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(xué) 天津 300387）

2（核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

3（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

4（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

5（陜西科技大學(xué) 西安 710021）

GaN基LED高能電子束流輻照效應(yīng)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(xué) 天津 300387）

2（核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

3（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

4（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

5（陜西科技大學(xué) 西安 710021）

使用高能電子輻照對GaN基藍(lán)光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)光電學(xué)性能的影響進(jìn)行研究。高能電子束流分別對不同組別的LED樣品進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，并通過自動(dòng)測控系統(tǒng)對輻照過程中LED的電流、光強(qiáng)、光譜峰值波長進(jìn)行全程測控。隨后，在室溫?zé)o輻照環(huán)境下對上述不同組別的LED樣品進(jìn)行跟蹤對比測試研究。實(shí)驗(yàn)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(shí)受輻照影響的穩(wěn)定性有所改善，光譜峰值波長出現(xiàn)藍(lán)移。同時(shí)，GaN基LED在輻照過程中是否通電對LED的光電學(xué)性能有顯著影響。

高能電子輻照，GaN，發(fā)光二極管，光電學(xué)性能

GaN作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，在室溫下其直接帶隙寬度為3.39eV，具有熱導(dǎo)率高、耐高溫、耐酸堿、高硬度等特性，是第三代半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)，并在GaN外延材料以及發(fā)光器件的電子束輻照效應(yīng)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(rèn)為輻照破壞了Ga空位與H的復(fù)合體而激活Ga空位。Fang等[2]應(yīng)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(lán)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(qiáng)度減弱，在近紅外區(qū)產(chǎn)生了兩個(gè)發(fā)光帶，其中一個(gè)發(fā)光帶位于0.95eV。Hayashi等[5]認(rèn)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(jìn)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(dǎo)Ga空位與原有的施主結(jié)合形成復(fù)合體。Sharshar等[7]在對LED的電子輻照和γ輻照效應(yīng)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(shí)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(yīng)進(jìn)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)主要針對2.5GeV高能量電子束對GaN基藍(lán)光LED的輻照效應(yīng)開展研究。

1 LED電子束輻照實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中所用的GaN基LED芯片是現(xiàn)在市場中普遍使用的藍(lán)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(jī)化合物化學(xué)氣相沉淀(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)技術(shù)在藍(lán)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(fù)周期為5層。

實(shí)驗(yàn)中，將LED樣品分為A、B、C三組，其中A組不進(jìn)行輻照，B組進(jìn)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(shí)驗(yàn)采用中國科學(xué)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(qiáng)和頻率以及輻照時(shí)間所決定。

實(shí)驗(yàn)中，LED輻照實(shí)驗(yàn)的條件為：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)條件。電子輻照能量為2.5GeV，輻照過程中平均每個(gè)脈沖約有5×108個(gè)電子，頻率為25Hz，束流管道直徑為7cm。模擬計(jì)算得LED在輻照過程中接受的劑量為5Gy·min-1。

同時(shí)，為了直觀地研究不同輻照劑量對GaN基LED光電學(xué)性能產(chǎn)生的影響，本實(shí)驗(yàn)搭建了束流輻照實(shí)驗(yàn)自動(dòng)測控系統(tǒng)[8]，對輻照過程中LED的光電學(xué)性能進(jìn)行全程測控，測控系統(tǒng)原理圖如圖1所示，其中功率計(jì)（NOVA，以色列Ophir公司）測試LED的發(fā)光功率，波長計(jì)(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(shí)驗(yàn)自動(dòng)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(jìn)行高能電子束流輻照實(shí)驗(yàn)。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(shí)自動(dòng)測控系統(tǒng)監(jiān)測GaN基藍(lán)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(shí)間變化的對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 C組LED不同輻照時(shí)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(shí)的發(fā)光波長進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同輻照時(shí)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(dá)24kGy時(shí)峰值波長的計(jì)數(shù)下降7%，進(jìn)而通過面積積分對比了不同輻照劑量時(shí)光強(qiáng)，同時(shí)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(diǎn)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(jìn)一步證實(shí)了高能電子束流輻照使LED的光譜峰值波長發(fā)生藍(lán)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(lán)移，且C組LED樣本藍(lán)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(diǎn)缺陷和擴(kuò)展缺陷，其中點(diǎn)缺陷與 GaN 的發(fā)光密切相關(guān)，而擴(kuò)展缺陷可以通過俘獲載流子和吸附點(diǎn)缺陷的方式來影響GaN材料的光電性能[9]。

實(shí)驗(yàn)中高能電子輻照GaN基LED后，由于位移效應(yīng)GaN內(nèi)部產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷及點(diǎn)缺陷團(tuán)簇，且隨著輻照劑量點(diǎn)缺陷濃度不斷增大，這將導(dǎo)致點(diǎn)缺陷周圍的晶格產(chǎn)生扭曲，甚至產(chǎn)生位錯(cuò)，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(huì)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(lán)移可以認(rèn)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(dǎo)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(shí)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(diǎn)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(dá)19.2kGy(64h)時(shí)，LED的光功率下降逐漸趨于平緩，整個(gè)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(dāng)能量大于1MeV時(shí)，Ga原子就能在晶格中留下一個(gè)空位VGa。本次高能電子輻

照過程中，輻照能量遠(yuǎn)高GaN中兩原子的位移閥能Ed。因此輻射電子與半導(dǎo)體晶格原子通過彈性碰撞產(chǎn)生大量的位移效應(yīng)。位移效應(yīng)使晶格原子離開正常晶格位置，產(chǎn)生一個(gè)間隙原子，同時(shí)在其晶格位置上產(chǎn)生一個(gè)空位，形成Frenkel 對。這個(gè)過程產(chǎn)生大量的點(diǎn)缺陷，而且隨輻照劑量點(diǎn)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(shí)間；τe為載流子產(chǎn)生時(shí)間。根據(jù)式(1)推得在輻照過程中LED的發(fā)光強(qiáng)度不斷減小，這與實(shí)驗(yàn)過程中LED光強(qiáng)不斷下降相符合，而后面光強(qiáng)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(jìn)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(shí)間于同一室溫避光環(huán)境中，在恒壓工作模式下(3.0V)點(diǎn)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(qiáng)較弱，而C組LED光強(qiáng)最強(qiáng)，且變化幅度最小，穩(wěn)定性最好，同時(shí)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(xué)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(xué)穩(wěn)定性以及光強(qiáng)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(diǎn)亮的，點(diǎn)亮持續(xù)的高溫使C組LED輻照產(chǎn)生了一些可恢復(fù)性能級缺陷[11]，同時(shí)也可能在輻照過程中，C組由于點(diǎn)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(shí)，使得C組穩(wěn)定性較B組的要好，光強(qiáng)要強(qiáng)。由此可知，高能輻照對LED的光學(xué)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(lán)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(dāng)輻照劑量達(dá)到16.2kGy (54h)時(shí)，電流開始保持穩(wěn)定，整個(gè)輻照過程LED電流升高了0.8%。

不同輻照條件下LED樣品長時(shí)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(xué)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(diǎn)缺陷，隨輻照劑量點(diǎn)缺陷濃度不斷增大，點(diǎn)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(shí)輻照過程產(chǎn)生的電離效應(yīng)導(dǎo)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(huì)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(jì)量而增加[13]。至于C組LED下降幅度有所減少，實(shí)驗(yàn)組推斷是因?yàn)長ED在輻照過程中存在點(diǎn)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(xué)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(xué)和電學(xué)性能的影響。

在實(shí)驗(yàn)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(qiáng)不斷減小，工作電流不斷增大，而當(dāng)輻照通量達(dá)16.2kGy時(shí)，工作電流和光強(qiáng)受輻照影響逐漸變小，基本趨于穩(wěn)定，同時(shí)在整個(gè)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(lán)移。整體對比而言，高能量電子輻照對GaN基LED的電學(xué)性能的影響要明顯小于光學(xué)性能的影響。

同時(shí)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，輻照時(shí)加電與否對輻照后LED的工作性能有明顯影響。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果對今后的GaN基改性實(shí)驗(yàn)具有參考價(jià)值，并提出了一種新的關(guān)于研究LED輻照效應(yīng)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(xué)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(xué)成賢學(xué)院，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榘雽?dǎo)體輻照效應(yīng)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.