CC BY
6УДК 681.518.3
DOI: 10.24151/1561-5405-2019-24-1-92-96
Связь уровня фототока светоизлучающих InGaN/GaN-гетероструктур с уровнем НЧ-шума и порогового тока
В.А. Сергеев1'2, И.В. Фролов1, О.А. Радаев1'2
1 Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, г. Ульяновск, Россия 2Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск, Россия
sva@ulstu.ru
Надежность технических устройств с использованием InGaN/GaN-светодиодов зависит от способов и средств неразрушающего контроля их качества. Для диагностики неоднородностей характеристик светоизлучающих гетероструктур по площади используются такие параметры, как уровень низкочастотного шума и значение порогового тока начала свечения. В работе представлены выборочные распределения коммерческих светодиодов зеленого свечения на основе InGaN/GaN-гетероструктур по параметрам фототока, порогового тока начала свечения и уровня низкочастотного шума. Установлено, что между средним значением фототока, возникающего при облучении кристалла светодиода лазерным излучением с длиной волны 405 нм, уровнем низкочастотного шума, измеренным в диапазоне малых плотностей тока, и пороговым током начала свечения существуют корреляционные взаимосвязи, указывающие на связь уровня фототока с плотностью дефектов в гетероструктуре. Показано, что в InGaN/GaN-гетероструктурах зеленого свечения уровень фототока преимущественно выше в дефектных структурах.
Ключевые слова: светоизлучающие диоды; InGaN/GaN-гетероструктуры; фототок; пороговый ток; НЧ-шум
Для цитирования: Сергеев В.А., Фролов И.В., Радаев О.А. Cвязь уровня фототока светоизлучающих InGaN/GaN-гетероструктур с уровнем НЧ-шума и порогового тока // Изв. вузов. Электроника. - 2019. - Т. 24. - № 1. - С. 92-96. DOI: 10.24151/1561-5405-201924-1-92-96
Благодарности: работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 16-47-732159 р_офи_м).
© В.А. Сергеев, И.В. Фролов, О.А. Радаев, 2019
Relationship between Photocurrent Level of Light-Emitting InGaN/GaN Heterostructures and Level of Low-Frequency Noise and Threshold Current
V.A. Sergeev1,2, I.V. Frolov1, O.A. Radaev1,2
1 Ulyanovsk Branch of Kotel 'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences, Ulyanovsk, Russia 2Ulyanovsk State Technical University, Ulyanovsk, Russia
sva@ulstu.ru
Abstract: The reliability of technical devices using the InGaN/GaN- light emitting diodes depends on the methods and tools of their quality non-failure control. For diagnostics of non-homogeneities in the characteristics of light-emitting heterostructures by an area, such parameters as the low-frequency noise level and the threshold current value of luminescence start are used. The sampling distributions of commercial green LEDs based on InGaN/GaN heterostructures on the parameters of photocurrent, the threshold current and the level of low-frequency noise have been presented. It has been determined that between the average value of the photocurrent arising upon irradiation of the LED chip by laser radiation with a wavelength of 405 nm, the level of the low-frequency noise, measured in the range of the low current densities and the threshold current there are correlations, which indicate to a relationship between the photocurrent level and the density of defects in the heterostructure. It has been shown that in InGaN/GaN heterostructures of green luminescence the photocurrent level is predominantly higher in the defect structures.
Keywords: light emitting diodes; InGa/GaN heterostructures; photocurrent; threshold current; low-frequency noise
For citation: Sergeev V.A., Frolov I.V., Radaev O.A. Relationship between photocurrent level of light-emitting InGaN/GaN heterostructures and level of low-frequency noise and threshold current. Proc. Univ. Electronics, 2019, vol. 24, no. 1, pp. 92-96. DOI: 10.24151/1561-54052019-24-1-92-96
Acknowledgements: this study has been supported by Russian Foundation for Basic Research (project № 16-47-732159 р_офи_м).
С целью повышения надежности технических устройств с использованием InGaN/GaN-светодиодов активно разрабатываются способы и средства неразрушающего контроля их качества [1-3]. Для диагностики неоднородностей характеристик светоизлучающих гетероструктур по площади используются методы сканирующей ближнепольной электролюминесценции, инфракрасной микроскопии [1], мэппинг фотолюминесценции [2].
Диагностическими параметрами, связанными с однородностью светоизлучающих гетеро-структур, являются также уровень низкочастотного (НЧ) шума и значение порогового тока начала свечения [4-7]. Пороговый ток характеризует потери на безызлучательную рекомбинацию в системе дефектов, пронизывающих активную область светодиода. Cледовательно, значения порогового тока могут быть использованы для оценки качества светоизлучающей гетерострук-туры. В работах [6, 7] показано, что значения порогового тока коррелируют со значениями тока, при котором отмечается максимум токовой зависимости внешней квантовой эффективности светодиода, а при испытаниях в режиме постоянного тока светодиоды с большими значениями порогового тока деградируют быстрее, чем светодиоды с малыми значениями порогового тока.
Информативным и легко реализуемым является метод фотоэлектрической диагностики, основанный на регистрации фотоэлектрического отклика структуры на фотовозбуждение. Для диагностики однородности светоизлучающих гетероструктур фотоэлектрическим методом при локальном фотовозбуждении в статическом и динамическом режимах разработан измерительный комплекс [8]. Он позволяет выполнять сканирование рабочей поверхности гетерострукту-ры с шагом до 10 мкм при облучении объекта оптическим пятном лазерного излучения с длиной волны 405 нм, диаметром 10 мкм в стационарном режиме и в режиме импульсной или гармонической модуляции интенсивности фотовозбуждения [9].
Для выявления связей указанных диагностических параметров рассмотрены выборочные распределения светодиодов XREGRN-L1-0000-00P01 зеленого свечения по этим параметрам. Светодиоды этого типа изготовлены на основе кристаллов EZ1000 размером 980x980 мкм с InGaN/GaN-гетероструктурой.
В табл.1 приведены средние значения фототока 1ср.ф и его среднеквадратическое отклонение о, измеренные в центре кристалла на участке размером 200x200 мкм при сканировании с шагом 10 мкм и плотности мощности засветки 5 104 Вт/см2, а также значения спектральной плотности мощности НЧ-шума SI, измеренные на частоте 1 кГц в полосе 36 дБ/окт. при токах 0,1; 1,0; 10 мА, и значения порогового тока /пор. В табл.2 представлены значения коэффициентов корреляции между фототоком, пороговым током и уровнем НЧ-шума.
Таблица 1
Диагностические параметры InGaN/GaN-гетероструктур
Table 1
Diagnostic parameters of InGaN/GaN heterostructures
Параметр G1 G2 G3 G4 Номер G5 образца G6 G7 G8 G9 G10
/ср.ф, мкА 28,3 30,6 38,9 31,2 30,7 34,1 29,4 27,9 27,1 20,6
с, мкА 0,426 0,546 0,682 0,45 0,583 0,7 0,423 0,492 0,512 0,868
5/(0,1 мА), А2/Гц 0,670 0,735 0,802 0,649 1,129 0,922 0,229 0,229 0,373 0,342
5/(1,0 мА), А2/Гц 12,5 11,6 14,4 16,4 12,5 21,9 2,3 2,3 2,3 4,1
5/(10 мА), А2/Гц 138 61 95 50 58 116 22 17 23 28
/пор, нА 1125 2520 4005 1485 3060 4410 1530 1620 2160 1035
Таблица 2
Коэффициенты корреляции диагностических параметров
Table 2
Correlation coefficients of diagnostic parameters
Параметр Пороговый ток /пор НЧ-шум при 200 мкА Фототок /ср.ф
Пороговый ток /пор 1 0,79 0,78
НЧ-шум S/ при 200 мкА 0,79 1 0,65
Фототок /ср.ф 0,78 0,65 1
Как следует из табл.2, между измеренными диагностическими параметрами исследуемых гетероструктур отмечается достаточно сильная корреляционная связь. Значительная корреляция уровня фототока с пороговым током (0,78) указывает на связь уровня фототока с плотностью дефектов в гетероструктуре. Коэффициент корреляции между средним значением фототока и уровнем НЧ-шума светодиодов составляет 0,65. График корреляционного поля между фототоком и уровнем НЧ-шума, измеренным при токе 1 мА, представлен на рис.1.
Между уровнем НЧ-шума и пороговым током также наблюдается корреляционная связь, которая в режиме малых плотностей тока значительно больше, чем в режиме больших токов,
Ь 25.
сч <
S 20
о
х 15
СЗ
Зло а
Î * л
к л
S 0
о £
î
•
• •
• • < •
20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 Фототок, мкА
Рис.1. Корреляционное поле между средним значением фототока и уровнем НЧ-шума при токе 1 мА
(коэффициент корреляции 0,65) Fig.1. Correlation field between the mean value of the photocurrent and the level of low-frequency noise at a current of 1 mA (correlation coefficient is 0.65)
поскольку в режиме малых токов генерационно-рекомбинационные процессы на дефектных уровнях сильнее влияют на флуктуации тока (рис.2).
-0,2-1-—........—...................1
0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1 Пороговый ток, А
Рис.2. Токовая зависимость коэффициента корреляции между уровнем НЧ-шума и значением порогового тока Fig.2. Current dependence of the correlation coefficient between the level of low-frequency noise and the value of the threshold current
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в InGaN/GaN-гетероструктурах зеленого свечения уровень фототока преимущественно выше в дефектных структурах, что может быть объяснено большим коэффициентом поглощения света в таких структурах и генерацией электронно-дырочных пар с дефектных уровней.
Литература
1. Spatially resolved imaging of the spectral emission characteristic of an InGaN/GaN-multi quantum well-light-emitting diode by scanning electroluminescence microscopy / P. Fischer, J. Christen, M. Zacharias et al // Japanese J. of Applied Physics. - 2000. - Vol. 39. - No. 4 B. - P. 2414-2416.
2. High spatial uniformity of photoluminescence spectra in semipolar 2021 plane InGaN/GaN quantum wells / K. Gelzinyte, R. Ivanov, S. Marcinkevicius et al // J. of Applied Physics. - 2015. - Vol. 117. - P. 023111-1-023111-9.
3. Characterization of the deep levels responsible for non-radiative recombination in InGaN/GaN light-emitting diodes / M. Meneghini, M. la Grassa, S. Vaccari et aL // Applied Physics Letters. - 2014. - Vol. 104. - P. 113505-1-113505-4.
4. Шуберт Ф. Светодиоды: пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.
5. Sergeev V.A., FrolovI.V., ShirokovA.A. Double stage low-frequency noise equivalent circuit of green InGaN LEDs for description of noise characteristics // Russian Microelectronics. - 2016. - No. 7. - P. 498-503.
6. Сергеев В.А., Фролов И.В., Радаев О.А. Исследование связи степени дефектности светоизлучающих наноге-тероструктур зеленых InGaN/GaN светодиодов с величиной порогового тока // Письма в ЖТФ. - 2017. - №4. -С. 89-93.
7. Сергеев В.А., Фролов И.В., Радаев О.А., Черторийский А.А. Оценка качества гетеропереходных светодиодов по уровню порогового тока // Изв. вузов. Электроника. - 2017. - №1. - С. 92-95.
8. Сергеев В.А., Васин С.В., Радаев О.А., Фролов И.В. Автоматизированная установка диагностики качества светоизлучающих гетероструктур методом динамического фотоэлектрического отклика // Автоматизация процессов управления. - 2017. - №2. - С. 92-97.
9. Sergeev V.A., Vasin S. V., Radaev O.A., Frolov I.V. Measuring complex for registering photoelectric response of LED heterostructures under local photoexcitation // 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT): Proceedings (Moscow, Russia, March 14-16, 2018). - 2018. DOI:10.1109/MWENT.2018.8337210
Поступило в редакцию 27.04.2018 г.; после доработки 27.04.2018 г.; принято к публикации 27.11.2018 г.
Сергеев Вячеслав Андреевич - доктор технических наук, профессор, директор Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, д. 48/2), заведующий базовой кафедрой радиотехники, опто- и наноэлектроники Ульяновского государственного технического университета (Россия, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д.32), sva@ulstu.ru
Фролов Илья Владимирович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, д.48/2), ilya-frolov88@mail.ru
Радаев Олег Александрович - младший научный сотрудник Ульяновского филиала Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук (Россия, 432071, г. Ульяновск, ул. Гончарова, д.48/2), аспирант кафедры радиотехники, опто- и наноэлектроники Ульяновского государственного технического университета (Россия, 4320027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, д.32), oleg.radaev.91@mail.ru
References
1. Fischer P., Christen J., Zacharias M. et al. Spatially resolved imaging of the spectral emission characteristic of an InGaN/GaN-multi quantum well-light-emitting diode by scanning electroluminescence microscopy. Japanese Journal of Applied Physics, 2000, vol. 39, no. 4 B, pp. 2414-2416.
2. Gelzinyte K., Ivanov R., Marcinkevicius S. et al. High spatial uniformity of photoluminescence spectra in semipolar 2021 plane InGaN/GaN quantum wells. Journal of Applied Physics, 2015, vol. 117, p. 023111-1-023111-9.
3. Meneghini M., La Grassa M., Vaccari S. et al. Characterization of the deep levels responsible for non-radiative recombination in InGaN/GaN light-emitting diodes. Applied Physics Letters, 2014, vol. 104, pp. 113505-1-113505-4.
4. Schubert E.F. Light Emitting Diodes. Cambridge University Press. 2006, 496 p.
5. Sergeev V.A., Frolov I.V., Shirokov A.A. Double Stage Low-Frequency Noise Equivalent Circuit of Green InGaN LEDs for Description of Noise Characteristics. Russian Microelectronics, 2016, vol. 45, no. 7, pp. 498-503.
6. Sergeev V.A., Frolov I.V., Radaev O.A. The Relationship between the Defectness of Emitting Nanoheterostructures of Green InGaN/GaN LEDs and Their Threshold Current Values. Technical Physics Letters, 2017, vol. 43, no. 2, pp. 224-226.
7. Sergeev V.A., Frolov I.V., Radaev O.A., Chertoriysky А.А. Estimation of the quality of heterojunction light-emitting diodes by threshold current level. Izvestiya vuzov. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics, 2017, vol. 22, no. 1, pp. 92-95. (in Russian).
8. Sergeev V.A., Vasin S.V., Radaev O.A., Frolov I.V. Automated installation of diagnostics of quality of light-emitting heterostructures by dynamic photoelectric response. Avtomatizatsiya protsessov upravleniya = Automation of control processes, 2017, no. 2, pp. 92-97. (in Russian).
9. Sergeev V.A., Vasin S.V., Radaev O.A., Frolov I.V. Measuring complex for registering photoelectric response of LED heterostructures under local photoexcitation. 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Proceedings. Moscow, 2018. IEEEXplore Digital Library. DOI:10.1109/MWENT.2018.8337210
Received 27.04.2018; Revised 27.04.2018; Accepted 27.11.2018.
Information about the authors:
Vyacheslav A. Sergeev - Dr. Sci. (Eng.), Prof., Director of the Ulyanovsk Branch of Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov str., 48/2), Head of the Radioengineering, Opto- and Nanoelectronics Department, Ulyanovsk State Technical University (Russia, 432027, Ulyanovsk, Severny Venetz str., 32), sva@ulstu.ru
Ilya V. Frolov - Cand. Sci. (Eng.), Senior Scientific Researcher, Ulyanovsk Branch of Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov str., 48/2), ilya-frolov 88@mail.ru
Oleg A. Radaev - Jonior Scientific Researcher, Ulyanovsk Branch of Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 432071, Ulyanovsk, Goncharov str., 48/2), PhD student of the Radioengineering, Opto- and Nanoelectronics Department, Ulyanovsk State Technical University (Russia, 432027, Ulyanovsk, Severny Venetz str., 32), oleg.radaev.91@mail.ru
