RU2725613C1 - Method of measuring the cut-off frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure - Google Patents
Method of measuring the cut-off frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2725613C1 RU2725613C1 RU2019140699A RU2019140699A RU2725613C1 RU 2725613 C1 RU2725613 C1 RU 2725613C1 RU 2019140699 A RU2019140699 A RU 2019140699A RU 2019140699 A RU2019140699 A RU 2019140699A RU 2725613 C1 RU2725613 C1 RU 2725613C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light
- emitting
- frequency
- emitting heterostructure
- electroluminescence
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/265—Contactless testing
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electroluminescent Light Sources (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике измерения динамических характеристик светодиодов и полупроводниковых светоизлучающих структур и может быть использовано для диагностики однородности светоизлучающих гетероструктур (СГС) и их характеризации по динамическим свойствам.The invention relates to a technique for measuring the dynamic characteristics of LEDs and semiconductor light-emitting structures and can be used to diagnose the uniformity of light-emitting heterostructures (GHS) and their characterization by dynamic properties.
Критически важным параметром светодиодов, определяющими их динамические свойства, являются граничные частоты переключения, значения которых определяются временами жизни носителей заряда в процессе излучательной и безызлучательной рекомбинации в СГС светодиода [см., например, Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - М.: Физматлит, 2008. - 496 с.]. Измерения динамических параметров электролюминесценции светодиодов позволяют получать информацию о временах жизни носителей заряда при излучательной и безызлучательной рекомбинации и дают дополнительные сведения о генерационно-рекомбинационных процессах в СГС, то есть позволяют судить о их качестве.The critical parameter of LEDs that determine their dynamic properties is the switching edge frequencies, the values of which are determined by the lifetimes of charge carriers in the process of radiative and non-radiative recombination in a GHS LED [see, for example, Schubert F. LEDs / Trans. from English under the editorship of A.E. Yunovich. - M .: Fizmatlit, 2008. - 496 p.]. Measurements of the dynamic parameters of LED electroluminescence make it possible to obtain information on the lifetimes of charge carriers during radiative and nonradiative recombination and provide additional information about the generation-recombination processes in the GHS, that is, they allow one to judge their quality.
Известен способ измерения граничной частоты ƒ3дБ электролюминесценции светоизлучающих диодов по уровню 3 дБ (Изменение характеристик зеленых InGaN светодиодов при испытаниях. Фролов И.В., Радаев О.А., Сергеев В.А., Широков А.А. Радиоэлектронная техника. 2016. №1 (9). С. 20-25), состоящий в том, что через светодиод пропускают электрический ток, содержащий постоянную составляющую заданного уровня и переменную составляющую, изменяющуюся по гармоническому закону с заданной амплитудой и начальной частотой несколько килогерц, измеряют мощность излучения светодиода быстродействующим фотоприемником, последовательно увеличивают частоту переменной составляющей тока при поддержании постоянной ее амплитуды, регистрируют значение частоты переменного тока, при котором сигнал фотоприемника становится равным 0,5 начального уровня. Это значение и является граничной частотой электролюминесценции светодиода по уровню 3 дБ.Known method of measuring the cutoff frequency ƒ 3dB electroluminescence
Недостатком известного способа является его низкая информативность для целей диагностики однородности СГС, поскольку известным способом определяется некоторая усредненная по площади СГС граничная частота электролюминесценции. Вместе с тем известно, что различного рода дефекты, включая неоднородность легирования различных областей СГС, приводят к неравномерной электролюминесценции и разбросу локальных динамических параметров СГС. Таким образом, локальные динамические параметры СГС, в том числе и локальная граничная частота электролюминесценции, являются информативными диагностическими параметрами, и их определение позволяет оценивать качество изготовления СГС и степень ее дефектности.The disadvantage of this method is its low information content for the purpose of diagnosing GHS homogeneity, since a certain average frequency of electroluminescence is averaged over the GHS area. At the same time, it is known that various kinds of defects, including inhomogeneity of doping of different regions of the GHS, lead to uneven electroluminescence and a spread in the local dynamic parameters of the GHS. Thus, the local dynamic parameters of the GHS, including the local cutoff frequency of electroluminescence, are informative diagnostic parameters, and their determination allows us to evaluate the quality of manufacturing of the GHS and the degree of its defectiveness.
Техническая задача состоит в обеспечении возможности измерения граничной частоты электролюминесценции локальных областей светоизлучающих гетероструктур, и, как следствие, повышение информативности диагностики однородности светоизлучающих гетероструктур по локальным динамическим параметрам.The technical task is to provide the ability to measure the cutoff frequency of electroluminescence of local regions of light-emitting heterostructures, and, as a result, to increase the information content of diagnostics of uniformity of light-emitting heterostructures by local dynamic parameters.
Технический результат достигается заявленным способом измерения.The technical result is achieved by the claimed measurement method.
Способ измерения граничной частоты электролюминесценции локальных областей светоизлучающей гетероструктуры, при котором через светоизлучающую гетероструктуру пропускают переменный электрический ток с начальной частотой следования несколько килогерц, частоту изменения которого постепенно увеличивают, регистрируют излучение светоизлучающей гетероструктуры фотоприемником и определяют граничную частоту электролюминесценции при заданном уровне снижения сигнала фотоприемника, отличающийся тем, что через светоизлучающую гетероструктуру пропускают последовательность импульсов электрического тока скважностью 2 и начальной частотой следования несколько килогерц и цифровой камерой регистрируют излучение с поверхности светоизлучающей гетероструктуры, частоту следования импульсов тока постепенно увеличивают и при каждом заданном значении Fi частоты следования импульсов тока также регистрируют цифровой камерой излучение с поверхности светоизлучающей гетероструктуры, полученные оцифрованные изображения сохраняют в памяти компьютера, увеличение частоты следования импульсов тока прекращают, когда средний уровень яркости изображения, регистрируемого цифровой камерой, снизится в 1,5 раза относительно значения, измеренного на начальной частоте, на изображении светоизлучающей гетероструктуры выделяют локальную область и находят k-e изображение, на котором средняя яркость выделенной области светоизлучающей гетероструктуры в раз меньше исходной средней яркости, и определяют для k-го изображения граничную частоту ƒ3дБ=Fk электролюминесценции выбранной локальной области светоизлучающей гетероструктуры, а при отсутствии точного значения в отношении последующих изображений граничную частоту электролюминесценции локальной области светоизлучающей гетероструктуры определяется путем интерполяции по формулеA method for measuring the limiting frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure, in which an alternating electric current with an initial repetition rate of several kilohertz is passed through the light-emitting heterostructure, the frequency of which is gradually increased, the radiation of the light-emitting heterostructure is measured by a photodetector, and the cutoff frequency of the electroluminescence that is detected at a predetermined level is determined in that a sequence of electric current pulses with a duty cycle of 2 and an initial repetition rate of several kilohertz is passed through a light-emitting heterostructure and a digital camera records radiation from the surface of the light-emitting heterostructure, the repetition rate of the current pulses is gradually increased, and for each given value F i, the repetition rates of the current pulses are also recorded by a digital camera radiation from the surface of a light-emitting heterostructure obtained by digitized image The values are stored in the computer memory, the increase in the pulse repetition rate of the current pulses is stopped when the average brightness level of the image recorded by the digital camera decreases by 1.5 times relative to the value measured at the initial frequency, a local region is selected on the image of the light-emitting heterostructure, and the ke image is found on where the average brightness of the selected region of the light-emitting heterostructure in times less than the initial average brightness, and for the k-th image, the boundary frequency ƒ 3 dB = F k electroluminescence of the selected local region of the light-emitting heterostructure is determined, and in the absence of an exact value with respect to subsequent images, the limiting frequency of electroluminescence of the local region of the light-emitting heterostructure is determined by interpolation by the formula
где qk-1 и qk - отношение средних яркостей таких двух последовательных изображений k-1 и k при условии Fk-1 и Fk - частоты следования импульсов тока, соответствующие этим изображениям, ƒ3дБ - граничная частота электролюминесценции светодиода по уровню 3 дБ.where q k-1 and q k is the ratio of the average brightness of such two consecutive images k-1 and k under the condition F k-1 and F k are the repetition rates of current pulses corresponding to these images, ƒ 3dB is the cutoff frequency of the electroluminescence of the LED at a level of 3 dB.
Технический результат достигается тем, что регистрируется не интегральное излучение светодиода фотодиодом, а изображение светящейся поверхности СГС с помощью цифровой камеры и граничная частота определяется по снижению яркости в выбранной локальной области СГС. С увеличением частоты следования импульсов тока интенсивность излучения СГС будет уменьшаться. Крутизна этого снижения определяется характерными временами жизни носителей заряда и будет различной в различных локальных областях СГС, поскольку эти времена заметно различаются. В результате яркость разных локальных областей СГС будет уменьшаться с ростом частоты импульсов по-разному.The technical result is achieved by the fact that it is not the integrated radiation of the LED that is detected by the photodiode, but the image of the luminous surface of the GHS using a digital camera and the cutoff frequency is determined by the brightness reduction in the selected local region of the GHS. As the current pulse repetition rate increases, the GHS emission intensity will decrease. The steepness of this decrease is determined by the characteristic lifetimes of the charge carriers and will be different in different local regions of the GHS, since these times differ markedly. As a result, the brightness of different local regions of the GHS will decrease with increasing pulse frequency in different ways.
Для определения коэффициента снижения яркости соответствующего граничной частоте электролюминесценции СГС при пропускании через СГС импульсного тока рассмотрим спектр импульсного оптического сигнала, создаваемого этим импульсным током.To determine the brightness reduction coefficient corresponding to the boundary frequency of the GHS electroluminescence when a pulse current is passed through the GHS, we consider the spectrum of a pulsed optical signal generated by this pulse current.
Выражение для спектра импульсного тока со скважностью 2, протекающего через СГС, имеет видThe expression for the spectrum of the pulse current with a duty cycle of 2 flowing through the GHS has the form
где I0 - амплитуда импульсов тока, ω=2πF - частота следования импульсов тока.where I 0 is the amplitude of current pulses, ω = 2πF is the repetition rate of current pulses.
Сигнал, регистрируемый цифровой камерой, пропорционален действующему значению силы тока IД (ω) на заданной частоте ωThe signal recorded by the digital camera is proportional to the current value of the current strength I D (ω) at a given frequency ω
где К(jω) - передаточная функция СГС при преобразовании электрического тока в излучение, j - комплексная единица.where K (jω) is the GHS transfer function when converting an electric current to radiation, j is a complex unit.
В общем случаеIn general
где τ - время жизни неосновных носителей заряда в гетеропереходе, R - дифференциальное сопротивление прямосмещенной СГС, С - ее емкость; в большинстве случаев при токах, составляющих не более 0,2 от предельно допустимого значения, RC<<τ иwhere τ is the lifetime of minority charge carriers in the heterojunction, R is the differential resistance of the forward biased GHS, C is its capacity; in most cases, with currents not exceeding 0.2 of the maximum permissible value, RC << τ and
Выражение для спектра импульсного тока, протекающего через светодиод, имеет вид (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Учебник для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: «Советское радио», 1977. - 608 с.)The expression for the spectrum of the pulsed current flowing through the LED has the form (see Gonorovsky IS Radio engineering circuits and signals. A textbook for universities. 3rd ed., Revised and enlarged. - M .: "Soviet Radio", 1977 . - 608 p.)
где I0 - амплитуда импульсов тока, ω - частота следования импульсов тока.where I 0 is the amplitude of the current pulses, ω is the frequency of the current pulses.
Спектр переменного оптического сигнала согласно (2) и (4) будет определяться выражениемThe spectrum of a variable optical signal according to (2) and (4) will be determined by the expression
Действующее значение оптического сигнала, которое регистрируется цифровой камерой, определяется средним квадратическим значением постоянной и всех гармонических составляющих:The effective value of the optical signal, which is recorded by a digital camera, is determined by the mean square value of the constant and all harmonic components:
где Р0=I0K0 - амплитудное значение оптического сигнала СГС.where P 0 = I 0 K 0 is the amplitude value of the optical signal of the GHS.
На низкой частоте следования импульсов тока (ωτ→0) уровень оптического сигнала равен На частоте следования импульсов тока, равной граничной частоте модуляции электролюминесценции ƒ3dВ, выполняется условие 2πƒ3dВτ =1. Учитывая в этом случае быстрое уменьшение членов a n суммы в подкоренном выражении с увеличением номера гармоники при n>3: a n~1/4n4 и ограничиваясь тремя членами суммы, для мощности оптического сигнала на граничной частоте получим At a low repetition rate of current pulses (ωτ → 0), the optical signal level is At a current pulse repetition rate equal to the boundary frequency of electroluminescence modulation ƒ 3dV , the condition 2πƒ 3dВ τ = 1 is fulfilled. In this case, taking into account the rapid decrease in the terms a n of the sum in the radical expression with an increase in the harmonic number for n> 3: a n ~ 1 / 4n 4 and being limited to three terms of the sum, for the power of the optical signal at the cutoff frequency, we obtain
Таким образом, при использовании в качестве тестового сигнала импульсного сигнала со скважностью 2 частота ƒ3дБ будет определяться как частота, на которой действующее значение сигнала цифровой камеры спадает в 1,19 раз относительно значения, измеренного на низкой частоте следования импульсов тока. Заметим, что неоднородность распределения тока по площади структуры не зависит от частоты следования импульсов и не влияет на результат измерения, поскольку граничная частота электролюминесценции определяется по отношению яркости свечения на низкой и высокой частоте при одной и той же плотности тока в выбранной локальной области.Thus, when using a pulse signal with a duty cycle of 2 as a test signal, the frequency ƒ 3 dB will be defined as the frequency at which the effective value of the digital camera signal drops 1.19 times relative to the value measured at the low pulse repetition rate. Note that the heterogeneity of the current distribution over the area of the structure does not depend on the pulse repetition rate and does not affect the measurement result, since the limiting frequency of electroluminescence is determined by the ratio of the brightness of the light at low and high frequencies at the same current density in the selected local region.
Вариант устройства, реализующего способ, показан на фиг. 1.An embodiment of a device implementing the method is shown in FIG. 1.
Устройство содержит контактную колодку 1 для размещения и подключения СГС, генератор 2 импульсов тока со скважностью 2 и с перестраиваемой частотой следования, цифровую камеру 3 с разрешением N×M пикселей, персональный компьютер 4, устройство управления 5.The device contains a
Устройство работает следующим образом. После установки контролируемого светодиода в контактную колодку 1 и включения устройства импульсы тока заданной начальной частоты, амплитуды и скважностью 2 с выхода генератора 2 поступают в СГС. Начальная частота выбирается в диапазоне 1,0-10 кГц, то есть заведомо на несколько порядков величины меньше граничной частоты люминесценции СГС. Цифровая камера 3 регистрирует излучение СГС и передает в персональный компьютер 4. Компьютер рассчитывает среднюю арифметическую по площади структуры яркость изображения путем попиксельного суммирования яркости и деления на число пикселей изображения. По команде «Пуск», задаваемой с персонального компьютера 4, устройство управления 5 подает на генератор 1 импульсов тока управляющий сигнал, и частота следования импульсов тока начинает увеличиваться. В моменты времени ti при достижении заданных значений частоты Fi следования импульсов тока устройство управления 5 включает цифровую камеру 3, которая регистрирует изображение светящейся поверхности СГС и передает это изображение в цифровой форме в память персонального компьютера 4. Заданные значения частоты Fi рекомендуется выбирать в логарифмическом масштабе, исходя из требуемой относительной погрешности измерения граничной частоты электролюминесценции СГС, обычно из расчета 7-10 значений на декаду. Компьютер рассчитывает среднюю по площади структуры яркость изображения и сравнивает со средней яркостью исходного изображения. Когда средняя яркость некоторого К-го изображения будет меньше в 1,5 раза средней яркости исходного изображения, дальнейшее увеличение частоты следования импульсов тока прекращается, генератор импульсов тока выключается, и в памяти компьютера будет сохранено К изображений. Предельное значение отношений средней яркости изображений, равное 1,5 раза, выбрано, как заведомо превышающее возможный уровень неоднородности яркости изображений реальных СГС. Оператор задает на исходном изображении СГС локальную область определенного размера, компьютер рассчитывает среднюю яркость выделенной локальной области и затем определяет номер k изображения, средняя яркость выбранной локальной области на котором будет в раз меньше исходной средней яркости. Значение частоты Fk следования импульсов тока, соответствующей этому изображению, и принимается за значение граничной частоты ƒ3дБ=Fk электролюминесценции выбранной локальной области. Если отношение яркостей ни одного из изображений не равно точно значению то граничную частоту электролюминесценции локальной области СГС персональный компьютер рассчитывает по интерполяционной формуле (1). Затем оператор задает другую локальную область на изображении СГС и процедура определения граничной частоты электролюминесценции повторяется.The device operates as follows. After installing the controlled LED in the
Поскольку кристаллы СГС имеют, как правило, форму квадрата, то для упрощения реализации способа для целей диагностики однородности СГС оцифрованное изображение СГС можно разбить на целое число квадратных (или прямоугольных) локальных областей и сравнительный анализ яркости этих областей проводить путем последовательного перебора.Since the GHS crystals have, as a rule, a square shape, to simplify the implementation of the method for the purpose of diagnosing GHS homogeneity, the digitized GHS image can be divided into an integer number of square (or rectangular) local regions and a comparative analysis of the brightness of these regions can be carried out by sequential enumeration.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019140699A RU2725613C1 (en) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | Method of measuring the cut-off frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019140699A RU2725613C1 (en) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | Method of measuring the cut-off frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2725613C1 true RU2725613C1 (en) | 2020-07-03 |
Family
ID=71510415
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019140699A RU2725613C1 (en) | 2019-12-09 | 2019-12-09 | Method of measuring the cut-off frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2725613C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2523731C1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method and apparatus for measuring transient thermal characteristics of light-emitting diodes |
US9442155B2 (en) * | 2009-08-03 | 2016-09-13 | Sof-Tek Integrators, Inc. | System and method of testing high brightness LED (HBLED) |
RU2624406C1 (en) * | 2016-03-29 | 2017-07-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of measuring the thermal impedance of leds |
CN107064773A (en) * | 2017-03-17 | 2017-08-18 | 深圳市华星光电技术有限公司 | ATE voltage testing systems and ATE voltage test methods |
-
2019
- 2019-12-09 RU RU2019140699A patent/RU2725613C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9442155B2 (en) * | 2009-08-03 | 2016-09-13 | Sof-Tek Integrators, Inc. | System and method of testing high brightness LED (HBLED) |
RU2523731C1 (en) * | 2013-02-05 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method and apparatus for measuring transient thermal characteristics of light-emitting diodes |
RU2624406C1 (en) * | 2016-03-29 | 2017-07-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Method of measuring the thermal impedance of leds |
CN107064773A (en) * | 2017-03-17 | 2017-08-18 | 深圳市华星光电技术有限公司 | ATE voltage testing systems and ATE voltage test methods |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Радиоэлектронная техника, 2016, N1 (9),c. 20-25. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100252775B1 (en) | System and method for accelerated degradation testing of semiconductor devices | |
US10789867B2 (en) | Re-interpolation with edge detection for extracting an aging pattern for AMOLED displays | |
CN109596965A (en) | A method of judging the avalanche photodide APD optimum operating voltage of 10G EPON | |
US3748579A (en) | Method for determining concentration profiles of deep levels on both sides of a p-n junction | |
CN109752637B (en) | Method and device for detecting multi-chip parallel transient current unevenness | |
CN106158689B (en) | Diode photoelectric test method based on multiple groups test probe | |
RU2725613C1 (en) | Method of measuring the cut-off frequency of electroluminescence of local regions of a light-emitting heterostructure | |
CN108051722A (en) | The lifetime estimation method and system of hot carrier injection effect | |
SE2050319A1 (en) | Measuring device and method for determining an electrical property | |
US3919639A (en) | Method for determining the carrier lifetime of a crystal | |
Alexeev et al. | Dynamic response-based LEDs health and temperature monitoring | |
US9726713B2 (en) | Testing method and testing system for semiconductor element | |
US3904962A (en) | Impatt diode testing | |
EP3203734A2 (en) | Camera calibration | |
CN209946011U (en) | Performance detection device of electroluminescent material | |
Winkler et al. | Study on transient light emission of SiC power MOSFETs regarding the sensing of source-drain currents in hard-switched power electronic applications | |
CN111308310B (en) | Dynamic rds (on) parameter testing machine of gallium nitride device | |
CN105784330B (en) | Semiconductor laser bar unit consistency detection instrument and its detection method | |
CN105823973B (en) | Multi-standard tester for reverse recovery time of diodes | |
Glemža et al. | Low-frequency noise characteristics of high-power white LED during long-term aging experiment | |
Tanaka et al. | Current integrated charge measurement evaluation of insulation layer for power module using DC current integrated charge measurement | |
CN110095191B (en) | Method and device for detecting grading chromatic aberration of light-emitting diode chip | |
CN113589126A (en) | Transient time measuring device, junction temperature measuring system and method of power electronic device | |
Zhong et al. | Sinusoidal Pulsewidth Modulation Scheme for LED Lighting to Reduce LED Flicker | |
US3525043A (en) | Apparatus for directly viewing current-voltage characteristics of a semiconductor element driven by a modulated pulse supply |