ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ InGaN/GaN-ГЕТЕРОСТРУКТУР
1,2, 1,2, 1
1Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. Российской академии наук
2Ульяновский государственный технический университет
Исследование частотных характеристик оптического излучения светодиодов на основе InGaN/GaN гетероструктур является актуальной научной задачей и направлено на разработку способов и средств неразрушающего контроля качества светодиодов [1, 2]. Времена жизни носителей заряда, обусловленные излучательной и безызлучательной рекомбинацией, рассчитанные на основе частотных характеристик на различных спектральных составляющих оптического излучения, дают дополнительные сведения о генерационно-рекомбинационных процессах в светоизлучающих гетероструктурах[3].
Измерение частотной зависимости мощности оптического излучения светодиода при модуляции тока светодиода гармоническим сигналом в диапазоне частот от сотен кГц до десятков МГц позволяет определять частоту по уровню 3 дБ 
, при которой сигнал фотодетектора становится равным половине значения, измеренного на низких частотах. Частота 
, в свою очередь, определяется эффективным временем жизни носителей заряда в активной области светодиода 
и связана с ним соотношением [4]:
, (1)
где 
и 
- излучательное и безызлучательное время жизни носителей заряда соответственно.
В свою очередь, соотношение времен жизни 
и 
определяет внутренний квантовый выход излучения активной области светодиода [4]:
Согласно определению, внутренний квантовый выход есть отношение числа рожденных в активной области светодиода фотонов к числу инжектированных в нее электронов в единицу времени и может быть рассчитан по формуле
где 
– мощность оптического излучения из активной области светодиода; 
– длина волны излучения; 
– постоянная Планка; с – скорость света в вакууме; 
– ток инжекции; e – заряд электрона.
Мощность оптического излучения 
, выходящего за пределы светодиода, связана с 
через коэффициент 
оптического вывода излучения: 
. Обозначив 
, преобразуем выражение (3) к виду
При совместном решении уравнений (3) и (4) получаем выражения для расчета времени жизни носителей заряда в ходе излучательной и безызлучательной рекомбинации по результатам измерения мощности излучения светодиода 
и граничной частоты 
:
В известных работах [1, 2] измерение граничной частоты фотоотклика 
и расчет эффективного времени жизни носителей заряда 
выполнено в полном спектре излучения светодиода. Однако исследование динамики электролюминесценции светодиодов не в полном спектре излучения, а на отдельных длинах волн спектра позволяет получить информацию о параметрах отдельных энергетических уровней, формирующих полный спектр излучения [5].
Исследование зависимости граничной частоты фотоотклика светодиода от тока на отдельных длинах волн спектра излучения выполнено с помощью установки, структурная схема которой представлена на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема установки для исследования динамики электролюминесценции светодиодов на отдельных длинах волн спектра излучения
при модуляции тока гармоническим сигналом
Питание светодиода осуществляется постоянным током, который модулируется переменным током малой амплитуды с выхода анализатора цепей HP4195A в диапазоне частот 0,1 – 50 МГц в режиме сканирования по частоте. Для модуляции используется широкополосная схема сложения, реализованная по схеме источника тока на операционном усилителе (ОУ) OPA655. Оптическое излучение светодиода подается на монохроматор, который выделяет спектральные составляющие излучения шириной 5 нм. Регистрация оптического сигнала с выхода монохроматора, сфокусированного специальной оптической линзой, производится широкополосным фотоприемником с равномерной амплитудно-частотной характеристикой в полосе частот до 30 МГц. Быстродействующий фотоприемник реализован по схеме трансимпедансного усилителя на ОУ OPA655, в качестве фотоприемного элемента которого использован pin-фотодиод BPW24 в фотодиодном режиме. Электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает на вход анализатора цепей HP4195A, с помощью которого производится отсчет значения частоты 
при заданном уровне постоянного тока светодиода и длины волны, на которую настроен монохроматор. Для исследования температурных зависимостей используется специальный нагревательный элемент, с диапазоном изменения температуры светодиода до 80 
.
На рис. 2 представлены зависимости эффективного времени жизни носителей заряда в активной области зеленых InGaN/GaN светодиодов типа C503B-GAN-CB0F0791 фирмы Cree (а) и ARL-5213PGC фирмы Arlight (б) от длины волны спектральной составляющей излучения. Согласно результатам измерения прямых вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик светодиодов данных типов постоянная времени RC, обусловленная зарядом диффузионной емкости светодиода, составляет 5 нс и ее влиянием можно пренебречь.
|
|
а) | б) |
Рис. 2. Зависимости эффективного времени жизни носителей заряда в активной области зеленых светодиодов типа C503B-GAN-CB0F0791 фирмы Cree (а) и ARL-5213PGC фирмы Arlight (б) от длины волны спектральной составляющей излучения при разных значениях постоянного тока |
Из рисунков следует, что время жизни носителей заряда с меньшей энергией (длинноволновое "крыло" спектра излучения) больше, чем время жизни носителей заряда, формирующих коротковолновое "крыло" спектра излучения. Значение энергии, соответствующей максимуму спектра излучения светодиода при заданном постоянном токе, соответствует точке перегиба графика.
На рис. 3 представлены зависимости времени жизни носителей заряда при излучательной 
и безызлучательной 
рекомбинации от длины волны спектральной составляющей в активной области светодиода исследованного типа, рассчитанные в соответствии с (5) и (6) в предположении 
.
Основные технические характеристики разработанной установки:
Ширина спектральной составляющей, выделяемая монохроматором – 5 нм; Полоса пропускания быстродействующего фотоприемника – 35 МГц; Коэффициент преобразования быстродействующего фотоприемника – 10000; Максимальный постоянный ток через объект – 40 мА; Полоса пропускания широкополосной схемы сложения – 50 МГц; Диапазон изменения температуры объекта измерения - от 25
до 80 
.
|
|
а) | б) |
Рис. 3. Зависимости времени жизни носителей заряда при излучательной (а) и безызлучательной (б) рекомбинации от длины волны спектральной составляющей светодиодов типа C503B-GAN-CB0F0791 фирмы Cree |
Таким образом, с помощью разработанной измерительной установки исследованы частотные характеристики мощности оптического излучения светоизлучающих диодов. Полученные характеристики дают дополнительную информацию о составляющих генерационно-рекомбинационных процессов в активной области светоизлучающих гетероструктур, что может быть использовано для разработки методики неразрушающего контроля качества светодиодов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №16-32-60051 мол_а_дк.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Yu-Feng Yin, Wen-Yi Lan, Yen-Hsiang Hsu, Yuan-Fu Hsu, Chao-Hsin Wu, and JianJang Huang. High-speed modulation from the fast mode extraction of a photonic crystal lightemitting diode. // Journal of Applied Physics 119, 013103 (2016).
2. Xiao Meng, Lai Wang, Zhibiao Hao, Yi Luo, Changzheng Sun, Yanjun Han, Bing Xiong, Jian Wang, and Hongtao Li. Study on efficiency droop in InGaN/GaN light-emitting diodes based on differential carrier lifetime analysis. // Applied Physics Letters 108, 013501 (2016).
3. Механизмы падения эффективности GaN-светодиодов с ростом тока / [и др.] // Физика и техника полупроводников. – 2010. – Т. 44, Вып.6. – С. 822 – 828.
4. Шуберт, Ф. Светодиоды [Текст] / Ф. Шуберт. Пер. с англ. под ред. . – М.: Физматлит, 2008. – 496 с
5. Сергеев, спада квантовой эффективности зеленых InGaN светодиодов на фиксированных длинах волн излучения [Текст] / , , // Нитриды галлия, индия и алюминия – структуры и приборы. Тезисы докладов 10-й Всероссийской конференции (23 – 25 марта 2015 года, Санкт-Петербург). – Санкт-Петербург. – 2015. – С. 27–28
