Карбид-кремниевые светодиоды, работающие в режиме электрического пробоя (пробойные светодиоды), благодаря широкому спектру (250-1000 нм), высокой температурной и временной стабильности, субнаносекундному быстродействию, стойкости к температурным, химическим, радиационным воздействиям перспективны для создания на их основе эталонов мощности и спектрального состава излучения, суперскоростных калибровочных источников световых импульсов, имитаторов излучения звезд и других элементов оптоэлектроники [1-4]. Важными для использования пробойных светодиодов являются данные о предельно допустимой плотности рабочего тока при питании их в стационарном и импульсном режимах. Очевидно, это параметр зависит от длительности импульсов (относительно времени тепловой релаксации p-n-перехода, составляющего, согласно нашим оценкам, для SiC величину порядка 10^-8 с), микроплазменной структуры пробоя. Однородность и густота распределения микроплазм по площади p-n-перехода зависит от особенностей технологии его изготовления, степени легирования и качества исходных кристаллов карбида кремния. Предельно допустимая плотность тока может ограничиваться разрушением p-n-перехода или повышенной скоростью деградации прибора. В связи с этим значительный интерес представляют данные о нестабильности параметров пробойных светодиодов при питании их током максимально допустимой плотности. В настоящей работе приведены результаты исследования нестабильности характеристик пробойных светодиодов в процессе длительной работы при питании их током максимально допустимой плотности. Наиболее подходящим объектом для исследования нам представляется p-n-переход малой площади по причине того, что максимально возможная плотность тока в p-n-переходе достигается при сравнительно небольшом токе (до 0.1 А). При этом небольшая величина тепловой мощности, рассеиваемой на светодиоде (около 2 Вт), позволяет использовать стационарный режим питания, при котором сохраняется высокая точность измерения параметров прибора. Исследовались пробойные светодиоды, содержащие p-n-переходы, имеющие диаметр около 50 мкм [5]. Установлено, что при токе через светодиод, составляющем 0.1 А (эффективная, усредненная по площади плотность тока порядка 10000 А/см²), вероятность его выхода из строя в результате необратимого теплового пробоя p-n-перехода составляла 0.3-0.8 (для различных партий приборов). Максимальная яркость зоны излучения светодиода при этом достигала 10000 кд/м². У большинства приборов, выдержавших испытания при токе 0.1 А в течение 1000 ч, квантовый выход излучения при токе, равном току наработки, сохранялся неизменным с точностью 3% в течение времени испытаний. [!tb] Зависимость вольт-амперной ( a, в) и ватт-амперной ( б, г) характеристик пробойных светодиодов от времени работы при токе наработки 120 мА. a, б - образец 1 (типичный); в, г -образец 2 (с максимально выраженной деградацией); время работы, ч: 1 - 0, 2 - 134, 3 - 2110, 4 - 5607, 5 - 52. Для исследования деградации пробойных светодиодов при максимальной плотности тока были отобраны 14 образцов с однородной топографией пробойного свечения, без низковольтных микроплазм, излучавших при протекании тока в прямом и в обратном направлении, изготовленных на промышленных кристаллах и пленках SiC-6H с концентрацией нескомпенсированных доноров порядка 10¹⁸ см^-3. Рабочее напряжение светодиодов при токе 100 мА составляло 16-30 В. [!tb] Зависимость относительной интенсивности излучения (F) и напряжения (U) при постоянном токе от времени работы (t) светодиода при токе наработки 120 мА. a - образец 2, б - образец 1; ток через светодиод, мА: 1 - 100; 2, 4 - 10; 3 - 100 (p-n-переход смещен в прямом направлении). У пробойных светодиодов контролировались прямые и обратные вольт- и ватт-амперные характеристики; относительная интенсивность излучения (по отношению к фотоэлектронному умножителю с сурьмяно-цезиевым фотокатодом) при токах 10 и 100 мА при обратном смещении p-n-перехода и при токе 100 мА при прямом смещении; спектральный состав излучения (в относительных единицах) при токе 100 мА при прямом и обратном смещении p-n-перехода. Время наработки составило 6000 ч. [!tb] [width=7.9cm]22779-3.eps Зависимость распределения фотонов по энергиям ( a) и относительного изменения спектральной плотности излучения ( б) для светодиода 1 от времени работы при токе наработки 120 мА. Прямое смещение p-n-перехода ( 4-6); обратное смещение ( 1-3). Ток через светодиод, мА: 1-3 - 75, 4-6 - 100. Время работы, ч: 1, 4 - 0; 2, 5 - 3819; 3, 6 - 5607. Мощность излучения светодиодов P определялась по сигналу фотометра ФПЧ, предназначенного для измерения яркости слабых источников излучения, с учетом диаграммы направленности и спектрального состава излучения прибора. Методика определения относительной интенсивности излучения F светодиодов в процессе длительной наработки была аналогична [6]. Погрешность определения F не превышала 1%. В течение испытаний отказали 10 приборов. Установлены следующие закономерности: изменение интенсивности излучения при токе, равном току наработки, практически отсутствовало; изменение мощности P пробойного излучения светодиодов и напряжения U при постоянном токе в результате наработки происходили синхронно на начальных участках вольт- и ватт-амперной характеристик (рис. 1); величина тока, соответствующая нижней границе диапазона стабильной работы пробойного светодиода, коррелировала с величиной тока, соответствующей перегибу на вольт-амперной характеристике, предшествующему участку резкого возрастания тока; указанный перегиб связывается нами с началом ударной ионизации, производимой туннелирующими через потенциальный барьер p-n-перехода электронами [7]. Деградация при заданном токе была слабо выражена, если величина тока, соответствующая перегибу на вольт-амперной характеристике, была ниже заданной величины тока не менее, чем на 1.5-2 десятичных порядка; скорость деградации была максимальна в начальный период наработки; длительность участка повышенной скорости деградации составляла в среднем 1000 ч (рис. 2); прямая вольт-амперная характеристика практически не изменялась, наблюдалось у всех образцов лишь небольшое увеличение напряжения при постоянном токе в сотых, изредка десятых долях вольта; интенсивность инжекционной электролюминесценции у многих образцов слабо возрастала (до 30% за 6000 ч) (рис. 2); визуальным наблюдением под микроскопом установлено, что повышение тока при заданном напряжении на начальных участках вольт-амперной характеристики в процессе наработки светодиодов связано с появлением низковольтных микроплазм, проследить за эволюцией этих микроплазм с самого начала наработки не удалось; у некоторых образцов наблюдалось небольшое изменение спектрального состава пробойной и инжекционной электролюминесценции: возрос квантовый выход краевой фиолетовой полосы инжекционной электролюминесценции и пробойной электролюминесценции в соответствующей части спектра; понизился квантовый выход инжекционной и пробойной электролюминесценции в области примесных полос (рис. 3). Для установления механизма выявленных процессов деградации требуются дальнейшие исследования. Полученные результаты позволяют сделать следующие практические выводы: предельно допустимый стационарный ток пробоя для p-n-переходов диаметром около 50 мкм не превышает 120 мА, что соответствует усредненной по площади p-n-перехода плотности тока порядка 10⁴ А/см², при этом максимальная яркость зоны свечения достигает 10000 кд/м²; вплоть до необратимого теплового пробоя p-n-перехода деградация не является препятствием для использования пробойных светодиодов в составе опорных, эталонных источников излучения; стабильность вольт- и ватт-амперных характеристик светодиодов достигается на участках развитого пробоя, удаленных на 1.5-2 десятичных порядка по току вверх от перегиба на вольт-амперной характеристике, предшествующего участку резкого возрастания тока; с целью повышения стабильности полезным является остаривание приборов в течение времени около 1000 ч; высокая стабильность вольт-амперной характеристики пробойных светодиодов в процессе наработки позволяет не использовать режим жесткой стабилизации тока, обеспечить который в режиме питания приборов мощными, короткими импульсами тока представляется практически невозможным, т. е. пробойный светодиод является стабильной нагрузкой для импульсных формирователей тока; для установления возможности использования пробойных светодиодов в составе эталонов спектрального состава излучения, особенно при максимальной токовой нагрузке, требуются дополнительные исследования.

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.