Прогнозы больших сроков службы современных синих и зелёных светодиодов (СД) на основе гетероструктур GaN/InGaN, в 50–100 тыс. ч (6–12 лет), не подкреплены данными ресурсных длительных испытаний. Первые эффективные серийные СД с квантовыми ямами (КЯ) появились всего 27 лет назад и их конструктивно-технологические параметры очень быстро менялись и совершенствовались в плане повышения мощности, энергоэффективности и надёжности СД. Не было смысла проводить такие испытания.
Проведены измерения светового потока эффективных светодиодов зелёного свечения малой мощности на основе гетероструктур InGaN/GaN при стабильном токе плотностью в 2,5–3,5 раза выше номинальной. На основе модели АВС и механизма подпорогового образования точечных дефектов получена аналитическая зависимость спада светового потока во времени, с высокой степенью точности моделирующая поведение соответствующих экспериментальных зависимостей. Установлено, что деградация светодиодов по световому потоку при фиксированном прямом токе проходит по закону обратного квадрата времени наработки.
Как сообщают авторы статьи «Механизм и закономерности снижения светового потока эффективных маломощных светодиодов на основе структур GaN/InGaN при токе повышенной плотности» Маняхин Ф.И., Варламов Д.О. Кукса В. В. и Мокрецова Л.О., за это время проведён большой объём исследований по выяснению причин и механизмов снижения светового потока (Фv) СД в процессе эксплуатации с целью разработки методов ускоренных испытаний и прогнозирования срока службы. Разработаны стандарты, ТМ-21 и LM-80, по проведению соответствующих испытаний и методам прогноза.
Целью работы исследователей было установление причин снижения Фv СД на основе гетероструктур GaN/InGaN с КЯ и закономерности его изменения во времени при протекании через СД прямого тока выше номинального, для создания аналитической прогнозирующей модели деградации СД по Фv.
В задачи работы входили: анализ особенностей вольт-амперных характеристик (ВАХ) СД с КЯ на основе широкозонных полупроводников; проведение испытаний при 2–3-кратном превышении прямого тока над номинальным; разработка физико-математической модели спада Фv при наработке и сравнение её поведения с результатами эксперимента.
Проведённые длительные испытания маломощных СД на основе гетероструктур InGaN/GaN при токах в 2,5–3,5 раза выше номинального позволили выявить основной механизм, приводящий к спаду Ф
: образование точечных неравновесных дефектов в области КЯ. Форсированные режимы позволили также обнаружить скрытые дефекты, которые приводят к постепенным и катастрофическим отказам.
В соответствии с разработанной моделью Фуменьшается по закону обратного квадрата времени. Прогноз срока службы СД можно оценивать по скорости накопления избыточных точечных дефектов в КЯ и отношению концентрации накопленных дефектов к первоначальной концентрации.