Исследование спектров электролюминесценции светодиодов на основе gаn-структур при нейтронном облучении

Радиофизика

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2012, N 6 (1), с. 51-55

УДК 621.382:539.12.04

ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРОВ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ GaN-СТРУКТУР ПРИ НЕЙТРОННОМ ОБЛУЧЕНИИ

© 2012 г. В.П. Шукайло1, С.В. Оболенский1, Н.В. Басаргина\

И.В. Ворожцова\ С.М. Дубровских1, О.В. Ткачёв1

1 РФЯЦ-ВНИИТФ им. акад. Е.И. Забабахина, Снежинск 2Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

obolensk@rf.unn.ru

Поступила в редакцию 29.06.2012

Представлены результаты по влиянию нейтронного облучения на GaN/InGaN-структуры и светодиоды, выполненные на базе данных структур. При этом исследовали спектры электролюминесценции, а также контролировали длительность релаксации свечения для различных составляющих спектра при возбуждении диодов импульсом напряжения. Нейтронное облучение приводит к уширению спектра электролюминесценции и сдвигу его максимума в красную область. Изменение спектра, вероятно, связано с неравномерным распределением индия в квантовой яме структур. В областях с большим содержанием индия, отвечающих за длинноволновую область спектра, локализуются инжектированные носители заряда, это препятствует их диффузии к радиационным дефектам, и, как следствие, люминесценция из этих областей меньше подвержена деградации.

Ключевые слова: нейтронное излучение, GaN/InGaN-структуры и LED, спектр электролюминесценции, электролюминесцентная деградация.

Введение

В настоящее время наиболее перспективным широкозонным полупроводником является GaN. Это связано с тем, что GaN создаёт твёрдые растворы с А1 и 1п, что дает возможность варьировать ширину запрещенной зоны и создавать квантово-размерные гетероструктуры. Твёрдые растворы А1 и 1п на основе GaN имеют прямую запрещенную зону, что важно для оптоэлектроники. Интерес к GaN вызван также прогнозом низкой чувствительность приборов на основе данного материала к радиации. Прогноз основан на высокой излучательной способности при больших плотностях ростовых дефектов. Структуры GaN/InGaN сохраняют излуча-тельную способность при плотности дислокаций ~108 см-2, тогда как большинство структур на основе других материалов оптоэлектроники - GaAs, GaP и др. - теряют излучательную способность при плотностях дислокаций ~105^10б см-2 [1].

Проведенные авторами статьи сравнительные исследования подтвердили прогнозы высокой радиационной стойкости GaN/InGaN-структур. В работах [2, 3] показано, что световыход светодиодов (СД) на основе GaN имеет на 2 порядка меньшую чувствительность к нейтронам, чем световыход СД на основе GaAs.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию влияния нейтронного облу-

чения на спектры электролюминесценции GaNЛnGaN светоизлучающих структур и светодиодов на их основе. Также контролировали время релаксации свечения для различных составляющих спектра.

Методика эксперимента

В работе исследовали меза-структуры GaNЛnGaN, изготовленные РФЯЦ-ВНИИТФ, и светодиоды на основе данных структур (пиковая длина волны ~465 нм). Светодиодные структуры были выращены МОСУО-методом на сапфировой подложке с буферным слоем GaN (0.5 мкм), активная область структуры состояла из пяти квантовых ям InGaN (3 нм), разделенных барьерами GaN (14 нм), активная область выращена на и-GaN:Si-слое (2 мкм) и сверху покрыта Jp-GaN:Mg слоем (0.2 мкм). Рас-чиповка и корпусировка структур были выполнены предприятием ОАО «Протон» г. Орла. Для проведения исследований были взяты 10 светодиодов и меза-структура, содержащая 400 чипов.

Образцы облучали нейтронами делительного спектра на реакторе ИГРИК [4]. Измерения параметров светодиодов осуществляли до и через

2 недели после облучения. Эксперименты показали, что при облучении образцов в пассивном состоянии вызванные нейтронами изменения характеристик стабилизируются в течение не-

скольких минут и сохраняются при комнатной температуре до нескольких месяцев [5, б]. Однако характеристики облучённых до 2-1015 н./см2 структур можно практически полностью восстановить пропуская через них рабочий ток (10^30 мА). Для уменьшения влияния отжига эксперименты проводили при возбуждении электролюминесценции образцов импульсами со скважностью >1000. Для исключения влияния радиационного потемнения корпуса на результаты эксперимента корпусы СД удалялись.

Измерение спектра СД осуществляли спектрометром Ocean Optics SD2000. Измерение интенсивности и спектра электролюминесценции меза-структуры осуществляли на зондовой машине SUSS MicroTec PA-200.

При исследовании кинетики свечения различных составляющих спектра СД использовали генератор Г5-72, который формирует на СД импульсы напряжения с фронтами ~ 2 нс. Для разложения свечения СД в спектр использовали призму. Г еометрия эксперимента позволяла выделять области спектра шириной не более 10 нм. Излучение СД регистрировали фотосенсор-ным модулем Hamamatsu Нб780-20, временное разрешение которого составляет 0.8 нс. Величиной, характеризующей кинетику свечения, являлась длительность времени спада свечения с уровня 0.9 до 0.1.

Результаты эксперимента и их обсуждение

На рис. 1 показаны спектры СД в нормированном на единицу виде, снятые до облучения, после облучения флюенсом нейтронов 1.5-1015

н./см2 и после отжига постоянным током. Представленные спектры были получены при пропускании через СД тока с амплитудным значением 10 мА.

Эксперименты показали, что облучение нейтронами приводит к уширению спектра и сдвигу его максимума в красную область. При пропускании постоянного тока 30 мА через СД в течение 30 минут наблюдается восстановление интенсивности свечения и спектра практически до первоначальных значений.

На рис. 2 представлены изменения параметров спектра электролюминесценции меза-структуры: ширины на полувысоте и пиковой длины волны, вызванные облучением нейтронами. На рисунке представлены данные, усреднённые по всем 400 чипам.

Из рис. 2 видно, что для меза-структур, как и для СД, наблюдается уширение спектра и сдвиг спектрального максимума в красную область.

Наблюдаемые изменения спектра связаны с различной чувствительностью разных областей спектра к нейтронам. Это хорошо видно, если рассмотреть спектры до облучения и после, в нормированном на спектр необлученного СД виде, и их отношение (рис. 3).

Из рис. 3 видно, что влияние нейтронного облучения монотонно уменьшается с ростом длины волны. Следует обратить внимание, что для зелёной части спектра, начиная с =490 нм, влияние нейтронов флюенсом 1.5-1015 н./см2 практически не наблюдается.

Известно, что индий в квантовых ямах распределяется неравномерно в виде доменов размером 3-5 нм [7]. Возможно, наблюдаемое изменение спектра связано с тем, что области с

Рис. 1. Спектры СД до облучения, после облучения флюенсом нейтронов 1.51015 н./см2 и после отжига. Все представленные спектры нормированы на единицу

флюенс нейтронов, 1014 н/см*

флюенс нейтронов, 1014 н/см2

Рис. 2. Увеличение пиковой длины волны и ширины спектра излучения меза-структуры при облучении нейтронами делительного спектра

Рис. 3. Влияние флюенсом нейтронов 1.5-1015 н./см2 на разные области спектра СД. Спектры нормированы на максимальное значение интенсивности до облучения

различным содержанием индия по-разному чувствительны к радиационным воздействиям. Наблюдаемое изменение спектра можно было бы связать с тем, что области с большим содержанием индия изначально более дефектны из-за рассогласования кристаллических решеток слоев структуры GaN/InGaN и, как следствие, менее чувствительны к нейтронному воздействию. Однако результаты экспериментов по исследованию кинетики различных участков спектра СД противоречат данной гипотезе.

Кинетика свечения различных составляющих спектра СД показана на рис. 4. Из рисунка видно, что время релаксации свечения в несколько раз превышает время спада напряжения на образце,

это позволяет оценить времена жизни неравновесных носителей в ативной области СД.

Коротковолновая составляющая спектра имеет наименьшее время спада, длинноволновая - наибольшее. Таким образом, неравновесные носители заряда в областях с большим содержанием индия имеют большее время жизни, и можно утверждать, что данные области не являются более дефектными. Данное утверждение справедливо, если считать, что перетекание носителей между областями с различным содержанием индия незначительно.

Измерения показали, что нейтронное облучение практически одинаково влияет на относительную кинетику различных составляющих

I, НС

Рис. 4. Релаксация импульса напряжения (1) и свечения различных спектральных составляющих электролюминесценции диода: (2) - 520-530 нм, (3) -480-490 нм, (4) - 440-450 нм, (5) - релаксация интегрального по спектру свечения

спектра (рис. 5). При этом деградация интенсивности, напротив, существенно отличается для разных спектральных диапазонов: она максимальна для коротковолновой части спектра и минимальна для длинноволновой. Данный результат качественно согласуется со спектральными измерениями (рис. 3).

Совокупности экспериментальных данных удовлетворяет другая, распространённая в литературе гипотеза [1]. Как было отмечено во введении, наблюдается высокая излучательная способность GaN/InGaN-струкгур, несмотря на большие плотности ростовых дефектов. Нечувствительность к дефектам связана с тем, что индий в квантовых ямах GaN/InGaN, GaN/InGaN/GaN распределяется неравномерно в виде кластеров размером 3-5 нм [7-9]. Наличие кластеров индия приводит к локальному изменению ширины запрещённой зоны, где, в свою очередь, могут локализоваться носители заряда, что препятствует их диффузии к дислокациям. Данное предположение можно распространить и на случай дефектов, инициированных нейтронным облучением. В работе [9] показано, что неравномерное распределение индия приводит к размытию длинноволнового крыла спектра светодиодов, там же рассмотрен метод оценки флуктуации индия в квантовых ямах по спектру свечения. Оценки по данному методу для наших структур показали, что разброс концентрации индия составляет 2-3%.

Заключение

Эксперименты показали, что облучение нейтронами GaN/InGaN-структур приводит к уши-рению спектра электролюминесценции и сдвигу его максимума в красную область.

Изменение спектра исследуемых образцов при облучении нейтронами, по всей видимости, связано с наличием доменов индия, что приводит к локальному уменьшению ширины запре-

1 1  интенсивность свечения

время спада свечения

Спектральный диапазон

Рис. 5. Относительное изменение интенсивности и кинетики свечения различных составляющих спектра после облучения флюенсом нейтронов 1.7-1015 н./см2. Спектры нормированы на максимальное значение до облучения

щённой зоны. В этих локальных потенциальных ямах могут локализоваться носители заряда, что препятствует их диффузии к центрам безызлуча-тельной рекомбинации.

Список лиmтpamуpы

1. Шуберт Ф. Светодиоды / Под ред. А.Э. Юно-вича. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 495 с.

2. Шукайло В.П., Дубровских С.М., Ткачёв О.В. и др. Нейтронная деградация фото- и электролюминесценции GaN/InGaN-структур // ВАНТ. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2008. Вып.1. С. 48-52.

3. Ворожцова И.В., Дубровских С.М., Ткачёв О.В. и др. Влияние нейтронного излучения на GaAs и GaN светоизлучающие структуры // Сборник докладов 9-й межотраслевой конференции по радиационной стойкости. Снежинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010. С. 9299.

4. Диянков В.С., Ковалёв В.П., Кормилицын А.И. и др. Обзор экспериментальных установок ВНИИТФ для радиационных исследований // ФММ. 199б. Т. 8. Вып. 2.

5. Басаргина Н.В., Ворожцова И.В., Дубровских С.М. и др. Изменение характеристик светоизлучающих структур на основе GaN во время и после облучения на реакторе ИГРИК // Сборник докладов 9-й межотраслевой конференции по радиационной стойкости. Сне-жинск: Изд-во РФЯЦ-ВНИИТФ, 2010. С.107-113.

6. Шукайло В.П., Ткачёв О.В., Дубровских С.М. Изменение характеристик светодиодов на основе GaAs и GaN при воздействии гамма-нейтронного излучения // IX Международный уральский семинар «Радиационная физика металлов и сплавов». Тезисы докладов. Снежинск, 2011. С. б4.

7. Сошников И.П., Лундин В.В., Усиков А.С. и др. Особенности формирования внедрений InGaN в матрице GaN при выращивании методом VOCVD // ФТП. 2000. Т. 34. Вып.б.

8. Gerthsen D., Hahn E., Neubauer B. et al. // Рhys. Stat. Sol. (c). 2003. № б. Р. 1бб8-1б83.

9. Кудряшов В.Е., Мамакин С.С., Юнович А.Э. и др. Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами на основе гетероструктур из GaN -зависимость от тока и напряжения // ФТП. 2001. Т. 35. Вып. 7. С. 8б1-8б8.

ANALYSIS OF GaN LED ELECTROLUMINESCENCE SPECTRA AFTER NEUTRON IRRADIATION V.P Shukailo, S. V. Obolensky, N. V. Basargina, I. V. Vorozhtsova, S.M. Dubrovskikh, O. V. Tkachev

The results are presented of the study of neutron irradiation influence on GaN/InGaN structures and LEDs on the basis of these structures. Electroluminescence spectra and relaxation time of different spectral components have been studied. Neutron irradiation broadens the electroluminescence spectrum and shifts its maximum into the red region of the spectrum. The change of the spectrum is possibly related to a non-uniform distribution of indium in the quantum wells of the structures. Injected charge carriers are localized in the areas (which are responsible for the longwave part of the spectrum) with higher indium concentration, and this prevents their diffusion to radiation defects resulting in less electroluminescence degradation from these areas.

Keywords: neutron irradiation, GaN/InGaN structures and LEDs, electroluminescence spectrum, electroluminescence degradation.