CC BY
52
ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК. 621.382.038
Т.М. Басалкевич, Н.А. Тальнишних, Н.М. Шмидт
ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ ДЕГРАДАЦИОННОГО ПРОЦЕССА В МОЩНЫХ СИНИХ СВЕТОДИОДАХ InGaN/GaN
В последние несколько лет проблема деградации мощных синих светодиодов InGaN/ GaN встала наиболее остро в связи с развитием в разных странах мира программ по созданию твердотельного энергосберегающего освещения и жесткими требованиями к сроку службы светодиодов до 100 тыс. часов. Данная проблема усугубляется отсутствием общепринятых моделей, адекватно описывающих этот процесс, и особенностями его развития в мощных светоди-одах InGaN/GaN [1]. Как правило, наблюдается три сценария развития этого процесса [2]:
постепенное снижение внешней квантовой эффективности (EQE) с ростом времени наработки более 1000 часов;
рост значений EQE, преимущественно в первые 10 — 100 часов, а затем постепенное их снижение;
резкое падение EQE при временах меньше 100 часов.
Эта неоднозначность результатов старения светодиодов с практически одинаковыми исходными параметрами, а также причины быстрого развития деградационного процесса не нашли общепринятого объяснения, несмотря на многолетние исследования [1]. Неоднозначность развития деградационного процесса в мощных синих светодиодах InGaN/GaN не позволяет прогнозировать надежность целых партий по результатам ускоренного старения небольшого количества приборов из каждой партии, как это принято при испытаниях традиционных материалов А3В5. В результате за
короткие сроки эксплуатации наблюдается непредсказуемый выход из строя светодиодных ламп (содержащих, как правило, до 10 светодиодов), предназначенных для энергосберегающего освещения, что делает нерентабельным переход на твердотельное освещение.
Целью данной работы явилось выяснение причин и природы быстрого развития деграда-ционного процесса в синих мощных светодиодах InGaN/GaN, предназначенных для создания ламп твердотельного энергосберегающего освещения.
В соответствии с поставленной целью было исследовано несколько партий коммерческих светодиодов различных фирм с внешней квантовой эффективностью 35 — 50 % после разных временных стадий процесса старения. Светоди-оды были собраны методом флип-чип-монтажа из чипов на основе квантоворазмерных структур InGaN/GaN с соотношением толщин ям и барьеров 3/7 нм, выращенных методом эпитак-сии из металлорганических соединений.
Применялся следующий режим старения: плотность тока — 35 А/см2, температура — 100 °С, время наработки — от 10 до нескольких тысяч часов.
Исследовались следующие параметры и характеристики светодиодов до и после разных временных стадий процесса старения: вольтам-перные характеристики в диапазоне напряжений 0,1 — 4 В и токов 10-13 — 1 А, зависимости EQE от тока I, а также спектры электролюминесценции при температуре 300 К. Определе-
^ Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
ние значений EQE, исследование зависимостей EQE (I) и спектров электролюминесценции проводилось в соответствии с международными стандартами в интегрирующей сфере, излучение регистрировалось калиброванным кремниевым фотоприемником.
Для всех партий светодиодов наблюдались все три сценария развития деградационного процесса. При этом для большей части свето-диодов во всех партиях процесс старения развивался по первому сценарию. Однако в каждой партии от 1 до 10 % от общего количества светодиодов быстро деградировало по третьему сценарию. Типичные изменения зависимостей EQE (I) во времени для светодиодов с быстрым развитием деградационного процесса приведены на рис. 1.
Выяснилось, что вероятность развития процесса по третьему сценарию повышена на партиях светодиодов с «преждевременным включением», т. е. с началом слабой излучательной рекомбинации при напряжениях на 0,2 — 0,3 В ниже напряжения, соответствующего энергии фотонов в максимуме спектра электролюминесценции этих светодиодов. Из опыта исследования светодиодов на основе традиционных А3В5 известно, что «преждевременное включение» типично для светодиодов, имеющих локальные паразитные р — п - переходы с пониженной высотой барьера [3]. Появление таких переходов может быть вызвано как локальными неоднородностями состава твердого раствора, так и несовершенствами гетерограницы. Для
Рис. 1. Зависимости внешней квантовой эффективности светодиодов от тока при быстром развитии деградационного процесса до (1) и после (2, 3) разных временных интервалов старения: 10 ч (2) и 60 ч (3)
светодиодов на основе InGaN/GaN это означает присутствие некоторой доли областей твердого раствора с повышенным содержанием индия. Хорошо известно [4], что присутствие в InGaN локальных (с нанометровой размерностью) областей, обогащенных индием, типично для светодиодных структур на этих материалах, но такие области выявляются только методами с высоким пространственным разрешением; в спектрах электролюминесценции они не проявляются. В исследованных нами исходных светодиодах с преждевременным включением спектры электролюминесценции имели один
Длина волны, нм
Рис. 2. Спектры электролюминесценции для одного (а) и нескольких (б) светодиодов одной партии с быстрым развитием деградационного процесса до (1) и после (2, 3) разных временных стадий процесса старения: 10 ч (2) и 60 ч (3)
4
Приборы и техника физического эксперимента
ярко выраженный пик на длине волны 450 нм (рис. 2, а, кривая 1). Однако после 10 часов режима старения на небольшой части свето-диодов (до 10 % от общего числа в партии), деградировавших по значениям EQE (см. рис. 1, кривая 2) в спектрах электролюминесценции наблюдалось появление длинноволновой полосы (рис. 2, а, кривая 2), причем ее интенсивность при малых уровнях возбуждения была выше основной. При этом в области рабочих токов 200 — 350 мА никаких заметных изменений значений EQE не наблюдалось. Кроме того, наблюдался разброс соотношения интен-сивностей этой и основной полосы, а также положения длинноволнового максимума (рис. 2, б) для светодиодов из одной партии, деградировавших после 10 часов старения. При этом зависимости EQE (I) этих светодиодов практически не отличались ни между собой, ни от EQE (I), представленной на рис. 1 (кривая 2).
Изменение значений EQE светодиодов после 10 часов старения сопровождалось изменением прямой ветви вольтамперной характеристики (рис. 3, кривая 3). При этом на обратной ветви ВАХ заметных изменений не наблюдалось, и она совпадала с исходной (рис. 3, кривая 1). Характерный сдвиг прямой ветви в сторону меньших напряжений сопровождался быстрым нарастанием тока. Согласно результатам работы [3], такое поведение является типичным для светодиодов с локальными паразитными р — п - переходами.
Усиление вклада в ВАХ паразитных р — п - переходов с одновременным появлением длинноволновой полосы в спектре электролюминес-
Рис. 3. Обратные (1,4,6) и прямые (2,3,5) ветви ВАХ светодиодов до (1, 2) и после (3—6) разных временных стадий старения: 10 ч (3, 4); 60 ч (5, 6)
ценции и отсутствием изменений на обратной ветви ВАХ позволяют предполагать, что наблюдаемые явления связаны с изменением состава твердого раствора в локальных областях, причем, скорее всего, в областях с неравновесным составом твердого раствора с высоким содержанием индия и обогащенных структурными дефектами. Такие области могут не давать вклада в электролюминесценцию до проведения процесса старения; но, являясь более узкозонными, могут служить локальными каналами для протекания тока. Под действием инжекционного тока на стадии старения возможен локальный разогрев и миграция и/или диффузия индия в соседние дефектные области. Следует отметить, что оба эти механизма наблюдались в работах разных авторов [1 — 5], а локальный характер развития де-градационного процесса в светодиодах InGaN/ GaN многократно подтвержден [6 — 8]. Действие этих механизмов приводит к перераспределению индия и формированию локальных областей более равновесного состава, чем в исходном светодиоде, и к излучательной рекомбинации в длинноволновой области спектра. Интенсивность этой полосы растет с уровнем инжекции так же, как и основной, и так же, как для основной полосы, наблюдается сдвиг максимума в коротковолновую область. Площадь, занимаемая паразитными диодами, много меньше площади основного состава твердого раствора, поэтому при повышении уровня инжекции вклад длинноволновой полосы в спектры электролюминесценции становится незаметным.
Предположение о том, что ускоренное старение связано с качеством твердого раствора, хорошо согласуется с данными работы [5], в которой наблюдали ускоренное старение на све-тодиодах, выращенных в условиях пониженных скоростей роста твердого раствора, что, как известно, приводит к усилению неоднородности его состава [9]. Кроме того, ранее проведенные исследования на светоизлучающих структурах InGaN/GaN с разным уровнем упорядоченности показали, что по мере ухудшения упорядоченности наноматериала светодиодных структур скорость развития деградационного процесса повышается в десятки раз [8].
Таким образом, неоднородность состава и локальная неравновесность твердого раствора InGaN, неоднородное протекание инжекцион-
+
Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки 3' 2012
ного тока, локальные перегревы, приводящие к миграции и/или диффузии индия — это причины быстрого развития деградационного процес-
са в мощных синих светодиодах InGaN/GaN, осложняющие прогнозирование срока службы светодиодов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Meneghesso, G. Recent results on the degradation of white LEDs for lighting [Текст] / G. Meneghesso, M. Meneghiniand, E. Zanoni // J. Phys. D: Appl. Phys. — 2010. - Vol. 43. - P. 354007.
2. Meneghini, M. Degradation of InGaN-based laser diodes analyzed by means of electrical and optical measurements [Текст] / M. Meneghini, N. Trivellin, K. Ori-ta [et al.] // IEEE Electron Device Letters. - 2009. -Vol. 30. - P. 356 - 358.
3. Шуберт, Ф.Е. Светодиоды [Текст] / Ф.Е. Шуберт; пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича // М.: Физ-матлит, 2008. - 496 с.
4. Akio Kaneta. Spatial and temporal luminescence dynamics in an InxGa1-xN single quantum well probed by near-field optical microscopy [Текст] / Akio Kaneta, Koichi Okamoto, Giichi Marutsuki [et al.] // Appl. Phys. Lett. - 2002. - Vol. 81. - P. 4353 - 4355.
5. Leung, K.K. Physical mechanisms for hot-electron degradation in GaN light-emitting diodes [Текст] /
K.K. Leung, W.K. Fong, P.K.L. Chan, C. Surya // J. Appl. Phys. - 2010. - Vol. 107. - Р 073103.
6. Бочкарева, Н.И. Туннельно-рекомбинацион-ные токи и эффективность электролюминесценции InGaN/GaN светодиодов [Текст] / Н.И. Бочкарева, А.А. Ефремов, Ю.Т. Ребане [и др.] // ФТП. - 2005. -Т. 39. - Вып. 5. - С. 627-632.
7. Egawa, T. Optical degradation of InGaN/AlGaN light-emitting diode on sapphire substrate grown by meta-lorganic chemical vapor deposition [Текст] / T. Egawa, H. Ishikawa, T. Jimbo, M. Umeno // Appl. Phys. Lett. -1996. - Vol. 69. - P. 830 - 832.
8. Kamanin, A.V. Degradation of blue LEDs related to structural disorder [Текст] / A.V. Kamanin, A.G. Kol-makov, P.S. Kopev [et al.] // Phys. Stat. Sol. - 2006. -Vol. 3. - P. 2129 - 2132.
9. Liubing Huang. Different degradation behaviors of InGaN/GaN MQWs blue and violet LEDs [Текст] / Liubing Huang, Tongjun Yu, Zhizhong Chen [et al.] // Journal of Luminescence. - 2009. - Vol. 129 - P. 1981-1987.
УДК 535.8.667.6
И.В. Гончар, А.С. Иванов, А.Б. Федорцов
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК В ДИАПАЗОНЕ ОТ ДЕСЯТИ ДО ТЫСЯЧИ МИКРОН
Задача измерения толщины пленок возникает при проведении разнообразных исследований. Особенно актуальны быстродействующие методы, позволяющие измерять нестабильные во времени пленки, изменяющие свою толщину, например, вследствие растекания или испарения. Путем таких измерений оказывается возможным определять разнообразные физико-химические свойства
пленок. Так, исследование кинетики растекания пленок жидкости по поверхности позволяет определить их вязкость, а кинетики изменения толщины при испарении — скорость испарения и т. п.
Контроль толщины прозрачных в видимой или инфракрасной областях спектра тонких слоев, диэлектрических и полупроводниковых, чаще всего осуществляется при помощи ла-
