Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Воздействие проникающей радиации на электрофизические параметры материалов, катодо- и электролюминесценцию гомо- и гетероструктур на основе бинарных соединений твердых растворов а3в5 10
Выводы 28
ГЛАВА 2. Анализ влияния структуры излучающего р-п-перехода и параметров активной области на вольт-люмен-амперные характеристики (теория) 30
2.1. Введение 30
2.2. Электролюминесценция из оптически активного слоя р-п-или гетероперехода в режиме малого уровня инжекции 30
2.3. Электролюминесценция из оптически активного компенсированного слоя в режиме высокого уровня инжекции в диффузионном приближении теории 32
2.4. ЭЛ из оптически активных низкоомных р+- и п+-областей р+-р(п)-п+-структуры 43
2.5. Электролюминесценция из оптически активного слоя в дрейфовом приближении теории 48
2.5.1. Основные положения и расчетные соотношения 48
2.5.2. Вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) при преобладании омической релаксации, бимолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной ремобинации в квантовой яме 51
2.5.3. ВЛАХ в случае преобладания омической релаксации, мономолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме 52
2.5.4. ВЛАХ при преобладании времени пролета бимолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме 53
2.5.5. ВЛАХ при преобладании времени пролета, мономолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме 54
Выводы 55
ГЛАВА 3. Методы облучения и контроля параметров и характеристик светоизлучающих структур до и после облучения 57
ГЛАВА 4. Исследование воздействия нейтронного, протонного, электронного и гамма облучения на вольт-люмен-амперные характеристики ai0,33ga0,67as гетероструктуры 61
4.1. Исследование структуры и методики облучения 61
4.2. Экспериментальные результаты по изменению ВАХ и силы света при нейтронном облучении 62
4.3. Обсуждение экспериментальных результатов и расчет констант повреждения при нейтронном облучении 65
4.4. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов протонами 72
4.5. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов электронами 72
4.6. Снижение силы света и расчет константы повреждаемости при облучении светодиодов гамма квантами 73
Выводы 73
ГЛАВА 5. Исследование воздействия электронного, нейтронного, протонного и гамма облучения на вольт-люмен-амперные характеристики и параметры активной области gaas0.6po.4 p+-p(n)-n+- структуры 75
5.1. Исследуемые приборы, структуры и методика облучения 75
5.2. Экспериментальные ВАХ до и после облучения 76
5.3. Обсуждение экспериментальных ВАХ и определение констант повреждаемости 81
5.4. Экспериментальные вольт-люмен-амперные характеристики до и после облучения 89
5.5. Обсуждение экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и определение констант повреждаемости 93
5.6.Статистические исследования влияния электронного, нейтронного, протонного и гамма облучения на силу света 96
5.6.1.Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов электронами 96
5.6.2. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов нейтронами 97
5.6.3. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов протонами 97
Выводы 100
ГЛАВА 6. Исследование воздействия нейтронного и гамма облучения на вольт-люмен-амперные характеристики и параметры активной области эффективных сверхярких (alxga1.x)o,5ino,5p гетероструктур с красным и желтым цветом свечения 100
6.1. Исследуемые гетероструктуры и методика облучения 100
6.2. Распределение концентрации заряженных центров в гетероструктурах до и после облучения 103
6.3. Вольт-люмен-амперные характеристики (Alo^GaojVsIno.sP гетероструктур с красным цветом свечения до и после облучения 104
6.4. Вольт-люмен-амперные характеристики (А1о,40ао,з)о,5ІПо,5Р гетероструктур с желтым цветом свечения до и после облучения 10810
6.5. Обсуждение экспериментальных результатов и оценка константы повреждаемости времени жизни 111
Выводы 116
Заключение 118
Литература
- Электролюминесценция из оптически активного слоя р-п-или гетероперехода в режиме малого уровня инжекции
- Обсуждение экспериментальных результатов и расчет констант повреждения при нейтронном облучении
- Обсуждение экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и определение констант повреждаемости
- Распределение концентрации заряженных центров в гетероструктурах до и после облучения
Введение к работе
Разработанные в 70-80-х гг. светодиоды, цифро-знаковые
индикаторы, табло, экраны и элементы шкалы на основе бинарных
соединений и твердых растворов А3В5 нашли широкое применение в
устройствах и приборах индикации, сигнализации, контроля и
отображения информации малой мощности как гражданского, так и
спецприменения. Помимо «грязного» цвета свечения, не
соответствующего стандартам, эти светодиоды имели низкую эффективность и силу излучения - единицы или десятки милликанделл, тогда как в обычных светотехнических устройствах этот параметр должен составлять тысячи и десятки тысяч канделл.
Необходимые потребителям комплексные исследования по влиянию проникающей радиации (нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов) проводились в ограниченном масштабе.
В 90-х гг. за рубежом, в основном в Японии и США, были созданы эффективные полупроводниковые источники излучения второго поколения, способные заменить лампы накаливания и люминесцентные источники в светотехнических приборах большого радиуса действия, таких как шоссейные и железнодорожные светофоры, бакены и маяки, бортовые сигнальные и осветительные огни, дополнительные сигналы торможения, дорожные знаки информационные табло, лампочки для шахтеров и т.д.
Если в светодиодах первого поколения лишь гетероструктуры на основе AlxGai.xAs/GaAs, излучающие в красной области спектра (110-180 нм) обладали высоким внешним квантовым выходом (5-8%) при светоотдаче до 5 лм/ватт, то у светодиодов на основе твердых растворов алюминия-индия-галлия-фосфора, излучающих в красной и желтой области спектра квантовая эффективность составила 12-18%. У лабораторных образцов она достигала 40-60%, а светоотдача достигала 150 лм/ватт.
В 1996 г. были разработаны эффективные светодиоды (СД) для
зеленой (530 нм) и голубой (460 нм) области спектра на основе гетероструктур AlxGai.xN/InxGa]_xN/GaN с квантовой эффективностью 7-9%. Совместное использование «синих» светодиодов и желтого люминофора позволило создать источник белого света по светоотдаче превосходящий лампы накаливания. Разработаны мощные светодиоды на ток до 1 А, способные заменить лампы накаливания, люминесцентные и другие источники освещения при напряжении питания не более 5 В и существенной экономии электроэнергии.
В настоящее время данное направление оптоэлектроники бурно развивается. В 1999 г. объем выпуска сверхярких мощных светодиодов составил 100 млн. шт. Ежегодный прирост капиталовложений в эту область, начиная с 1996 г. составляет 40% и к 2006 г. достиг 3 млрд. долларов США. Число публикаций превышает 1000 наименований в год.
По оценкам специалистов внедрение светодиодов в светотехнику сейчас происходит быстрее, чем в свое время транзисторов в радиоэлектронику. Поэтому сложившееся положение называют промышленной революцией в оптоэлектронике.
Несмотря на большой объем публикаций по использованию, разработке и применению эпитаксиальных гомо- и гетероструктур первого и второго поколения, в известной нам литературе отсутствуют данные по систематическому изучению влияния проникающей радиации на светодиоды первого и особенно второго поколения.
Актуальность работы
Маломощные светодиоды, устройства и приборы сигнализации и отображения информации первого поколения в настоящее время широко применяются как в гражданской, так и бортовой аппаратуре. Анализ заявок потребителей показывает, что существует еще большая потребность применения разработанных в последнее время эффективных сверхярких светодиодов в бортовой (включая космическую), военной аппаратуре и ядерной радиоэлектронике. Необходимым условием их использования в
7 этих областях является информация по воздействию проникающей радиации, особенно быстрых нейтронов и гамма квантов на электрические и светотехнические параметры и характеристики с последующим присвоением группы стойкости. Поэтому систематические исследования в области радиационной деградации радиационной стойкости светоизлучающих структур первого и второго поколения являются весьма актуальными.
Цель работы
Целью данной работы являлось систематическое исследование воздействия нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на характеристики и параметры излучающих в красной и желтой области спектра гомо- и гетероструктур: A^Ga^As, GaAs0,6Po,4, (AlxGa1.x)o,5lno,5P и оценка радиационной стойкости светодиодов, приборов и устройств отображения информации на основе этих структур.
Данная цель достигалась постановкой и решением следующих задач:
Разработкой конструкции и технологии изготовления светодиодов всех основных цветов, пригодных для проведения испытаний на воздействие нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на стандартном оборудовании.
Созданием автоматизированной аппаратуры и методик для комплексного измерения параметров и характеристик структур до и после облучения с компьютерной обработкой результатов измерений.
Разработкой методик измерения электрофизических параметров материала активной области и структуры светодиода, оценки констант повреждаемости времени жизни (Кт) и снижения силы света (тоКт).
Разработкой программ для аппроксимации экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и их эволюции при облучении.
8 Научная новизна заключается:
В исследовании воздействия протонного облучения на параметры и характеристики структур первого поколения, нейтронного и гамма облучения - на гетероструктуры второго поколения.
В усовершенствовании и использовании метода измерения распределения заряженных центров в активной области облученных светодиодов на основе анализа динамической барьерной емкости структур до и после облучения.
В разработке математической модели влияния структуры и параметров активной области р-n и р+-р(п)-п+ гомо- и гетеропереходов в диффузионной и дрейфовом приближении теории.
В выводе на основе матмодели аналитических зависимостей изменения вольт-люмен-амперных характеристик светодиодов при облучении.
В определении на основе экспериментальных данных и расчетных зависимостей констант повреждаемости времени жизни и снижения силы света при облучении гомо- и гетероструктур первого и второго поколения.
Практическая ценность работы заключается:
В разработке методов определения констант повреждаемости и снижения силы света, т.е. в количественной оценке радиационной стойкости светодиодов.
В расчете коэффициентов относительной эффективности воздействия различных видов облучения на силу света, что позволяет существенно снизить объем и стоимость экспериментальных исследований.
В создании базы определения квалификационной группы стойкости светодиодов в соответствии с ГОСТом В.39.404-81 РФ.
Реализация и внедрение результатов работы
Данная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований ОИТВС РАН «Организация вычислений с использованием новых физических принципов», которая входила в программу фундаментальных исследований отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН и проекта «Разработка теоретических и конструктивно-технологических основ создания эффективных, мощных, надежных и радиационно-стойких светодиодов нового поколения на основе твердых растворов», входящего в вышеуказанные программы. Результаты внедрены в ОАО «Оптрон», ЗАО «Пола +» и ЗАО «Корвет» и использованы при составлении ТУ, конструкторско-технологической документации, справочных и информационных материалов на выпускаемые и вновь разрабатываемые приборы.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Аланья, Турция, 9-14 мая 2004 г., на десятой МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры», г. Севастополь, 9-17 сентября 2004 г., на МНТК «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности аппаратуры», Сусс, Тунис, 9-16 октября 2005 г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.
В данную работу не включены исследования автора по надежности и life time испытаниям.
Электролюминесценция из оптически активного слоя р-п-или гетероперехода в режиме малого уровня инжекции
В ходе технологического цикла изготовления светодиодов, при длительной наработке и воздействии внешних факторов в объеме полупроводника возникают напряжения, точечные дефекты и макродефекты, в частности, дислокации [24]. При облучении кристаллов и p-n-переходов из кремния, арсенида галлия, твердых растворов арсенида галлия - фосфида галлия и карбида кремния быстрыми нейтронами в объеме возникают как точечные дефекты, так и их ассоциации типа кластеров [24-26].
Обладая близкой к металлической проводимости, кластеры могут шунтировать p-n-переходы и компенсированные слои в активной области светодиода. При облучении электронами и гамма - квантами в объеме возникают в основном точечные дефекты [3,4]. Под влиянием облучения в кристалле и, в частности, а активной области светодиода возникает широкий спектр энергетических уровней, играющих роль доноров, акцепторов, центров рекомбинации и захвата электронов и дырок, влияющих на инжекционную электролюминесценцию. При анализе [20] мы исходили из модели светоизлучающего р-п-перехода или гетероперехода, содержащего компенсированный слой в районе инверсии проводимости, как это было установлено из исследования вольтамперных и вольтфарадных характеристик (гл. 4-6).
В простейшем случае светодиод представляет собой p-n-переход с прилегающей к области пространственного заряда оптически активной п 31 или р-областью, в которой имеет место низкий уровень инжекции. Плотность тока и сила света определяются следующими соотношениями: dfAPj drAP Jn = VJ = ef dx; =1 O p OtR где ip- общее, TR - излучательное время жизни, ypn - коэффициент инжекции.
Если центры излучательной и безызлучательной рекомбинации в активной области распределены равномерно, то тр и TR МОЖНО вынести за знак интеграла и, поделив 1уна урп получаем известное соотношение: Iv = Y рп TR J (2.1) Если токи излучательной и безызлучательной рекомбинации имеют диффузионную природу и описываются теорией Шокли [27], то . ePonVDp fqul J = = exp — Тр Ypn ykTJ РОПД/ PV P (eU Iv = —-exp TR kT (2.2)
Если центры безызлучательной рекомбинации в активной области, как правило, распределена равномерно, особенно после облучения, то центры излучательной рекомбинации в общем случае распределены неравномерно и xR является функцией координаты. Считая, что концентрация рекомбинации изменяется по закону: NR = axn, в диффузионном приближении имеем [28]: Iv = CpfApnNRdx = CpPonan!(DpTpJexp — о \ki/ (2.3) где Ср - сечение захвата дырки центром излучательной рекомбинации. Описанная выше простая структура излучающего р-n- или гетероперехода скорее является исключением, чем правилом. В подавляющем большинстве случаев при изготовлении светодиодов в районе инверсии проводимости образуется высокоомный компенсированный слой, т.е. светодиод имеет более сложную р+-р(п)-п+-структуру, и излучательная рекомбинация преобладает либо в низкоомных р+- или п+-областях, либо в компенсированном р(п)-слое. В последнем уже при малой плотности тока имеет место режим высокого уровня инжекции, коэффициенты инжекции переходов зависят от тока, скорости излучательной и безызлучательной рекомбинации являются линейной или квадратичной функцией плотности носителей (возможен также промежуточный случай) и имеет место захват электронов и дырок центрами прилипания.
В основе расчета концентрации носителей, полей и токов в компенсированном слое лежит система уравнений Херинга-Риттнера [29, 30]: 2kT d2p , / \ dE 880 („ de)_b + l р Ь + 1 пр + v dxy Ьцр ip Ьцр a dxl dx I \ an ЄЄО і r? ae D + i p D + 1 np \PQ-W)- — + — - E-— =- - или S (2.4) где n0, po, n, p - равновесные и неравновесные концентрации электронов и дырок; Е - напряженность электрического поля; є5 - диэлектрическая проницаемость материала; є0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; цп, ЦР - подвижность дырок и электронов; Ь = ІП/(І - отношение подвижностей; тр - безызлучательное время жизни дырок; а -коэффициент безызлучательной рекомбинации ( в режиме малого уровня
ИНЖЄКЦИИ ОС = П0Тр) Когда в левой части (2.4) преобладает первое слагаемое, распределение носителей в компенсированном слое находится из решения диффузионного уравнения и соответствующие теории называются диффузионными.
Когда основную роль играет дрейф в компенсированном слое, в левой части (2.4) преобладает второе или третье слагаемое и соответствующие теории являются дрейфовыми.
В зависимости от механизма рекомбинации (линейная или пропорциональная произведению концентраций) в правой части (2.4) преобладает первое или второе слагаемое.
Обсуждение экспериментальных результатов и расчет констант повреждения при нейтронном облучении
Первый экспериментальный участок ВАХ с Pi =2,0 может быть следствием как преобладания безызлучательной рекомбинации в области пространственного заряда гетероперехода в соответствии с моделью Шокли-Нойса-Саа [49], так и в компенсированном оптически активном р-слое в режиме двойной инжекции в согласии с теорией Холла [31,32].
Выбор той или иной модели существенно зависит от структур излучающего гетероперехода. Последняя определяется присутствием в области инверсии проводимости не только мелких, но также глубоких примесных центров. В работах [13, 44, 49-53] были обнаружены глубокие центры с энергией ионизации 0,13; 1,3; 0,5; 0,6 и 0,7 эВ относительно дна зоны проводимости, концентрация которых в ряде случаев была сравнима с концентрацией акцепторов. Это дает основание полагать, что оптически активная р-область сильно компенсирована и уже при малой плотности тока в ней имеет место режим высокого уровня инжекции. Ранее эффект перекомпенсации мелких и глубоких центров и образования высокоомных компенсированных слоев наблюдали в гомопереходах на основе Alo,33Ga0,67As [52]. Изучение зависимости тока от флюенса нейтронного облучения позволяет получить дополнительную информацию в пользу первой или второй модели.
Если безызлучательная рекомбинация преобладает в области пространственного заряда, то на первом участке ВАХ; где e - заряд электрона, n; - концентрация носителей в материале собственной проводимости, LE - характеристическая длина диффузнно-дрейфового равновесия в области пространственного заряда, тп - время жизни.
Если в результате облучения в основном имеет место генерация центров безызлучательной рекомбинации, концентрация которых является линейной функцией флюенса, то: —+ КТФ (4.5) и должна иметь место линейная зависимость тока от флюенса нейтронного облучения (Кт - константа повреждения времени жизни; топ - исходное время жизни до облучения). В случае преобладания рекомбинации в высокоомном компенсированном слое в режиме двойной инжекции величина «тока насыщения» равна (2.9): ednj . 2eVDPn ґл .ч Jsi = или Jsl = г- (4-6) то VTn соответственно для гетероструктуры с «короткой» (d Ln) и «длиной» (d 3Ln) компенсированной р-областыо. Т.к. размеры этой области у большинства светодиодов превышали диффузионную длину до облучения, то последние могут рассматриваться как «длинные», для которых зависимость тока от флюенса выглядит следующим образом: 0 А))2-1 = топКтФ. (4.7) Она представлена на рис. 4.6 и в значительно лучшей степени описывает экспериментальные результаты, чем линейная функция тока от флюенса. где N = NA - Nt - разность концентраций мелких и глубоких центров, формирующих компенсированный слой; 0 - отношение сечений захвата дырок и электронов центром рекомбинации.
Сравнивая (4.8) с (4.6) нетрудно установить, что зависимость тока от времени жизни и, следовательно, флюенса облучения у первого и второго экспоненциального участка ВАХ одинаковы, что иллюстрируется экспериментальными данными рис. 4.6. Рассчитанная, согласно (4.7) величина произведения топКт = (1,4±0,4)-10 см/н, что в пределах погрешности эксперимента согласуется с ранее полученным значением.
На графике рис. 4.4 приведена зависимость тока на втором участке ВАХ от флюенса, которая для длинных светодиодов также описывается выражением (4.7). Рассчитанная величина произведения топКт составила (1,2±0,4>1(Г12см2/н. Согласно (2.14), эмпирической зависимости силы света от напряжения, представленной на рис. 4.1 и 4.3, на холловском участке ВАХ, соответствует следующая расчетная:
Обсуждение экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и определение констант повреждаемости
Экспоненциальная зависимость силы света от напряжения (выражение (5.20)), как правило, используется для оценки константы повреждаемости [28]. При этом авторы предполагают, что светодиод представляет собой p-n-переход с прилегающей к нему оптически активной областью, в которой концентрация центров излучательной рекомбинации от координаты либо не зависит, либо является линейной функцией последней.
Однако, как это следует из анализа вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик, светодиод имеет более сложную р++-п -п+-структуру и излучателышя рекомбинация может преобладать во всех трех областях этой структуры. Если краевая ЭЛ свободных носителей заряда или экситонов преобладает в компенсированном слое, в котором имеет место высокий уровень инжекции, то экспериментальной зависимости (5.20) соответствует следующая расчетная формула [ ]:
Слабая зависимость силы света от облучения при фиксированном напряжении, по-видимому, является следствием того обстоятельства, что у коротких светодиодов (d/Lp) сила света не зависит от времени жизни и, следовательно, облучения, а у длинных lv vx \/№ . В значительно большей степени облучение влияет на силу света при заданном токе. На основании теоретического анализа (глава 2) имеем: т _P(NR/ey/y/2 , lv dl/2e3/2 J и зависимость силы света от флюенса выглядит так: Л л2?3 ІУ0 -1 = т0КтФ. (5.21)
Из спектров ЭЛ при 77 К, представленных на рис. 5.8, следует, что наблюдается как краевое излучение свободных носителей заряда или экситонов с энергией, примерно равной ширине запрещенной зоны, так и более длинноволновое, максимум которого отстоит от максимума краевого излучения на расстоянии около 0,04 эВ, т.е. на энергию ионизации цинка. Поэтому есть основание полагать, что данная полоса связана с рекомбинацией свободных электронов на нейтральных атомах цинка. Она
,очевидно, должна преобладать в р+-области р+-р(п)-п+-структуры. Вследствие более низкого времени жизни электронов в этой области величина (тоКт) также снижена и примесная полоса ЭЛ оказывается значительно более радиационностойкой по сравнению с краевой полосой. Что иллюстрируется графиками рис. 5.10.
Снижение интенсивности примесной ЭЛ из р+-области в интервале флюенсов (0-2)-10 э/см хорошо согласуется с уменьшением времени жизни электронов этой области, как это следует из анализа степенных участков В АХ до и после облучения.
У более эффективных светодиодов первой группы при комнатной и более высокой температуре преобладает краевая ЭЛ из компенсированного слоя и влиянием центров прилипания на силу света, по-видимому, можно пренебречь. В этом случае выражение (5.21) является основополагающим для расчета константы повреждаемости.
На графиках рис. 5.12 представлены зависимости величины отношения (ivo/lv) от флюенса электронного облучения нескольких светодиодов. (Ьо%)20-1 10 10 105 10« Ф, э/см2 Рис. 5.12. Зависимости величины отношения (іу0/іу) от флюенса для нескольких светодиодов первой группы %
Определенное из этих графиков значение (т0Кт) = (4,312,9)-10" см2/э, что несколько выше значения, полученного ранее из анализа зависимости тока от флюенса на экспоненциальном участке ВАХ.
Наличие примесной полосы делает светодиоды и светоиндикаторы из GaAs0.6Po.4 более радиационностоикимипо сравнению со светодиодами на основе Alo,33Ga0,67As.
Ниже приведены результаты статистических исследований влияния электронного, нейтронного, протонного и гамма облучения на силу света при номинальном токе.
Распределение концентрации заряженных центров в гетероструктурах до и после облучения
ВАХ гетероструктур, излучающих в желтой области спектра (X = 0,4) до и после облучения нейтронами и гамма квантами приведены на рис. 6.7. Рис. 6.7. ВАХ СД, излучающих в желтой области спектра, до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 - Ф = 0; 2-Ф = 4,7-1012н/см2,О = 107рад;3-Ф = 4,7-10,3н/см2;4- Ф = 4,7-1015н/см2 Они также состояли из экспоненциального и степенного участков. На графиках рис. 6.8 приведены значения «фактора неидеалыюсти» экспоненциальных участков как функции напряжения, тока, флюенса нейтронного и дозы гамма облучения. В интервале напряжений 1,5 - 1,9 В, токов 10 6 - 10 4А, флюенсов 0 -4,7-10 JH/CMZ и доз 0-10 рад фактор Р = 2,0, т.е. наблюдался только один экспоненциальный участок: I =Isexp 2кТ (6.3) 109 причем величина тока Is не менялась при облучении, пока флюенс не превышал 4,7-10 н/см , а доза 10 рад.
Зависимости «фактора неидеальности» от напряжения (а), тока (б), флюенса и дозы гамма облучения
Степенные участки ВАХ гетероструктур, излучающих в желтой области, приведены на рис. 6.9. До облучения, а также после относительно небольших флюенсов и доз облучения в интервале токов 10"4 - 10"3 А имела место линейная по зависимость тока от напряжения, которую при токе свыше 10" А сменяла степенная, описываемая выражением (6.2) с n = 2,0. После нейтронного облучения с флюенсом 4,7-10 н/см появлялась качественно новая степенная зависимость, также описываемая выражением (6.2) с n = 3,0. Величина коэффициента В снижалась примерно на порядок, в то время как при гамма облучении она практически не менялась.
При гамма облучении 107рад сила света снижалась не более, чем в два раза и только при относительно малых токах (10"4 - 10"3 А). При нейтронном облучении она снижалась примерно на порядок величины при флюенсе 4,7-10 н/см и более чем на два порядка при Ф = 4,7-10 н/см . Менялся также характер зависимости силы света от тока.
В целом до и после облучения нейтронами (до 4,7-10 н/см ) и гамма квантами (до 10 рад) люмен-амперные характеристики были нелинейными (Iy Im). Показатель степени m 1 при токах до 10" А и менее единицы при токе более 10 А (рис. 6.11). После облучения нейтронами с флюенсом 4,7-10 н/см показатель степени m в значительном интервале токов равнялся 1,6 и приближался к половине при токе 0,1 А.
Обсуждение экспериментальных результатов и оценка константы повреждаемости времени жизни
Проведенные ранее исследования по воздействию проникающей радиации на светодиоды первого поколения показали, что основной причиной изменения электрических и световых характеристик является генерация центров безызлучательной рекомбинации и, как следствие, снижение времени жизни [11]:
Показатель степени m люмен-амперной характеристики от тока при разных дозах облучения
У светодиодов второго поколения при облучении также изменяется ширина компенсированного слоя (рис. 6.2) и, как будет показано ниже, проводимость этого слоя. Кроме того, может иметь место захват носителей центрами прилипания. Т.к. при облучении у гетероструктур с красным цветом свечения второй экспоненциальный участок ВАХ с (3 = 1,5 исчезает, а ширина компенсированного слоя превышает диффузионную длину, то изменение параметров этого слоя можно проследить по эволюции предэкспоненциального множителя первого экспоненциального участка ВАХ:
Т.к. в выражении (6.5) не входит ширина и проводимость компенсированного слоя, то изменением этих параметров в расчетах можно пренебречь. Используя (6.4) и (6.5) и считая, что эффекты прилипания не играют заметной роли (у = 1) изменение тока при фиксированном напряжении можно записать в следующем виде: і(ф)/і(о) = (і+хоРКтф),/2. (6.6) Используя экспериментальные значения тока до и после облучения из (6.6) получаем: (т0Кт) = (4,2 ± 1,3)-1014 см2/н. (6.7) В том случае, если прилипание играет заметную роль, вместо (тоКт) в (6.6) и (6.7) следует подставить (ут0рКт).
Степенной участок В АХ отвечает модели Рашба-Толпыго [38] или Ламперта-Роуза [39], согласно которым аналитические зависимости тока от напряжения имеют вид [39]: Л. Цр(п,-Ро)ІР(и_ик)2 (68) . (МО УЬТЇ У (6.9)
Детальный анализ данных участков и обозначения даны во второй главе. При анализе зависимостей тока от флюенса необходимо принимать во внимание не только деградацию времени жизни, но также изменение проводимости и ширины компенсированного слоя.
