Преобразование оптических и шумовых характеристик ультрафиолетовых светодиодов на установке с широким температурным диапазоном измерения от –196 до 100 °С

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Иванов А.М., Клочков А.В. Преобразование оптических и шумовых характеристик ультрафиолетовых светодиодов на установке с широким температурным диапазоном измерения от –196 до 100 °С. // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 9. С. 37–44. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-37-44

Ivanov А.М., Klochkov А.V. Conversion of the optical and noise characteristics of ultraviolet light-emitting diodes on a setup with a wide temperature measurement range from –196 to 100 С [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 9. P. 37–44. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-09-37-44

Ссылка на англоязычную версию:

A. M. Ivanov and A. V. Klochkov, "Conversion of the optical and noise characteristics of ultraviolet light-emitting diodes on a setup with a wide temperature measurement of −196°C to 100°C," Journal of Optical Technology. 90(9), 512-516 (2023). https://doi.org/10.1364/JOT.90.000512

Аннотация:

Предмет исследования. Температурные изменения основных оптических и шумовых характеристик ультрафиолетовых промышленных InGaN/GaN-светодиодов в широком температурном интервале от –196 до 84 °С. Цель работы. Проверка работоспособности ультрафиолетовых индикаторных светодиодов в температурных условиях, отличных от обычных — комнатнатных, определения относительных изменений основных оптических характеристик и характеристик надежности, а также обсуждение возможных физических механизмов, ответственных за наблюдаемые изменения. Метод. Сконструированная для температурных измерений от –196 до 100 °С измерительная камера использует платиновый датчик температуры с полиномной аппроксимацией (от –200 до +100 °С). Измерения шумовых характеристик проводились аналого-цифровым преобразователем STC-H246 Камертон, собственный уровень шума которого 1 мкВ. Основные результаты. Установлено, что нагрев улучшает оптические характеристики ультрафиолетовых InGaN/GaN-светодиодов: плотность низкочастотного шума практически не растет и только при номинальных токах (20 мА) увеличивается до 2 раз (40, 84 °С). Этот результат расходится с традиционными представлениями о характеристиках полупроводниковых оптоэлектронных приборов при их нагреве. Предлагаемые объяснения строятся на рассмотрении особенностей транспорта носителей с привлечением механизма туннелирования носителей по дефектам и «хвостам» плотности состояний в барьерах к квантовым ямам (не используемого для этого другими авторами). При охлаждении (–196 °С) плотность низкочастотного токового шума растет, а внешняя квантовая эффективность при номинальном токе уменьшается в 1,6 раза, что также отличается от обычного видения. Практическая значимость. С прикладной точки зрения результаты работы представляют практический интерес для разработки и совершенствования технологии ультрафиолетовых светоизлучающих приборов на основе структур InGaN/GaN с квантовыми ямами, оценки их надежности и сроков службы, а также для разработчиков электронной аппаратуры (использующих эти элементы) при применениях в особых климатических условиях, так как возникает возможность использования в более широком диапазоне рабочих токов и температур.

Ключевые слова:

ультрафиолетовые светодиоды, температурные измерения, оптическая мощность, квантовая эффективность, шум, туннелирование по дефектам

Коды OCIS: 230.3670, 230.5590, 230.0250

Список источников:

1. Titkov I.E., Karpov S.Yu., Yadav A., et al. Efﬁciency of true-green light emitting diodes: non-uniformity and temperature effects // Materials. 2017. V. 10. № 11. P. 1323. https://doi.org/10.3390/ma10111323

2. Шмидт Н.М., Шабунина Е.И., Черняков А.Е. и др. Температурное падение эффективности мощных синих InGaN/GaN-светодиодов // Письма в ЖТФ. 2020. Т. 46. № 24. C. 45–48. https://doi.org/10.21883/PJTF.2020.24.50429.18512

Shmidt N.M., Shabunina E.I., Chernyakov A.E., et al. Temperature-dependent decrease in efficiency in power blue InGaN/GaN LEDs // Tech. Phys. Lett. 2020. V. 46. № 12. P. 1253–1256. https://doi.org/10.1134/S1063785020120275

3. Wang Q., He L., Wang L., et al. Remarkably improved photoelectric performance of AlGaN-based deep ultraviolet luminescence by using dual-triangle quantum barriers // Opt. Commun. 2021. V. 478. P. 126380. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2020.126380

4. Mondal R.K., Chatterjee V., Pal S. AlInGaN-based superlattice p-region for improvement of performance of deep UV LEDs // Opt. Mater. 2020. V. 104. P. 109846. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.109846

5. Yang X., Sun H., Fan X., et al. Optimization on the luminous efficiency in AlGaN-based ultraviolet light-emitting diodes by amendment of a superlattice hole reservoir layer // Superlattices Microstruct. 2017. V. 101. P. 293–298. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2016.09.048

6. Peng Z., Guo W., Wu T., et al. Temperature-dependent carrier recombination and efficiency droop of AlGaN deep ultraviolet light-emitting diodes // IEEE Photon. J. 2020. V. 12. № 1. P. 8200108. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2019.2958311

7. Marcinkevicius S., Yapparov R., Kuritzky L.Y., et al. Low-temperature carrier transport across InGaN multiple quantum wells: Evidence of ballistic hole transport // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 075305. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.075305

8. Arteev D.S., Sakharov A.V., Nikolaev A.E., et al. Temperature-dependent luminescent properties of dual-wavelength InGaN // J. Lumin. 2021. V. 234. P. 117957. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2021.117957

9. Monti D., Meneghini M., De Santi C., et al. Degradation of UV-A LEDs: Physical origin dependence on stress conditions // IEEE Trans. Device Mater. Reliab. 2016. V. 16. № 2. P. 213–219. https://doi.org/10.1109/TDMR.2016.2558473

10. Tian P., McKendry J.J.D., Herrnsdorf J., et al. Temperature-dependent efficiency droop of blue InGaN micro-light emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 171107. https://doi.org/10.1063/1.4900865

11. Павлюченко А.С., Рожанский И.В., Закгейм Д.А. Проявление инжекционного механизма падения эффективности светодиодов на основе AlInGaN в температурной зависимости внешнего квантового выхода // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. № 10. С. 1391–1395.

Pavluchenko A.S., Rozhansky I.V., Zakheim D.A. Manifestation of the injection mechanism of efficiency droop in the temperature dependence of the external quantum efficiency of AlInGaN-based light-emitting diodes // Semicond. 2009. V. 43 № 10. P. 1351–1356. https://doi.org/10.1134/S1063782609100170

12. Шуберт Ф. Светодиоды / 2-е изд. Перевод с англ. под ред. Юновича А.Э. / M.: Физматлит, 2008. 496 с.

Schubert F.E. Light-emitting diodes. Cambridge: Cambridge University Press, 2006. 422 p. https://doi.org/10.1017/CBO9780511790546

13. Zhao F., Jia W., Dong H., et al. Simulation and theoretical study of AlGaN-based deep-ultraviolet light-emitting diodes with a stepped electron barrier layer // AIP Adv. 2022. V. 12. P. 125003. https://doi.org/10.1063/5.0127070

14. Якубович Б.И. Фундаментальные электрические шумы и неразрушающий контроль электронных приборов // Надежность. 2017. Т. 17. № 2. С. 31–35. https://doi.org/10.21683/1729-2646-2017-17-2-31-35

Yakubovich B.I. Fundamental electrical noise and non-destructive testing of electronic devices [in Russian] // Nadezhnost’. 2017. V. 17. № 2. P. 31–35.

15. Šaulys B., Matukas J., Palenskis V., et al. Light-emitting diode degradation and low-frequency noise characteristics // Acta Phys. Pol. A. 2011. V. 119. № 4. P. 514–520. http://dx.doi.org/10.12693/APhysPolA.119.514

16. Ivanov A.M., Klochkov A.V. Study of characteristics of LEDs based on InGaN/GaN quantum wells under short electric impacts accompanied by joule heating // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. V. 2103. P. 012189. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2103/1/012189

17. Бочкарева Н.И., Вороненков В.В., Горбунов Р.И. и др. Туннельная инжекция и энергетическая эффективность светодиодов на основе InGaN/GaN // Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 1. С. 129–136.

Bochkareva N.I., Voronenkov V.V., Gorbunov R.I., et al. Tunnel injection and power efficiency of InGaN/GaN light-emitting diodes // Semicond. 2013. V. 47. № 1. P. 127–134. https://doi.org/10.1134/S1063782613010089

18. Бочкарева Н.И., Вороненков В.В., Горбунов Р.И. и др. Механизм падения эффективности GaN-светодиодов с ростом тока // Физика и техника полупроводников. 2010. Т. 44. № 6. С. 822–828.

Bochkareva N.I., Voronenkov V.V., Gorbunov R.I., et al. Mechanism of efficiency droop in GaN light-emitting diodes // Semicond. 2010. V. 44. № 6. P. 794–800. https://doi.org/10.1134/S1063782610060175

19. Солин Н.И., Наумов С.В. Проводимость в неупорядоченной среде и локализация носителей заряда в слаболегированных манганитах лантана // ФТТ. 2003. Т. 45. № 3. С. 460–467.

Solin N.I., Naumov S.V. Conductivity in a disordered medium and carrier localization in weakly doped lanthanum manganites // Phys. Solid State. 2003. V. 45. № 3. P. 486–493. https://doi.org/10.1134/1.1562235

20. Maur M., Galler B., Pietzonka I., et al. Trap-assisted tunneling in InGaN/GaN single-quantum-well light-emitting diodes // Appl. Phys. Lett. 2014. V. 105. P. 133504. https://doi.org/10.1063/1.4896970

21. Karpov S.Yu. ABC-model for interpretation of internal quantum efficiency and its droop in III-nitride LEDs: A review // Opt. Quant. Electron. 2015. V. 47. № 6. P. 1293–1303. https:// doi.org/10.1007/s11082-014-0042-9

22. Lv Q., Gao J., Tao X., et al. Analysis of dominant non-radiative recombination mechanisms in InGaN green LEDs grown on silicon substrates // J. Lumin. 2020. V. 222. P. 117186. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117186

23. Renso N., De Santi C., Caria A., et al. Degradation of InGaN-based LEDs: Demonstration of a recombination-dependent defect-generation process // J. Appl. Phys. 2020. V. 127. P. 185701. https://doi.org/10.1063/1.5135633

24. Hooge F.N. Discussion of recent experiments on 1/f noise // Physica. 1972. V. 60 № 1. P. 130–144. https://doi.org/10.1016/0031-8914(72)90226-1

25. Chernyakov A.E., Levinshtein M.E., Talnishnikh N.A.,et al. Low-frequency noise in diagnostics of power blue InGaN/GaN LEDs // J. Cryst. Growth. 2014. V. 401. P. 302–304. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.11.097

26. Yassievich I.N. Recombination-induced defect heating and related phenomena // Semicond. Sci. Technol. 1994. V. 9. № 8. P. 1433–1453.

27. Иванов А.М., Клочков А.В. Деградация ультрафиолетовых светодиодов с квантовыми ямами InGaN/GaN, вызванная кратковременными воздействиями током // ЖТФ. 2022. Т. 92. № 2. С. 283–290. https://doi.org/10.21883/JTF.2022.02.52019.229-21

Ivanov A.M., Klochkov A.V. Degradation of InGaN/GaN quantum well UV LEDs caused by short-term exposure to current // Tech. Phys. 2022. V. 92. № 2. P. 225–231. https://doi.org/10.21883/TP.2022.02.52953.229-21

28. Molnar R.J., Lei T., Moustakas T.D. Electron transport mechanism in gallium nitride // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62. № 1. P. 72–76. https://doi.org/10.1063/1.108823

29. Бочкарева Н.И., Шретер Ю.Г. Локализация носителей заряда в квантовых ямах InGaN/GaN, ограниченная объемным зарядом // ФТТ. 2022. Т. 64. № 3. С. 371–378. https://doi.org/10.21883/FTT.2022.03.52099.241

Bochkareva N.I., Shreter Y.G. Space-charge-limited carrier localization in InGaN/GaN quantum wells // Phys. Solid State. 2022. V. 64. № 3. P. 371–378. https://doi.org/10.21883/PSS.2022.03.53193.241

30. Bochkareva N.I., Ivanov A.M., Klochkov A.V., et al. Gaussian impurity bands in GaN and weakening of carrier confinement in InGaN/GaN quantum wells // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1697. P. 012203. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1697/1/012203