Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2019, № 10 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

On the relationship between the local electroluminescence parameters of green InGaN LEDs and the parameters of the I-V characteristics and low-frequency noise in the currents range corresponding to the appearance of luminescence

I.V. Frolov1,2,3,4, O.A. Radaev1,2,3,4, A.A. Gavrikov1,2, V.A. Sergeev1,2,3,4

1 Ulyanovsk Branch of Kotelnikov IRE RAS, Ulianovsk, Russia
2 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
3 Ульяновский государственный технический университет, Ulianovsk, Russia
4 Ulyanovsk State Technical University, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.10.5 UDC 621.382 EDN OJQSCB

Abstract

A model of the relationship between the steepness K of the P - I characteristic of the LED measured in the microcurrent range and the defects concentration in the heterostructure of the LED is presented. According to the model, the higher the current causing the luminescence, the more defective is the structure. The P - I characteristic of such LEDs has a large steepness. An experimental verification of the correlation between the average value and the heterogeneity degree of the K parameter distribution over the chip area with the defectness degree of the heterostructure using commercial InGaN green LEDs was carried out. The degree of the heterostructure defectness was estimated indirectly by the low-frequency noise level SI and the non-ideality coefficient of the I - V characteristic m . The distribution profile of the steepness of the P - I characteristics over the LED chip was determined as the ratio of the intensities of the chip images at currents of 500 nA and 5 μA obtained by a Levenhuk D320L digital microscope camera. The inhomogeneity of the steepness distribution of the P - I characteristic was estimated based on the mean square deviation σ normalized to the average value of the parameter Kav over the chip. We determined a strong correlation between the parameters Kav - SI and Kav - m (the correlation coefficient ρ is 0.93 and 0.89, respectively) and a weak correlation between the parameters σ/ Kav - m ( ρ = 0.42). The results can be used for identification local areas of LED chip with increased defectness.

  • InGaN светодиод
  • электролюминесценция
  • ватт-амперная характеристика
  • крутизна характеристики
  • вольт-амперная характеристика
  • низкочастотный шум
  • корреляция
Аннотация (на русском)

О связи локальных параметров электролюминесценции зеленых InGaN светодиодов с параметрами вольт-амперных и шумовых характеристик в диапазоне токов начала свечения

Редставлена модель связи крутизны K ватт-амперной характеристики светодиода, измеренной в диапазоне микротоков, с концентрацией дефектов в гетероструктуре светодиода. Согласно модели более дефектной является структура, свечение которой возникает при большем токе. Ватт-амперная характеристика таких светодиодов имеет большую крутизну. Выполнена экспериментальная проверка корреляционной связи среднего значения и степени неоднородности распределения параметра K по площади кристалла со степенью дефектности гетероструктуры на примере коммерческих InGaN светодиодов зеленого свечения. Степень дефектности гетероструктуры оценивалась косвенным способом по уровню низкочастотного шума SI и коэффициенту неидеальности вольт-амперной характеристики m . Профиль распределения крутизны ватт-амперных характеристик по кристаллу светодиода определялся как отношение интенсивностей изображений кристалла при токах 500 нА и 5 мкА, полученных цифровой камерой микроскопа Levenhuk D320L. Оценка неоднородности распределения крутизны ватт-амперной характеристики выполнялась на основе среднего квадратического отклонения σ, нормированного на среднее значение параметра K ср по кристаллу. Определена сильная корреляционная связь между параметрами K ср - SI и K ср - m (коэффициент корреляции ρ составляет 0,93 и 0,89 соответственно) и слабая корреляционная связь между параметрами σ/ K ср - m ( ρ = 0,42). Полученные результаты могут быть использованы для выявления локальных областей кристаллов светодиодов с повышенной дефектностью.

For citation

Frolov I.V., Radaev O.A., Gavrikov A.A., Sergeev V.A. On the relationship between the local electroluminescence parameters of green InGaN LEDs and the parameters of the I-V characteristics and low-frequency noise in the currents range corresponding to the appearance of luminescence // Journal of Radio Electronics. – 2019. – No. 10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.10.5

References

  1. Characteristics of GaN-based light emitting diodes with different thicknesses of buffer layer grown by HVPE and MOCVD / P. Tian, P. R. Edwards, M. J. Wallace et al. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. V. 50. P. 075101.
  2. High spatial uniformity of photoluminescence spectra in semipolar ( 20 2 ¯ 1 ) plane InGaN/GaN quantum wells / K. Gelžinytė, R. Ivanov, S. Marcinkevičius et al. // Journal of Applied Physics. - 2015. V. 117. P. 023111.
  3. Differential carrier lifetime in InGaN-based light-emitting diodes obtained by small-signal frequency-domain measurements / I. Reklaitis, F. Nippert, R. Kudzma et al.// Journal of Applied Physics. 2017. V. 121. P. 035701.
  4. Meneghini M., Trivellin N., Meneghesso G. A combined electro-optical method for the determination of the recombination parameters in InGaN-based light-emitting diodes // Journal of Applied Physics. 2009. V. 106. P. 114508.
  5. David A., Grundmann M. J. Droop in InGaN light-emitting diodes: A differential carrier lifetime analysis // Applied Physics Letters. 2010. V. 96. P. 103504.
  6. GaN-based LEDs for light communication / L. X. Zhao, S. C. Zhu, C. H. Wu et al. // Sci.China-Phys. Mech. Astron. 2016. V. 59. P. 107301.
  7. Шуберт Ф. Светодиоды. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008.
  8. Lin-Wang Xu and Ke-Yuan Qian A Fast Method for Lifetime Estimation of Blue Light-Emitting Diode Chips Based on Nonradiative Recombination Defects // IEEE Photonics Journal. 2017. Vol. 9, No. 4. P. 8201309.
  9. Изучение механизмов, ответственных за деградацию эффективности светодиодов на основе нитридов третьей группы / Шмидт Н.М. и др. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 1. С. 46.
  10. J. Glemža, J. Matukas, S. Pralgauskaitė, and V. Palenskis. Low-frequency noise characteristics of high-power white led during long-term aging experiment // Lithuanian Journal of Physics. 2018. Vol. 58, No. 2. - P. 194-203.
  11. Frolov I. V., Radaev O. A., Sergeev V. A. Measurement and analysis of the recombination coefficients distribution on the area of light-emitting InGaN/GaN heterostructures // Book of Abstracts. 6th International School and Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostructures "Saint Petersburg OPEN 2019". St Petersburg, Russia, April 22-25, 2019. St. Petersburg Academic University, 2019. P. 242-243.
  12. Сергеев, В. А. Двухсекционная низкочастотная эквивалентная схема зеленых InGaN светодиодов для описания шумовых характеристик / В. А. Сергеев, И. В. Фролов, А. А. Широков // Известия вузов. Электроника. 2015. Т. 20, №6. С. 598-606.
  13. Фролов И. В., Радаев О. А., Сергеев В. А. Оценка связи пространственной неоднородности электролюминесценции светодиодных структур с параметрами вольтамперной характеристики // "Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика": Сборник трудов VIX Всерос. конф. молодых ученых. - Саратов: Изд-во "Техно-Декор". 2019. С. 278-279.