氮化鎵基藍(lán)光發(fā)光二極管伽馬輻照的1/f噪聲表征*

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(jìn)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(bào)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(shí)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(bào)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(yàn)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(shí)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(jià)帶空穴直接產(chǎn)生復(fù)合,產(chǎn)生擴(kuò)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(kuò)散長度,Dn為電子擴(kuò)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(gè)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(xiàng)為與缺陷密切相關(guān)的暗電流,第二項(xiàng)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(kuò)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(kuò)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(jī)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(jī)制[12],與缺陷沒有直接關(guān)系的擴(kuò)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(kuò)散1/f噪聲功率譜,ID為擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(xiàng)的基本1/f噪聲沒有影響,引起公式第二項(xiàng)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(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(hù),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(hù),最后通過磨片、劃片、裂片,將管芯壓焊制作成器件并進(jìn)行測試,本次輻照實(shí)驗(yàn)是在西北核技術(shù)研究所進(jìn)行的,使用60Co作為γ射線的產(chǎn)生源.γ輻照的累計(jì)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(jìn)行測試.器件的伏安特性和低頻噪聲測試采用本實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(cuò)密度以及由于InGaN/GaN MQW(多量子)阱區(qū)存在強(qiáng)烈的壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng),載流子的輸運(yùn)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(kuò)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(shí),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(yùn)方式對應(yīng)了器件不同的低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)制.電離輻照對不同機(jī)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(yùn)方式,從而有不同的低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)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(shí),如圖1中I段所示,I＜1μA時(shí),這時(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(kuò)散的方式進(jìn)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(kuò)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(kuò)散電流噪聲.輻照感應(yīng)缺陷Nit增強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)域多尺度熵復(fù)雜度分析方法,該方法可用于描述時(shí)間序列在不同時(shí)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(shí),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(gè)結(jié)果表明中值電流區(qū),隨著輻照劑量增大,1/f噪聲時(shí)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(qiáng),是因?yàn)槠潆娏髟肼暀C(jī)制源于擴(kuò)散電流.輻照后,高能載流子增強(qiáng)了有源區(qū)散射,使遷移率改變,增大了遷移率相關(guān)的擴(kuò)散電流噪聲,輻照感應(yīng)缺陷Nit的增加,增強(qiáng)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(jìn)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(gè)未成對電子或獲得一個(gè)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(shí)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(xiàng)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(gè)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(kuò)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(gè)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(kuò)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(shí)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(kuò)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(jī)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(jī)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(yàn)結(jié)果噪聲測試結(jié)論,證實(shí)了實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(shí)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(kuò)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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