Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

STUDY OF CHARACTERISTICS ALINGAP RED LEDS, BY IRRADIATION NEUTRONS AND GAMMA RAYS.

Legotin S.A. 1 Zaytsev S.N. 2 Murashev V.N. 1 Ryzhikov I.V. 2
1 National University of Science and Technology "MISIS"
2 Moscow State University of Instrument Engineering and Computer Science
Are investigated light-emitting diodes on the basis of AlGaInP of heterostructures of red color of a luminescence. Are constructed current-voltage and lumen-voltage characteristics before and after irradiation by neutrons and gamma rays. According to the characteristics defined radiation resistance of LEDs. The source of neutrons with energies of 2.65 MeV was horizontal channel IRT-2000 MGFI with a device enabling them to vary the neutron spectrum. The source of gamma rays with energies of 1.25 MeV using cobalt gun GU-2000. Maximum of the spectral curve of LEDs lying at 630-650 nm. The dependences of the «nonideality factor»  on the voltage, current, neutron fluence and dose of gamma irradiation. Determined that gamma irradiation had no significant effect on the electrical and lighting characteristics to a dose of 107 rad.
lumen-voltage characteristics
current-voltage characteristics
the research of characteristics
gamma rays irradiation
irradiation by neutrons
LED
AlInGaP heterostructure

Введение

Благодаря бурному развитию оптоэлектроники в последние 10–15 лет были созданы мощные излучатели на базе AlInGaP и AlInGaN гетероструктур, которые по эффективности, надёжности, возможности получения чистых цветов от красного до ультрафиолетового превзошли светодиоды первого поколения на основе бинарных соединений и трёхкомпонентных растворов А3В5.

Между тем при использовании приборов в ядерной электронике, космическом приборостроении, бортовой и военной аппаратуре сведения о радиационной стойкости изделий являются необходимыми, а в ряде случаев определяющими. В этой связи исследования радиационной деградации и оценка радиационной стойкости светодиодов нового поколения на основе AlInGaP гетероструктур красного и желтого цвета свечения представляются весьма актуальными в русле их использования в спецаппаратуре, если не в настоящее время, то в ближайшем будущем.

Результаты и методика эксперимента

Была исследована партия светодиодов на основе AlGaInP гетероструктур красного цвета свечения. Максимум спектральной кривой светодиодов лежал при 630–650 нм. Светодиоды облучали нейтронами и гамма квантами. Источником нейтронов с энергией 2,65 МэВ являлся горизонтальный канал реактора ИРТ-2000 МГФИ с устройством, позволяющим варьировать спектр нейтронов. В качестве источника гамма квантов с энергией 1,25 МэВ использовали кобальтовую пушку ГУ-2000. У светодиодов (СД) до и после облучения измеряли люмен-амперные характеристики (ЛАХ) и вольт-амперные характеристики. Измерение ВАХ и ЛАХ проводили в автоматическом режиме с использованием оригинальных методов и измерительных установок на базе персонального компьютера.

Вольт-амперные характеристики светодиодов, излучающих в красной области спектра, до и после облучения нейтронами и гамма квантами приведены на рис. 1.

рис-3

Рис. 1. ВАХ СД с красным цветом свечения до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 – Ф, D = 0; 2 – Ф = 4,7×1013 н/см2, D = 107 рад; 3 - Ф = 4,7×1015 н/см2

Как до, так и после облучения нейтронами с флюенсом менее 4,7×1013 н/см2 и гамма квантами с дозой менее 107 рад ВАХ состояли из двух экспоненциальных и одного степенного участка. На графиках рис. 2.6.4 (а) и (б) показаны зависимости «фактора неидеальности» (b) экспоненциального участка от напряжения и тока.

В интервале напряжений 1,3 – 1,6 В, токов 5×10-7 - 3×10-6 А, флюенсов

0 – 4,7×1013 н/см2, доз – 0-107 рад фактор b = 2,0. В интервале токов 6×10-6 - 4×10-4 А b = 1,5. После Ф = 4,7×1015 н/см2 b = 2,0 в широком интервале токов 10-6 – 10-4 А.

рис-4а рис-4б

Рис. 2. Зависимость «фактора неидеальности» b от напряжения (а), тока (б), флюенса нейтронного и дозы гамма облучения 1 – Ф =0, D = 0- 107 рад; 2 – Ф = 4,7×1015 н/см2

Из графиков рис. 1 и 2 следует, что экспоненциальные участки ВАХ могут быть представлены в следующем виде:

+, (1)

где I – ток, а U – напряжение на гетероструктуре;

Т – температура, К;

е – заряд электрона;

k – постоянная Больцмана.

Первый экспоненциальный участок наблюдался в широком, а второй – ограниченном интервале флюенсов (доз) облучения. Величина «тока насыщения» (IS1) увеличивалась примерно на порядок после облучения нейтронами с Ф = 4,7×1015 н/см2.

Степенные участки ВАХ светодиодов, излучающих в красной области спектра, приведены на рис. 3.

рис-5

Рис. 3. Степенные участки ВАХ СД с красным цветом свечения до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 – Ф, D = 0; n = 1,5, B = 0,085 A/B, Uk = 1,68 B;

2 – D = 107 рад, n = 2, B = 0,167 A/B, Uk = 1,60 B;

3 - Ф = 4,7×1015 н/см2, n = 2, B = 0,0178 A/B, Uk = 1,45 B

Они могут быть аппроксимированы следующей эмпирической формулой:

I = B(U – Uk)n. (2)

Параметры ВАХ (n, B и Uk) при различных флюенсах и дозах облучения приведены в подрисуночных подписях. До облучения и после небольших флюенсов и доз облучения показатель степени n = 1,5 при токе менее 10-2 А и n = 2 при бóльшем значении тока. После облучения (Ф = 4,7×1015 н/см2 или D = 107 рад) n = 2 во всем интервале токов. После Ф = 4,7×1015 н/см2 величина коэффициента В снижалась в 7–10 раз, а Uk примерно на 10 %.

Люмен-амперные характеристики гетероструктур до и после облучения приведены на графиках рис. 4.

рис-6

Рис. 4. Зависимость силы света от тока, флюенса нейтронного и дозы гамма облучения. Ф, н/см2; D, рад. 1 – Ф, D = 0; 2 – Ф = 4,7×1012;

3 - D = 107; 4 - Ф = 4,7×1013 ; 5 - Ф = 4,7×1015

До облучения и после небольших флюенсов и доз облучения зависимость силы света от тока близка к линейной. При флюенсе 4,7×1013, н/см2 она снижалась примерно на порядок, а при Ф = 4,7×1015 н/см2 на два порядка, а сила света становилась сверхлинейной функцией тока.

Обсуждение экспериментальных результатов и оценка константы повреждаемости времени жизни

Проведенные ранее исследования по воздействию проникающей радиации на светодиоды первого поколения показали, что основной причиной изменения электрических и световых характеристик является генерация центров безызлучательной рекомбинации и, как следствие, снижение времени жизни [2, 3, 6]:

, (3)

рис-11

Рис. 5. Показатель степени m люмен-амперной характеристики от тока при разных дозах облучения

Т.к. при облучении у светодиодов с красным цветом свечения второй экспоненциальный участок ВАХ с b = 1,5 исчезает, а ширина компенсированного слоя превышает диффузионную длину, то изменение параметров этого слоя можно проследить по эволюции предэкспоненциального множителя первого экспоненциального участка ВАХ:

(4)

Т.к. в выражении (4) не входит ширина и проводимость компенсированного слоя, то изменением этих параметров в расчетах можно пренебречь.

Используя (3) и (4) и считая, что эффекты прилипания не играют заметной роли (g = 1) изменение тока при фиксированном напряжении, можно записать в следующем виде:

. (5)

Используя экспериментальные значения тока до и после облучения из (5) получаем:

(t0Кt) = (4,2 ± 1,3)×10-14 см2/н. (6)

В том случае, если прилипание играет заметную роль, вместо (t0Кt) в (5) и (6) следует подставить (gt0рКt).

Степенной участок ВАХ отвечает модели Рашба – Толпыго [4] или Ламперта – Роуза [5], согласно которым аналитические зависимости тока от напряжения имеют вид [5]:

, (7)

. (8)

Детальный анализ данных участков и обозначения даны во второй главе. При анализе зависимостей тока от флюенса необходимо принимать во внимание не только деградацию времени жизни, но также изменение проводимости и ширины компенсированного слоя.

Если последними эффектами можно пренебречь, то зависимость тока от флюенса имеет следующий вид:

, (9)

где n = 1,0 для первой модели и n = 0,5 для второй, и, соответственно

(t0Кt) = (1,1 ± 0,3)×10-14 см2/н; (t0Кt) = (5,3 ± 2,1)×10-14 см2/н. (10)

Второе значение лучше согласуется с (6.6.7). Однако на величину (8.6.9) здесь может влиять изменение проводимости и размеров компенсированного слоя.

Аналитические зависимости силы света из квантовой ямы для степенного участка ВАХ имеют следующий вид [1]:

, (11)

соответственно для линейной и «квадратичной» скорости излучательной рекомбинации носителей в квантовой яме.

Если не принимать во внимание изменения проводимости и ширины компенсированного слоя при облучении, то аналитическая зависимость для снижения силы света выглядит следующим образом:

, (12)

где n = 0,5 в случае линейной и n = 1,0 – «квадратичной» скорости рекомбинации. При токе 10-2 А люмен-амперная характеристика почти линейна, а отношение .

Из (12) при n = 1,0 имеем

(t0Кt) = (2,4 ± 1,4)×10-14 см2/н, (13)

что в пределах погрешностей эксперимента согласуется как с первой, так и со второй моделью.

Заключение

Впервые определены константы повреждаемости времени жизни у светодиодов на основе AlInGaP красного цвета свечения. Радиационная стойкость исследованных светодиодов на порядок выше, чем светодиодов из фосфида галлия красного цвета свечения. Установлено, что вольт-амперные характеристики до и после облучения нейтронами и гамма квантами соответствовали известным диффузионным моделям двойной инжекции, что позволило разработать физическую и математическую модель гетероструктуры и на ее основе вывести аналитические зависимости силы света от тока для основных участков ВАХ. Определено, что гамма облучение не оказывало существенного влияния на электрические и световые характеристики до дозы 107 рад.

Работа выполнена при поддержке ГК 14.513.11.0120 от 01.07.2013 г.

Рецензенты:

Кольцов Г.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников, НИТУ «МИСиС», г. Москва.

Бублик В.Т., д.ф.-м.н., профессор кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков, НИТУ «МИСиС», г. Москва.