X射線和重離子輻射對GaN基發(fā)光二極管的影響

王 磊，李 博，張學(xué)文，李彬鴻，羅家俊,3，劉新宇,3，袁清習(xí)

（1.中國科學(xué)院微電子研究所，北京100029；2.中國科學(xué)院硅器件技術(shù)重點實驗室，北京100029；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.中國科學(xué)院高能物理研究所，北京100049）

1 引 言

以電子-光子轉(zhuǎn)換效應(yīng)為原理的半導(dǎo)體光電子器件是光電子技術(shù)的關(guān)鍵和核心部件，相關(guān)研究已是現(xiàn)代光電子技術(shù)和微電子技術(shù)的前沿領(lǐng)域，也是信息技術(shù)的重要組成部分。半導(dǎo)體光電子器件主要包括自發(fā)發(fā)光器件、激光器、光電探測器件、傳感器以及復(fù)合功能的異質(zhì)集成器件等，它們基于多種材料和原理制備，波長可覆蓋紫外至紅外甚至太赫茲波段。此類器件具有光電轉(zhuǎn)換效率高、光譜范圍廣、功率調(diào)諧范圍大、抗電磁干擾能力強、調(diào)制頻率高、帶寬大、可多譜域成像、安全保密、方向性好及壽命長等優(yōu)點，在商業(yè)、國防和航天領(lǐng)域廣為應(yīng)用，在未來技術(shù)革新中也將發(fā)揮越來越重要的作用。研究在X 射線和Si 重離子輻射效應(yīng)影響下的發(fā)光二極管的各項性能的變化，具有很大的實用價值和必要性。

2 技術(shù)發(fā)展背景

GaN 材料及其三元和四元合金材料，作為一種典型的第三代半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度在0.6eV～6.2eV，覆蓋了紫外到紅外的整個波段，并具有耐高頻高壓、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，在光電子器件和電子器件領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。GaN 基光電子器件多以InGaN/GaN 多量子阱作為有源區(qū)，波長一般在藍光和綠光波段。通過近20 年的快速發(fā)展，藍光和綠光GaN 基發(fā)光二極管和激光二極管在商業(yè)化領(lǐng)域已經(jīng)取得長足發(fā)展[1-6]。

InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管作為可見光通訊的主要光源，在保密會議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、衛(wèi)星內(nèi)部、艦船內(nèi)部無線通訊、火箭分離、太空艙外、深潛艙等軍事航天領(lǐng)域的高速無線通訊方面具有巨大的應(yīng)用前景[7-9]。GaN 基發(fā)光二極管在極端環(huán)境下的可靠性研究，尤其是在多種輻射環(huán)境下的輻照效應(yīng)研究，對其在國防和航天領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

文獻報道稱，GaN 基半導(dǎo)體材料與器件因其穩(wěn)定的物理化學(xué)特性，比GaAs 基和Si 基材料器件具有更高的抗輻射能力[10]。但目前針對高能射線的輻射電離效應(yīng)、高能重離子位移效應(yīng)和熱峰效應(yīng)對InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管的閾值電壓、發(fā)光功率、峰值波長及色坐標所產(chǎn)生的影響的研究還缺乏系統(tǒng)性，仍處于初級階段。發(fā)光二極管發(fā)光特性輻射效應(yīng)的物理機制仍待深入研究[11-12]。

基于此背景，通過采用高能X 射線和高能Si 重離子對藍光InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管芯片進行輻射特性研究，可揭示射線和粒子輻射對二極管閾值電壓、發(fā)光功率、波長、色坐標等參數(shù)的影響，以評估發(fā)光二極管的抗輻射特性。

3 樣品和實驗

InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管采用金屬有機化學(xué)氣相外延生長法在藍寶石襯底上生長。首先在C 面藍寶石襯底上生長20nm 的低溫GaN 成核層，接著生長2μm 的低溫非摻GaN 緩沖層，再生長1μm 的Si 摻雜的N 型GaN 外延層（Si 元素摻雜濃度為1×1019/cm3）。接著生長50nm 厚的N 型AlGaN/GaN（Si 摻雜濃度為1×1019/cm3，Al 組分約為5%）用于調(diào)制后續(xù)GaN 的生長質(zhì)量。再生長200nm 的N型GaN（Si 摻雜濃度為1×1018/cm3)，此時有源區(qū)包括7 對InGaN/GaN 量子阱結(jié)構(gòu)，其中InGaN 勢阱寬度為3nm，GaN 勢壘寬度為7nm。InGaN 量子阱中In元素組分約為20%。在量子阱形成之后緊接著生長20nm 厚的Mg 摻雜P 型AlGaN 電子阻擋層，用于提升電子空穴在量子阱中的發(fā)光復(fù)合效率（Mg 摻雜濃度為1×1020/cm3）。再生長100nm 厚的Mg 摻雜P 型GaN 用于形成PN 結(jié)（Mg 摻雜濃度為1×1020/cm3)。最后，在P 型GaN 上生長20nm 厚的非摻InGaN 蓋帽層薄膜用于P 型歐姆接觸制備。整個晶圓采用標準的紫外光刻和離子刻蝕等半導(dǎo)體標準工藝制備出發(fā)光二極管芯片，芯片面積為275μm×675μm。

高能X 射線輻射在中國科學(xué)院高能物理研究所同步輻射裝置的4W1A 實驗站完成。射線能量為0～50keV 的白光，劑量為0.1Mrad(Si)/s；發(fā)光二極管輻照劑量分別為1Mrad(Si)、10Mrad(Si)、33Mrad(Si)、67Mrad(Si)和100Mrad(Si)。

Si 重離子輻照在北京大學(xué)重離子加速器裝置上完成。Si 重離子能量選擇為30 MeV，注量率選擇為1.32×108/cm2s，發(fā)光二極管注量輻照的注量分別為5×1010/cm2、5×1011/cm2、1×1012/cm2和5×1012/cm2。

發(fā)光二極管的電致發(fā)光譜采用杭州遠方的白光LED 積分球（型號為ATA-1000，EVERFINE）進行測試。全部測試工作均在X 射線和Si 重離子輻照后4小時內(nèi)完成。

4.結(jié)果與分析

4.1 閾值電壓

InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管在電注入條件下的閾值電壓（Vth）通常定義為：正向電流為20mA時的外加電壓大小。Vth的大小代表著發(fā)光二極管的開啟狀態(tài)。一般來說，當外加正向電壓小于Vth時，注入到二極管的電流非常小，二極管幾乎不發(fā)光。但當外加正向電壓大于Vth時，流過二極管的電流迅速增大，二極管的發(fā)光強度也迅速增大。

GaN 基發(fā)光二極管閾值電壓受X 射線輻照和Si 重離子輻照后的變化情況如圖1 所示。由圖可以看到，Vth隨X 射線劑量的增加始終維持在2.73V 左右，即使是X 射線總劑量達到了100Mrad(Si)，Vth幾乎沒有發(fā)生變化。X 射線一般會在被輻照晶體內(nèi)產(chǎn)生大量電子空穴對，但很少產(chǎn)生晶格位移效應(yīng)和熱峰效應(yīng)，說明X 射線電離效應(yīng)對InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管閾值電壓等電學(xué)參數(shù)的影響很小。

圖1 X 射線和Si 重離子輻照對閾值電壓的影響

圖1 同樣給出了GaN 基發(fā)光二極管受Si 重離子輻照前后閾值電壓的變化。與X 射線輻照有很大不同，Si 重離子輻照不但可以在GaN 材料內(nèi)產(chǎn)生電離效應(yīng)，也可以產(chǎn)生位移效應(yīng)和熱峰效應(yīng)。基于通過X 射線衍射、變溫光致發(fā)光譜和正電子湮滅譜等方法對Si 重離子輻照的GaN 外延薄膜所做的系統(tǒng)化分析，發(fā)現(xiàn)Si 重離子輻照可以在InGaN/GaN 量子阱內(nèi)因熱峰效應(yīng)產(chǎn)生In 組分局域態(tài)增強，也會因位移效應(yīng)產(chǎn)生大量非發(fā)光復(fù)合點缺陷[13]。從圖1 中閾值電壓隨Si 重離子注量變化可以看出，當Si 離子注量小于5×1011/cm2時，GaN 基發(fā)光二極管的閾值電壓可保持在2.73V 左右；但當Si 離子注量達到1×1012/cm2和5×1012/cm2時，發(fā)光二極管的Vth分別增大到3.39V 和4.04V，二極管的伏安特性發(fā)生了明顯的退化。發(fā)光二極管Vth的增加，說明當Si 離子注量達到1×1012/cm2時，組成PN 結(jié)的P 型GaN 和N型GaN 薄膜因位移損傷而發(fā)生了明顯的載流子移除效應(yīng)，導(dǎo)致了GaN 薄膜電學(xué)特性退化[14-17]。

4.2 發(fā)光功率

X 射線和Si 重離子輻照對InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管發(fā)光功率的影響如圖2。二極管發(fā)光功率由積分球測得，發(fā)光功率測試為正向注入電流為200mA 時的功率。從圖中可以看到，X 射線輻照下發(fā)光二極管的發(fā)光特性變化很小，說明GaN 基材料具有極高的抗高能射線電離輻射效應(yīng)的能力。由其制備的光電子器件在抗電離輻射方面要明顯優(yōu)于Si 基和GaAs 基器件[10]。圖2 同樣給出了發(fā)光二極管發(fā)光功率同Si 重離子注量的關(guān)系曲線?？梢钥吹剑琒i 重離子輻照后GaN 基發(fā)光二極管的發(fā)光功率明顯減弱。當Si 粒子注量為5×1010/cm2時，發(fā)光功率由213mW 下降到101.8mW，相當于發(fā)光功率減半。而當Si 離子注量達到1×1012/cm2時，發(fā)光功率下降到了5mW 以下，光功率的衰減超過了97%。

圖2 X 射線和Si 重離子輻照對發(fā)光功率的影響

由分析可以看出，Si 重離子輻照對GaN 基發(fā)光二極管發(fā)光功率的影響明顯強于X 射線輻照。而發(fā)光二極管發(fā)光功率的衰減一般是由于InGaN/GaN多量子阱層內(nèi)非發(fā)光中心密度的增加引起的。通過與前面閾值電壓的變化趨勢分析可知，Si 重離子在注量為5×1010/cm2時就已經(jīng)因位移效應(yīng)而產(chǎn)生了點缺陷，并且對GaN 基發(fā)光二極管的發(fā)光功率造成了直接影響，但由于此時點缺陷密度較低，二極管的伏安特性并沒有發(fā)生明顯的變化。因此，通過發(fā)光功率和閾值電壓變化的趨勢發(fā)現(xiàn)Si 重離子輻照對二極管發(fā)光特性的影響要先于對電學(xué)特性的影響。

4.3 峰值波長

InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管發(fā)光峰值波長隨輻照條件的變化對發(fā)光二極管在高速無線通訊系統(tǒng)中的信號傳輸有重要影響。例如，一旦發(fā)光波長因輻射效應(yīng)發(fā)生了漂移，波長就有可能移動到耦合光纖的透射窗口之外，從而導(dǎo)致發(fā)光二極管和光纖之間耦合效率降低。另外，發(fā)光波長的變化也會對光電探測效率造成影響，引起光信息傳輸效率下降、傳輸帶寬減小、信噪比惡化等問題。

圖3 給出了200mA 正向電流下GaN 基發(fā)光二極管發(fā)光峰值波長隨X 射線劑量和Si 重離子注量的變化曲線。對于X 射線輻照，從圖中可以看出當X 射線劑量高于67Mrad(Si)時，二極管的發(fā)光波長出現(xiàn)了微小的紅移現(xiàn)象（即發(fā)光波長變大，光子能量減?。４爽F(xiàn)象可歸因于X 射線電離效應(yīng)在GaN 外延各層界面生成的界面態(tài)。界面態(tài)處攜帶的電荷可以增強InGaN/GaN 多量子阱層內(nèi)的壓電極化效應(yīng)，從而使得量子阱內(nèi)量子限制斯塔克效應(yīng)更為明顯，進而導(dǎo)致發(fā)光二極管發(fā)光波長的微小紅移。

圖3 X 射線和Si 重離子輻照對發(fā)光峰值波長的影響

相比于X 射線引起的波長變化，圖3 中給出的Si 重離子引起的峰值波長變化峰位更為明顯。通過早先研究和上述分析可知，Si 重離子輻照后的峰值波長紅移主要有兩方面因素引起。一個是由于Si 重離子輻照后引起了InGaN/GaN 多量子阱內(nèi)In 組分局域態(tài)增強，局域態(tài)內(nèi)In 組分的漲落減小了InGaN量子阱層內(nèi)的帶隙寬度，從而導(dǎo)致了發(fā)光波長的紅移；另一方面，閾值電壓隨Si 離子注量的變化表明當Si 離子注量達到1×1012/cm2時，GaN 外延薄膜中產(chǎn)生了明顯的載流子移除現(xiàn)象，N 型和P 型GaN 薄膜的電阻率變大，200mA 下PN 結(jié)發(fā)熱特性變得十分明顯。對于半導(dǎo)體材料，溫度升高帶隙減小，因此輻照后PN 結(jié)熱效應(yīng)同樣導(dǎo)致了發(fā)光二極管發(fā)光波長的紅移。綜合以上因素。Si 重離子輻照引起的In組分局域態(tài)和載流子移除效應(yīng)，導(dǎo)致了同一正向電流下比X 射線輻照更明顯的發(fā)光波長紅移現(xiàn)象。

4.4 色坐標

根據(jù)CIE 國際照明委員會的定義，發(fā)光二極管的色坐標就是指顏色在色品圖中的坐標位置，以X軸和Y 軸的數(shù)值定義，其中X 代表紅色在該顏色中的混合比例，Y 代表綠色在該顏色中的混合比例。色坐標對于評價一個發(fā)光二極管以及基于單色發(fā)光二極管和熒光粉制備的白光或混色發(fā)光二極管的顏色調(diào)制至關(guān)重要。二極管輻照后色坐標的偏差會導(dǎo)致太空艙內(nèi)宇航員對顏色的判斷和還原出現(xiàn)偏差，也會對基于GaN 基白光發(fā)光二極管的可見光通信系統(tǒng)造成一定影響。

圖4 和圖5 分別給出了GaN 基發(fā)光二極管色坐標X 分量和Y 分量隨X 射線劑量和Si 重離子注量間的變化關(guān)系，正向注入電流同樣取200mA。與發(fā)光波長變化趨勢類似，Si 重離子引起的色坐標變化量明顯大于X 射線引起的變化量。對比色坐標X分量和Y 分量的變化可以看到，當Si 重離子注量達到5×1012/cm2時，引起的X 分量變化量約為2.26%，而Y 分量的變化量約為38.49%。這說明，輻照后色坐標的Y 分量變化明顯，而X 分量變化相對較小。

圖4 X 射線和Si 重離子輻照對色坐標X 分量的影響

圖5 X 射線和Si 重離子輻照對色坐標Y 分量的影響

5 結(jié) 束 語

對比研究了InGaN/GaN 多量子阱發(fā)光二極管發(fā)光和電學(xué)特性受白光光譜的X 射線和30MeV Si重離子輻照后的變化。通過對比發(fā)現(xiàn)，Si 重離子輻照的位移效應(yīng)、熱峰效應(yīng)和載流子移除效應(yīng)比X 射線的電離效應(yīng)對發(fā)光二極管特性的影響要明顯很多。在Si 重離子輻照下，發(fā)光二極管的發(fā)光特性變化明顯早于電學(xué)特性的變化，說明位移效應(yīng)引起的點缺陷先作為非發(fā)光中心影響發(fā)光，再作為載流子補償中心影響GaN 外延薄膜的電阻率。宏觀表現(xiàn)為發(fā)光二極管的發(fā)光功率先下降，然后才是閾值電壓的升高。此外，Si 重離子輻照還引起了發(fā)光波長的明顯紅移和色坐標的偏移。波長紅移機制主要是InGaN/GaN 多量子阱的In 組分局域態(tài)增強效應(yīng)和大電流下PN 結(jié)的熱效應(yīng)。重離子輻照引起的色坐標偏移主要發(fā)生在Y 分量上。