www.ti.com/lit/ug/slau507/slau507.pdf

64. OPA189ID Data Sheet [Electronic resource]. - URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa189.pdf

65. OPA192ID Data Sheet [Electronic resource]. - URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa192.pdf

66. ADA-4510 Data Sheet [Electronic resource]. - URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ada4510-2.pdf

67. Lei, Shengjie, and Zhiyong Wei. "A high-precision weak current source using operational amplifiers." International Journal of Electronics 99.6 (2012): 761-775.

68. TI Precision Designs: Verified Design Low Level (5 ^A) V-to-I Converter [Electronic resource]. - URL: https://www.ti.com/lit/ug/slau507/slau507.pdf

69. Guide to Detector Selection [Electronic resource]. - URL: https://hub.hamamatsu.com/us/en/technical-notes/detector-selection/guide-to-detector-selection.html

70. The guide to selecting a photodetector [Electronic resource]. - URL: https://hub.hamamatsu.com/us/en/technical-notes/detector-selection/the-wits-guide-to-selecting-a-photodetector.html

71. AN 1003. Low Level Optical Detection using Lock-in Amplifier Techniques [Electronic resource]. - URL: http://www.chem.ucla.edu/~craigim/pdfmanuals/appnotes/an1003.

72. Аналоговая электроника на операционных усилителях : пер. с англ. / А. Дж. Пейтон, В. Волш . - М. : БИНОМ, 1994 . - 350 с.

73. Методы и технические средства измерения параметров оптического излучения: учебное пособие / А. А. Черторийский. - Ульяновск : УлГТУ, 2020. -121 с.

74. Tian P. et al. Micro-LED based optical wireless communications systems // Semiconductors and Semimetals. - Elsevier, 2021. - V. 106. - P. 281-321.

75. Селективный нановольтметр UNIPAN 233 [Electronic resource]. - URL: https://elmag.nsu.ru/lib/exe/fetch.php?media=tex: паспорт unipan-233_руководство_по_эксплуатации_.pdf.

76. TN 1000. What is a Lock-in Amplifier? [Electronic resource]. - URL: http://www.chem.ucla.edu/~craigim/pdfmanuals/appnotes/tn1000.pdf.

77. Радаев О.А., Сергеев В.А., Фролов И.В. Измеритель порогового тока светодиодов // Физические основы приборостроения. - 2023. - Т. 12, № 3(49). - С. 23-27.

78. Сергеев В. А. Оценка качества гетеропереходных светодиодов по уровню порогового тока / В. А. Сергеев, О. А. Радаев, И. В. Фролов, А. А. Черторийский // Известия вузов. Электроника. - 2017. - Т. 22, №1. - С. 92-95.

79. Пат. 2807500 РФ, МПК H01L 33/04, H05B 45/10. Способ измерения порогового тока светодиода / В.А.Сергеев, О.А.Радаев, И.В.Фролов; патентообладатель Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук. - № 2023112857; заявл. 17.05.2023; опубл. 15.11.2023. Бюл. №32.].

80. Meyaard D.S., Lin G.-B., Cho J., Schubert E.F. Efficiency droop in gallium indium nitride (GaInN)/gallium nitride (GaN) LEDs // Nitride Semiconductor Light-Emitting Diodes (LEDs): Materials, Technologies and Applications. - 2014. - P. 279300.

81. L.-W. Xu and K.-Y. Qian. A fast method for lifetime estimation of blue light-emitting diode chips based on nonradiative recombination defects // IEEE Photon. J. - 2017. - Vol. 9, no. 4. - Art. no. 8201309.

82. Meng, Xiao, et al. Study on efficiency droop in InGaN/GaN light-emitting diodes based on differential carrier lifetime analysis // Applied Physics Letters. - 2016. - V.108(1).

83. Фролов И. В. Средства измерения малосигнальных и шумовых параметров светоизлучающих диодов для целей диагностики их качества : дис. -защищена 18.06. 14. - Ульяновск, 2014. - 169 с.

84. Karpov S. ABC-model for interpretation of internal quantum efficiency and its droop in III-nitride LEDs: a review // Optical and Quantum Electronics. - 2015. - Т. 47. - №. 6. - С. 1293-1303.

85. OPA656 550MHz, Unity-Gain Stable, FET-Input Operational Amplifier [Electronic resource]. - https://www.ti.com/lit/gpn/OPA656.

86. Шумы полупроводниковых приборов : лабораторный практикум / Д. И. Антонов, И. В. Фролов. - Ульяновск : УлГТУ, 2022. - 39 с.

87. Сергеев В. А., Фролов И. В., Радаев О. А. Исследование связи степени дефектности светоизлучающих наногетероструктур зеленых InGaN/GaN-светодиодов с величиной порогового тока // Письма в журнал технической физики. - 2017. - Т. 43, вып. 4. - С. 89-93

88. Sergeev, V. A. The Relationship between the Defectness of Emitting Nanoheterostructures of Green InGaN/GaN LEDs and Their Threshold Current Values / V. A. Sergeev, I. V. Frolov, O. A. Radaev // Technical Physics Letters. - 2017. - Vol. 43, No. 2. - P. 224-226

89. Meneghesso G., Meneghini M., Zanoni E. // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2010. - V. 43. - P. 354007.

90. Radaev O.A., Sergeev V.A., Frolov I.V. Evaluation of the quality of green InGaN LEDs by values of the threshold current // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - V. 741. - P. 012087

91. Горлов М., Емельянов А., Смирнов Д. Возможность отбраковки полупроводниковых приборов по уровню низкочастотного шума // Компоненты и технологии. - 2005. - №. 52. - С. 198-201.

92. Сергеев В.А., Фролов И.В., Радаев О.А. Связь уровня фототока светоизлучающих InGaN/GaN гетероструктур с уровнем НЧ-шума и порогового тока // Известия вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 1. - С. 92-96.

93. Виноградова К. Передовые светодиодные продукты от Samsung Electronics: мощные светодиодные сборки chip-on-board серий В, С и D // Полупроводниковая светотехника. - 2016. - Т. 6. - №. 44. - С. 28-34.

94. Феопёнтов А. Модули Chip-On-Board Часть 1. Технология, конструкция, применение // Полупроводниковая светотехника. - 2012. - Т. 2. - №. 16. - С. 26-28.

95. Frolov I.V., Segeev V.A., Radaev O.A. The Method for Measuring the Distribution Profile of the 3dB Frequencies of Electroluminescence Over the Area of the LED Chip // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2023. - V. 72. - P. 5000806.

96. Сергеев В.А., Фролов И.В., Зайцев С.А, Радаев О.А. Контроль качества светодиодных COB матриц по пороговому току // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. - 2023. - №11.

97. Wu Y.-R., Shivaraman R., Wang K.-C., and Speck J. S., Analyzing the physical properties of InGaN multiple quantum well light emitting diodes from nano scale structure // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 101. - P. 083505.

98. Lynsky C., Lheureux G., Bonef B., Qwah K. S., White R. C., DenBaars S. P., Nakamura S., Wu Y.-R., Weisbuch C., and Speck J. S., Improved Vertical Carrier Transport for Green III-Nitride LEDs Using (In,Ga)N Alloy Quantum Barriers // Physical Review Applied. - 2022. - V. 17. - P. 054048.

99. Peng Z., Lu Y., Gao Y., Chen G., Zheng J., Guo Z., Lin Y., Chen Z., Effect of Carrier Localization and Shockley-Read-Hall Recombination on the Spatial Distribution of Electroluminescence in InGaN LEDs // IEEE Photonics Journal. - 2018. - V. 10. - P. 8201908.

100. Frolov I.V., Radaev O.A., Sergeev V.A. Measurement of the threshold current in the local areas of the LED chip // St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. - 2023. - V. 16 (3.1). - 330-334.

101. Frolov I. V., Radaev O. A., Sergeev V. A. Measurement of threshold current in local areas of the LED chip // Book of Abstracts. 10th International School and

Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures «Saint Petersburg OPEN 2023». St Petersburg, Russia, May 23 - 26, 2023. - HSE University, 2023.

102. Радаев О. А., Сергеев В. А., Фролов И. В. Аппаратно-программный комплекс для исследования динамических характеристик отдельных спектральных составляющих спектра излучения светодиодов // Измерительная техника. - 2019. - № 8. - С. 42-46.

103. Radaev О. А., Sergeev V. А., Frolov I. V. Hardware-Software Complex for the Investigation of the Dynamic Characteristics of Separate Spectral Components of the Emission Spectrum of LEDs // Measurement Techniques. - 2019. - V. 62, №8. - P. 708-713.

104. Никифоров С. Г. Разработка средств измерений и методов контроля параметров полупроводниковых излучателей на основе соединений AIIIBV, используемых в высоконадежных приборах: дис. .д-р техн. Наук: 05.11.13 . -Аккредитованный центр по сертификационным испытаниям устройств светотехники и источников излучения ООО «АРХИЛАИТ». - М., 2015. - 386 с.

105. A. Di Vito, A. Pecchia, A. Di Carlo, and M. Auf der Maur. Characterization of non-uniform InGaN alloys: spatial localization of carriers and optical properties // Japanese Journal of Applied Physics.- 2019. - V. 58. - SCCC03.

106. Butté R. et al. Optical absorption edge broadening in thick InGaN layers: Random alloy atomic disorder and growth mode induced fluctuations //Applied Physics Letters. - 2018. - V. 112. - №. 3.

107. Радаев О. А., Сергеев В. А., Фролов И. В. Исследование частотных характеристик оптического излучения светодиодов на основе InGaN/GaN-гетероструктур //Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. - 2016. - Т. 16. - №. 4. - С. 161-164.

108. Cheng-Huiung Chen, Yen-Chien Liu, Min-Hong Zhang, Guang-Zhe Zheng, TW Pat. 201035574.

109. Hideichiro Iwahashi and Shoichi Nakano, JP Pat. 2006352025.

110. Oki Ogata and Yoshio Minato, JP Patent №2004342809.

111. Богданов А. А. Контроль параметров и качества светодиодов и изделий с ними при серийном производстве // Светотехника. - 2015. - № 1. - С. 13-22.

112. Мальцев А. А., Мальцев И. А., Идиатуллов З. Р. Оптимальный набор характеристик светодиодов для обеспечения их надежности и качества // Радиотехника. - 2024. - Т. 88, № 1. - С. 86-91.

113. Радаев О. А., Фролов И. В., Сергеев В. А., Зайцев С. А. Сравнение эффективности отбраковки потенциально ненадежных светодиодов по пороговому току и прямому падению напряжения // Контроль. Диагностика. -2025. - Т. 28, № 7. (Принята в печать)

114. Радаев О.А. Сравнение способов отбраковки по пороговому току и падению напряжения // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации : Материалы XI международной заочной научно-технической конференции (29 ноября 2024 года). - Тольятти : ПВГУС, 2025. - С. 470-477.

115. Радаев О. А., Сергеев В. А., Фролов И. В. Измеритель порогового тока светодиодов // Физические основы приборостроения. - 2023. Т. - 12, № 3(49). - С. 23-27.

116. Долин Е., Мохнаткин А. Стандартизация. Путь к успеху светодиодных средств освещения // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2010. - № 6. - С. 38-45.

117. Горлов М. И., Сергеев В. А. Современные диагностические методы контроля качества и надежности полупроводниковых изделий. - Ульяновск: УлГТУ, 2020. - 470 с.

118. Сергеев В. А. Контроль качества мощных транзисторов по теплофизическим параметрам. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 252 с.

Зависимость значений порогового тока от количества точек исходной ватт-амперной

^ / I- \2

характеристики при аппроксимации функциями Рмс(I) = —(^ 1 + 2д(I - 1Л) -1) , Рро,ег (I) = в (| I - 1Л\-

Равс(1) Рро^ет(!)

Кол-во точек СКО 1о СКО

29401 -1461 1317,87 -65 90,35

28901 -1441 1247,59 -101 84,19

27901 -1438 1251,33 -138 78,11

27401 -1427 1169,77 -173 72,26

26901 -1413 1119,71 -207 66,58

26401 -1401 1088,51 -240 61,18

25901 -1387 1070,17 -271 56,31

25401 -1369 1019,74 -301 51,56

24901 -1358 977,53 -330 47,09

24401 -1333 920,64 -357 43,04

23901 -1325 863,24 -382 39,52

23401 -1308 830,53 -406 36,36

22901 -1290 787,60 -428 33,58

22401 -1263 743,16 -447 31,36

21901 -1251 699,88 -466 29,44

21401 -1231 657,96 -483 27,94

20901 -1207 597,39 -498 26,68

20401 -1180 574,92 -511 25,93

19901 -1169 541,85 -523 25,45

19401 -1146 493,63 -532 25,30

18901 -1123 460,36 -539 25,37

18401 -270 143,40 -544 25,59

17901 -1076 386,26 -547 25,90

17401 -1055 332,51 -549 26,25

16901 -1028 314,81 -547 26,62

16401 -998 266,35 -543 26,94

15901 -977 238,10 -535 27,19

15401 -950 214,12 -524 27,28

14901 -924 182,32 -511 27,25

14401 -895 158,11 -494 27,03

13901 -869 123,88 -476 26,74

13401 -841 98,79 -455 26,21

12901 -811 79,75 -431 25,54

12401 -781 62,25 -405 24,73

11901 -753 44,82 -377 23,72

11401 -724 35,87 -348 22,62

10901 -696 32,24 -317 21,39

10401 -656 30,41 -285 19,98

9901 -614 28,45 -252 18,45