Metrology for III-V Optosemiconductors

Abstract

Light-emitting diodes (LEDs) are III-V compound semiconductors manufactured by combining elements from group III (such as Al, Ga, and In) with elements from group V (such as N, P, As), forming compounds like GaN, GaInAs, and AlInP. High-power white LEDs are manufactured by coating a blue or an ultraviolet (UV) LED with phosphor, absorbing part of the blue/UV photons and emitting them at higher wavelengths. High-power LEDs are typically packaged to form an optosemiconductor device with a power rating between 1 and 5 W. In addition to light-emitting devices, III-V optosemiconductor devices can be utilized as photon absorbing, multi-junction solar cells. The materials and manufacturing processes for LEDs and III-V solar cells are the same, making their electrical and optical properties similar. In this thesis, measurement setups and novel analysis methods have been developed for luminous efficacy, lifetime, and band gap energy of LEDs and multi-junction solar cells manufactured using III-V materials. The lifetime of high-power LEDs was studied by aging different types of LED lamps at room temperature and at elevated temperatures of 45 °C and 60 °C. The aging was measured as the change of luminous flux over time. The aging accelerated on the average by factors of 1.35 and 2.36 when aging the LEDs at the elevated temperatures. The lifetime of high quality LEDs was shown to be more than 50 000 hours and projected with a new method to exceed 100 000 hours. Despite the high efficiency of LEDs, most of the consumed electrical power is still wasted in the form of heat, weakening the lifetime and optical characteristics of the optosemiconductor devices. To study the effect of temperature on the optical characteristics of high-power LEDs and multi-junction solar cells, a temperature controller based on liquid cooling and resistive heating was designed and built. A novel model for the emission spectrum of an LED was developed to determine the band gap energy of the device under tests. The method was shown to work in determining the alloy composition of III-V LEDs. The method was tested and utilized to determine the band gap energies of III-V multi-junction solar cells as well. The developed method can be used to determine temperature-invariant band gap characteristics of all III-V optosemiconductor devices.

Ledejä käytettiin pitkään pääasiassa elektronisten laitteiden merkkivaloina. Suuritehoisen valkoisen ledin kehitys 2000-luvun alussa laajensi ledien käytön myös yleisvalaistukseen ja nykyään suurin osa yleisvalaistuksesta toteutetaan ledien avulla. Ledit ovat puolijohdekomponentteja, jotka on valmistettu käyttäen materiaaleja alkuaineryhmistä III ja V, muodostaen yhdisteitä kuten GaN, GaInAs ja AlInP. Valaistuksessa käytetyt valkoiset ledit ovat tyypillisesti fosforilla päällystettyjä ledejä, jotka emittoivat sinistä tai ultraviolettivaloa. Ledin päällä oleva fosfori absorboi ledistä tulevan valon ja emittoi sen laajalla aallonpituusalueella, muodostaen valkoista valoa. Suuritehoiset ledit on tavallisesti pakattu komponenteiksi, joiden sähköteho on 1-5 W. Ledien lisäksi, III-V alkuainesta valmistettuja puolijohdekomponentteja voidaan käyttää pienissä ja tehokkaissa monikerrosaurinkokennoissa. Koska sekä ledeissä, että aurinkokennoissa käytetyt materiaalit ja valmistustekniikka ovat samat, myös sähköiset ja optiset ominaisuudet ovat yhtenevät. Väitöskirjassa on kehitetty uusia mittalaitteistoja sekä analyysimetodeja III-V materiaaleista valmistettujen ledien ja monikerrosaurinkokennojen valotehokkuuden, elinajan ja energiaraon määritykseen. Suuritehoisten ledien elinaikaa tutkittiin ikäännyttämällä erityyppisiä led-lamppuja huoneenlämpötilassa sekä korotetuissa, 45 ja 60 asteen lämpötiloissa. Korotetuissa lämpötiloissa suoritettu ikäännyttäminen kiihdytti ikääntymistä keskimäärin kertoimilla 1.35 ja 2.36, verrattuna huoneenlämpötilassa suoritettuun ikäännyttämiseen. Hyvälaatuisten ledien eliniäksi voitiin osoittaa yli 50 000 tuntia, ennustetun eliniän ollessa yli 100 000 tuntia. Ledien korkeasta hyötysuhteesta huolimatta suurin osa ledien käyttämästä sähkötehosta muuttuu lämmöksi, heikentäen puolijohdekomponenttien elinikää ja optisia ominaisuuksia. Väitöskirjassa kehitettiin nesteen avulla tapahtuvaan jäähdytykseen ja resistiiviseen lämmitykseen perustuva lämpötilasäädin, jonka avulla suuritehoisten puolijohdekomponenttien lämpötilaa voitiin nopeasti ja tehokkaasti säätää. Laitteiston avulla tutkittiin III-V ryhmien alkuainesta valmistettujen puolijohteiden energiaraon lämpötilariippuvuutta. Työssä kehitettiin uusi malli ledin emissiospektrin kuvaamiseen. Mallin avulla pystyttiin määrittämään puolijohdeyhdisteen suhteellinen koostumus. Kehitetyn mallin todettiin toimivan myös monikerrosaurinkokennojen energiarakojen määrityksessä.