半导体器件 第5-10部分：光电子器件 发光二极管 基于室温参考的内部量子效率的测试方法 征求意见稿

1GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019半导体器件第5-10部分光电子器件发光二极管-基于室温参考的内部量子效率测试方法本文件构成IEC60747规范的一部分。本文件规定了内量子效率（IQE）的测试方法，适用于单个发光二极管(LED)芯片或不含荧光粉的封装器件。本文件不适用于白光照明用LED。本测试方法仅使用工作室温下测试得到的相对外量子效率(EQE)。本测试方法首先利用注入效率为100%的工作电流值确定参考IQE。其次由该点的相对外量子效率的微小变化量来确定辐射效率。最后，根据EQE与参考点EQE的相对比值，以及与电流有关的函数，计算IQE。这种方法称为室温参考法(RTRM)。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。IEC60747-5-6:2016,半导体器件第5-6部分：光电子器件——发光二极管3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC标准化术语数据库见如下网站：IEC电子百科全书：/。ISO在线浏览平台：/obp/。3.1内量子效率internalquantumefficiency,IQEF/qF/q式中：2GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019݅ݒe——有源区的辐射功率；F——正向电流；q——元电荷。注1：内量子效率通常是环境温度（Ta）和正向电流(퐼F）的函数。[来源：IEC60747-5-8:2019,3.2.4,修订-注释已添加。]3.2外量子效率externalquantumefficiencyηEܳEF/qܳE=式中：Φe——辐射功率。注1：外量子效率通常是环境温度（Ta）和正向电流(퐼F）的函数。[来源：IEC60747-5-8:2019,3.2.3,修订-注释已添加。]3.3光提取效率lightextractionefficiency发射到自由空间的光子数与从有源区发射的光子数之比。݅注1：在特定环境温度（Ta）下，光提取效率通常与正向电流(퐼F）无关。[来源：IEC60747-5-8:2019,3.2.5,修订-注释已添加。]3.4注入效率injectionefficiency3GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019ηIE单位时间内注入有源区的电子数与注入LED的电子数之比。ηIE=式中：IF,active——注入有源区的正向电流。[来源：IEC60747-5-8:2019,3.2.6]3.5辐射效率radiativeefficiencyηRE单位时间内从有源区发射的光子数与注入有源区的电子数之比。-Φe,active/hvηRE=IF,active/q[来源：IEC60747-5-8:2019,3.2.7，修订-注释已删除。]3.6EQE峰值点peakEQEpoint在给定温度下，外量子效率（EQE）达到最大值时，正向电流和辐射功率的值。注1：EQE峰值点的正向电流和辐射功率分别表示为Ipeak和Φpeak。3.7X和Y的归一化变量normalizedvariablesofXandY电流和辐射功率的转换量，定义为：X=Φe(IF)/Φe(Ipeak)Y=IF/Ipeakf3.84GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019系数a1和a2coefficientsofa1anda2Y关于X的二次方程的系数，即Y=a1X+a2X2。注1：与X和Y相比，a1和a2随正向电流的变化足够缓慢，但在数据分析中应将其视为正向电流的函数。3.9参考点referencepointa2为最小值时的工作点4缩略语下列缩略语适用于本文件。EQE：外量子效率（ExternalQuantumEfficiency）IQE：内量子效率（InternalQuantumEfficiency）LED：发光二极管（LightEmittingDiode）RTRM：室温参考法（Room-TemperatureReference-PointMethod）5测试方法5.1基本要求5.1.1测试条件除非另有规定，测试应在环境温度(Ta)为25±3℃的无对流风条件下进行。2)湿度除非另有规定，相对湿度应为45%~85%RH。3)注意事项在某些情况下，被测LED在测试过程中产生的热量会导致测试结果随时间变化。在这种情况下，需5GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019要确定测试时间；否则，应在达到热平衡后进行测试。在测试仪器的精度范围内，若将供电和测试之间的时间间隔增加一倍，指示结果不发生变化，则可以认为已达到热平衡。5.1.2测试仪器与设备测试仪器和设备应按照：IEC60747-5-6:2016,6.1.2规定的条件。5.2目的在给定条件下测试没有任何设定参数的LED在工作温度下的内量子效率(IQE)。该方法仅使用辐射功率(Φe)曲线，该曲线是在某一环境温度(Ta)下测得的正向电流(IF)的函数。5.3测试5.3.1测试设置为避免任何外部干扰，所有测试应在经过严格认证和定义的条件下进行。基本测试设置原理图见IEC60747-5-6。在规定正向电流下正向电压的测试见IEC60747-5-6:2016,6.2。在规定电流下辐射功率的测试见IEC60747-5-6:2016,6.11。发光二极管的发射光谱、峰值波长(λP)和光谱半带宽的测试见IEC60747-5-6:2016,6.15。脉冲电流的测试见IEC60747-5-6:2016,6.8。5.3.2测试原理首先，在参考点ηIQE处找到IQE，该点处的电流注入效率(ηIE)应为100%，其次，根据相对外量子效率(ηEQE)的微小变化量计算辐射效率(ηRE)。准确找到参考点的IQE后，通过EQE值与参考点的IQE值的相对比率来计算任何其他点的IQE，即，ηIQEOIF=[ηEQE(IF)/ηEQEIF.Tef]ηIQE(IF,Tef)当a2为最小值时，注入效率达到最大。然而，注入效率的不确定度刚好达到100%，其标准有待于今后制定。5.3.3测试步骤IQE测试应按照以下十个步骤进行，如图1所示。附件A给出了一个测试范例。1)步骤0：测试环境规范。为避免任何外部干扰，所有测试都应在经过良好认证和定义的条件下进行。附件A给出了一个测6GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019试范例。测试环境规范应包括湿度、电流驱动条件和辐射功率探测器等参数。2)步骤1：获取由辐射功率和电流组成的数据N。辐射功率是电流的函数，测试电流从0到Imax变化时的辐射功率，并获得由辐射功率(Φe,和正向电流组成的数据N。辐射功率值不一定是绝对的。建议将电流在0到Ipeak的范围内至少划分成100个区间。3)步骤2：绘制相对外量子效率(EQE)曲线。辐射功率除以正向电流，即ηIQEIF)=Φe(IF)/IF，获得相对EQE。4)步骤3：在相对EQE曲线中求出峰值点。求出相对EQE最大时，正向电流(Ipeak)和辐射功率(Φpeak)的一组值。5)步骤4：将辐射功率和电流转换为归一化变量x和Y。按照以下定义计算归一化变量x和Y。xIF)=Φe(IF)/Φe(Ipeak)YIF)=IF/Ipeak6)步骤5：求出系数a1和a2。用彼此相邻的两个实验数据(xi，Yi)和(xi+1，Yi+1)联立求解以下方程，求出解集fa1,i}和fa2,i}：Yi=a1,ixi+a2,ixYi+1=a1,ixi+1+a2,ix17)步骤6：在a2-x曲线中求得参考点。当a2表示为x的函数时，选择a2最小的工作点作为参考点。参照点上的IF、a1、a2、x和Y分别表示为IF,Tef、a1,Tef、a2,Tef、xTef和YTef。8)步骤7：计算参考点的内量子效率(IQE)。在参照点由a1,Tef、a2,Tef、xTef，根据以下公式计算IQE： a2,Tefxfa1,TefxTef+a2,a1,TefxTef+a2,TefxTef9)步骤8：求出任意电流(IF)下的IQE。7GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019利用任意电流下的EQE曲线和参考点的内量子效率确定任意电流下的IQE，如下所示：ܳEܳE())10)步骤9：创建测试报告。填写附件A中的测试报告。8GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:20196测试报告测试报告应包括表A.1中所列的项目。9GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019测试示例1)步骤0：测试环境规范。——样品：在c-plane蓝宝石衬底上生长的横向电极型InGaN/GaN多量子阱LED；——芯片尺寸：740μm×600μm；——峰值波长：在T=293K时约为450nm；——湿度：50%RH；——电流驱动条件：脉冲电流驱动条件（脉冲周期：100μs，占空比：1%）；——辐射功率探测器：硅光电二极管；——电气特性测试设备：Keithley1半导体参数分析仪；——数据点总数，N=100。2)步骤1：获取由辐射功率和电流组成的数据N，如图A.1所示。图A.1辐射功率关于正向电流的函数曲线3)步骤2：绘制相对EQE曲线，如图A.2所示。GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019图A.2相对EQE关于正向电流的函数曲线4)步骤3：找到相对EQE曲线中的峰值点，如图A.3所示。图A.3相对EQE曲线中峰值EQE点的确定5)步骤4：将辐射功率和电流转换为归一化变量X和Y，如图A.4所示。GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019图A.4转换为X和Y的归一化变量6)步骤5：找到系数a1和a2，如图A.5所示。图A.5系数a1和a2关于X的函数曲线7)第6步：在a2-X曲线上找到一个参考点，如图A.6所示。GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019图A.6a2曲线中参考点的验证8)步骤7：计算参考点的IQE。݇݇݇ܳE,푟ef=85%9)步骤8：确定任意电流(퐼F）下的IQE，如图A.7所示。图A.7IQE关于正向电流的函数曲线10)步骤9：创建测试报告。GB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019表A.1试验报告汇总表值 X X XX数据点N X%X KXX%XX%XX%XXGB/T15651.10-XXXX—IECIEC60747-5-10:2019参考文献[1]IEC60747-5-8:2019,Semiconductordevices–Part5-8:Optoelectronicdevices–Lightemittingdiodes–[2]Testmethodofoptoelectronicefficienciesoflightemittingdiodes[3]T.-Y.Seong,J.Han,H.Amano,andH.Morkoç,eds.,III-NitrideBasedLightEmittingDiodesand[4]Applications(Springer,Heindelberg,2013).[4]G.P.AgrawalandN.K.Dutta,SemiconductorLasers,2nded.(KluwerAcademicPublishers,Boston,1993).[5]C.-T.Sah,FundamentalsofSolid-StateElectronics(WorldScientific,Singapore,1991).[6]H.-Y.Ryu,H.-S.Kim,andJ.-I.Shim,Appl.Phys.Lett.95,081114(2009).[7]J.Piprek,F.Röme