CC BY
56
Радиофизика
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, № 5 (1), с. 60-64
УДК 621.382:539.12.04
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ GaN И GaAs ДИОДОВ ПРИ n-y-ОБЛУЧЕНИИ
© 2012 г. В.П. Шукайло 1, С.В. Оболенский 2, Н.В. Басаргина 1, И.В. Ворожцова 1,
С.М. Дубровских 1, О.В. Ткачёв 1
1 РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина, Снежинск
2 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 26.06.2012
Выполнены исследования фото- и электролюминесценции GaN и GaAs светодиодов в момент воздействия импульса п-у-излучения. Показано, что при воздействии ионизирующего излучения с мощностью экспозиционной дозы ~108 Р/с для диодов GaN и ~107 Р/с для диодов на основе GaAs наблюдается фотолюминесценция структур с интенсивностью, близкой к электролюминесценции структур при их нормальной работе. Высокая интенсивность фотолюминесценции может быть обусловлена диффузией неравновесных носителей в квантовую яму, что приводит к увеличению их концентрации и, как следствие, увеличению квантового выхода.
Ключевые слова: радиационная стойкость, нейтронное облучение, гамма-облучение, люминесценция GaN и GaAs диодов.
Введение
Наиболее сложной задачей при исследовании приборов оптоэлектроники, а в частности, светоизлучающих структур, является задача регистрации выходных параметров в момент воздействия ионизирующего излучения. Проблемы, связанные с регистрацией в момент воздействия, обусловлены низкой стойкостью оптических трактов и детекторов к ионизирующему излучению. В данной работе предложена схема регистрации и проведены исследования фото- и электролюминесценции светодиодов (СД) на основе GaN и GaAs в момент воздействия импульса п-у-излучения.
1. Образцы
В работе исследованы два типа образцов:
1. Светодиоды на основе структуры GaNЛnGaN с пятью квантовыми ямами (рис. 1). Структуры изготовлены в РФЯЦ-ВНИИТФ. Пиковая длина волны примерно равна 465 нм.
2. Светодиоды АЛ108АМ на основе структуры AlGaAs/GaAs промышленного производства. Пиковая длина волны примерно равна 845 нм.
Рис. 1. GaN/InGaN светодиодная структура
2. Методика эксперимента
Облучение проводилось на импульсном твердотельном ядерном реакторе ЭБР-Л [1]. Особенностью комплекса, созданного на базе ЭБР-Л, является наличие системы вывода и регистрации светового излучения из канала реактора. При максимальном числе делений, равном
1.5-1017, флюенс нейтронов в канале составляет
3.5-1014 н/см2, полуширина импульса 60 мкс.
Экспозиционная доза гамма-излучения измерялась по методике СГД-8, погрешность измерений не более 20% [2]. Флюенс нейтронов регистрировался по методике РИД-Н, погрешность измерений не более 20% [3].
Регистрация люминесценции образцов проводилась по схеме, представленной на рис. 2. Излучение от светодиода по системе вывода, включающей поворотные зеркала и фокусирующую линзу, передавалось к фотоприемнику. Для выделения свечения структур, связанного с электролюминесценцией, исследуемые образцы возбуждались прямоугольными импульсами напряжения с длительностью около 10 мкс. Ток инжекции, протекающий через светодиоды, составлял примерно 30 мА. Длина оптического тракта от образца до фотоприемника составляла примерно 15 м. Сигнал с фотоприемника (ФЭУ HAMAMATSU H6780-20) регистрировался осциллографом TDS 3052В. В ходе экспериментов было показано, что регистрируемые сигналы обусловлены только процессами, происходящими в исследуемых образцах.
Рис. 2. Схема регистрации люминесценции светодиода при облучении. 1 - исследуемый образец; 2 - контролируемое излучение; 3, 4 - фокусирующие линзы; 5, 6 - поворотные зеркала; 7 - ФЭУ HAMAMATSU H6780-20; 8 - осциллограф TDS 3052B; 9 - генератор импульсов Г5-15; А - активная зона реактора; В - биологическая защита; С - реакторный зал; D - пультовая; Е - приборный бокс
Рис. 3. Осциллограмма сигнала фотодетектора, регистрирующего люминесценцию GaN светодиода (сигнал 1) и осциллограмма сигнала детектора нейтронного излу-
Рис. 4. Осциллограмма сигнала фотодетектора, регистрирующего люминесценцию GaAs светодиода (сигнал 1) и осциллограмма сигнала детектора нейтронного излу-
чения (сигнал 2) с дозой гамма-квантов ,0=2.6-10 Р и чения (сигнал 2) с дозой гамма-квантов D=1-10 Р и
флюенсом нейтронов Ф=1-10 н/см
флюенсом нейтронов Ф=5-10 н/см
3. Результаты эксперимента
На рис. 3 представлены форма импульса излучения и реакция GaN светодиода на воздействие ионизирующего излучения реактора. Из рисунка видно, что импульсы электролюминесценции СД, частота и длительность которых задаются генератором, изменяют амплитуду в момент и после воздействия импульса излучения. В момент воздействия наблюдается вспышка, по форме близкая к импульсу реактора; по амплитуде приращение свечения составляет примерно 30% от амплитуды электролюминесценции. Облучение флюенсом нейтронов 1 • 1014 н/см2 приводит к уменьшению световыхода GaN светодиода примерно на 10%. Данное измене-
ние интенсивности электролюминесценции согласуется с результатами, полученными ранее [4], где измерения производились через несколько дней после облучения. Контроль параметров диода в течение нескольких минут после воздействия не выявил дальнейшего изменения световыхода структур.
Результаты облучения GaAs СД представлены на рис. 4. Из рисунка видно, что в момент воздействия наблюдается вспышка, по форме близкая к импульсу излучения, а по амплитуде соответствующая электролюминесценции, вызванной протеканием тока 30 мА. Облучение флюенсом нейтронов 5-1012 н/см2 приводит к уменьшению световыхода GaAs светодиода более чем на 70%. Контроль параметров диода в
0.0001 0.01 1 100 10000
время, с
Рис. 5. Изменение интенсивности электролюминесценции GaAs СД после облучения ,0=1-103 Р, Ф=5-1012 н/см2
Рис. 6. Расчетная зависимость внутреннего квантового выхода GaN-структуры от концентрации неравновесных носителей
течение нескольких минут после воздействия показал, что электролюминесценция облученного образца меняется по сложному закону (см. рис. 5). Данные на рис. 5 нормированы на амплитуду интенсивности свечения до облучения. Из рисунка видно, что после воздействия импульса п-у-излучения длительностью —120 мкс наблюдаются два процесса: отжиг с характерным временем —5 мс и дальнейшая деградация структуры (отрицательный отжиг) с характерным временем —1 с. Длина волны радиационно-наведенной фотолюминесценции совпадает с длиной волны излучения GaN/InGaN и А1-GaAs/GaAs светодиодов при электролюминесценции.
4. Обсуждение результатов эксперимента
В работе [4] приведены результаты исследования влияния нейтронного облучения на интенсивность электролюминесценции и кинетику свечения светодиодов, аналогичных исследуемым в данной работе. Проведен подробный анализ полученных результатов. Поэтому основное внимание при анализе экспериментальных результатов в настоящей работе уделено фотолюминесценции исследуемых структур в момент воздействия.
В работе [4] показано, что влияние нейтронного облучения на интенсивность электролюминесценции и кинетику свечения можно описать, используя уравнение кинетики
— = G - Вп2 - (А + кФ)п , (1)
Л
где п - концентрация электронов, В - коэффициент излучательной рекомбинации, А - коэффициент безызлучательной рекомбинации, к -коэффициент, учитывающий влияние нейтронного облучения, Ф - флюенс нейтронов, О -
функция генерации, в случае токовой инжекции
носителей О = —^—, где I - ток инжекции в ак-
Sde
тивную область, S - площадь контактов, d -
ширина квантовой ямы, е - заряд электрона. В
работе [4] коэффициенты уравнения (1) имели
следующие значения для GaN СД: В = 0.5^10-10
см3-с-1, А = 0.5-108 с-1, d = 3-10"7 см, S = 6-10-4 см2,
к = 3-10-7 с-1-см2; для GaAs СД: В = Ы0-10 см3-с-1,
А = 0.2-108 с-1, d = 10-6 см, S = 610-4 см2, к = 110-5 -1 2 с •см .
Из уравнения (1) можно выразить внутрен-
„ Вп
ний квантовый выход как ^ =-------------, откуда
Вп + А
следует, что квантовый выход растёт при повышении концентрации носителей в активной области прибора (рис. 6). Высокая квантовая эффективность СД достигается использованием квантовых ям, уменьшение размеров активной области СД до нанометровых толщин позволяет увеличить концентрацию носителей в яме на несколько порядков.
Рассмотрим фотолюминесценцию на примере структуры, выполненной на основе нитрида галлия. Анализ фотолюминесценции будем проводить на основании уравнения (1), но без учета влияния нейтронов (к = 0).
При облучении СД ионизирующим излучением возбуждение неравновесных носителей происходит по всему объёму структуры. Неравновесные носители, находящиеся на расстояниях от квантовой ямы, меньших, чем длина диффузии L, будут захвачены квантовой ямой, а следовательно, концентрация неравновесных носителей в квантовой яме возрастёт на величину ~ ^ . По всей видимости, наблюдаемая в экс-d
перименте высокая фотолюминесценция и явля-
ется следствием компрессии неравновесных носителей с большого объёма в квантовую яму.
Оценим данный эффект количественно. В эксперименте, представленном на рис. 3, длительность импульса на полувысоте составила 4 ~ ~ 120 мкс, экспозиционная доза в канале реактора О = 2.6-104 Р, что будет соответствовать мощности поглощенного излучения в GaN, равной Р{() ~ 5.7-108 Рад/с. При таком значении мощности поглощенной дозы наблюдаемое в эксперименте свечение образца эквивалентно электролюминесценции при пропускании тока I ~ 10 мА.
При воздействии ионизирующего излучения на диоды в структуре возникают фототоки, которые будут приводит к инжекции носителей в квантовую яму:
^ + О Р L.
1ф - (D. — + Dpf-)eSc
(2)
где р - концентрация дырок, De, Dp - коэффициенты диффузии для электронов и дырок соответственно, Le, Lp - диффузионные длины неосновных носителей, Sc - площадь структуры, Sc = = 500^500 мкм2. Для GaN коэффициенты диффузии равны De = 39 см2/с, Dp = 0.75 см2/с [5].
Оценим диффузионные длины носителей по
выражению L = VDr . Время жизни неравновесных носителей при невысоких концентрациях (n < 1017 см-3) можно оценить из (1) как т ~ ~ 1/4=240-8 с. Полагая т для дырок и электронов одинаковым и равным 2-10-8 с, получим Le ~ ~ 8.840-4 см, Lp ~ 1.240-4 см. Если длительность возбуждающего импульса много больше времени жизни неравновесных носителей, то из выражения (1) следует, что концентрация неравновесных носителей определяется как n(t) = p(t) ~ ~ G(t)T. Определим функцию генерации G(t) в случае возбуждения неравновесных носителей ионизирующим излучением. Согласно [6] ^ 6.25 • 1013 P(t)p
G(t) «-----------, здесь P(t) - мощность
щ
поглощенного излучения (Рад/c), Eg - ширина запрещенной зоны, для GaN Eg= 3.4 эВ, р -плотность материала, для GaN р = 6.15 г/см3. Получаем G(t) ~ 2.24022 см-3с-1, отсюда концентрация неравновесных носителей имеет значение порядка p = n ~Ф1014 см-3. В итоге значение фототока 1ф ~ 9 мА, что близко к рабочим токам светодиода.
Наблюдаемый в эксперименте высокий уровень фотолюминесценции при воздействии ионизирующего излучения может быть полезен для практических применений. Высокая конверсия поглощенной энергии в излучение видимого диапазона и низкая чувствительность к
нейтронному облучению GaN структур [4] создают предпосылки для изготовления сцинтил-ляционных детекторов ионизирующего излучения на базе данных структур. Быстродействие данных сцинтилляторов будет определяться временем жизни неравновесных носителей и по предварительным оценкам составит —10 нс. К достоинствам данных структур можно отнести и возможность их эксплуатации при высоких температурах вплоть до 5000С.
Заключение
Выполнены исследования фото- и электролюминесценции GaN и GaAs светодиодов в момент воздействия импульса п-у-излучения.
Показано, что при воздействии ионизирующего излучения с мощностью экспозиционной дозы —108 Р/с для диодов GaN и —107 Р/с для диодов на основе GaAs наблюдается фотолюминесценция с интенсивностью, близкой к электролюминесценции структур при протекании через них рабочих токов. Длина волны радиационно-наведенной фотолюминесценции совпадает с длиной волны излучения GaN/InGaN и AlGaAs/GaAs светодиодов при электролюминесценции.
Продемонстрировано, что высокая, наведенная облучением, люминесценция связана с увеличением концентрации неравновесных носителей в квантовой яме. Увеличение концентрации происходит за счет инжекции носителей с прилегающих к квантовой яме областей.
Электролюминесценция GaAs СД после воздействия импульса п-у-излучения изменяется по сложному закону, наблюдается эффект отрицательного отжига.
Слабая деградация GaN-структур при нейтронном облучении и высокий коэффициент конверсии поглощенной энергии в видимое излучение создают предпосылки для создания на базе данных структур сцинтилляторов для регистрации ионизирующих излучений.
Список литературы
1. Леваков Б.Г., Лукин А.В., Магда Э.П., Погребов И.С., Снопков А.А., Терёхин В.А. Импульсные ядерные реакторы РФЯЦ-ВНИИТФ. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2002. 608 с.
2. Бакулин А.П., Ноздрачев С.Ю. Методика выполнения измерений экспозиционной дозы гамма-излучения с помощью детекторов СГД-8. НИИП, инв. № М-158. 2003.
3. Афанасьев В.Н., Бычков В.Б., Кедров А.В., Лыжин А.В., Мингазов О.А., Пудов В.П., Серебряков А.К. Способ регистрации набора флюенса нейтронов на импульсных реакторах // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия
на радиоэлектронную аппаратуру. 2001. Вып. 3-4. С. 119-121.
4. Ворожцова И.В., Дубровских С.М., Ткачёв О.В., Шукайло В.П. Влияние нейтронного излучении на GaAs и GaN светоизлучающие структуры // В сб.: IX Межотраслевая конференция по радиационной стойко-
сти. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ. С. 92-99.
5. Шуберт Ф. Светодиоды / Под ред. А.Э. Юно-вича. М.: Физматлит, 2008. 495 с.
6. Громов В.Т. Введение в радиационную физику твёрдого тела. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-
ВНИИТФ, 2007. 208 с.
LUMINESCENCE OF GAN AND GAAS DIODES UNDER n-y-IRRADIATION
V.P Shukailo, S. V. Obolensky, N. V. Basargina, I. V. Vorozhtsova,
S.M. Dubrovskikh, O. V. Tkachev
Photo- and electroluminescence of GaN and GaAs light-emitting diodes have been studied at the time of n-y-radiation pulse. The action of ionizing radiation with an exposure dose of ~108 R/s for GaN diodes and ~107 R/s for GaAs diodes has been shown to induce the photoluminescence with the intensity close to that observed under normal operation of the diode. High intensity of the photoluminescence may be caused by the diffusion of nonequilibrium carriers into the quantum well, which leads to the increase of carrier concentration resulting in the quantum efficiency increase.
Keywords: radiation hardness, neutron irradiation, gamma irradiation, luminescence of GaN and GaAs diodes.
