GaN基LED高能電子束流輻照效應研究

劉 超 于莉媛 王志剛 錢 森 夏經(jīng)鎧,4 朱 納 高 峰,4 安廣朋 馬毅超 黨宏社 吳英蕾 楊 潔（天津工業(yè)大學 天津 300387）

2（核探測與核電子學國家重點實驗室 北京 100049）

3（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

4（中國科學院大學 北京 100049）

5（陜西科技大學 西安 710021）

GaN基LED高能電子束流輻照效應研究

劉 超1于莉媛1王志剛2,3錢 森2,3夏經(jīng)鎧2,3,4朱 納5高 峰2,3,4安廣朋2,3馬毅超5黨宏社5吳英蕾1楊 潔11（天津工業(yè)大學 天津 300387）

2（核探測與核電子學國家重點實驗室 北京 100049）

3（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

4（中國科學院大學 北京 100049）

5（陜西科技大學 西安 710021）

使用高能電子輻照對GaN基藍光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)光電學性能的影響進行研究。高能電子束流分別對不同組別的LED樣品進行輻照實驗，并通過自動測控系統(tǒng)對輻照過程中LED的電流、光強、光譜峰值波長進行全程測控。隨后，在室溫無輻照環(huán)境下對上述不同組別的LED樣品進行跟蹤對比測試研究。實驗結(jié)果表明，高能輻照對LED的改性有明顯效果，具體表現(xiàn)在工作電流和發(fā)光功率變化時受輻照影響的穩(wěn)定性有所改善，光譜峰值波長出現(xiàn)藍移。同時，GaN基LED在輻照過程中是否通電對LED的光電學性能有顯著影響。

高能電子輻照，GaN，發(fā)光二極管，光電學性能

GaN作為一種寬禁帶半導體材料，在室溫下其直接帶隙寬度為3.39eV，具有熱導率高、耐高溫、耐酸堿、高硬度等特性，是第三代半導體的代表?；谝陨咸匦裕鳛榘l(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)重要的發(fā)光材料的GaN，一直是國內(nèi)外關(guān)于LED輻照實驗研究的熱點，并在GaN外延材料以及發(fā)光器件的電子束輻照效應研究中取得了一定成果。

Nykanen等[1]研究了5-20keV電子輻照對GaN的影響，認為輻照破壞了Ga空位與H的復合體而激活Ga空位。Fang等[2]應用1MeV電子輻照在GaN中產(chǎn)生N弗倫克爾對，并推測N空位的束縛能為60MeV。Tuomisto等[3]研究發(fā)現(xiàn)2MeV的電子輻照可以在GaN外延層中引入Ga間隙原子與空位。

Bozdog等[4]研究了 2.5MeV 電子輻照藍寶石襯底上生長的 GaN 后，近紫外和可見光范圍內(nèi)的發(fā)射峰強度減弱，在近紅外區(qū)產(chǎn)生了兩個發(fā)光帶，其中一個發(fā)光帶位于0.95eV。Hayashi等[5]認為7MeV電子輻照在n型GaN中引入了Ga弗倫克爾對。Kuriyama等[6]對GaN外延層進行30MeV的電子輻照，能夠產(chǎn)生足量的Ga空位，退火后可以誘導Ga空位與原有的施主結(jié)合形成復合體。Sharshar等[7]在對LED的電子輻照和γ輻照效應的研究中指出，低劑量的電子輻照使LED的歸一化亮度由16%提高到54%，到高劑量時開始退化。在發(fā)光器件的研究中，主要對異質(zhì)結(jié)的輻照效應進行研究。

以上取得的研究成果，對GaN外延材料及發(fā)光器件的改性研究有重要的指導作用。但在有關(guān)的研究中，對70MeV以上及更高能量的輻照研究還存在著空白。本次實驗主要針對2.5GeV高能量電子束對GaN基藍光LED的輻照效應開展研究。

1 LED電子束輻照實驗

實驗中所用的GaN基LED芯片是現(xiàn)在市場中普遍使用的藍光LED，其發(fā)光峰值波長范圍為445-455nm，有源層基本結(jié)構(gòu)為InGaN/GaN多量子阱(Multiple Quantum Well, MQW)結(jié)構(gòu)，量子阱采用金屬有機化合物化學氣相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)技術(shù)在藍寶石(001)襯底表面外延形成，其中電子阻擋層為p-AlGaN(Mg)，InGaN/GaN的量子阱結(jié)構(gòu)重復周期為5層。

實驗中，將LED樣品分為A、B、C三組，其中A組不進行輻照，B組進行不加電輻照，C組全程加電發(fā)光情況下被輻照，其中B、C兩組輻照環(huán)境、輻照能量、劑量完全相同。

本次輻照實驗采用中國科學院高能物理研究所BESⅢ-E2束流直線粒子加速器及一系列配套的束流傳輸裝置。電子束的束流和能量是由電子加速器控制的，而樣品接受輻照的劑量是由電子束流強和頻率以及輻照時間所決定。

實驗中，LED輻照實驗的條件為：一個標準大氣壓、室溫條件、普通空氣氛圍，這是盡量參照LED的工作環(huán)境所設(shè)定的實驗條件。電子輻照能量為2.5GeV，輻照過程中平均每個脈沖約有5×108個電子，頻率為25Hz，束流管道直徑為7cm。模擬計算得LED在輻照過程中接受的劑量為5Gy·min-1。

同時，為了直觀地研究不同輻照劑量對GaN基LED光電學性能產(chǎn)生的影響，本實驗搭建了束流輻照實驗自動測控系統(tǒng)[8]，對輻照過程中LED的光電學性能進行全程測控，測控系統(tǒng)原理圖如圖1所示，其中功率計（NOVA，以色列Ophir公司）測試LED的發(fā)光功率，波長計(Sl00)測試LED的發(fā)光波長，數(shù)字萬用表(DM3068)測試LED的電信號，信號發(fā)生器(IT6121B)為LED供電。

圖1 束流輻照實驗自動測控系統(tǒng)Fig.1 Automatic measurement and control system for electron beam irradiation.

B、C兩組LED芯片樣品在相同輻照環(huán)境下進行高能電子束流輻照實驗。其中C組加電發(fā)光的LED工作于恒壓模式，工作電壓為3.0V。同時自動測控系統(tǒng)監(jiān)測GaN基藍光LED工作電流、發(fā)光功率，以及光譜峰值波長隨2.5GeV高能量電子束流輻照劑量的變化。其經(jīng)歸一化處理的工作電流和發(fā)光功率隨輻照時間變化的對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 C組LED不同輻照時間電流、發(fā)光功率歸一化對比Fig.2 Normalized contrast diagram of different irradiation time current and light emitting power.

2 高能電子輻照對LED發(fā)光光譜的影響

對輻照過程中C組GaN基LED選擇輻照劑量分別為300Gy(1h)、14kGy(45h)、24kGy(80h)時的發(fā)光波長進行對比，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同輻照時間LED發(fā)光波長對比Fig.3 Contrast diagram of LED emission wavelength at different irradiation time points.

LED的峰值波長在輻照過程逐漸下降，輻照劑量達24kGy時峰值波長的計數(shù)下降7%，進而通過面積積分對比了不同輻照劑量時光強，同時輻照對LED光譜峰值波長的半高寬(Full width at half maximum, FWHM)也有影響，通過峰值點判斷LED發(fā)光波長有漂移的趨勢，具體對比結(jié)果如表1所示。

表1 輻照對LED光譜峰值波長影響Table1 Effect of irradiation on LED spectral peak wavelength.

輻照結(jié)束后，室溫下三組LED光譜峰值波長的對比結(jié)果進一步證實了高能電子束流輻照使LED的光譜峰值波長發(fā)生藍移，如圖4所示，其中經(jīng)輻照過的B、C組明顯較A組發(fā)生了藍移，且C組LED樣本藍移現(xiàn)象最明顯。

圖4 LED發(fā)光波長歸一化對比Fig.4 Normalized contrast diagram of LED emission wavelength.

GaN材料中的缺陷主要分為點缺陷和擴展缺陷，其中點缺陷與 GaN 的發(fā)光密切相關(guān)，而擴展缺陷可以通過俘獲載流子和吸附點缺陷的方式來影響GaN材料的光電性能[9]。

實驗中高能電子輻照GaN基LED后，由于位移效應GaN內(nèi)部產(chǎn)生大量的點缺陷及點缺陷團簇，且隨著輻照劑量點缺陷濃度不斷增大，這將導致點缺陷周圍的晶格產(chǎn)生扭曲，甚至產(chǎn)生位錯，能量損傷較大的區(qū)域位于材料界面處，界面處的損傷將會對LED材料產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的影響。

B、C組LED發(fā)光波長可能就是由于這種界面處損傷對LED材料影響造成的，至于C組藍移可以認為是由于輻照在材料內(nèi)產(chǎn)生的大量缺陷使得GaN材料內(nèi)原子間的相互作用力發(fā)生變化，從而導致材料的禁帶寬度增加所造成。

3 高能輻照對LED發(fā)光功率的影響

在束流輻照過程中，同時監(jiān)測C組LED樣品發(fā)光功率隨束流輻照劑量的變化趨勢如圖2中點線所示。輻照過程中LED的發(fā)光功率隨輻照劑量的變化開始呈線性下降，而后逐漸趨于穩(wěn)定，從圖2可知，在輻照劑量到達19.2kGy(64h)時，LED的光功率下降逐漸趨于平緩，整個輻照過程發(fā)光功率降低了約24%。

在輻照過程中，GaN產(chǎn)生N空位VN僅需4eV的位移閥能Ed，而當能量大于1MeV時，Ga原子就能在晶格中留下一個空位VGa。本次高能電子輻

照過程中，輻照能量遠高GaN中兩原子的位移閥能Ed。因此輻射電子與半導體晶格原子通過彈性碰撞產(chǎn)生大量的位移效應。位移效應使晶格原子離開正常晶格位置，產(chǎn)生一個間隙原子，同時在其晶格位置上產(chǎn)生一個空位，形成Frenkel 對。這個過程產(chǎn)生大量的點缺陷，而且隨輻照劑量點缺陷的濃度不斷增大，不斷增加缺陷俘獲的電子濃度nt(t)可表示[10]：

式中：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)；τann為載流子湮滅時間；τe為載流子產(chǎn)生時間。根據(jù)式(1)推得在輻照過程中LED的發(fā)光強度不斷減小，這與實驗過程中LED光強不斷下降相符合，而后面光強趨于穩(wěn)定可能與產(chǎn)生的損傷性質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)，有待進一步研究。

對同批樣品在不同輻照條件下處理過的樣品長時間于同一室溫避光環(huán)境中，在恒壓工作模式下(3.0V)點亮，其發(fā)光功率測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 LED發(fā)光功率歸一化對比Fig.5 Normalized contrast diagram of LED luminous power.

經(jīng)圖5對比發(fā)現(xiàn)，A、B、C三組LED在工作過程中，發(fā)光功率總體都呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，B組LED的光功率較其他兩組最不穩(wěn)定，且光強較弱，而C組LED光強最強，且變化幅度最小，穩(wěn)定性最好，同時能在發(fā)光功率平均增大0.5%的狀態(tài)工作70h，效果明顯優(yōu)于其他兩組。B、C兩組LED在輻照過程中光學特性都受到輻照的影響，但輻照后的測試發(fā)現(xiàn)C組光學穩(wěn)定性以及光強特性都要較B組好。

分析原因可能是在輻照過程中C組是點亮的，點亮持續(xù)的高溫使C組LED輻照產(chǎn)生了一些可恢復性能級缺陷[11]，同時也可能在輻照過程中，C組由于點亮的原因使其產(chǎn)生的缺陷損傷少于B組，最后常溫工作時，使得C組穩(wěn)定性較B組的要好，光強要強。由此可知，高能輻照對LED的光學特性有明顯影響[12]，可能是由于更高能量的輻照使GaN基材料產(chǎn)生了更多種類的損傷和缺陷所致。

4 高能輻照對LED工作電流的影響

如圖2星線所示，2.5GeV高能電子束輻照C組GaN基藍光LED，隨著輻照劑量的增大，開始LED的工作電流呈現(xiàn)上升趨勢，當輻照劑量達到16.2kGy (54h)時，電流開始保持穩(wěn)定，整個輻照過程LED電流升高了0.8%。

不同輻照條件下LED樣品長時間工作電流測試結(jié)果如圖6所示，對比發(fā)現(xiàn)A組LED的工作電流呈線性下降。B組LED通電工作后，工作電流總體下降幅度與A組工作電流的下降幅度基本一致，但B組工作電流下降過程呈指數(shù)型。而C組LED的工作電流下降幅度較A、B組有所減小，下降方式與B組相類似。整體而言，三組LED的電流下降幅度都很小，最多也只有2%。

圖6 LED工作電流歸一化對比Fig.6 Normalized contrast diagram of LED current.

非平衡載流子壽命、等效多子濃度和遷移率是影響GaN基LED電學性能最重要的參數(shù)，其中載流子壽命受到輻射損傷缺陷影響最大[11-12]。在高能電子輻照過程中，首先LED中引入大量的點缺陷，隨輻照劑量點缺陷濃度不斷增大，點缺陷在禁帶中引入深能級，這些深能級可以俘獲樣品中的自由載流子，使得非平衡載流子壽命不斷減小，同時輻照過程產(chǎn)生的電離效應導致禁帶中淺施主能級如氮空位的引入和深受主型陷阱的產(chǎn)生，且這些空位和陷阱的濃度會隨輻照總劑量而增大，最后引起較低正向偏壓下飽和電流隨輻照計量而增加[13]。至于C組LED下降幅度有所減少，實驗組推斷是因為LED在輻照過程中存在點亮自退火的過程， 使輻照過程中在P型層中以Mg-H鍵為主的不穩(wěn)定化學鍵等[12]因高溫退火而斷裂，使得C組LED電流下降幅度減小。

5 結(jié)語

研究了2.5GeV高能電子束流在不同劑量下輻照對GaN基LED光學和電學性能的影響。

在實驗中，發(fā)現(xiàn)2.5GeV高能電子束流隨輻照劑量的不斷增加，開始LED光強不斷減小，工作電流不斷增大，而當輻照通量達16.2kGy時，工作電流和光強受輻照影響逐漸變小，基本趨于穩(wěn)定，同時在整個輻照過程中LED發(fā)光波長的峰值有所減小，且輻照使LED發(fā)光波長出現(xiàn)藍移。整體對比而言，高能量電子輻照對GaN基LED的電學性能的影響要明顯小于光學性能的影響。

同時實驗中發(fā)現(xiàn)，輻照時加電與否對輻照后LED的工作性能有明顯影響。實驗中經(jīng)加電輻照后的LED較不加電輻照LED的發(fā)光功率穩(wěn)定。工作電流方面不加電輻照后的LED工作電流下降趨勢呈指數(shù)下降，而加電輻照后的LED下降幅度明顯比不加電輻照LED要小。這一差別可能是由于加電輻照存在自我退火現(xiàn)象，影響LED的非平衡載流子壽命、等效多子濃度和遷移率的變化所致。

本次實驗結(jié)果對今后的GaN基改性實驗具有參考價值，并提出了一種新的關(guān)于研究LED輻照效應的研究方法和研究方向。

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Investigation on the properties of GaN-LED irradiated by high-energy electron beam

LIU Chao1YU Liyuan1WANG Zhigang2,3QIAN Sen2,3XIA Jingkai2,3,4ZHU Na5GAO Feng2,3,4AN Guangpeng2,3MA Yichao5DANG Hongshe5WU Yinglei1YANG Jie11(Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)
2(State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics, Beijing 100049, China)
3(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
4(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
5(Shanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

Background: The performance of GaN-based light emitting diode (LED) will be affected by the gamma, neutron and electron radiation. Purpose: To study the impact of high-energy electron radiation on photoelectric properties of GaN-based LED, samples were setup in the beam line for electron radiation. Methods: The current, light power and emission wavelength of the irradiating LED were monitored by an automatic monitoring and control system during the beam time. And the aging tests of these LED samples were also finished. Results: The current, the light power stability of each sample were varied with different electron radiation. Also luminescence wavelength of some samples has a certain blue shift phenomenon. Conclusion: High-energy radiation has obvious effect on the

High energy electron irradiation, GaN, LED, Photoelectric properties

LIU Chao, male, born in 1989, graduated from Southeast University Chengxian College in 2014, master student, focusing on the irradiation effect on semiconductor

QIAN Sen, E-mail: qians@ihep.ac.cn

TN312+.8

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.120503

國家自然科學基金(No.11175198、No.11475209、No.11611130020、No.11305190、No.11204211)資助

劉超，男，1989年出生，2014年畢業(yè)于東南大學成賢學院，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為半導體輻照效應的研究

錢森，E-mail: qians@ihep.ac.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11175198, No.11475209, No.11611130020, No.11305190, No.11204211)

2016-05-27，

2016-09-19

photoelectric properties of the GaN-based LED.