Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса по методам контроля и оценки радиационной стойкости кристаллов фосфида галлия и светодиодов на его основе 8
Выводы 23
ГЛАВА 2. Вывод аналитических зависимостей для оценки и прогнозирования радиационной стойкости светодиодов .. 25
2.1. Изменение параметров оптически активной области при облучении 25
2.2. Связь электрофизических иоптических параметров материала активной области с электрическими и электролюминесцентными характеристиками светодиодов 29
2.2.1. Электролюминесценция (ЭЛ) из оптически активной р-или n-области в режиме малого уровня инжекшш 29
2.2.2. ЭЛ из оптически активного компенсированного слоя или низкоомных р- и п-областей в режиме высокого уровня инжекщш
2.2.3. ЭЛ из оптически активных низкоомных р+- и п*-областей р+-п -п+-структуры 38
Выводы 42
ГЛАВА 3. Комплексные методы контроля и оценки радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия с желто-зеленым цветом свечения 44
3.1. Исследуемые структуры. Методы измерения дои после облучения. Аппаратура и режимы облучения p-n-переходов нейтронами, протонами, электронами и гамма квантами 44
3.2. Спектры эл. Профили распределения основной легирующей примеси, спектры тсе 48
3.2.1. Спектральные характеристики р-п-переходов 48
3.2.2. Профили распределения основной легируюшей примеси 49
3.2.3. Спектры ТСЕ, энергии ионизации и коэффициенты захвата глубоких примесных центров 49
3.3. Экспериментальные зависимости вах и 1у(и,1)-характеристик от флюенса нейтронного облучения 53
3.4. Обсуждение экспериментальных вольт-амперных и iv(u,i)-xapaktephcthk и расчет коэффициентов повреждаемости времени жизни 59
3.5. Экспериментальные зависимости силы света от флюенса протонного облучения и дозы гамма квантов. Константы повреждаемости времени жизни при данных воздействиях 63
3.5.1. Экспериментальные зависимости силы света от флюенса облучения протонами с энергией 18 и 70 МэВ и результаты расчета констант повреждаемости 63
3.5.2. Экспериментальные зависимости силы света от флюенса облучения электронами с энергией 5 Мэв и расчет константы повреждаемости 64
3.5.3. Экспериментальные зависимости силы света от дозы (флюенса) облучения гамма квантами с энергией 1,25 МэВ и расчет константы повреждаемости 64
3.6. Сравнительный анализ влияния различных видов облучения на снижение силы света и расчет коэффициентов относительной эффективности 65
Выводы 67
ГЛАВА 4. Радиационная деградация и комплексные методы контроля и оценки радиационной стойкости светодиодов на основе (zn-0)-gap с красным цветом свечения 69
4.1. Исследуемые структуры 69
4.2. Изменение силы света и вах светодиодов после воздействия 69
4.2.1. Методика облучения и контроля спектра нейтронов и плотности потока 69
4.2.2. Экспериментальные вольт-амперные и люмен-вольт-амперные характеристики до и после облучения 70
4.2.3. Обсуждение экспериментальных результатов. Расчет констант повреждаемости 74
4.3. Разработка метода малых флюенсов для контроля и оценки радиационной стойкости 82
4.4. Сравнительные методы контроля и оценки радиационной стойкости (величины (т0рек,)) при облучении протонами, электронами и гамма квантами .'. 84
4.4.1. Изменение силы света светодиодов при облучении протонами и определении величины т0Кр 84
4.4.2. Изменение силы света при облучении электронами с энергией 5 и 10 МэВ и
определение величины toK< 85
4.4.3. Изменение силы света при облучении гамма квантами и определение величины (тоК,) 85
Выводы 88
Приложения . 99
- Связь электрофизических иоптических параметров материала активной области с электрическими и электролюминесцентными характеристиками светодиодов
- Экспериментальные зависимости вах и 1у(и,1)-характеристик от флюенса нейтронного облучения
- Сравнительный анализ влияния различных видов облучения на снижение силы света и расчет коэффициентов относительной эффективности
- Экспериментальные вольт-амперные и люмен-вольт-амперные характеристики до и после облучения
Введение к работе
Разработанные в последние годы светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, шкалы и табло-экраны на основе бинарных соединений и твердых растворов находят все более широкое применение как в гражданской, так и в аппаратуре спецприменения, в частности атомной и ядерной электронике, бортовой, включая космическую, аппаратуре и военной технике. Непременным условием применения светодиодов в данных областях является стойкость к действию проникающей радиации: нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов с энергией от 0,1 до 100 МэВ.
Важную роль при разработке светодиодов и устройств отображения информации играл и играет фосфид галлия и приборы на его основе. Он является достаточно широкозонным полупроводником, что позволяет создавать на его основе p-n-переходы, излучающие в красной и желто-зеленой области спектра. Основной недостаток фосфида галлия - непрямую структуру зон - удалось в значительной степени компенсировать возможностью введения эффективных центров излучательной рекомбинации. Как сам материал, так и светодиоды на его основе, являлись моделями, на которых впервые были обнаружены и исследованы основные механизмы излучательной рекомбинации: экситонная люминесценция на Zn-O-комплексах, примесное и межпримесное излучение, эффективная фото- и электролюминесценция на изоэлектронных центрах азота и т.д.
Если светодиоды с красным цветом свечения были разработаны также на основе твердых растворов GaAs0i6Po,4 и Alo Gao As, то источники желто-зеленого цвета долгое время выпускались только на основе фосфида галлия. Светодиоды с красным цветом свечения из данного материала, по-видимому, являются наиболее радиационно-стойкими, что в полной мере подтверждается проведенными нами исследованиями. Появившиеся в 1996 г. более эффективные светодиоды на основе AlGaN-InGaN-GaN с зеленым, а также с синим цветом свечения, по объемам выпуска и цене пока уступают светодиодам из фосфида галлия.
Разработанные в последние годы светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, шкалы и табло-экраны на основе бинарных соединений и твердых растворов находят все более широкое применение как в гражданской, так и в аппаратуре спецприменения, в частности атомной и ядерной электронике, бортовой, включая космическую, аппаратуре и военной технике. Непременным условием применения светодиодов в данных областях является стойкость к действию проникающей радиации: нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов с энергией от 0,1 до 100 МэВ.
Важную роль при разработке светодиодов и устройств отображения информации играл и играет фосфид галлия и приборы на его основе. Он является достаточно широкозонным полупроводником, что позволяет создавать на его основе p-n-переходы, излучающие в красной и желто-зеленой области спектра. Основной недостаток фосфида галлия - непрямую структуру зон - удалось в значительной степени компенсировать возможностью введения эффективных центров излучательнои рекомбинации. Как сам материал, так и светодиоды на его основе, являлись моделями, на которых впервые были обнаружены и исследованы основные механизмы излучательнои рекомбинации: экситонная люминесценция на Zn-O-комшіексах, примесное и межпримесное излучение, эффек- тивная фото- и электролюминесценция на изоэлектронных центрах азота и т.д.
Если светодиоды с красным цветом свечения были разработаны также на основе твердых растворов GaAs0,6Po,4 и Alo Gao As, то источники желто-зеленого цвета долгое время выпускались только на основе фосфида галлия. Светодиоды с красным цветом свечения из данного материала, по-видимому, являются наиболее радиационно-стойкими, что в полной мере подтверждается проведенными нами исследованиями. Появившиеся в 1996 г. более эффективные светодиоды на основе AlGaN-InGaN-GaN с зеленым, а также с синим цветом свечения, по объемам выпуска и цене пока уступают светодиодам из фосфида галлия.
Светодиоды, цифро-знаковые и шкальные индикаторы , табло-экраны на основе фосфида галлия с желто-зеленым цветом свечения широко применяются в аппаратуре спецназначения, что делает актуальным разработку методов контроля и оценки радиационной стойкости приборов. Светодиоды с красным цветом свечения на основе этого материала обладают повышенной радиационной стойкостью, что позволяет их использовать в более тяжелых условиях эксплуатации. Имеющиеся в литературе данные по радиационной стойкости и деградации, как правило, не являются систематическими, не охватывают всех видов воздействия, предусмотренных ГОСТом РФ, энергии частиц часто отличаются от стандартов РФ. Экспериментальные данные по стойкости, как правило, получены при фиксированном напряжении на р-п-переходе, в то время как светодиоды и устройства отображения работают при заданном токе. Универсальная теория, описывающая зависимость силы света от параметров активной области и, как следствие, флюенса (дозы) облучения не разработана. Поэтому систематическое комплексное исследование зависимости силы света при всех видах воздействия при фиксированном напряжении и заданном токе является весьма актуальной задачей.
Цель работы
Целью работы являлась разработка методов контроля и оценки изменения электрических и световых характеристик GaP(Zn-O) и GaP(Zne-N) р-п-переходов при воздействии основных видов облучения.
Данная цель достигается постановкой и решением следующих задач:
1. Разработки модели светодиодов, излучающих в желто-зеленой и красной области спектра, на основе исследования вольт-амперных, вольт-частотно-фарадных и вольт-люмен-амперных характеристик.
2. Исследование изменения характеристик при воздействии нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов.
3. Анализ экспериментальных результатов на основе разработанной модели, расчет константы повреждаемости времени жизни и снижения силы света при облучении.
4. Разработка методов оценки и прогнозирования радиационной стойкости, сравнительный анализ воздействия различных видов облучения на (Zn-O)-GaP и (Zn-S-N)-GaP светодиоды.
Научная новизна
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработке физической и математической модели р+-п -п+-структуры светодиода из фосфида галлия, содержащей высокоомный компенсированный п -слой, в котором реализуется режим высокого уровня инжекции, а излуча-тельная рекомбинация преобладает либо в п - или п+-областях («зеленая» полоса), либо в р+-слое («красное» излучение).
2. Выводе аналитических зависимостей силы света от тока, напряжения, электрофизических параметров материала активной области и характера распределения центров излучательной рекомбинации в этой области и флюенса (дозы) облучения для основных участков ВАХ.
З.В определении энергетического спектра и сечений захвата глубоких центров до и после нейтронного облучения, установлении природы и параметров центров, ответственных за радиационную деградацию.
4. В разработке метода контроля радиационной стойкости при заданном токе через светодиод, как при малых, так и номинальном значении тока.
5. В предложении, теоретическом и экспериментальном обосновании нового неразрушающего метода контроля стойкости с использованием малых флюенсов облучения.
6. В контроле радиационной стойкости при протонном облучении и оценке сравнительной эффективности различных видов воздействия на электрические и световые характеристики.
Практическая ценность
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1. Разработаны методы контроля и оценки радиационной стойкости широкой номенклатуры светодиодов, цифро-знаковых и шкальных индикаторов из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения при воздействии всех предусмотренных ГОСТом В.20.39.404-81 РФ видах облучения.
2. Оценены константы повреждаемости времени жизни и снижения силы света светодиодов из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения. Установлено, что радиационная стойкость (Zn-0)-GaP светодиодов по крайней мере на порядок выше, чем у GaAso,6Po,4 и Alo,33G%67As структур, также излучающих в красной области спектра.
3. Рассчитаны теоретически подтверждены экспериментально зависимости силы света от флюенса (дозы) облучения при номинальном токе с использованием полученных разными методами констант повреждаемости.
4. Предложен и реализован практически неразрушающий экспресс метод контроля стойкости и оценки констант повреждаемости и снижения силы света при всех видах воздействия.
5. На основе расчетных и экспериментальных зависимостей силы света от нейтронного, протонного, электронного и гамма облучения при номинальном токе определены константы повреждаемости (Zn-O)-GaP и (Zn-S-N)-GaP светодиодов, которые в последнем случае на 1,5 — 2 порядка выше, чем в первом, и коэффициенты относительной эффективности воздействия протонов, электронов и гамма квантов по сравнению с нейтронным облучением.
Реализация и внедрение результатов работы
Данная работа являлась частью программы по исследованию радиационной стойкости, разработке методов ее оценки и прогнозирования. Программа выполнялась по заданию Министерства обороны в МГАПИ, ОАО «Сапфир», ЗАО «Пола», ЗАО «Корвет». Основные результаты вошли в ТУ, справочники и информационные листы по оптоэлектронным приборам.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Светоизлучающая структура, содержащая компенсированный слой, оптически активные р- и n-области (соответственно для GaP(Zn-0) и GaP(Zne(S)-N) светодиодов), установленная из анализа вольт-частотно-фарадноых характеристик, вольт-амперных и люмен-вольт-амперных характеристик и за-виси мости силы света от флюенса нейтронного облучения.
2. Расчетные зависимости силы света от электрофизических параметров активной области с неравномерным (в общем случае) распределением центров излучательной рекомбинации, флюенсов (доз) облучения при заданном облучении и токе.
3. Методики контроля и оценки констант повреждаемости и снижения силы света при фиксированном напряжении, заданном токе и малых флюенсах облучения.
4. Экспериментально определенные константы повреждаемости времени жизни GaP(Zn-0) и GaP(Zne(S)-N) структур с красным и желто-зеленым цветом свечения после облучения нейтронами и гамма квантами.
5. Результаты сравнительного анализа относительной эффективности воздействия различных видов облучения на силу света светодиодов из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения.
Связь электрофизических иоптических параметров материала активной области с электрическими и электролюминесцентными характеристиками светодиодов
Приведенные выше результаты и их трактовка заметно отличаются от более ранней работы того же автора [19], однако тогда исследовались малоэффективные светодиоды, изготовленные диффузией цинка в кристаллы п-типа.
В работах [23, 24] было показано, что интенсивность зеленой полосы ЭЛ уменьшается в результате облучения в гораздо большей степени, чем красной. В [24] было обращено внимание на различную степень уменьшения интенсивности с облучением люминесценции в фосфиде галлия, обусловленной рекомбинацией экситонов и посредством донорно-акцепторных пар. Основной причиной этого авторы [25] считали разрушение экситонно-примесных комплексов полем радиационных дефектов. В результате облучения флюенсом 3,5-1013 н/см2 величина КпТо, рассчитанная по формуле (1.3) составила 4.7 10 14 см2.
Данные по воздействию электронов на фосфидогаллиевые светодиоды были представлены на конференции, проходившей в США в 1985 г. Светодиоды были изготовлены фирмой Hewlett-Packard жидкофазной эпитаксией и имели максимум излучения при X = 560 нМ. Облучение проводили в импульсном режиме при длительности импульса 10"6 с и частоте 60 импульсов/сек. Средняя интенсивность потока составляла 1012 э/см2, а флюенс 1012- 1014 э/см2. Величина произведения Кэт0 = 2-Ю"13 см2/э.с. при энергии электронов 30 МэВ. Она существенно отличалась от полученной ранее [26] в 1970 г., которая составляла 4-Ю"15 см2/э, однако при энергии электронов 2 - 2,5 МэВ. При работе на постоянном токе сила света снижалась на 50% при воздействии флюенса 1013 э/см2. В то же время при фиксированном напряжении сила света после этого флюенса составляла 70-90% от первоначального значения.
На рис 1.8 показано снижение световыхода светодиодов из фосфида галлия и твердых растворов GaAsj.xPx различного состава при облучении электронами при постоянном токе и напряжении. Из графика на рис. 1.8 также видно, что светодиоды из GaAsi.xPx любого состава несколько более радиационно-стойкие по сравнению со светодиодами на основе фосфида галлия, легированного теллуром и азотом.
После облучения появления новых полос ЭЛ в интервале 0,6 - 1,6 мкМ не зафиксировано, т.е. вводились в основном центры безызлучательной рекомби 23 нации. Сохранялся также механизм возбуждения ЭЛ, связанный с инжекцией электронов в нейтральную р-область. Дефекты, вводимые облучением, легче отжигались в GaAsj.xPx светодиодах с повышением содержания фосфора. Наблюдались две стадии отжига: относительно низкотемпературная (175 - 275С) и высокотемпературная (275 - 500С). На первой, протекающей практически при фиксированной температуре, происходило основное восстановление эффективности. Вторая стадия была растянута в относительно широком интервале температур, а с повышением последней эффективность плавно приближалась к первоначальной. Температура восстановления первой стадии зависела от состава и составляла 271, 223 и 184С, соответственно для X = 0; 0,2 и 0,4. При 500С происходило почти полное восстановление интенсивности.
В облученных GaAsj.xPx светодиодах было обнаружено два типа центров с энергией ионизации Ес -Et — 0,15 и 0,20 - 0,25 эВ и концентрацией 2-Ю17 и 1-Ю - 4-Ю1 см 3 соответственно, причем концентрация первых не зависела от состава и, по мнению авторов [18], они определяли радиационную деградацию светодиодов.
Оба типа дефектов эффективно отжигались при температуре менее 500С, что приводило к почти полному восстановлению световыхода. Энергетический спектр глубоких центров до и после облучения электронами изучался также авторами [27] и [28], которые получили различные результаты. В первой работе в необлученных светодиодах из GaAso,35Po,65 легированных азотом, было обнаружено две электронных ловушки с энергиями ионизации 0,20 и 0,42 эВ и сечениями захвата 3,3 10"20 и 2,3 10 21 см2. Их концентрация росла с уровнем легирования эпитаксиальных слоев теллуром, причем рост концентрации первого центра сопровождался снижением эффективности ЭЛ, начиная с ND 4 1016 см"3
В кристаллах GaAsojsPo.es (N) с малой концентрацией доноров наблюдали пять электронных ловушек: ТІ (0,18 эВ), Т2 (0,25 эВ), ТЗ (0,27 эВ), Т4 (0,25 эВ), Т6 (0,40 эВ), концентрация которых лежала в пределах 4,8 -1012 - 3,8 -1013 см".
В образцах с повышенной концентрацией доноров имелось только три ловушки: ТЗ (0,27 эВ), Т5 (0,41 эВ), Т6(0,40 эВ). В отличие от результатов дан 24 ной работы Кравченко и Принц [28] в необлученных слаболегированных кристаллах GaAsi.xPx с X = 0-1 в верхней половине запрещенной зоны в интервале энергий 0,15 — 0,90 эВ обнаружили только один уровень с Ее - Et = 0,2 — 0,3 эВ. Облучение образцов быстрыми электронами (3,5 МэВ) с флюенсом 5-Ю15 - 1016 э/см2 приводило к появлению нескольких относительно мелких энергетических уровней (Ei, Е2 и Ез) с энергией ионизации 0,08 — 0,31 эВ [29,29],
Различие результатов излучения необлученных кристаллов в работах [27] и [28], по-видимому, связано с тем, что в последней изучались слаболегированные образцы, а концентрация электронных ловушек является функцией уровня легирования кристаллов [27]. Можно согласиться с авторами [29, 30], что электронные ловушки, вводимые при легировании и облучении, являются собственными дефектами кристалла, возникающими в результате смещения атома галлия из узла кристаллической решетки, а уровень Ез, ассоциированный с валентной зоной - вакансией галлия [28,29].
В работе [30] при исследовании температурной зависимости степенных участков ВАХ облученных быстрыми электронами GaAsi.xPx светодиодов с X = 0,4; 0,65; 0,85 и 1,0 были обнаружены наряду с электронной ловушкой с энергией ионизации 0,18-0,20 эВ, радиационные дырочные ловушки с энергией Et - Ev = 0,11 — 0,13 эВ, концентрация которых после облучения флюенсом -1017 э/см2 достигала 1017 - 1018 см"3. Они, по-видимому, ответственны за сильную радиационную деградацию СД, излучающих в желто-зеленой области спектра, в которых люминесценция преобладает в n-области. В то же время дырочные ловушки не влияют на интенсивность ЭЛ из р-области в светодиодах на основе фосфида галлия, легированных цинком и кислородом.
Степень радиационной стойкости светодиодов, излучающих в красной области спектра, возрастает в следующей последовательности: Alo Gao As, GaAs0,6Po,4» (AlxInl.x)o,5(Gao.5P), GaP(Zn-0).
Экспериментальные зависимости вах и 1у(и,1)-характеристик от флюенса нейтронного облучения
Из таблицы следует, что в большинстве случаев сила света пропорциональна величине соотношения общего и излучательного времени жизни (T/TR). Интенсивность ЭЛ из компенсированного слоя растет при увеличении уровня легирования низкоомных областей и снижается с ростом концентрации ловушек, вводимых в ходе технологического цикла или при облучении. Электронные и дырочные ловушки могут компенсировать друг друга.
Сила света из оптически активных легированных р+- и п+-областей растет при увеличении соотношения (T/TR). Дырочные ловушки в компенсированном слое не влияют на интенсивность ЭЛ из р+-области и снижают силу света п+-области.
Выведенные выше зависимости тока и силы света от электрофизических параметров материала активной области позволяют получить аналитические зависимости силы света от флюенса (дозы) облучения в конкретных случаях преобладания излучательной рекомбинации в р+-, п+- и п -областях р+-п -п+-структуре для различных участков ВАХ в режиме высокого уровня инжекции (3 и 4 гл. диссертации). 1. При облучении в результате первичных и вторичных смещений атомов в решетке фосфида галлия возникают высокоподвижные вакансии и атомы фосфора и галлия, которые образуют относительно стабильные комплексы с примесями (3 гл.). Количество возникающих дефектов, т.е. радиационная стойкость, зависит от пороговой энергии смещения, которая пропорциональна ширине запрещенной зоны полупроводника. 2. Облучение в основном снижает безызлучательное время жизни, вводя новые центры рекомбинации, причем введение облучением новых или компенсация существующих центров захвата электронов и дырок также влияет на скорость излучательной рекомбинации. 3. Выведены аналитические зависимости силы света от тока, напряжения, электрофизических и оптических параметров материала, в частности времени жизни p-n-перехода, содержащего оптически активный слой, которые позволяют получить расчетные зависимости силы света от флюенса (дозы) облучения при фиксированном напряжении или токе. 4. Т.к. в общем случае светодиоды имели более сложную р+-п - -структуру, включающую высокоомныи компенсированный п -слой, то для анализа зависимости силы света от облучения разработана математическая модель такой структуры, учитывающая возможность преобладания излучательной и бе-зызлучательной рекомбинации как в легированных областях, так и в компенсированном слое. В отличие от ранее предложенных данная модель предполагает работу светодиода в режиме высокого уровня инжекции в компенсированной п -области, что подтверждается наблюдением у исследуемых светодиодов до и 6. Выведенные на основании предложенной модели аналитические зависимости силы света из р+-, п+- и п -областей от электрофизических параметров, в частности времени жизни, использованы в последующих главах для анализа изменения интенсивности ЭЛ при облучении светодиодов, излучающих в в красной и желто-зеленой области спектра. радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия с желто-зеленым цветом свечения Методы измерения до и после облучения. Аппаратура и режимы облучения р-п-переходов нейтронами, протонами, электронами и гамма квантами Исследованы четыре группы светодиодов с различным уровнем легирования активной области донорами и изоэлектронными ловушками (азотом). Структуры были получены последовательным эпитаксиальным наращиванием слоев п- и р-типа на n-подложку фосфида галлия, легированного серой до уровня 3-Ю17 см"3. Концентрация цинка в р-области составляла 2-Ю17 — 2,5-10 см , а концентрация доноров и изоэлектронной примеси азота в п-области отличались для получения различных спектральных характеристик и оценки влияния легирования на радиационную стойкость. У светодиодов первой группы п-область была легирована серой до уровня 5 10]5см"3 и азотом до 7-Ю18 см"3. Сила света составляла 5 — 7 мкД при токе 20 мА, максимум спектральной кривой лежал при 0,567 мкм. У светодиодов второй группы п-слой был легирован серой с концентрацией 5-Ю16 см"3, а концентрация азота была примерно на порядок ниже. Сила света составляла 1,5 — 3,9 мкД, а максимум спектральной кривой Хтах = 0,563 мкм. У светодиодов третьей группы п-область была легирована серой до уровня (0,5-5)-1017 см"3, сила света составляла 0,5 — 1.3 мкД, Хтах - 0,555 мкм. У светодиодов четвертой группы п-область была легирована теллуром до уровня (3-5)-1016 см 3 и азотом до (1 — 2)-1018 см 3. Сила света при токе 20 мА составляла 0,2 - 0,5 мкД. У структур измеряли спектры электрюминесценции профили распределения заряженных центров в менее легированной области р-п-переходов и параметры глубоких примесных центров до и после облучения, вольт-амперные характеристики, зависимости силы света от тока и напряжения.
Метод измерения профиля основан на анализе параметров динамической барьерной емкости р-п-структур [40, 43]. На исследуемую структуру одновременно подавалось напряжение постоянного смещения и малый периодический сигнал амплитудой несколько десятков милливольт, имеющий частотный спектр вида
Сравнительный анализ влияния различных видов облучения на снижение силы света и расчет коэффициентов относительной эффективности
Как следует из графиков рис. 4.1, эффективные светодиоды первой группы отличаются от менее эффективных светодиодов второй группы в основном безызлучательным временем жизни в активной области. Поэтому можно считать, что светодиоды первой группы в основном «короткие», а второй - «длинные». Тогда получают естественное объяснение эксперим ентальные зависимости тока от флюенса, приведенные на графиках рис. 4.2 и 4.3.
Рассчитанная, исходя из графиков рис. 4.2 и 4.3 с использованием выражений (4.6) и (4.7) величина произведения (т0Кт) составила (5 ± 3)-10-14 см2/н, причем верхний предел отвечает светодиодам первой, а нижний - второй группы. Второй экспоненциальный участок В АХ с Р 1,5 может иметь место как вследствие нелинейной рекомбинации носителей в компенсированном слое, так и существенной инжекции электронов в оптически активную р-область. Исчезновение данного участка при малых флюенсах нейтронного облучения, по-видимому, является следствием преобладания линейной рекомбинации на радиационных центрах после облучения и нелинейной на «химических» центрах рекомбинации до облучения. Излучательная компонента тока связана с инжекцией в оптически активную р+-область и может быть записана следующим образом [19]: что согласуется с экспериментальными кривыми, приведенными на графиках рис. 4.5 при флюенсах, не превышающих 1015 н/см2. Из графиков, представленных на рис. 4.9 следует, что т.е. зависимость обратной величины силы света от флюенса линейна (n = 1). Это отвечает модели Барнса [19], в соответствии с которой активаторы люминесценции (Zn-O-комплексы) распределены в активной области по линейному закону, излучательная компонента имеет диффузную природу, а температурным гашением ЭЛ можно пренебречь. Определенные из графиков рис. 4.9 константы повреждения составили: (то.еКт) = (6 ± 2) 10"14 см2/н при энергии нейтронов 1 МэВ. В том случае, если последняя составляла 2, 65 МэВ величина (то,еКт) (2,8 ± 0,9 10 13 см2/н. В работе [19] была определена величина произведения (то,еКт) при энергии пучка 10 КэВ. Она составила (2,4 ± 0,4)-10-14 см2/н. На основании этих данных приближенно можно считать, что величина произведения (то,еКх) - Еш. Т.к. величина произведения (тоРКт) и (то,еКт)» которые были получены из анализа изменения плотности тока и силы света при облучении на экспоненциальных участках ВАХ в пределах погрешности эксперимента совпадали, то это дает основание полагать, что безызлучательные времена жизни носителей в компенсированном слое и оптически активной р+-области близки по величине и изменяются при облучении сходным образом.
В реальных условиях светодиоды работают при фиксированном токе, а не напряжении, и при более высоких значениях тока и напряжения, по сравнению с теми, которые обычно используются для определения константы повреждаемости. Зависимости силы света от флюенса в режиме генератора тока отличаются от аналогичных зависимостей при фиксированном напряжении. Поэтому значение величины произведения (то,сКт) еще не позволяет оценить изменение силы света при облучении при нормальных условиях работы свето-диода. Аналитические зависимости снижения силы света с флюенсом при фиксированном токе в литературе отсутствуют. Поэтому нами теоретически и экспериментально исследована зависимость силы света от флюенса нейтронного облучения при заданном токе.
Экспериментальные кривые снижения силы света при фиксированном токе 1 мА, соответствующем экспоненциальной зависимости тока и силы света от напряжения, приведены на рис. 4.10 для светодиода первой и второй группы. Из приведенных кривых видно, что при заданном токе снижение силы света при облучении происходит значительно быстрее, чем при фиксированном напряжении и у коротких светодиодов первой группы (1), и в большей степени,
Из приведенных кривых видно, что снижение силы света при заданном токе при облучении происходит значительно быстрее, чем при фиксированном напряжении и у более эффективных светодиодов первой группы в большей степени, чем у менее эффективных длинных второй. Подставив в (4.8) выражение для тока на холловском участке ВАХ с Р = 2,0 и использовав выражения (4.5) для «тока насыщения» «короткого» и «длинного» светодиода, получаем:
Экспериментальные результаты, приведенные на графиках рис. 4.10, подтверждают расчетные зависимости. На этом рисунке сплошные линии рассчитаны по формуле (4.11) при (то.еКт) = 6-Ю" 4 см2/н, точки экспериментальные. Таким образом при токе менее 10 3 А зависимости Iv(U) и IV(I) от флюенса могут быть описаны аналитически с использованием величины (то,сКт) которая оценивается, исходя из экспериментальных люмен-вольтных характеристик, измеренных при различных флюенсах облучения. Следует отметить, что данный метод требует проведения большого объема экспериментальных и рас-четно-графических работ. Возникает естественный вопрос: насколько константы повреждаемости, рассчитанные при относительно малых токах на экспоненциальных участках I(U)- и 1у(и)-характеристики, пригодны для прогнозирования силы света при номинальном токе 10 мА. Из графиков, представленных на рис. 4.6, видно, что при изменении тока и облучения меняются зависимости силы света от тока и выражение (4.11) может быть не корректным. У эффективных светодиодов первой группы при малых токах Iv 1Ш, у светодиодов второй группы Iv -12, а при больших токах 1у — I. При больших флюенсах 1у(1)-характеристики снова становятся сверхлинейными в области номинальных токов. С целью оценки возможной погрешности при оценке радиационной стойкости светодиодов при номинальных токах с использованием аналитических зависимостей (4.9) и (4.11) и констант (т0 еКт), определенных при токе менее 10"3 А, нами были проанализированы зависимости (WIv) от тока после облучения с Ф =4,7-1013 н/см2. Результаты представлены в таблице 4.1, соответственно для светодиодов первой (1,2) и второй (3,4) группы.
Экспериментальные вольт-амперные и люмен-вольт-амперные характеристики до и после облучения
Настоящая работа носит комплексный характер. Проведены исследования воздействия проникающей радиации (высокоэнергетичных нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов) на светоизлучающие структуры фосфида галлия с желто-зеленым и красным цветом свечения.
Разработаны методы контроля, оценки и прогнозирования радиационной стойкости светодиодов с различными механизмами излучательной рекомбинации.
Для анализа экспериментальных результатов и оценки величины константы повреждаемости (т0Кт) была предложена физическая модель светодио-да, содержащая компенсированный слой, с неравномерным в общем случае распределением легирующей примеси и активаторов люминесценции во всех областях р+-п -п+-структуры.
На основании данной модели получены аналитические зависимости силы света от параметров активной области и флюенса (дозы) облучения в предположении, что излучательная рекомбинация может преобладать в легированных активаторами низкоомных р+- и п+-областях или в компенсированном п -слое, в режимах малого и высокого уровня инжекции, в случае линейной и нелинейной излучательной и безызлучательной рекомбинации, при фиксированном напряжении при заданном токе через р+-п -п+-переход.
Исследовано воздействие нейтронов, электронов и протонов различной энергии, а также гамма квантов на светоизлучающие р+-п -п+-структуры из фосфида галлия с красным цветом свечения, у которых излучательная рекомбинация преобладала в легированной активаторами р+-области с линейным распределением последних в этой области. Рассчитанные вольт-амперные и 1у(и,1)-характеристики хорошо описывали экспериментальные зависимости, что позволило определить константы повреждаемости и снижение силы света при основных видах воздействия, оценить коэффициенты эффективности различных видов облучения и прогнозировать радиационную стойкость.
Предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый, неразрушающий метод прогнозирования и контроля радиационной стойкости, основанный на физической модели светоизлучающей структуры и использовании малых флюенсов облучения (тоКтФ « 1). Применение данного метода для определения констант повреждаемости при нейтронном облучении светодиодов с красным цветом свечения позволило в пределах погрешности эксперимента получить такие же результаты, как при использовании других методов при существенной экономии времени и средств.
Исследование вольт-частотно-фарадных и вольт-амперных характеристик светодиодов, излучающих в желто-зеленой области спектра, с различным содержанием доноров и изоэлектронной примеси азота до и после облучения позволило уточнить структуру излучающего перехода, оценить ширину компенсированного слоя (0,05 - 0,4 мкм), проанализировать экспериментальные вольт-амперные и Ь(и,1)-характеристики, оценить константы повреждаемости времени жизни.
Исследования термостимулированной емкости, проведенные совместно с С.В, Булярским и А.С. Амброзиевичем, позволили определить энергии ионизации и коэффициенты захвата глубоких центров в светоизлучаюших структурах до и после нейтронного облучения. Уровень Е1 с энергией ионизации 0,29 эВ и сечением захвата 8,0x10 см /с наблюдался только в структурах, легированных азотом. Концентрация этих центров росла с облучением, что позволяет отождествить их с комплексом: изоэлектронная ловушка - вакансия галлия. Уровни Е2, ЕЗ, Е4 и Е5 с энергиями ионизации 0,25 - 0,65 эВ и сечениями захвата 1,2x1 О 12 см3/с, по-видимому, представляют ассоциацию элементов шестой группы с вакансией галлия. Некоторые из них, особенно Е5 с большим сечением захвата, являются эффективными центрами безызлучательной рекомбинации. Концентрация этих центров росла при увеличении уровня легирования и облучения, что приводило к снижению силы света. Уровень Е6, по-видимому, связан с антиструктурным дефектом: атомом фосфора в узле галлия. Наибольший интерес для нас представляют глубокие центры Е8 с энергией 0,9 эВ и большим сечением захвата (6,0x1 О 7 см3/с). ОНИ, по-видимому, представляют антиструктурные дефекты: атомы галлия в узле фосфора. Именно с ростом концентрации этих центров при облучении, по-видимому, связана деградация времени жизни.
Сравнительный анализ влияния облучения на светоизлучающие р+-п -п+-структуры с красным (Zn-O) и желто-зеленым (Zn, Те, S, N) цветом свечения показал, что радиационная стойкость первых существенно выше. Константы повреждаемости при разных видах облучения у них в среднем на полтора-два порядка ниже. Т.к. в обеих структурах первичными радиационными дефектами являются вакансии фосфора и галлия, то причиной различной стойкости является образование различных комплексов с первичными дефектами. В (Zn-O)-GaP светодиодах вакансии фосфора в значительной степени заполнены кислородом и образование антиструктурных дефектов GaP, снижающих время жизни в активной области при облучении, является менее вероятным, чем в (Zne(S))-GaP структурах. Другой возможной причиной является генерация при облучении не только центров рекомбинации, но также дырочных ловушек. Последние не влияют на излучение из р+-области, но снижают силу света в компенсированной и п+-области. Излучающие в красной области спектра GaP(Zn-0)-cTpyKTypbi имеют на порядок более высокую радиационную стойкость, чем GaAs0,6Po,4 р-п-переходы, и на два порядка превосходят по этому параметру гетероструктуры на основе Al033Gao,67As. Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ОАО НЛП «Сапфир», ОАО «Оптрон», ЗАО «Пола» и ЗАО «Алкол».
