于莉媛 劉 超 牛萍娟 吳英蕾

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院 天津 300387 2.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387 3.天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

1 引言

(AlxGa1-x)0.5In0.5P是一種寬禁帶直接帶隙材料，對(duì)其中的Al的摩爾組分x進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠使材料的能隙寬度和 GaAs襯底有更好的晶格匹配，進(jìn)而發(fā)光復(fù)合幾率大、發(fā)光效率較高。其帶隙寬度在1.9eV～2.3eV之間變化，在紅光（650nm）到藍(lán)綠光（560nm）相當(dāng)寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)超高亮度的發(fā)光二極管（light-emitting diodes,LEDs）[1]。AlGaInP材料 LEDs主要應(yīng)用于戶(hù)外的多彩顯示、汽車(chē)尾燈和作為聚合物光纖（POF）通信的光源等。AlGaInP材料LEDs 的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包含有多量子阱層、限制層以及DBR層等。在材料生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)材料組分的控制成為難點(diǎn)，摻入 Al組分帶來(lái)的氧污染也使材料的發(fā)光效率變低。同時(shí)，在載流子注入的過(guò)程中，由于電子遷移率高于空穴，沒(méi)有被限制在有源層的電子將會(huì)在有源層外發(fā)生復(fù)合，降低了有源層內(nèi)的電子-空穴復(fù)合幾率，進(jìn)而降低內(nèi)量子效率。

在近年來(lái)的研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)可以利用電子束輻照手段，對(duì)載流子注入的半導(dǎo)體器件，例如LEDs等進(jìn)行深入研究，可以應(yīng)用電子束輻照引起的器件性能的變化去揭示關(guān)于電子注入對(duì)殘余雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)性缺陷的效應(yīng)影響；另外，LEDs作為半導(dǎo)體器件也會(huì)可能暴露于地球或空間的輻照環(huán)境中，因此，針對(duì)電子束輻照對(duì)器件性能及壽命影響的研究更為重要。其研究主要著重于器件性能的變化和由輻照帶來(lái)的永久性損傷上，這些都與電子束輻照的注入條件有關(guān)。AlGaInP材料 LEDs的結(jié)構(gòu)一般采用雙異質(zhì)結(jié)或者多量子阱結(jié)構(gòu)，經(jīng)輻照后將在LEDs的內(nèi)部產(chǎn)生晶格空位、間隙原子和反位缺陷等內(nèi)在缺陷，對(duì)材料和器件的電學(xué)性能和發(fā)光性能等都將產(chǎn)生很大的影響。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有關(guān)于輻照LED的相關(guān)實(shí)驗(yàn)報(bào)道，主要集中在GaN材料LEDs上[2-7]。1999年Z-Q.Fang等人發(fā)現(xiàn)1MeV電子輻照在GaN材料LED中產(chǎn)生誘生深能級(jí)(Ec～0.18eV)。2002年，Gelhausen等人利用低能電子束輻照研究摻 Mg的GaN材料 LED的缺陷問(wèn)題，提高了 LED的發(fā)光效率。2003年，Sharshar等人進(jìn)行了AlGaAs材料LEDs的電子束輻照和γ射線輻照效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)了LEDs的發(fā)光強(qiáng)度與輻照劑量之間的關(guān)系。其中，關(guān)于 AlGaInP LEDs 的輻照效應(yīng)的研究較少。本課題組在本領(lǐng)域的研究上做了一定的工作，主要集中在 LEDs的輻照損傷、應(yīng)用輻照改善 LED的發(fā)光性能以及LED的輻照誘生缺陷等方面。

本文主要應(yīng)用1.5MeV電子加速器、3MeV電子加速器、7.5MeV電子加速器及7.5MeV電子加速器X射線轉(zhuǎn)靶等幾種電子束輻照對(duì)AlGaInP LEDs外延片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并應(yīng)用 PL譜對(duì)比分析不同能量劑量的電子束輻照對(duì)AlGaInP LEDs發(fā)光性能的影響，并通過(guò)與理論值的擬合，總結(jié)其輻照效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果將被用于指導(dǎo)AlGaInP基LED的輻照改性實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中選用的AlGaInP LEDs外延片的材料結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，其主波長(zhǎng)為630nm左右，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)發(fā)光峰位置的能量為E=1.96eV。在外延結(jié)構(gòu)上，窗口層為p型GaP材料，有源區(qū)采用量子阱結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為n型限制層和p型限制層，底部設(shè)計(jì)有分布式布拉格反射層（DBR）結(jié)構(gòu)。其典型的常溫下PL譜發(fā)光特性圖如圖1（b）所示,其中存在著由厚度干涉條紋引起的衛(wèi)星峰，并且主峰半峰寬度較小，表明有源區(qū)的各個(gè)量子阱的均勻性較好。

圖1 AlGaInP材料LEDs外延片材料結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of AlGaInP LEDs epitaxial wafer

本實(shí)驗(yàn)是利用電子加速器及X射線轉(zhuǎn)靶裝置對(duì)LEDs進(jìn)行輻照，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用到1.5MeV電子加速器、3MeV電子加速器、7.5MeV電子加速器和7.5MeV電子加速器X射線轉(zhuǎn)靶輻照裝置。并在每一個(gè)輻照能量下，進(jìn)行劑量分別為5kGy，10 kGy和15 kGy的輻照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、常溫和普通空氣氛圍中進(jìn)行的，符合一般 LEDs的工作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)備了若干片AlGaInP材料LEDs外延片樣品，并將樣品分割成大小相等的若干正方形芯片，保證在不同輻照條件下的樣品的可比較性。

對(duì)樣品采用光致發(fā)光（PL）光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)其的發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，主要對(duì)有關(guān)材料的結(jié)構(gòu)、成分、能級(jí)躍遷等信息進(jìn)行分析。本實(shí)驗(yàn)中使用實(shí)驗(yàn)室搭建的PL譜測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)中使用功率為100mW、波長(zhǎng)為532nm的綠光激光器作為AlGaInP材料 LEDs外延片的激發(fā)光源。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)正方形LED外延片樣品進(jìn)行了五個(gè)位置點(diǎn)的測(cè)量，五點(diǎn)位置分別位于四個(gè)角區(qū)域點(diǎn)和中心區(qū)域，并提取五個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均 PL光譜強(qiáng)度值，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，獲得了較為適合進(jìn)行AlGaInP基LED的輻照改性實(shí)驗(yàn)的輻照的能量及劑量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 輻照實(shí)驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用以上幾種能量的電子輻照LED，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)試得到不同劑量下的PL譜圖，實(shí)驗(yàn)中共準(zhǔn)備了6組外延片作為樣本，從測(cè)試結(jié)果的趨勢(shì)上看，不同輻照實(shí)驗(yàn)下，幾組外延片樣本的變化趨勢(shì)大致相同，故選取較為典型的一組外延片，即3#外延片，進(jìn)行比較和分析。如圖 3所示,（a）-（c）分別為1.5MeV、3MeV和7.5MeV電子輻照的情況，圖中‘1’、‘2’和‘3’分別代表輻照劑量為5kGy，10kGy和 15 kGy的情況。其中橫坐標(biāo)為掃描波長(zhǎng)，從550nm到 700nm，縱坐標(biāo)為相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度，由于7.5Mev加速器的X射線轉(zhuǎn)靶輻照實(shí)驗(yàn)時(shí)只有一個(gè)劑量，因此未進(jìn)行比較。

圖3 不同劑量電子輻照后的外延片PL譜Fig.3 PL spectrum of electron-beam irradiation on LED samples with different dose

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，圖 3（a）為1.5MeV電子輻照的情況，與圖1-(b)的未輻照外延片的典型PL譜的主波長(zhǎng)的峰值相對(duì)比，其主波長(zhǎng)沒(méi)有變化，在劑量為10kGy時(shí)發(fā)光強(qiáng)度峰值有所增加。在輻照作用下，LED的PL譜形變化較小，僅在波長(zhǎng)為555nm左右的位置上存在一個(gè)小的突起，對(duì)應(yīng)的能量為E=2.23eV。樣品經(jīng)過(guò)能量為3MeV的輻照后，如圖3（b）所示，5kGy劑量的發(fā)光強(qiáng)度最大，15kGy劑量的最小，而10kGy劑量的居中。并與未輻照外延片相對(duì)比，其發(fā)光強(qiáng)度有所增加。由圖3（c）中看出，經(jīng)過(guò)能量為7.5MeV的輻照后，10kGy劑量的發(fā)光強(qiáng)度最大，15kGy劑量的最小，而 5kGy劑量的居中。該組結(jié)果中與未輻照外延片的發(fā)光強(qiáng)度相比有所降低，在555nm處的較小的突起變化明顯，其隨劑量的變化趨勢(shì)為先降低后增加。

3.2 發(fā)光強(qiáng)度變化分析

對(duì)比不同輻照能量和劑量情況下，將輻照后樣品的主波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度峰值的平均值與未輻照的樣品的主波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度峰值的平均值相比，選擇未輻照發(fā)光強(qiáng)度歸一化均值 4×104，得到的主峰強(qiáng)度變化的比值作為對(duì)比和分析的數(shù)據(jù)。LEDs發(fā)光強(qiáng)度的主峰強(qiáng)度變化比值的變化規(guī)律如表1所示。

表1 主峰強(qiáng)度變化比值Tab.1 The change of main intensity peak ratio

從上表中可以對(duì)比出不同輻照源對(duì) LED外延片發(fā)光強(qiáng)度的影響。其中 7.5MeV電子束輻照后發(fā)光強(qiáng)度很低，其他的輻照源對(duì)應(yīng)的外延片的發(fā)光強(qiáng)度相差不大。這是由于7.5MeV電子束的能量過(guò)大，部分對(duì)外延片內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷，導(dǎo)致外延片樣品局部或完全失效。其中發(fā)光強(qiáng)度提高最多的為1.5MeV電子束輻照。

在 AlGaInP體系材料的生長(zhǎng)過(guò)程中將會(huì)引入Mg-H復(fù)合體，與GaN體系材料的電子輻照效應(yīng)相似，Mg-H復(fù)合體經(jīng)輻照后分解，使得Mg原子活性得到恢復(fù)，進(jìn)而使P型GaP層和P型AlGaInP層載流子濃度得到提高。隨著輻照劑量的增加，輻照誘生缺陷增多，加強(qiáng)了對(duì)載流子的俘獲，使非輻射復(fù)合增加，發(fā)光性能有所降低[8]。

從少子壽命角度來(lái)分析，少子壽命τ與輻照劑量的關(guān)系如下式：

其中，τ0為輻照前少子壽命，k為輻照損傷系數(shù)，φn為輻照劑量。在較低劑量下，隨輻照劑量的上升，少子壽命降低，擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，將會(huì)在 pn結(jié)的附近產(chǎn)生一個(gè)窄的本征區(qū)，由于電子束輻照引起的窄的本征區(qū)的產(chǎn)生引起正向電流的顯著提高，同時(shí)引起發(fā)光強(qiáng)度的提高。隨著劑量的進(jìn)一步增加，缺陷俘獲的電子濃度為nt(t)，如下式所示：

Nt0為缺陷的本征濃度，T為系統(tǒng)溫度，αrate為升溫速率常數(shù)，由上式看出，隨著少子壽命降低，缺陷俘獲的少子濃度也有所降低，復(fù)合幾率下降，引起發(fā)光強(qiáng)度的降低。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相符。由圖3中可以觀察到主波長(zhǎng)也隨劑量的增加有一定的紅移，這是由于隨著劑量的增加，由P型摻雜引起的導(dǎo)帶邊的升高，而使主波長(zhǎng)產(chǎn)生紅移。

3.3 電子輻照X射線轉(zhuǎn)靶實(shí)驗(yàn)

進(jìn)一步使用低劑量的由7.5MeV加速器X射線轉(zhuǎn)靶產(chǎn)生的電子輻照外延片樣品，X射線轉(zhuǎn)靶技術(shù)是將X射線打重金屬靶轉(zhuǎn)換成有很強(qiáng)的方向性、向前集中的更大的穿透深度和利用效率特別高的高能高功率電子束。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的PL光譜的發(fā)光強(qiáng)度高于應(yīng)用 7.5MeV加速器輻照的外延片的發(fā)光強(qiáng)度，表明 X射線轉(zhuǎn)靶技術(shù)可顯著改善 LED外延片樣品的發(fā)光性能。

圖4 7.5MeV電子加速器與7.5MeV電子加速器X射線轉(zhuǎn)靶輻照的外延片PL譜Fig.4 PL spectrum of 7.5MeV electron-beam irradiation and with rotating anode X ray on LED samples

4 結(jié)論

本文主要研究 1.5MeV電子加速器、3MeV電子加速器、7.5MeV電子加速器和7.5MeV電子加速器X射線轉(zhuǎn)靶幾種輻照對(duì)AlGaInP基LED器件發(fā)光性能的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析不同輻照對(duì)AlGaInP基LED外延片的輻照效應(yīng)，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)光強(qiáng)度的變化上，在 1.5MeV能量電子輻照的10kGy劑量以下、3MeV能量電子輻照的5kGy劑量以下時(shí)，輻照使發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)，隨劑量的增加，發(fā)光強(qiáng)度逐漸降低；在 7.5MeV能量電子輻照下，樣品發(fā)生失效，發(fā)光強(qiáng)度下降較多；在7.5MeV電子加速器X射線轉(zhuǎn)靶輻照下，可顯著改善LED外延片樣品的發(fā)光性能。初步分析是由于材料生長(zhǎng)中引入的Mg-H復(fù)合體經(jīng)輻照后分解，使得Mg原子活性得到恢復(fù)，進(jìn)而使P型GaP層和P型AlGaInP層載流子濃度得到提高，并隨著輻照劑量的增加，輻照誘生缺陷增多，使發(fā)光性能有所降低。本結(jié)果將被用于指導(dǎo)AlGaInP材料LED的輻照改性實(shí)驗(yàn)。

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