劉宇安 莊奕琪 杜磊 蘇亞慧

1)(西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院,西安 710071)

2)(西安電子科技大學(xué)技術(shù)物理學(xué)院,西安 710071)

(2012年11月21日收到;2013年3月28日收到修改稿)

1 引言

近年來隨著航天技術(shù)和電子技術(shù)的進一步發(fā)展,GaN基發(fā)光二極管(LED)越來越多地用在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天氣預(yù)報和寬帶數(shù)據(jù)傳輸中,也常作為光源器件以及光電耦合器的前端被廣泛應(yīng)用于軍事及航天領(lǐng)域[1,2].器件在太空中工作,不可避免地受到太空中各種射線的照射,從而使其性能發(fā)生衰減,所以在此條件下工作的器件穩(wěn)定性一直倍受重視.研究各類輻射對GaN基發(fā)光二極管的影響,不僅對器件的實際應(yīng)用具有重要意義,而且有助于了解氮化鎵材料和器件在特殊環(huán)境下的物理特性.目前國內(nèi)外對GaN基藍(lán)光LED的輻照效應(yīng)研究大都集中在高能電子和質(zhì)子[2-5],但作為空間中存在的重要輻射源伽馬(γ)射線對其影響的報道[6,7]卻很少.而將低頻噪聲用GaN基藍(lán)光LED的γ輻照效應(yīng)研究處于起步階段.本文試圖通過研究電離輻照對器件電參數(shù)和噪聲參數(shù)的影響,建立基于1/f噪聲的氮化鎵基藍(lán)光LED電離輻照可靠性模型.根據(jù)試驗結(jié)果找到表征氮化鎵基藍(lán)光LED電離輻照退化的敏感參量.本文結(jié)論將提供一種基于1/f噪聲的氮化鎵基藍(lán)光LED電離輻照可靠性表征方法.

2 γ輻照對LED的影響

γ射線與物質(zhì)相互作用后會發(fā)生康普頓散射,打出康普頓電子,高能電子繼續(xù)與原子相互作用,會在材料中引入晶格損傷或形成各種缺陷,產(chǎn)生電離效應(yīng)和位移效應(yīng)[8].對于寬帶隙的GaN基材料及器件來說,在2 Mrad總輻照劑量條件下,主要體現(xiàn)為電離效應(yīng),不會產(chǎn)生明顯的位移效應(yīng)[9].

2.1 電離輻照減小LED有效輸出功率

氮化鎵基藍(lán)光LED的實質(zhì)是半導(dǎo)體PN結(jié),其發(fā)光區(qū)域主要集中在p-GaN有源區(qū)[10].γ射線與其作用產(chǎn)生的電離輻照效應(yīng)將在LED有源區(qū)中引入空間電荷和新的界面態(tài)陷阱Nit,這些缺陷俘獲載流子,產(chǎn)生非輻射復(fù)合,增大暗電流,減少LED的內(nèi)量子效率,從而降低LED的有效輸出功率Pout.

首先討論與輻照缺陷密切相關(guān)的非輻射復(fù)合,其主要是通過復(fù)合中心的載流子復(fù)合禁帶中能級為Et的復(fù)合中心俘獲非平衡載流子,轉(zhuǎn)化為聲子,發(fā)生光淬滅,產(chǎn)生暗電流.非輻射復(fù)合還包含俄歇復(fù)合.氮化鎵基藍(lán)光LED為寬帶隙半導(dǎo)體材料,俄歇復(fù)合可以忽略.設(shè)通過復(fù)合中心的凈復(fù)合率為[11]

在LED中與缺陷沒有直接關(guān)系的輻射復(fù)合指的就是直接輻射復(fù)合(又稱帶間輻射復(fù)合)是導(dǎo)帶電子與價帶空穴直接產(chǎn)生復(fù)合,產(chǎn)生擴散電流(光電流),或者說發(fā)射光子的過程.這種復(fù)合的凈復(fù)合率Rr可由下式表示[11]：

Rr為直接輻射復(fù)合的凈復(fù)合率,Br為復(fù)合系數(shù),N0,P0分別為平衡態(tài)電子和空穴密度,n為有源區(qū)非平衡載流子密度.

有源區(qū)過剩載流子密度和總光子密度的速率方程為

其中,Vact為有源區(qū)體積,ILED為注入到有源區(qū)的電流,s為有源區(qū)總光子密度,βsp為自發(fā)發(fā)射系數(shù),τph為光子壽命,Ln為電子擴散長度,Dn為電子擴散系數(shù),NA為受主濃度,d有源層厚度,A為有源層有效面積,hν為每個光子的能量,η為光學(xué)效率,c為光速.

在穩(wěn)態(tài)條件下,由(3),(4)兩式可得：

其中,第一項為與缺陷密切相關(guān)的暗電流,第二項為與缺陷沒有直接關(guān)系的光電流.假設(shè)Cn=Cp=C,且N0+n=P0+p,將有源區(qū)總光子密度s=τphβspRr(n)代入(1),(2)兩式可得LED注入效率η0：

將(6)式代入(5)式可得：

根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)I-V特性[11],結(jié)合對LED分析得到的(5),(7)兩式,可推知LED的I-V特性為

其中,Nt包括Npt器件工藝缺陷和Nit電離輻照產(chǎn)生缺陷.由于器件發(fā)光主要來自于擴散電流,而非輻射復(fù)合主要來自于復(fù)合電流,則根據(jù)(6)和(8)式可得光/暗電流比：

將(9)式化簡,結(jié)合(6)和(8)式依次代入有效光功率Pout的表達(dá)式,則可得到輸出有效光功率Pout為

可見,隨著輻照劑量增加,電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit的增加,工藝缺陷Npt不變,會使(10)式中的Pout減小.

2.2 電離輻照增大LED 1/f噪聲

根據(jù)van der Ziel和Harder等的低頻噪聲理論,低頻噪聲主要分為：由于器件遷移率漲落造成少子擴散電流漲落引起的基本1/f噪聲,由于表面氧化層、空間電荷區(qū)、界面態(tài)等處的陷阱中心對載流子的隨機俘獲與發(fā)射引起的非基本1/f噪聲[12].γ射線輻照使GaN基發(fā)光二極管產(chǎn)生電離效應(yīng),打出的康普頓電子與原子相互作用,會在材料中引入晶格損傷或形成各種缺陷,尤其是在空間電荷區(qū)的缺陷會對GaN基發(fā)光二極管引入非基本1/f噪聲.

根據(jù)遷移率漲落機制[12],與缺陷沒有直接關(guān)系的擴散1/f噪聲功率譜密度與輸入電流有如下關(guān)系：

其中,SID(f)為擴散1/f噪聲功率譜,ID為擴散電流,α為Hooge常數(shù),q為電子電量,τ為少子壽命,f為頻率.

根據(jù)半導(dǎo)體理論[13]和載流子數(shù)漲落理論[14],與缺陷密切相關(guān)的復(fù)合速率GR漲落功率譜SGR(f)及復(fù)合電流IR功率譜SIR(f)可分別表示為

其中對稱結(jié)的表面分量有,界面復(fù)合電流理想因子β=2,B為常數(shù),其中Nt包括Npt器件工藝缺陷和Nit電離輻照產(chǎn)生缺陷.故(13)式可化簡為

當(dāng)復(fù)合速率很慢,可以認(rèn)為低頻1/f噪聲主要由擴散和復(fù)合電流噪聲兩部分組成,則電流1/f噪聲可表示為

當(dāng)復(fù)合速率很快,則低頻1/f噪聲主要由復(fù)合速率漲落以及擴散和復(fù)合電流噪聲三部分組成,則電流1/f噪聲可表示為

可見,隨著輻照劑量增加,電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit的增加,工藝缺陷Npt不變,會導(dǎo)致(16)式中Nt的增加,對公式第一項的基本1/f噪聲沒有影響,引起公式第二項的非基本1/f噪聲增大,從而使總電流1/f噪聲SI(f)增大.

3 實驗

實驗樣品是國產(chǎn)GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管.采用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積在藍(lán)寶石(Al2O3)襯底上生長外延材料,從下至上依次為低溫生長的GaN緩沖層,接著是n-GaN層、n-AlGaN層和InGaN量子阱有源區(qū),上邊是摻Mg的p-AlGaN層和p-GaN層.生長好的LED外延片首先在N2環(huán)境下高溫退火10—40 min,達(dá)到Mg激活的作用.然后采用光刻膠保護,用感應(yīng)耦合等離子刻蝕技術(shù)(ICP)刻蝕出臺階圖形,以便制作上下電極,之后將p電極與n電極金屬淀積在上下臺面上,p電極的材料是Ni/Au,n電極的材料是Ti/Al/Ti/Au,然后在p-n結(jié)附近生長一層SiO2作為保護,最后通過磨片、劃片、裂片,將管芯壓焊制作成器件并進行測試,本次輻照實驗是在西北核技術(shù)研究所進行的,使用60Co作為γ射線的產(chǎn)生源.γ輻照的累計總劑量分別為30 krad(SiO2),60 krad(SiO2),200 krad(SiO2),500 krad(SiO2),1000 krad(SiO2),2500 krad(SiO2).為減少退火效應(yīng),故輻照完成后,必須在12 h內(nèi)對其電學(xué)特性和噪聲特性進行測試.器件的伏安特性和低頻噪聲測試采用本實驗室自主開發(fā)的“基于虛擬儀器的自動測試系統(tǒng)硬件平臺”上完成的,其中包括器件偏置電路、低噪聲前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡和微型計算機四部分.

4 電離輻照引起LED電流退化

GaN基藍(lán)光LED輻照前后的正向I-V曲線如圖1所示.從圖中可以看出GaN基藍(lán)光LED的三段I-V曲線在輻照前后的變化是不同的.

I：在I＜1μA的小注入?yún)^(qū),由于GaN外延層中存在較高的位錯密度以及由于InGaN/GaN MQW(多量子)阱區(qū)存在強烈的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng),載流子的輸運方式主要為隧穿,電流主要為空間電荷區(qū)的隧道電流和復(fù)合電流,復(fù)合電流占主要地位,隨輻照劑量的增加正向電流明顯增加.

II：在中值電流區(qū),有源區(qū)載流子主要發(fā)生的是輻射復(fù)合,GaN基藍(lán)光LED的電流以擴散電流為主,隨輻照劑量的增加正向電流略微增加.

III：在I＞1 mA時,大注入條件下,串聯(lián)電阻(來源于體電阻和接觸電阻)的影響占據(jù)主導(dǎo)地位,復(fù)合電流占據(jù)主導(dǎo)地位.隨輻照劑量的增加正向電流變化不明顯.

圖1 GaN基藍(lán)光二極管輻照前后的正向I-V曲線

5 電離輻照與1/f噪聲退化相關(guān)性

根據(jù)2.1和2.2節(jié)的理論推導(dǎo)可以得出,電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit,減小LED的有效輸出光功率,兩者負(fù)關(guān)聯(lián).電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit,增大總電流1/f噪聲SI(f),兩者正關(guān)聯(lián).因此,可以用噪聲表征電離輻照引起的LED有效輸出光功率退化即LED電離輻照退化.載流子的不同輸運方式對應(yīng)了器件不同的低頻噪聲產(chǎn)生機制.電離輻照對不同機制的產(chǎn)生的低頻噪聲其影響也不一樣.對GaN基藍(lán)光LED來說,從圖1可知,其I-V特性分為明顯的三段,對應(yīng)載流子不同的輸運方式,從而有不同的低頻噪聲產(chǎn)生機制.接下來,分別討論電離輻照對它們的影響.

5.1 小注入

在小注入時,如圖1中I段所示,I＜1μA時,這時器件的全部電阻主要由勢壘電阻構(gòu)成,其低頻噪聲主要來源于空間電荷區(qū)禁帶中部附近的深能級產(chǎn)生——復(fù)合中心和陷阱中心.其噪聲表達(dá)式為(14)式.根據(jù)2.2節(jié)的推導(dǎo)可知,小注入情況下,電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit,增大復(fù)合電流,增大非基本1/f噪聲.因此,隨著輻照劑量增大,1/f噪聲增大.實驗結(jié)果如圖2所示.

從圖2可以看出,電流為5×10-7A的小注入,新器件噪聲幅值為5.80706×10-13A2/Hz,經(jīng)過總輻照劑區(qū)量1 Mrad輻照后器件噪聲幅值增大為1.80423×10-12A2/Hz,經(jīng)過總輻照劑量2.5 Mrad輻照后器件噪聲幅值又增大為6.17376×10-12A2/Hz.這個結(jié)果表明,小注入?yún)^(qū),1/f噪聲幅值隨著輻照劑量增大,與理論預(yù)測完全一致.

圖2 GaN基藍(lán)光二極管小注入?yún)^(qū)輻照前后的1/f噪聲

5.2 中值電流

隨著電流的增長,如圖1中的II段所示,當(dāng)1μA＜I＜5×10-5A,載流子主要以擴散的方式進入到量子阱區(qū)發(fā)生直接復(fù)合,其1/f噪聲為(15)式,根據(jù)2.2節(jié)的推導(dǎo)可知,中值電流情況下,以擴散電流為主.輻照后,高能載流子改變了有源區(qū)散射,改變了遷移率相關(guān)的擴散電流噪聲.輻照感應(yīng)缺陷Nit增強了載流子數(shù)漲落相關(guān)復(fù)合電流噪聲.因此,隨著輻照劑量增大,總的1/f噪聲在頻域變化有可能增大也可能減小.實驗結(jié)果如圖3所示.

圖3 GaN基藍(lán)光二極管中值電流區(qū)輻照前后的1/f噪聲

從圖3可以看出,電流為5×10-5A的中值電流區(qū),新器件噪聲幅值為3.42834×10-12A2/Hz,經(jīng)過總輻照劑量1 Mrad輻照后器件噪聲幅值減小為1.82568×10-12A2/Hz,經(jīng)過總輻照劑量2.5 Mrad輻照后器件噪聲幅值增大為6.24206×10-12A2/Hz.這個結(jié)果表明,中值電流區(qū),隨著輻照劑量增大,總的1/f噪聲在頻域變化先減小后增大,沒有一致性.因此,針對在頻域沒有明顯規(guī)律的中值電流輻照前后1/f噪聲,采用1/f噪聲時域多尺度熵復(fù)雜度分析方法,該方法可用于描述時間序列在不同時間尺度上的不規(guī)律程度[15].本文將多尺度熵方法用于GaN基藍(lán)光二極管中值電流區(qū)輻照前后的1/f噪聲數(shù)據(jù)分析.

從圖4可以看出,當(dāng)尺度大于4時,新器件多尺度熵復(fù)雜度最小,經(jīng)過總輻照劑量1 Mrad輻照后器件多尺度熵復(fù)雜度增大,經(jīng)過總輻照劑量2.5 Mrad輻照后器件多尺度熵復(fù)雜度最大.這個結(jié)果表明中值電流區(qū),隨著輻照劑量增大,1/f噪聲時域多尺度熵復(fù)雜度增大.新器件的噪聲信號規(guī)律性較強,是因為其電流噪聲機制源于擴散電流.輻照后,高能載流子增強了有源區(qū)散射,使遷移率改變,增大了遷移率相關(guān)的擴散電流噪聲,輻照感應(yīng)缺陷Nit的增加,增強了載流子數(shù)漲落,噪聲信號較不規(guī)律,其復(fù)雜度較大.因此,多尺度熵能反映中值電流區(qū)電流噪聲信號復(fù)雜度及有源區(qū)電流混亂度的變化.

5.3 大注入

隨著電流的進一步增加,串聯(lián)電阻上的壓降將不可忽略,電流隨著電壓的增長已不再呈指數(shù)的關(guān)系增長,如圖1中的III段所示.GaN基LED的串聯(lián)電阻和器件的p-GaN層密切聯(lián)系[16],由于結(jié)附近兩種材料晶格常數(shù)失配使得在界面處存在大量的懸掛鍵和弱鍵.在大電流和電離輻照效應(yīng)的雙重作用下,這些懸掛鍵可以失去一個未成對電子或獲得一個配位電子而形成界面態(tài),弱鍵也會斷裂形成新的界面態(tài),結(jié)區(qū)表面原有的一些懸掛鍵和弱鍵也會以相同的方式形成新的表面態(tài).此時的1/f噪聲來源于串聯(lián)電阻.根據(jù)2.2結(jié)的推導(dǎo)可知,與缺陷密切相關(guān)的復(fù)合速率GR漲落功率譜SGR(f)及復(fù)合電流IR功率譜SIR(f)可分別由(12)和(13)式表示.總的電流噪聲為(16)式的第二項非基本1/f噪聲.

圖5 GaN基藍(lán)光二極管大注入?yún)^(qū)輻照前后的1/f噪聲

從圖5可以看出,電流為5×10-3A的大注入?yún)^(qū),新器件噪聲幅值為2.14661×10-13A2/Hz,經(jīng)過總輻照劑量1 Mrad輻照后器件噪聲幅值增大為3.80733×10-12A2/Hz,經(jīng)過總輻照劑量2.5Mrad輻照后器件噪聲幅值又增大為2.57861×10-10A2/Hz.這個結(jié)果表明,大注入?yún)^(qū),1/f噪聲幅值隨著輻照劑量增大,與理論預(yù)測完全一致.

綜合上述,來源于擴散電流的1/f噪聲組分隨輻照劑量增大變化不明顯,輻照前后器件的噪聲幅值沒有發(fā)生明顯的變化.而來源于復(fù)合電流1/f噪聲組分隨輻照劑量的增加有一個較大的增長幅度.因此1/f噪聲退化可以敏感的表征以復(fù)合電流1/f噪聲為主的小注入和大注入?yún)^(qū)電離輻照退化,噪聲幅值越大,則說明Nit越高,暗電流相關(guān)的復(fù)合電流越大,光電流相關(guān)的擴散電流比例減少,使得器件發(fā)光效率、光輸出功率等性能參數(shù)下降,造成失效率顯著增大.對中值電流區(qū),1/f噪聲時域多尺度熵復(fù)雜度可以更敏感地反映氮化鎵基藍(lán)光LED的可靠性.多尺度熵復(fù)雜度越大,則說明除了有高能載流子對遷移率相關(guān)的擴散電流的影響,還有輻照感應(yīng)缺陷Nit對復(fù)合電流的影響,噪聲信號越不規(guī)律,器件可靠性越差.

6 結(jié)論

本文通過電離輻照對氮化鎵基藍(lán)光LED器件有源區(qū)光/暗電流產(chǎn)生機制的研究,建立了電離輻照減小LED有效輸出功率的電學(xué)模型.通過電離輻照對氮化鎵基藍(lán)光LED器件有源區(qū)1/f噪聲影響機制的研究,建立了電離輻照增大LED 1/f噪聲的相關(guān)性模型.根據(jù)輻照前后電流電壓試驗結(jié)果噪聲測試結(jié)論,證實了實驗結(jié)論與理論推導(dǎo)結(jié)果的一致性.在I＜1μA的小注入?yún)^(qū),隨著電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit的增加,1/f噪聲幅度增大.在I＞1 mA的大注入條件下,隨著電離輻照產(chǎn)生缺陷Nit的增加,1/f噪聲幅度增大.1/f噪聲退化可以敏感的表征以復(fù)合電流1/f噪聲為主的小注入和大注入?yún)^(qū)電離輻照退化,噪聲幅值越大,則說明Nit越高,暗電流相關(guān)的復(fù)合電流越大,光電流相關(guān)的擴散電流比例減少,使得器件發(fā)光效率、光輸出功率等性能參數(shù)下降,造成失效率顯著增大.對中值電流區(qū),1/f噪聲時域多尺度熵復(fù)雜度可以更敏感地反映氮化鎵基藍(lán)光LED的可靠性.多尺度熵復(fù)雜度越大,則說明除了有高能載流子對遷移率相關(guān)的擴散電流的影響,還有輻照感應(yīng)缺陷Nit對復(fù)合電流的影響,噪聲信號越不規(guī)律,器件可靠性越差.本文結(jié)論提供了一種基于1/f噪聲的氮化鎵基藍(lán)光LED電離輻照可靠性表征方法.

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