НИКИФОРОВ
Владимир Олегович
д.т.н., профессор
doi: 10.17586/2226-1494-2015-15-1-46-53
УДК 621.382.038
ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ, ОТВЕТСТВЕННЫХ ЗА ДЕГРАДАЦИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВТРЕТЬЕЙ ГРУППЫ
Читать статью полностью
Ссылка для цитирования: Шмидт Н.М., Усиков А.С., Шабунина Е.И., Черняков А.Е., Курин С.Ю., Макаров Ю.Н., Хелава H.И., Папченко Б.П. Изучение механизмов, ответственных за деградацию эффективности светодиодов на основе нитридов третьей группы // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Том 15. № 1. С. 46–53
Аннотация
Приведены результаты исследования деградации внешней квантовой эффективности двух типов светодиодов, ультрафиолетового и синего диапазонов, на основе полупроводниковых нитридов третьей группы. Кратко рассмотрены известные механизмы, приводящие к деградации внешней квантовой эффективности светодиодов при старении. Применение комплекса методов для изучения светодиодов после разных временных стадий старения позволило впервые выяснить возможность участия механизма многофононной рекомбинации носителей в дефектообразовании под действием инжекционного тока в системе протяженных дефектов и в локальных областях с флуктуациями состава твердого раствора. Этот комплекс включает: анализ вольтамперных характеристик, в том числе при напряжениях менее 2 В; методики низкочастотного шума; инфракрасную микроскопию. Многофононная рекомбинация носителей сопровождается генерацией собственных дефектов, в том числе атомов индия и галлия в междоузлиях, и их миграцией. Эти процессы приводят к изменению свойств системы протяженных дефектов и локальных областей твердого раствора, уменьшая концентрацию неравновесных носителей, участвующих в излучательной рекомбинации, что приводит к деградации внешней квантовой эффективности. Показано, что этот механизм может участвовать в деградации внешней квантовой эффективности светодиодов как ультрафиолетового, так и синего диапазона. В рамках этого механизма находит объяснение немонотонный характер развития процесса деградации и катастрофические отказы этих светодиодов, а также низкие сроки службы ультрафиолетовых светодиодов.
Благодарности. Работа проводится Университетом ИТМО при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России в рамках соглашения № 14.575.21.0054 (уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57514X0054) о предоставлении субсидии по теме: «Исследование новых технических возможностей для создания экологически чистого генератора водорода с использованием фотоэлектрохимического элемента на основе наноструктур полупроводниковых нитридов третьей группы».
Список литературы
1. Meneghesso G., Meneghini M., Zanoni E. Recent results on the degradation of white LEDs for lighting. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010, vol. 43, no. 35, art. 354007. doi: 10.1088/0022- 3727/43/35/354007
2. Pinos A., Marcinkevicius S., Shur M.S. High current-induced degradation of AlGaN ultraviolet light emitting diodes. Journal of Applied Physics, 2011, vol. 109, no. 10, art. 103108. doi: 10.1063/1.3590149
3. Meneghini M., Trevisanello L., Sanna C., Mura G., Vanzi M., Meneghesso G., Zanoni E. High temperature electro-optical degradation of InGaN/GaN HBLEDs. Microelectronics Reliability, 2007, vol. 47, no. 9–11, pp. 1625–1629. doi: 10.1016/j.microrel.2007.07.081
4. Bochkareva N.I., Rebane Yu.T., Gorbunov R.I., Klochkov A.V., Shreter Yu.G., Efremov A.A. Nonuniformity of carrier injection and the degradation of blue LEDs. Semiconductors, 2006, vol. 40, no. 1, pp. 118–123. doi: 10.1134/S1063782606010210
5. Hibbard D.L., Jung S.P., Wang C., Ullery D., Zhao Y.S., Lee H.P., So W., Liu H. Low resistance high reflectance contacts to p-GaN using oxidized Ni/Au and Al or Ag. Applied Physics Letters, 2003, vol. 83, no. 2. pp. 311–313. doi: 10.1063/1.1591233
6. Fischer P., Christen J., Zacharias M., Schwegler V., Kirchner C., Kamp M. 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, Part 1: Regular Papers and Short Notes and Review Papers, 2000, vol. 39, no. 4 B, pp. 2414–2416.
7. Kovalev A.N., Manyakhin F.I., Kudryashov V.E., Turkin A.N., Yunovich A.E. Changes in the luminescent and electrical properties of InGaN/AlGaN/GaN light-emitting diodes during extended operation. Semiconductors, 1999, vol. 33, no. 2, pp. 192–199.
8. Sawyer S., Rumyantsev S.L., Shur M.S., Pala N., Bilenko Yu., Zhang J.P., Hu X., Lunev A., Deng J., Gaska R. Current and optical noise of GaN/AlGaN light emitting diodes. Journal of Applied Physics, 2006, vol. 100, no. 3, art. 034504. doi: 10.1063/1.2204355
9. Cao X.A., Sandvik P.M., LeBoeuf S.F., Arthur S.D. Defect generation in InGaN/GaN light-emitting diodes under forward and reverse electrical stresses. Microelectronics Reliability, 2003, vol. 43, no. 12, pp. 1987– 1991. doi: 10.1016/j.microrel.2003.06.001
10. Takeya M., Mizuno T., Sasaki T., Ikeda S., Fujimoto T., Ohfuji Y., Oikawa K., Yabuki Y., Uchida S., Ikeda M. Degradation in AlGaInN lasers. Physica Status Solidi C: Conferences, 2003, no. 7, pp. 2292–2295. doi: 10.1002/pssc.200303324
11. Leung K.K., Fong W.K., Chan P.K.L., Surya C. Physical mechanisms for hot-electron degradations in GaN light-emitting diodes. Journal of Applied Physics, 2010, vol. 107, no. 7, art. 073103. doi: 10.1063/1.3357312
12. Kamanin A.V., Kolmakov A.G., Kop'ev P.S., Onushkin G.A., Sakharov A.V., Shmidt N.M., Sizov D.S., Sitnikova A.A., Zakgeim A.L., Zolotareva R.V., Usikov A.S. Degradation of blue LEDs related to structural disorder. Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics, 2006, vol. 3, pp. 2129–2132. doi: 10.1002/pssc.200565162
13. Kurin S., Antipov A., Barash I., Roenkov A., Usikov A., Helava H., Ratnikov V., Shmidt N., Sakharov A., Tarasov S., Menkovich E., Lamkin I., Papchenko B., Makarov Y. Characterization of HVPE-grown UV LED heterostructures. Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics, 2014, vol. 11, no. 3–4, pp. 813–816. doi: 10.1002/pssc.201300459
14. Chernyakov A.E., Levinshtein M.E., Talnishnikh N.A., Shabunina E.I., Shmidt N.M. Low-frequency noise in diagnostics of power blue InGaN/GaN LEDs. Journal of Crystal Growth, 2014, vol. 401, pp. 302–304.
15. Schubert E.F. Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2006, 327 p.
16. Averkiev N.S., Chernyakov A.E., Levinshtein M.E., Petrov P.V., Yakimov E.B., Shmidt N.M., Shabunina E.I. Two channels of non-radiative recombination in InGaN/GaN LEDs. Physica B: Condensed Matter, 2009, vol. 404, no. 23–24, pp. 4896–4898. doi: 10.1016/j.physb.2009.08.252
17. Cao X.A., Teetsov J.M., D'Evelyn M.P., Merfeld D.W., Yan C.H. Electrical characteristics of InGaN/GaN light-emitting diodes grown on GaN and sapphire substrates. Applied Physics Letters, 2004, vol. 85, no. 1, pp. 7–9. doi: 10.1063/1.1767280
18. Shabunina E., Averkiev N., Chernyakov A., Levinshtein M., Petrov P., Shmidt N. Extended defect system as a main source of non-radiative recombination in InGaN/GaN LEDs. Physica Status Solidi (C) Current Topics in Solid State Physics, 2013, vol. 10, pp. 335–337. doi: 10.1002/pssc.201200656
19. Yassievich I.N. Recombination-induced defect heating and related phenomena. Semiconductor Science and Technology, 1994, vol. 9, no. 8, pp. 1433–1453.
20. Chernyakov A.E., Levinshtein M.E., Petrov P.V., Shmidt N.M., Shabunina E.I., Zakgeim A.L. Failure mechanisms in blue InGaN/GaN LEDs for high power operation. Microelectronics Reliability, 2012, vol. 52, no. 9–10, pp. 2180–2183. doi: 10.1016/j.microrel.2012.06.051
