Диагностический контроль качества светодиодов по локальным параметрам электролюминесценции и фототока

 
 
 
 
И.В. Фролов, В.А. Сергеев  
 
 
 
 
 
ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ 
КАЧЕСТВА СВЕТОДИОДОВ 
ПО ЛОКАЛЬНЫМ ПАРАМЕТРАМ 
ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ 
И ФОТОТОКА  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва 
2023 
 

УДК 621.396.6, 621.396.6.032.98, 621.8.019.8 
ББК 32, 32.85, 32.844-04:30.67 
Ф91 
 
 
 
 
Фролов И.В., Сергеев В.А. 
Диагностический 
контроль 
качества 
светодиодов 
по 
локальным параметрам электролюминесценции и фототока. 
Монография. — М.: СОЛОН-Пресс, 2023. — 160 с.: ил. 
 
ISBN 978-5-91359-516-4 
 
Представлено описание оригинальных методов и средств 
контроля качества светодиодов на основе гетероструктур с 
квантовыми ямами по электрофизическим и электрооптическим 
характеристикам. Особое внимание уделено способам диагностики 
дефектов 
светоизлучающих 
InGaN/GaN 
гетероструктур 
по 
статическим и динамическим параметрам электролюминесценции и 
фотоэлектрического отклика, измеренным в локальных областях 
кристалла 
светодиода. 
Рассматриваются 
модели 
деградации 
светодиодов на основе InGaN/GaN гетероструктур, учитывающие 
неоднородное распределение дефектов в активной области. 
Монография 
может 
быть 
полезна 
научным 
работникам, 
преподавателям 
высших 
технических 
учебных 
заведений, 
аспирантам соответствующих специальностей, а также инженерам 
и технологам, занимающимся разработкой светоизлучающих 
диодов и устройств на их основе. 
 
 
По вопросам приобретения обращаться: 
ООО «СОЛОН-Пресс» 
Тел: (495) 617-39-64, (495) 617-39-65 
E-mail: kniga@solon-press.ru, www.solon-press.ru 
 
 
ISBN 978-5-91359-516-4 
© «СОЛОН-Пресс», 2023 
 
© Фролов И.В., Сергеев В.А., 2023

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ...............................................................................................5 
ГЛАВА 1 Контроль качества светоизлучающих гетероструктур по 
электрофизическим и электрооптическим характеристикам .......7 
1.1 Гетеропереходный светодиод: устройство и принцип работы ........................ 7 
1.2 Дефекты светоизлучающих гетероструктур .................................................... 12 
1.3 Контроль гетероструктур по вольт-амперным характеристикам .................. 14 
1.4 Контроль параметров гетероструктур методом вольт-фарадных характеристик
 ..................................................................................................................................... 19 
1.5 Контроль качества гетероструктур по параметрам низкочастотного шума . 27 
1.6 Определение параметров дефектов гетероструктур методом 
фотоэлектрической спектроскопии ......................................................................... 31 
1.7 Контроль гетероструктур по ватт-амперным характеристикам 
..................... 39 
ГЛАВА 2 Влияние дефектов гетероструктур на параметры 
излучательной и безызлучательной рекомбинации 
........................45 
2.1 Рекомбинация в светоизлучающих гетероструктурах .................................... 45 
2.2 ABC-модель рекомбинации носителей заряда в гетероструктуре 
................. 50 
2.3 Модель неоднородного распределения состава InxGa1-xN слоя ..................... 56 
2.4 Методы исследования неоднородности гетероструктуры 
.............................. 60 
2.5 Разброс локальных параметров электролюминесценции ............................... 66 
ГЛАВА 3 Определение рекомбинационных параметров 
гетероструктур по характеристикам электролюминесценции .....68 
3.1 Оценка параметров рекомбинации по статическим параметрам 
электролюминесценции ............................................................................................ 68 
3.2 Оценка параметров рекомбинации по динамическим параметрам 
электролюминесценции ............................................................................................ 74 
3.3 Способ измерений внутренней квантовой эффективности светодиода ........ 77 
3.4 Устройство для измерений внутренней квантовой эффективности .............. 81 
ГЛАВА 4 Измерение граничной частоты электролюминесценции в 
локальных областях светоизлучающих гетероструктур 
................85 
4.1 Динамика электролюминесценции светодиода при питании импульсным 
током ........................................................................................................................... 85 
4.2 Способ измерений граничной частоты электролюминесценции светодиода с 
применением импульсного тестового сигнала 
....................................................... 88 
4.3 Аппаратно-программный комплекс для измерения граничных частот 
электролюминесценции локальных областей кристалла светодиода 
.................. 90 
4.4 Результаты выборочных измерений профилей распределения граничных 
частот по площади гетроструктуры ........................................................................ 94 
3 

Содержание 
4.5 Измерения распределений времени жизни носителей заряда по уровням 
энергии в локальных областях гетероструктуры ................................................... 95 
ГЛАВА 5 Диагностика светоизлучающих гетероструктур по 
локальным параметрам электролюминесценции 
........................... 99 
5.1 Влияние степени неоднородности распределения дефектов в InGaN/GaN 
гетероструктуре на мощность излучения ............................................................... 99 
5.2 Связь крутизны ватт-амперной характеристики с концентрацией дефектов101 
5.3 Связь степени неоднородности распределения концентрации дефектов с 
параметрами вольт-амперных и шумовых характеристик 
.................................. 106 
ГЛАВА 6 Диагностика светоизлучающих гетероструктур методами 
фотоэлектрической спектроскопии с локальным 
фотовозбуждением 
............................................................................... 110 
6.1 Модель фотоэлектрического отклика InGaN/GaN и AlInGaN/GaN 
гетероструктур ......................................................................................................... 110 
6.2 Аппаратно-программный комплекс для измерений фотоэлектрических 
параметров гетероструктур с локальным фотовозбуждением ........................... 115 
6.3 Исследование распределения параметров фототока светодиодов в различных 
режимах фотовозбуждения..................................................................................... 119 
6.4 Связь параметров фототока с уровнем НЧ шума и пороговым током ........ 123 
6.5 Связь параметров фотоэлектрического отклика с параметрами 
электролюминесценции .......................................................................................... 126 
ГЛАВА 7 Изменение параметров электролюминесценции в 
локальных областях гетероструктуры в процессе испытаний 
светодиодов 
........................................................................................... 129 
7.1 Изменение профиля распределения концентрации дефектов по площади 
светоизлучающих InGaN/GaN гетероструктур в процессе токовых испытаний129 
7.2 Диффузионная модель деградации InGaN/GaN светодиода с учетом 
неоднородного распределения температуры и плотности тока в гетероструктуре
 ................................................................................................................................... 132 
7.3 Модель деградации InGaN/GaN светодиода при токовых испытаниях с учетом 
неоднородного распределения концентрации дефектов в гетероструктуре 
..... 137 
Заключение ........................................................................................... 143 
Библиографический список .............................................................. 144 
Приложение А ...................................................................................... 158 
Приложение Б ...................................................................................... 159 
4 

 
ВВЕДЕНИЕ 
Благодаря высокой эффективности преобразования электрической энергии в 
оптическую 
светоизлучающие 
приборы 
на 
основе 
полупроводниковых 
наногетероструктур (светодиоды и светодиодные матрицы, лазерные диоды, 
полупроводниковые лазеры) все шире применяются в различных областях науки и 
техники: в устройствах индикации и освещения (в светильниках, светофорах, 
информационных табло и т.д.), в устройствах передачи информации. Одной из 
наиболее важных областей применения наногетроструктур является производство 
на их основе синих светодиодов и источников белого света, способных составить 
конкуренцию обычным лампам накаливания, флуоресцентным и галогеновым 
лампам. 
Рост темпов производства изделий полупроводниковой оптоэлектроники 
требует развития современных методов и средств диагностического контроля 
качества и надежности элементов полупроводниковой оптоэлектроники для 
обеспечения высокого уровня конкурентоспособности выпускаемой продукции. 
Наиболее перспективными с точки зрения массового применения в различных 
областях техники являются светодиоды и светодиодные матрицы на основе 
гетероструктур 
с 
множественными 
InGaN/GaN 
квантовыми 
ямами. 
Для 
повышения 
надежности 
и 
обеспечения 
долговременной 
стабильности 
характеристик таких светоизлучающих приборов в настоящее время активно 
разрабатываются методы и средства неразрушающего контроля качества, о чем 
свидетельствуют многочисленные публикации [1–43]. 
Для светоизлучающих InGaN/GaN гетероструктур с множественными 
квантовыми ямами характерны неоднородность стехиометрического состава 
слоев квантовой ямы и существенно неоднородное распределение различного 
рода дефектов по объему активной области гетероструктуры, что в свою очередь 
является причиной неоднородного распределения плотности тока и температуры 
в кристалле прибора, ускорения процессов дефектообразования в областях с 
повышенной плотностью тока. Выявление на стадии разбраковки потенциально 
ненадежных приборов стандартными методами неразрушающего контроля 
затруднительно. Поэтому для повышения степени достоверности выявления и 
отбраковки потенциально ненадежных приборов необходимо совершенствовать 
существующие и разрабатывать новые более чувствительные методы и средства 
5 

Введение 
диагностики 
дефектов 
светоизлучающих 
гетероструктур, 
учитывающие 
пространственную неоднородность их параметров и характеристик. Прямые 
методы 
оценки 
степени 
пространственной 
неоднородности 
дефектов 
гетерострукутры, такие электронная микроскопия, катодолюминесценция, атомнозондовая томография, трудоемки, требуют специализированного оборудования и 
не применимы для массового контроля. 
В монографии представлены разработанные авторами способы диагностики 
дефектов светоизлучающих гетероструктур по статическим и динамическим 
параметрам электролюминесценции и фотоэлектрического отклика, измеренным 
в локальных областях кристалла светодиода. Рассматриваются модели деградации 
светодиодов на основе InGaN/GaN гетероструктур, учитывающие неоднородное 
распределение дефектов в активной области. 
Монография может быть полезна научным работникам, преподавателям 
высших 
технических 
учебных 
заведений, 
аспирантам 
соответствующих 
специальностей, а также инженерам и технологам, занимающимся разработкой 
компонентов оптоэлектроники и устройств на их основе. 
 
6 

ГЛАВА 1 КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ 
ГЕТЕРОСТРУКТУР ПО ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМ 
И ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ 
 
1.1 Гетеропереходный светодиод: устройство и принцип работы 
 
Светоизлучающий диод  (светодиод, СИД) ௅ это полупроводниковый 
прибор с двумя контактами, содержащий полупроводниковую структуру с p-n 
переходом и преобразующий энергию электрического тока в световую [1, 2]. 
При приложении прямого смещения потенциальный барьер в p-n переходе 
понижается и электроны из n-области инжектируются в р-область, а дырки из pобласти ௅ в n-область (рис. 1.1). Инжектированные электроны и дырки, 
рекомбинируя, отдают свою энергию либо квантам света (излучательная 
рекомбинация), либо тепловым колебаниям решетки (фононам) или другим 
электронам 
(безызлучательная 
рекомбинация). 
Вероятность 
излучательной 
рекомбинации 
пропорциональна 
концентрации 
электронно-дырочных 
пар, 
поэтому наряду с повышением концентраций основных носителей в p- и nобластях желательно уменьшать толщину активной области, в которой идет 
рекомбинация. В обычных p-n переходах эта толщина не может быть меньше 
диффузионной длины носителей заряда.  
 
Рис. 1.1.  Энергетическая диаграмма обычного (гомогенного) p-n перехода  
в полупроводнике при прямом смещении U; наклонными стрелками показана  
инжекция электронов и дырок; вертикальными ௅ рекомбинация электрона и дырки 
 
Задача ограничения активной области рекомбинации была решена в конце 
60-х годов Ж. И. Алфёровым с сотрудниками путем создания гетероструктур на 
7 

Глава 1 Контроль качества светоизлучающих гетероструктур … 
основе различных полупроводниковых соединений [3]. На рис. 1.2 показана 
энергетическая диаграмма гетероструктуры, в которой между внешними p- и nобластями широкозонных полупроводников с шириной запрещенной зоны Eg2 и Eg3 
расположен тонкий слой узкозонного полупроводника с шириной запрещенной 
зоны Eg1 и толщиной d порядка сотен или десятков атомных слоев. Помимо 
потенциального барьера обычного p-n перехода на гетерограницах слоя образуются 
потенциальные барьеры для электронов ǻEc и дырок ǻEv.  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 ямы в слое, а дырки устремятся вверх ௅ 
к краю валентной зоны в слое, где минимальны их энергии.  
Широкозонные внешние части гетероперехода можно сильно легировать с 
обеих сторон, добиваясь больших концентраций в них равновесных носителей.  И 
тогда, даже не легируя активную узкозонную область примесями, удается достичь 
при инжекции значительных концентраций неравновесных электронно-дырочных 
пар в этом слое. Отказ от легирования активной области принципиально важен, 
поскольку атомы примеси, как уже отмечалось, могут служить центрами 
безызлучательной рекомбинации. Попав в потенциальную яму, инжектированные 
электроны наталкиваются на потенциальный барьер ǻEc, дырки ௅ на барьер ǻEv и 
оказываются запертыми в них;  поэтому и те, и другие перестают диффундировать 
дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с выделением энергии.  
 
Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма p-n InGaN/AlGaN/GaN 
гетероструктуры при прямом смещении U 
 
Конструкции маломощного и мощного светодиодов показаны на рис. 1.3. 
8 

Глава 1 Контроль качества светоизлучающих гетероструктур … 
У мощного светодиода кристалл со светоизлучающей гетероструктурой 
монтируется на кристаллодержателе с рефлектором и закрывается выпуклой 
прозрачной силиконовой линзой. Конструкция линзы обеспечивает фокусировку 
излучения в нужном телесном угле. Держатель кристалла отводит тепло от 
активной области. Путем добавления в материал линзы люминофоров формируют 
излучение нужного спектрального состава.  
 
 
 
а) 
б) 
Рис. 1.3.  Конструкция и внешний вид светодиодов: а) маломощный индикаторный  
светодиод; б) мощный для светодиодного освещения 
 
В маломощном светодиоде кристалл 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. Маломощный светодиод потребляет очень небольшую 
энергию: от 20 до 120 мВт, и при КПД в 5-25% в виде света излучается 1௅30 мВт 
(1௅30 кд). Для сравнения ௅ миниатюрная лампа накаливания работает при 
напряжении около 12 В и токе 50௅100 мА.  
В 1989 г. С. Накамура (компания «Ничия Кемикал») при исследовании 
пленок нитридов элементов III группы, выращенных методом газофазной 
эпитаксии из металлоорганических соединений (ГФЭ МОС), путем подбора 
режимов легирования буферных слоев примесями Mg и Zn получил эффективно 
инжектирующие слои р-типа с большой концентрацией дырок в GaNгетероструктурах [2, 4]. Сначала были созданы светодиоды из двойных 
гетероструктур Ga1–xInxN/Ga1–yAlyN с активным слоем Ga1–xInxN:Zn. Максимумы 
9 

Глава 1 Контроль качества светоизлучающих гетероструктур … 
голубого и зеленого света с яркостями 1 и 2 кд приходились на 460 и 520 нм, а 
внешний квантовый выход составлял 3 и 2%. На следующем этапе были созданы 
многослойные гетероструктуры GaN/Ga1–xInxN с нелегированным активным слоем 
Ga1–xInxN толщиной до 2-3 нм [2].  
Спектры излучения современных светодиодов на основе различных 
гетероструктур (рис.1.6) перекрывают всю область видимого спектра.  
Если светодиод синего свечения покрыть желтым люминофором либо 
закрыть линзой с таким люминофором, в котором свет возбуждается излучением 
синего цвета, то сложение цветов даст белое свечение.  
 
Рис. 1.4. Спектры электролюминесценции светодиодов на основе гетероструктур 
InGaN/AlGaN/GaN (сплошные линии) и AlInGaP/GaP (штриховые) 
 
В сверхтонких слоях энергетический спектр электронов и дырок зависит от 
толщины слоя, и регулировать цвет свечения можно, изменяя не состав 
полупроводника, а толщину квантовой ямы  [2]. При этом при выращивании 
сверхрешеток необходимо обеспечивать на границах минимальное число 
дефектов.  
Благодаря высокой эффективности наиболее перспективными с точки зрения 
массового 
производства 
и 
применения 
являются 
гетероструктуры 
с 
множественными InGaN/GaN квантовыми ямами (МКЯ). В зависимости от 
концентрации x индия в твердом растворе InxGa1-xN ширина запрещенной зоны 
может принимать значения в диапазоне от 1,95 до 3,4 эВ. Такие структуры 
используются в качестве активной области светоизлучающих структур в синей и 
зеленой областях спектра [5, 6]. 
10