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電子束輻照對GaN基LED發光性能影響

1 引言
發光二極管(Light emitting diodes,LED) 是一種重要的固態光源,具有低成本、壽命長等優點。其中,GaN 基材料的禁帶寬度為 0. 7-6. 2eV,其發光波長覆蓋范圍可以從 650 nm 到 200nm,能夠實現從紅外光、紅光、綠光、藍光到紫外光等的全光譜發光,具有廣闊的應用前景和巨大的市場潛力。
在 LED 內部產生的晶格空位、間隙原子和反位缺陷等內在點缺陷[1],對材料和器件的電學性能和光學性能等都有很大的影響。電子束輻照是一種研究材料中點缺陷的重要手段[2]。GaN 具有較強的抗輻照特性,因此通過工藝的改進和優化進一步提高 GaN 基發光器件的抗輻照特性成為一項重要的研究內容。國內外已經有關于電子束輻照 GaN 材料 LED 的相關實驗報道[3-5]。1999年,Z. Q. Fang 等發現 1 MeV 電子輻照能夠在GaN 材料中誘生深能級(Ec≈0. 18 eV)。2002年,Gelhausen 等[6]也利用低能電子輻照研究摻Mg 的 GaN 基 LED 的缺陷問題,提高了器件的發光效率,并對其機理進行了研究。2003 年,Shar-
shar 等[7]在對 LED 的電子輻照和 Gamma 輻照效應的研究中指出,低劑量的電子輻照使 LED 歸一化后的亮度由 16%提高到 54%,到高劑量時開始退化。
本文應用不同能量的電子束對 GaN 材料LED 進行輻照,利用 PL 譜研究了 LED 的發光性能。將輻照能量與 GaN 材料 LED 光學性能的變化相結合,通過發光特性研究了不同能量的電子束輻照機理。
2 實驗
實驗中選用的 GaN 材料結構如圖 1 所示。實驗樣品分為 GaN 基 LED 外延片 1#和 2#,兩種外延片結構相同,生長參數不同。
輻照實驗采用 Dynamitron(地納米)系列加速器,在標準大氣壓、普通空氣氛圍和常溫的輻照氛圍下進行不同能量和劑量的電子束輻照實驗。對1#外延片進行 1. 5 MeV 的電子束輻照,其輻射劑量為 10 kGy 和 100 kGy;對 2#外延片分別進行 3MeV 和4. 5 MeV 的輻照,并對輻照后的 LED 外延片進行室溫 PL 譜測試。
圖1 GaN 基 LED 材料結構示意圖
3 結果與討論
3.1 1.5 MeV 電子束輻照LED的PL譜測試
對 GaN 基 LED 外延片 1#進行 1. 5 MeV 的電子束輻照,輻照劑量分別為10 kGy 和100 kGy,并進行 PL 譜測試,獲得 GaN 基 LED 的發光性能。
圖2 1.5 MeV 電子束輻照后的GaN 基LED 的PL譜
圖2 中曲線(a)是未經輻照的1# GaN 外延片的 PL 譜,曲線(b)、(c)分別是經過 10 kGy 和100 kGy 電子束輻照后的 PL 譜。由圖中可以看出,1#片主波長約為 460 nm,在 425 nm 處存在一個小發光峰。425 nm 處的小發光峰是由導帶下的深能級缺陷組到禁帶中的能級躍遷產生的,主發光峰是由 InGaN/GaN 的帶隙躍遷(430 nm 左右)和量子阱斯托克效應產生的紅移共同引起的。
當電子轟擊半導體材料時,由于輻照電子與物質晶格的相互作用,形成了空穴間隙原子對,破壞了晶格的位置。這些空位將進一步與雜質或其他空位作用而形成更復雜的缺陷,進而在禁帶中形成新的電子能級。電子、空穴俘獲截面和能級密度的大小均對非平衡載流子的復合有貢獻,從而引起少子壽命和載流子濃度的降低。少子壽命τ 與輻照劑量的關系可表示如下:
其中,τ0為輻照前少子壽命,k 為輻照損傷系數,n為輻照劑量。在較低劑量下,隨著輻照劑量的增加,少子壽命縮短,擴散長度減小,將會在 pn 結的附近產生一個窄的本征區。該本征區的產生將引起正向電流的顯著提高,同時引起發光強度的提高。在較高劑量下,缺陷俘獲的電子濃度 nt(t)可表示如下:
其中 Nt0為缺陷的本征濃度,T 為系統溫度,αrate為升溫速率常數,τann為載流子湮滅時間,τe為載流子產生時間。由式(2)可以看出,隨著少子壽命的縮短,缺陷俘獲的少子濃度也有所降低,復合幾率下降,引起發光強度降低。
從圖 2 中還可以看出輻照對主波長的影響。經 10 kGy 和 100 kGy 電子束輻照后,外延片的發光峰位置變化很小,在小劑量下出現紅移,大劑量下出現藍移。在小劑量下出現紅移是由于當低劑量電子束輻照 LED 時,在材料內部產生的深能級缺陷主要用來補償化學摻雜的不足,使費米能級位置遠離導帶底,從而導致材料的禁帶寬度降低;當加大劑量時出現藍移,可以認為是由于輻照在材料內產生的大量缺陷使得 GaN 材料內原子間的相互作用力發生變化,從而導致材料的禁帶寬度增加。LED 發光峰的強度也發生了變化。在10 kGy 劑量輻照下,LED 的發光強度增加約25%;而在 100 kGy 劑量輻照下,LED 的發光強度降低約 16%。
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