Контроль и оценка радиационной стойкости GaP-(Zn-O) светодиодов при облучении нейтронами

Введение и постановка задачи.

В настоящее время светодиоды широко применяются не только в гражданской аппаратуре, но также в космонавтике, ядерной радиоэлектронике и бортовой аппаратуре.

Одним из важнейших параметров для этих областей применения является стойкость к действию проникающей радиации. Хотя светодиоды с красным цветом свечения в настоящее время изготавливаются на основе разных материалов (GaAs_0,6P_0,4, Al_XGa_1-XAs и (Al_XGa_1-X)_0,5(InP)_0,5), приборы на основе фосфида галлия сохраняют свое значение вследствие повышенной радиационной стойкости. Светоизлучающие структуры на основе фосфида галлия с красным и зеленым цветом свечения позволили создать обобщенную модель светодиода, что существенно ускорило развитие оптоэлектроники.

Исследование радиационной деградации позволило уточнить модель GaP(Zn-O) светодиода.

1. Образцы и методика эксперимента.

Светоизлучающие структуры были получены последовательной эпитаксией двух слоев фосфида галлия на подложке, выращенной по методу Чохральского. Первый слой n-типа был легирован теллуром до уровня (3-7)∙10¹⁷ см^-3, а второй-цинком до уровня (2-5)∙10¹⁷ см-^з и кислородом до концентрации (1-10)∙10¹⁶ см-³. Исследовалось воздействие нейтронного облучения как на серийные светодиоды в корпусе, так на эти же светодиоды без металлостеклянного колпачка на металлическом кристаллодержателе. Величина силы света у них несколько различалась, в то время как относительное снижение (I_V/I_V0) при облучении было практически одинаковым. По силе света светодиоды были разделены на две группы: сравнительно эффективные с силой света 1,0-1,5 мкД в корпусе (0.6-0.8 мкД без корпуса) при токе 10 мА были отнесены к первой группе, а менее эффективные, с силой света 0,3-0,4 мкД в корпусе (0,2-0,З мкД без корпуса) - ко второй группе.

В качестве источников нейтронов с энергией более 0,1 МэВ использовали импульсный реактор БАРС-4.

Источником нейтронов с энергией более 1 МэВ являлся экспериментальный горизонтальный канал реактора ИРТ-2000 Московского государственного инженерно-физического института с устройством, позволяющим варьировать спектр нейтронов. Облучение проводили в пучках моноэнергетических нейтронов со средней энергией 2,65 МэВ. Спектр нейтронов измеряли активационным методом, а плотности потока - с помощью серийных пороговых детекторов [1]. Для пересчета флюенса с энергией 2,65 МэВ во флюенс с энергией более 0,1 МэВ, использовали соотношение Ф_>0,1=g_0,1Ф_>2,65, где фактор g_0,1=4,7 [1]. Во всех экспериментах пучок нейтронов направляли перпендикулярно плоскости р-n-перехода.

Изучалось влияния нейтронного облучения на основную характеристику (силу света) при заданном токе и напряжении.

При интерпретации экспериментальных результатов существенно использовалась, предложенная Барнсом [2] и уточненная нами [3] модель (Zn-O) - светодиода. Согласно этой модели излучательная компонента тока связана с ннжекцией электронов в оптически активную р-область. Излучательная рекомбинация экситонов происходит на (Zn-O)-комплексах, концентрация которых является линейной функцией координаты.

Рис. 1. Зависимость относительной силы света от напряжения светодиода
первой и второй группы при следующих флюенсах нейтронного облучения Ф, Н/см²: 1)5,6∙10¹⁰; 2)4,7∙10¹³; 3)1,1∙10¹⁴; 4)2, 1∙10¹⁴; 5)1,2∙10¹⁵.

Согласно Барнсу [2] ток через светодиод определяется безызлучательной рекомбинацией в области пространственного заряда. Нами, на основании изучения вольтамперных характеристик (ВАХ) была предложена другая модель [З], согласно которой безызлучательная рекомбинация преобладает в высокоомном компенсированном слое, разделяющим р- и n-области, в которой имеет место режим высокого уровня инжекции. Более и менее эффективные светодиоды, согласно этой модели, отличаются величиной безызлучательного времени жизни. У эффективных светодиодов первой группы до облучения диффузионная длина электронов больше, а у менее эффективных второй группы - меньше ширины компенсированного слоя. В дальнейшем первые будем называть «короткими», а вторые «длинными». После высоких флюенсов нейтронного облучения короткие светодиоды также становились длинными. ВАХ светодиодов первой и второй группы до и после облучения описываются на основе модели Холла [4], уточненной авторами [3], и приведены в работе [З].

2. Экспериментальное исследование зависимости силы света от флюенса и определение константы повреждаемости.

Зависимости силы света (I_V) от напряжения светодиодов первой и второй группы в интервале флюенсов 5,6∙10¹⁰ ± 1,2∙10¹⁵ Н/см², показанные на рис. 1, практически идентичны, хотя ток коротких светодиодов меняется с флюенсом значительно быстрее, чем длинных. Как до, так и после облучения интегральным потоком менее 10¹⁵ н/см², эти зависимости имели следующий вид:

. (1)

Сила света обоих типов светодиодов снижалась примерно на порядок при Ф  10¹⁴ н/см². Излучательная компонента тока связана с инжекцией электронов из компенсированной области в оптически активный р⁺-слой. Полагая вслед за автором [2], что концентрация центров излучательной рекомбинации ((Zn-O) - комплексов) изменяется с координатой по линейному закону, выражение (1) можно переписать следующим образом [3]:

, (2)

где А - константа, не зависящая от облучения, а _{е -} безызлучательное время жизни электронов в р⁺ - области.

Считаем, что основной причиной изменения силы света при облучении является снижение безызлучательного времени жизни электронов в р-области [2]:

, (3)

где _0е - время жизни до облучения, К_{ -} константа повреждаемости времени жизни, Ф - величина флюенса.

Подставляя (3) в (2), получаем:

(4)

На графиках рис. 2 приведены зависимости (I_V0/I_V) от флюенса нейтронов с энергией  0,1 МэВ при фиксированном напряжении 1,65 В. Определенные из них константы = (6±2)∙10^-14 см²/н у эффективных светодиодов. В том случае, если энергия нейтронов составляла 2,65 МэВ величина = (2,8±0,9)·10^-13 см²/н. В работе [2] была определена величина произведения при энергии пучка 10 кэВ. Она составила (2,4±0,4)∙10^-14 см²/н. Таким образом, величина зависит не только от флюенса, но и от энергии нейтронов. Из приведенных выше данных следует, что приближенно ~ Е^1/2.

В реальных условиях светодиоды работают при фиксированном токе, а не напряжении, и при более высоких значениях тока и напряжения, по сравнению с теми, которые обычно используются для определения константы повреждаемости. Зависимости силы света от флюенса в режиме генератора тока отличаются от аналогичных зависимостей при фиксированном напряжении. Поэтому знание величины произведения еще не позволяют оценить изменение силы света при облучении при нормальных условиях работы светодиода. Аналитические зависимости снижения силы света с флюенсом при фиксированном токе в литературе отсутствуют. Нами впервые теоретически и экспериментально исследована зависимость силы света от флюенса нейтронного облучения при заданном токе.

Рис. 2. Зависимость силы света от флюенса нейтронного облучения
при фиксированном напряжении 1,65 В.

Экспериментальные кривые снижения силы света при фиксированном токе 1 мА, соответствующем экспоненциальной зависимости тока и силы света от напряжения, приведены на рис. 3 для светодиода первой и второй группы.

Рис. 3 Зависимость относительной силы при заданном токе 1 мА света от флюенса нейтронного облучения

Из приведенных кривых видно, что при заданном токе снижение силы света при облучении происходит значительно быстрее, чем при фиксированном напряжении, и у коротких светодиодов первой группы (4), и в большей степени, чем у длинных светодиодов (1). Используя расчетные соотношения работы [5], выражения (1) и (7) работы [3] и формулу (2) настоящей статьи, получаем:

. (5)

Используя (3) и считая, что _p изменяется с облучением так же, как _e, имеем:

, (6)

где n = 3 для короткого и n = 2 для длинного светодиода.

Возникает естественный вопрос: насколько константы повреждаемости, рассчитанные при относительно малых токах на экспоненциальных участках I(U) и I_V(I) - характеристики, пригодны для прогнозирования силы света при номинальном токе 10 мА. Из графиков, представленных на рис. 4 видно, что при изменении тока и облучения меняются зависимости силы света от тока и выражение (5) может быть не корректно. У эффективных светодиодов первой группы (4) при малых токах I_V ~ I^З/2, у светодиодов второй группы I_V ~ I², а при больших токах I_V ~ I. При больших флюенсах I_V(I) -характеристики снова становятся сверхлинейными в области рабочих токов.

Рис. 4. Зависимость относительной силы света от тока и флюенса нейтронного облучения

В то время как у светодиодов первой группы отношение (I_V0/I_V) снижается с ростом тока, у светодиодов второй группы это соотношение растет, что позволяет надеяться, что среднестатистически величина удовлетворительно описывает изменение относительной силы света при облучении. Это иллюстрируются таблицей 1, в которой приведены зависимости (I_V0/I_V) от тока четырех светодиодов первой (6.1, 6.3) и второй (6.2, 7,2) группы после облучения нейтронами с флюенсом 4,7∙10¹³ н/см².

Таблица 1

Зависимость отношения (I_V0/I_V) от тока после Ф=4,7∙10¹³ н/см².

Из нее видно, что усредненная величина отношения (I_V0/I_V) у партии светодиодов первой и второй группы слабо зависит от тока.

Рис. 5. Теоретическая и экспериментальная зависимости снижения силы света
при облучении у партии светодиодов при номинальном токе 10 мА.

На графике рис. 5 показана зависимость (I_V0/I_V) от флюенса нейтронов партии из 25 светодиодов первой и второй групп при номинальном токе 10 мА. Из графика видно, что, начиная с флюенса 7∙10¹³ н/см² величина отношения (I_V0/I_V) ~ Ф², что по крайней мере, качественно описывается формулой (5). Подставив в нее определенную ранее константу =6∙10^-14 см²/н, получаем расчетную формулу, приведенную на этом же рисунке. В пределах погрешности эксперимента и точности определения константы кривые практически совпадают, т.е. величина К_τ среднестатистически позволяет удовлетворительно описать снижение силы света при фиксированном рабочем токе 10 мА.

Заключение

Исследовано влияние нейтронного облучения с энергией свыше 0,1 и 2,65 МэВ на силу света (Zn-O)-светодиодов с красным цветом свечения. Излучательная компонента тока, связанная с инжекцией электронов в оптически активную р-область с линейным распределением активаторов люминесценции, при заданном напряжении являлась линейной функцией безызлучательного времени жизни и, следовательно, флюенса нейтронного облучения. Величина, определенная из экспериментальной зависимости силы света от флюенса облучения, составила (6±2)∙10^-14 см²/н, что практически не отличается от полученной ранее [3] по зависимости тока от флюенса. При энергии нейтронов 2,65 МэВ величина произведения составила (2,8+0,9)∙10^-13 см²/н. Согласно [2], при энергии 10 кэВ она равна (2,4+0,4)∙10^-14 см^2/Н. Таким образом, зависимость К_ от энергии имеет вид , или константа повреждаемости пропорциональна импульсу нейтронов. Согласно [6], аналогичная зависимость имеет место при электронном и протонном облучении.

Была получена расчетная зависимость силы света от флюенса при заданном токе:

,

хорошо согласующаяся с экспериментом при =6∙10^-14 см^2/Н. Авторы [6] полагали, что данная зависимость объясняется как генерацией центров безызлучательной рекомбинации, так и распадом активаторов люминесценции (комплексов Zn-O) [6]. Однако, описанные в [3] и приведенные в настоящей работе изменения ВАХ и I_V(U,I) - характеристики при облучении полностью описываются в рамках предположения о снижении безызлучательного времени жизни, и гипотеза о распаде Zn-O - комплексов представляется нам излишней.

Литература:

1. Крамер-Агеев Е.А., Трошин В.С., Тихонов Е.Г., Званцев А.А. Активационные методы спектроскопии нейтронов//М.: Атомиздат. 1976. С. 194-199.

2. Ваrnes С.Е. Neutron damage in GaP Light-emitting diodes.//Аррl.Phis.Lett. 1972. V.22. NЗ. Р.110-112.

3. Зерний Ю.В., Числов А.А., Степченко Н.И. Вольт-амперные характеристики фосфидогаллиевых светодиодов, облученных нейтронами//В сб. «Моделирование и исследование сложных систем». М.: МГАПИ, 2003. С. 93-101.

4. Hall R.N. Power rectifirers and transistors//Ргос.IRE. 1952.Р.1512-1518.

5. Карагеоргий-Алкалаев П.М., Лейдерман Л.Ю. Глубокие примесные уровни в широкозонных полупроводниках.//ФАН. Ташкент, Уз.ССР.1971.204 с.

6. Числов А.А. Сравнительный анализ влияния нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на силу света GaP(Zn-O) светодиодов//В сб. «Моделирование и исследование сложных систем». М.: МГАПИ, 2003. С. 105-109.

7. Званцев А.А., Крамер-Агеев К.А., Рыжиков И.В. Радиационные изменения характеристик светоизлучающих р-n-переходов из фосфида галлия: Предпринт МИФИ. 080-88. М.: 1988. 13 с.