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电子束辐照对GaN基LED发光性能影响

1 引言
发光二极管(Light emitting diodes,LED) 是一种重要的固态光源,具有低成本、寿命长等优点。其中,GaN 基材料的禁带宽度为 0. 7-6. 2eV,其发光波长覆盖范围可以从 650 nm 到 200nm,能够实现从红外光、红光、绿光、蓝光到紫外光等的全光谱发光,具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
在 LED 内部产生的晶格空位、间隙原子和反位缺陷等内在点缺陷[1],对材料和器件的电学性能和光学性能等都有很大的影响。电子束辐照是一种研究材料中点缺陷的重要手段[2]。GaN 具有较强的抗辐照特性,因此通过工艺的改进和优化进一步提高 GaN 基发光器件的抗辐照特性成为一项重要的研究内容。国内外已经有关于电子束辐照 GaN 材料 LED 的相关实验报道[3-5]。1999年,Z. Q. Fang 等发现 1 MeV 电子辐照能够在GaN 材料中诱生深能级(Ec≈0. 18 eV)。2002年,Gelhausen 等[6]也利用低能电子辐照研究掺Mg 的 GaN 基 LED 的缺陷问题,提高了器件的发光效率,并对其机理进行了研究。2003 年,Shar-
shar 等[7]在对 LED 的电子辐照和 Gamma 辐照效应的研究中指出,低剂量的电子辐照使 LED 归一化后的亮度由 16%提高到 54%,到高剂量时开始退化。
本文应用不同能量的电子束对 GaN 材料LED 进行辐照,利用 PL 谱研究了 LED 的发光性能。将辐照能量与 GaN 材料 LED 光学性能的变化相结合,通过发光特性研究了不同能量的电子束辐照机理。
2 实验
实验中选用的 GaN 材料结构如图 1 所示。实验样品分为 GaN 基 LED 外延片 1#和 2#,两种外延片结构相同,生长参数不同。
辐照实验采用 Dynamitron(地纳米)系列加速器,在标准大气压、普通空气氛围和常温的辐照氛围下进行不同能量和剂量的电子束辐照实验。对1#外延片进行 1. 5 MeV 的电子束辐照,其辐射剂量为 10 kGy 和 100 kGy;对 2#外延片分别进行 3MeV 和4. 5 MeV 的辐照,并对辐照后的 LED 外延片进行室温 PL 谱测试。
图1 GaN 基 LED 材料结构示意图
3 结果与讨论
3.1 1.5 MeV 电子束辐照LED的PL谱测试
对 GaN 基 LED 外延片 1#进行 1. 5 MeV 的电子束辐照,辐照剂量分别为10 kGy 和100 kGy,并进行 PL 谱测试,获得 GaN 基 LED 的发光性能。
图2 1.5 MeV 电子束辐照后的GaN 基LED 的PL谱
图2 中曲线(a)是未经辐照的1# GaN 外延片的 PL 谱,曲线(b)、(c)分别是经过 10 kGy 和100 kGy 电子束辐照后的 PL 谱。由图中可以看出,1#片主波长约为 460 nm,在 425 nm 处存在一个小发光峰。425 nm 处的小发光峰是由导带下的深能级缺陷组到禁带中的能级跃迁产生的,主发光峰是由 InGaN/GaN 的带隙跃迁(430 nm 左右)和量子阱斯托克效应产生的红移共同引起的。
当电子轰击半导体材料时,由于辐照电子与物质晶格的相互作用,形成了空穴间隙原子对,破坏了晶格的位置。这些空位将进一步与杂质或其他空位作用而形成更复杂的缺陷,进而在禁带中形成新的电子能级。电子、空穴俘获截面和能级密度的大小均对非平衡载流子的复合有贡献,从而引起少子寿命和载流子浓度的降低。少子寿命τ 与辐照剂量的关系可表示如下:
其中,τ0为辐照前少子寿命,k 为辐照损伤系数,n为辐照剂量。在较低剂量下,随着辐照剂量的增加,少子寿命缩短,扩散长度减小,将会在 pn 结的附近产生一个窄的本征区。该本征区的产生将引起正向电流的显著提高,同时引起发光强度的提高。在较高剂量下,缺陷俘获的电子浓度 nt(t)可表示如下:
其中 Nt0为缺陷的本征浓度,T 为系统温度,αrate为升温速率常数,τann为载流子湮灭时间,τe为载流子产生时间。由式(2)可以看出,随着少子寿命的缩短,缺陷俘获的少子浓度也有所降低,复合几率下降,引起发光强度降低。
从图 2 中还可以看出辐照对主波长的影响。经 10 kGy 和 100 kGy 电子束辐照后,外延片的发光峰位置变化很小,在小剂量下出现红移,大剂量下出现蓝移。在小剂量下出现红移是由于当低剂量电子束辐照 LED 时,在材料内部产生的深能级缺陷主要用来补偿化学掺杂的不足,使费米能级位置远离导带底,从而导致材料的禁带宽度降低;当加大剂量时出现蓝移,可以认为是由于辐照在材料内产生的大量缺陷使得 GaN 材料内原子间的相互作用力发生变化,从而导致材料的禁带宽度增加。LED 发光峰的强度也发生了变化。在10 kGy 剂量辐照下,LED 的发光强度增加约25%;而在 100 kGy 剂量辐照下,LED 的发光强度降低约 16%。
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