劉海浪，張瑞賓，黃以平

LIU Hai-lang, ZHANG Rui-bin, HUANG Yi-ping

（桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

電子束輻照加工技術(shù)具有生產(chǎn)率高，能耗低，控制性好，無環(huán)保問題等優(yōu)點(diǎn)，是一種清潔的加工技術(shù)。80年代以來，我國(guó)輻照加工技術(shù)得到迅速發(fā)展，應(yīng)用電子束對(duì)半導(dǎo)體二極管、開關(guān)晶體管、快速可控硅輻照取得了令人滿意的效果[1]。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED-Light Emitting Diode）是一種新型的發(fā)光體，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、壽命長(zhǎng)、電壓低、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是下一代理想的照明器件。GaN作為寬帶隙第三代半導(dǎo)體材料的代表，具有禁帶寬、發(fā)光效率高、熱導(dǎo)率高、擊穿電壓大、電子漂移和飽和速度大、介電常數(shù)小等特點(diǎn)，是制造半導(dǎo)體器件的理想材料，被廣泛用于LED的制造中，以GaN基功率型藍(lán)光LED為核心的半導(dǎo)體照明光源，被認(rèn)為是繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源。

1 LED芯片及輻照參數(shù)的確定

1.1 LED芯片的選取

輻照所用的GaN基藍(lán)光芯片是當(dāng)今LED產(chǎn)業(yè)中廣泛使用的芯片，其中包括InGaN/GaN量子阱結(jié)構(gòu)[2]。圖1所示為 InGaN 藍(lán)光LED芯片外形結(jié)構(gòu)圖，此種芯片采用的是標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)寶石基板之InGaN LED單面雙電極結(jié)構(gòu)，如圖2所示。它以透明導(dǎo)電層作為p-GaN之歐姆接觸層，并以Au金屬層作為焊線電極。

圖1 InGaN 藍(lán)光LED芯片外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 單面雙電極結(jié)構(gòu)圖

1.2 電子束輻照實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

輻照裝置選用的是我國(guó)輻照工業(yè)上普遍使用的地那米（高頻高壓型）加速器，主要部件包括：加速管，高頻變壓器，整流倍壓系統(tǒng)，高頻振蕩器，掃描裝置，控制系統(tǒng)[3]。工作原理：電子槍發(fā)射的電子在加速管內(nèi)通過高壓整流器建立的電位場(chǎng)被加速，被加速的電子通過電磁透鏡聚焦到引出裝置中，由掃描系統(tǒng)將電子束打開，通過鈦箔掃描到束下裝置的被照物體上，電子束的能量，束流等參數(shù)是通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，達(dá)到不同輻照劑量的要求。電子束輻照裝置性能參數(shù)如下：

表1 電子束輻照裝置性能參數(shù)

2 電子束輻照實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 電子束輻照實(shí)驗(yàn)

輻照試驗(yàn)是在某單位的小車輻照裝置（如圖3所示）上進(jìn)行的，將要輻照的LED芯片放在輻照小車上，小車通過傳送帶被送至地那米加速器的下方,在經(jīng)過加速器下方的過程中，芯片受到了電子束的輻照，輻照過程中的小車傳送速度以及輻照的劑量都是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制的。試驗(yàn)樣品采用同一批次的GaN基藍(lán)光LED芯片，一共20顆，平均分成2組，每10顆為一組，其中一組給予1kGy劑量的電子束輻照，標(biāo)號(hào)為#B,未經(jīng)過輻照加工的芯片標(biāo)號(hào)為#A。輻照實(shí)驗(yàn)技術(shù)結(jié)束后，將20顆芯片進(jìn)行表面貼裝器件(SMD-Surface Mounted Devices)封裝[4]。封裝成型的燈珠如圖4所示，燈珠的各項(xiàng)參數(shù)采用遠(yuǎn)方PMS-80_V1光色電參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試的環(huán)境溫度為25.3℃，環(huán)境濕度為65%，測(cè)試的正向電流If為350mA,正向電壓VF為3.2V。

圖3 小車輻照裝置

圖4 SMD封裝的燈珠

2.2 輻照前后LED顏色參數(shù)對(duì)比分析

對(duì)藍(lán)光LED進(jìn)行輻照加工后，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)藍(lán)光LED的主波長(zhǎng)發(fā)生了變化，主波長(zhǎng)的平均值由輻照前的為505nm,減少到了受1kGy輻照后的494nm,漂移了近11nm。如圖6所示，藍(lán)光LED的色純度的平均值由輻照前的7.6%增加到了受1kGy輻照后的10.2%。電子束輻照引起了LED芯片量子阱中的原子的移位，產(chǎn)生原子移位是由于量子阱中的電子對(duì)電子束的能量的吸收，原子移位引起InGaN量子阱區(qū)的富In量子點(diǎn)變得更大，更少，使得量子點(diǎn)處的In組分更大，所以引起了主波長(zhǎng)發(fā)生了漂移[5-7]。由于色純度是主波長(zhǎng)描述顏色時(shí)的輔助表示，因而主波長(zhǎng)的發(fā)生變化導(dǎo)致色純度的變化。

圖5 輻照前后主波長(zhǎng)的變化

圖6 輻照前后色純度的變化

2.3 輻照前后LED光度參數(shù)對(duì)比分析

由圖7可以看出，輻照前的藍(lán)光LED光通量的平均值為30.4lm,輻照后的LED光通量的平均值為21.2lm,光通量衰減了近30%。如圖8所示，藍(lán)光LED的光效率的平均值由輻照前的27.1m/w變?yōu)檩椪蘸蟮?8.8lm/w。,這些光度參數(shù)的衰減原因是由于電子束輻照在量子阱區(qū)引起了晶體缺陷，進(jìn)而產(chǎn)生非輻射復(fù)合中心，引起非輻射型復(fù)合，使少子的壽命降低。復(fù)合時(shí)可以通過能隙中許多能量間隔小的能級(jí)作發(fā)射多聲子的躍遷，這就是非輻射復(fù)合中心的復(fù)合過程。在純的GaN材料中，低溫下可以觀察到自由電子被氧的深施主能級(jí)俘獲的復(fù)合發(fā)光，溫度升高以后這種過程消失；另一方面，在施主或受主摻雜濃度大于1017cm-3的晶體中不出現(xiàn)這種發(fā)光，原因是氧施主周圍的施主或受主發(fā)生俄歇過程，從而使能量轉(zhuǎn)換為熱能。

圖7 輻照前后光通量的變化

圖8 輻照前后光效的變化

3 結(jié)論

采用地那米加速器產(chǎn)生的低能電子束對(duì)GaN基藍(lán)光LED進(jìn)行輻照，通過對(duì)比輻照前后顏色參數(shù)和光度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)LED的主波長(zhǎng)發(fā)生了漂移，色純度提高，光通量、光效都有所降低，電子束輻照會(huì)引起LED芯片量子阱中的原子位移，非復(fù)合型復(fù)合，降低少子壽命。這對(duì)進(jìn)一步研究電子束輻照對(duì)LED的改性以及對(duì)研究LED器件的抗輻射加固具有一定的指導(dǎo)意義。

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[4]羅毅,張賢鵬,韓彥軍,等.半導(dǎo)體照明關(guān)鍵技術(shù)研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2007,44(3):17-18.

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