автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и прогнозирование радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия

На правах рукописи

ЧИСЛОВ Александр Алексеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВЕТОДИОДОВ ИЗ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ

Специальность: 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано-шытникл^Риъоры^к&АкТО/Збг/лффШАХ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

МОСКВА 2005

Работа выполнена в Московской государственной академии приборостроения и информатики.

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Рыжиков И.В.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Гуляев А.М. К.Т.Н. Вавилов В.А

Ведущая организация:

ОАО «Оптрон», г.Москва

Защита диссертации состоится ¿¿¿¿¡¡РУЛт 2005 г. В часов на заседани* диссертационного совета Д850.012.01- Государственного унитарного предприятие «Научно-производственный центр "СПУРТ'» по адресу 124460, Москва, Зелено град, 1й Западный проезд, д.4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУЛ НПЦ «СПУРТ». Автореферат разослан

Соискатель

Числов А.А.

Учетный секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент

В.П.Мартынс

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

1.1 Актуальность работы.

Светоизлучающие структуры, цифро-знаковые индикаторы, шкалы и экраны на базе инжекционной электролюминесценции широко применяются в настоящее время не только в контрольно-измерительной аппаратуре и устройствах отображения информации широкого применения, но также в бортовой аппаратуре, космических аппаратах и ядерной энергетике. Разработчикам элементной базы и аппаратуры, а также представителям заказчика необходима информация по воздействию основных видов проникающей радиации (нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов) на электрические и, в основном светотехнические параметры и характеристики светоизлучающих структур. Имеющиеся в литературе данные по радиационной деградации и стойкости, как правило, не являются систематическими, не охватывают всех видов воздействий, предусмотренных ГОСТом В.20.39.404-81 РФ, энергии частиц часто отличаются от стандартов РФ.

Кроме того, экспериментальные данные, как правило, получены при фиксированном напряжении на р-п переходе, в то время как светодиоды и приборы отображения информации работают при заданном токе. Необходимость в прогнозировании радиационной стойкости связана с отсутствием универсальной теории, описывающей зависимость силы света от флюенса (дозы) облучения как при фиксированном напряжении, так и при заданном токе. Поэтому систематическое исследование влияния всех видов излучения на светоизлучающие структуры из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения, составляющих значительную долю выпускаемых промышленностью изделий, является актуальной задачей. Кроме того, светодиоды на основе фосфида галлия являются модельными, у которых наблюдаются все основные механизмы излучательной рекомбинации и на которых отрабатывались различные способы исследования радиационной деградации и оценки радиационной стойкости.

1.2. Цель работы._

Целью работы является систематическое исследование изменения электрических характеристик GaP(Zn-O) и GaP(S,Te,N) светоизлучающих структур под воздействием всех основных видов облучения в режимах генератора напряжения и тока, определение Т0КГ (констант повреждаемости структуры светодиода, связанные со снижением безизлучательного времени жизни, далее - константы повреждаемости), определение снижения силы света и прогнозирование радиационной стойкости. Эта цель достигается постановкой и решением следующих задач:

1. Исследование воздействия нейтронного облучения на вольт-амперную характеристику светодиода, определение констант повреждаемости;

2. Исследование воздействия нейтронного облучения на силу света при фиксированном напряжении на экспоненциальном участке люмен-вольтной (1м(Ц)) характеристики в широком интервале флюенсов и определение констант повреждаемости и снижения силы света,

3 Разработка физической модели излучающего р-п перехода, содержащего компенсированный слой, оптически активную р-область GaP(Zn-O) с линейным

распределением основной легирующей примеси и активаторов люминесценции или ^область (GaP(S,Te,N)) с равномерным распределением электролюминесценции (ЭЛ);

4. Вывод аналитических зависимостей силы света и тока, протекающего через светодиод от напряжения; силы света от флюенса (дозы) облучения, основанных на физической модели светоизлучающей структуры;

5. Разработка и использование экспресс-метода определения констант повреждаемости.

1.3. Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Уточнена физическая модель фосфидогаллиевой светоизлучающей структуры, излучающей в красной и желто-зеленой области спектра.

2. Выведены аналитические зависимости силы света от напряжения и тока с

„ + */ +

учетом реальной трехслойной излучающего перехо-

да, характера распределения основной легирующей примеси и активаторов ЭЛ, механизмов излучательной и безызлучательной рекомбинации.

3. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый неразру-шающий метод определения радиационной стойкости и оценки констант повреждаемости путем облучения малыми флюенсами (дозами).

4. Определены константы повреждаемости и снижение силы света при облучении нейтронами с энергией > 0,1 МэВ и протонами с энергией 18 и 70 МэВ.

5. Определены коэффициенты относительной эффективности воздействия нейтронов с энергией 10 КэВ, > 0,1 МэВ и 2,65 МэВ, электронов с энергией 5 и 10 МэВ, протонов с энергией 18 и 70 МэВ, гамма квантов с энергией 1,25 МэВ.

6. Определен энергетический спектр и сечения захвата глубоких центров в светоизлучающих структурах с желто-зеленым цветом свечения до и после нейтронного облучения, установлена природа и параметры центров (антиструктурных дефектов), ответственных за снижение времени жизни носителей.

1.4. Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Определена радиационная стойкость широкой номенклатуры светоизлу-чающих структур, цифро-знаковых индикаторов, элементов шкалы и экрана из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения при воздействии нейтронов, электронов, протонов, и гамма квантов;

2. Установлено, что радиационная стойкость фосфидогаллиевых светоизлу-чающих структур с красным цветом свечения, по крайней мере, на порядок выше, чем у светоизлучающих структур на основе твердых растворов А1о,ззОао,б7Аз и

также излучающих в красной области спектра;

3. Определены константы повреждаемости и снижения силы света светоизлу-чающих структур из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения

при воздействии нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов с различной энергией;

4. Экспериментально получены и теоретически подтверждены данные по снижению силы света при облучении при номинальных значениях тока;

5. Предложен и реализован неразрушающий экспресс-метод определения констант повреждаемости и снижения силы света светоизлучающих структур из фосфида галлия при всех видах воздействия;

6. Определенны коэффициенты относительной эффективности (КОЭ) воздействия различных видов облучения на светоизлучающие структуры из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения.

1.5. Реализация и внедрение результатов работы.

Данная работа является частью программы по исследованию радиационной стойкости светоизлучающих структур, разработке методов ее оценки и прогнозирования, которая выполнялась по заданию Министерства обороны РФ ОАО «Сапфир», ЗАО «Корвет», ЗАО «Пола» и др. Основные результаты вошли в ТУ, справочники и информационные листы по оптоэлектронным приборам.

1.6. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на десятой и одиннадцатой международных научно-технических конференциях «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры», г. Севастополь, 7-15 сентября 2002 г., и 6 - 14 сентября 2003 г.

1.7. Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

1.8. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы.

1.9. Положения и результаты работы, выносящиеся на защиту.

На защиту выносятся следующие положения и результаты работы:

1. Фосфидогаллиевая светоизлучающая структура, установленная из анализа вояьт-фарадных, вольт-амперных и зависимости силы света от флюенса нейтронного облучения, содержит компенсированный слой и оптически активные р- и п-области (соответственно для ваР^и-О) и ваР^-Те-К) светоизлу-чающих структур);

2. Расчетные зависимости силы света от параметров активной области, флю-енса (дозы) облучения при заданном напряжении и токе;

3. Экспериментальные методики определения констант повреждаемости при:

- фиксированном напряжении, малом токе и больших флюенсах облучения;

- фиксированном токе, близком к номинальному, и средних флюенсах облучения;

- номинальном токе и малых флюенсах облучения.

4. Расчетные коэффициенты относительной эффективности (КОЭ) воздейст-

вия нейтронного, электронного, протонного и гамма облучения на силу света свето-излучающих структур из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения.

5. Экспериментально определенные константы повреждаемости GaP(Zn-O) и GaP(S,Te,N) светоизлучающих структур с красным и желто-зеленым цветом свечения при воздействии нейтронного, электронного, протонного и гамма облучения с различной энергией.

Введение содержит краткое описание положения дел в области, формулировку цели исследования и решаемых задач для достижения цели, научной новизны и практической ценности работы. Перечислены основные научные положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе на основе имеющихся теоретических исследований проведен анализ основных физических процессов в фосфиде галлия и приборах на его основе под действием проникающей радиации. При взаимодействии элементарной частицы (нейтрона, электрона, протона и гамма кванта) с электронами и ядрами атома кристалла полупроводника последним сообщается большая кинетическая энергия и они выбиваются из узлов кристаллической решетки. При высокой энергии первичных частиц развивается каскад последующих соударений атомов основного вещества, который приводит к вторичным смещениям атомов из узлов. Количество смещенных атомов (^ в единице объема равняется:

где п(Ео) - количество первичных смещений, вызванных одной частицей;

у(Е) - количество вторичных смещений;

Ф - флюенс (доза) облучения.

В фосфиде галлия первичными и вторичными радиационными дефектами являются дислоцированные атомы фосфора и галлия. Образуются также вакансии, причем последние образуют ассоциации с донорами, азотом и кислородом. Атомы галлия, занимая вакансии фосфора, образуют антиструктурные дефекты. Скорость образования первичных и вторичных радиационных дефектов определяется энергией атомизации, которая пропорциональна ширине запрещенной зоны, и растет в ряду: арсенид галлия, фосфид галлия, карбид кремния и алмаз, т.е. фосфид галлия является относительно радиационно-стойким материалом.

В результате облучения, как правило, вводятся центры безызлучательной рекомбинации, что приводит к снижению времени жизни носителей:

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

ы=П(еоМЕ)Ф.

(1)

ТоЛ = 1 + ТоКтФ.

где То и т - время жизни носителей до и после облучения; - константа повреждаемости.

Наряду со снижением времени жизни носителей при больших флюенсах, наблюдали повышение удельного сопротивления материала, вследствие удаления носителей, а при больших энергиях - образование макродефектов (кластеров радиационных повреждений). Последние заметно влияют на электрические и оптические характеристики кристаллов и излучающих р-п-переходов.

Из экспериментальных исследований различных авторов следует, что основной причиной снижения силы света при облучении является снижение времени жизни носителей (выражение 2), которая приводит к следующей зависимости:

где Ivo и Iv - сила света до и после облучения;

Iii — степенное число.

Определение констант повреждаемости и снижения силы света практически все исследователи проводили при фиксированном напряжении на экспоненциальных участках вольт-амперной и люмен-вольтной (Iy(U)) характеристик в диапазоне токов, которые на 2-3 порядка ниже номинальных рабочих токов. Так как светоиз-лучающие структуры работают при заданном токе, то необходимы либо дополнительные исследования по снижению силы света при токах, близких к номинальным, либо разработка теория, прогнозирующей снижение силы света не только при заданном напряжении, но и при фиксированном токе. Из данных, приведенных в литературе, следует, что скорость радиационной деградации существенно выше при заданном токе и даже при известных значениях величины произведения измеренной при заданном напряжении, прогнозировать радиационную стойкость свето-излучающей структуры весьма затруднительно.

Определение констант повреждаемости при фиксированном напряжении требует большого объема экспериментальных и расчетных работ, включающих облучение флюенсами (дозами), которые на 2-3 порядка выше предельно-допустимых. Данный метод не только весьма трудоемок, но требует больших затрат.

В литературе отсутствуют данные по разработке экспресс-методов для определения радиационной стойкости при работе в номинальном режиме.

Рядом авторов изучался эффект, который оказывает на облученные светоизлу-чающие структуры термический и «токовый» отжиг, а также длительная наработка. Было показано, что в ряде случаев термический отжиг при температуре 450 - 500 °С приводит к частичному восстановлению светоизлучающих структур, однако как правило, был малоэффективен. В тоже время при пропускании через светоизлучаю-щую структуру прямого тока повышенной плотности наблюдалось значительное восстановление первоначальных характеристик (до 50-75%).

Деградация светоизлучающей структуры при длительной наработке, в отличие от гамма облучения, в основном связана с распадом (Zn-O) - компонентов под влиянием фотонов, образующихся при безызлучательной рекомбинации.

Во ВТОРОЙ главе проведен теоретический анализ зависимости силы света от флюенса (дозы) облучения при заданном напряжении и токе в рамках двух физических моделей излучающего р-п-перехода.

(3)

В первой модели, излучательная рекомбинация преобладала в оптически активных р- или п-областях р-п перехода с неравномерным, в общем случае, распределением активаторов люминесценции и основной легирующей примеси, а безызлуча-тельная имела место в этих областях и также в слое пространственного заряда. Проанализирован также случай температурного гашения ЭЛ.

Если концентрация центров излучательной рекомбинации (N0 в активной области изменялась по следующему закону: то зависимость силы света выглядит так:

где

Си - сечение захвата электрона центром излучательной рекомбинации;

Пор - равновесная концентрация электронов в р-области;

Ы, - число центров рекомбинации;

Ц, - коэффициент диффузии электронов;

Т„ -время жизни электронов до рекомбинации;

е - заряд электрона;

U - напряжение на р-п-переходе;

к - постоянная Больцмана;

Т - температура.

В случае равномерного распределения центров излучательной рекомбинации

в оптически активной области и сила света а при линейном распре

делении п1 = 1 и сила света 1у ~ тп.

В наиболее общем случае неравномерного распределения доноров и активаторов и температурного гашения ЭЛ расчетные зависимости имеют вид:

А в случае, если в основе переноса электрического тока лежит механизм инжекции

где а-константа;

] - плотность тока;

Ье = кТ/еЬщгх - характеристическая длина распределения носителей в области пространственного заряда.

Если причиной снижения силы света является снижение времени жизни носителей из-за воздействия радиации, описываемое выражением (2), то:

(/,о/Л)=(1+го£гФГ

(7)

(8)

соответственно при заданном напряжении и токе. При линейном распределение активаторов и температурном гашении ЭЛ П] = 2.

Исследованиями многих авторов показано, что реальная структура светоизлу-чающего элемента, как правило, отличается от рассмотренной выше.

Широкозонные полупроводники, в частности фосфид галлия, содержат большое число как собственных, так и примесных центров с высокой энергией ионизации. Поэтому при изготовлении светоизлучающей структуры в районе инверсии проводимости образуются компенсированные высокоомные слои и в общем случае светоизлучающая структура имеет трех-четырехслойную р+-р*(п*)-п+ -структуру. Излучательная рекомбинация преобладает либо в низкоомных или областях, легированных активаторами люминесценции, либо в компенсированном слое. В последнем при номинальных значениях тока имеет место режим высокого уровня ин-жекции, а сила света при рекомбинации свободных носителей заряда, экситонов и носителей на мелких донорах (акцепторах, изоэлектронных центрах) пропорциональна концентрации или произведению концентрации электронов и дырок.

Таким образом, приходим ко второй модели, где скорость безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое не линейна. При этом концентрации носителей в этом слое гага на его границах связаны соотношениями п = 6р2/Ы или п2 = 9рИ, где 0 - отношение сечений захвата электрона и дырки центром безызлучатель-ной рекомбинации, N - разность концентраций мелких доноров (акцепторов) и глубоких центров в компенсированном слое, ар- полная концентрация дырок, при этом сила света равна (при соответственно):

где - коэффициент;

ё - ширина оптически активной области;

хц - концентрация собственных носителей заряда;

!<п - диффузионная длина электронов;

В - отношение сечений захвата электрона и дырки.

Зависимость последней от флюенса (дозы) облучения выглядит так:

где щ = 2/3 в случае 5 1 или П| = 4/5 в случае дЛ^» 3.

При преобладании излучательной рекомбинации в низкоомных областях, для определенности р-типа, излучательяая компонента определяется выражением (4), а ток через светоизлучающую структуру на холловском участке ВАХ можно записать в следующем виде:

где:

= еёп[ / тр для случая <1/Ь„ < 1, = 2еОрЩ / Ьр для «Ми»3,

^ - плотность тока насыщения;

Тр - время жизни дырок до рекомбинации;

- коэффициент диффузии дырок; Ър - диффузионная длина дырок.

Если возвести плотность тока в квадрат и подставить в (4), соответственно получаем при (1/Ьп < 1 или с1/Ьп» 3:

или

где Рор - концентрация собственных дырок в материале р-типа.

На втором экспоненп

( еЬт

где

зависимость силы света от тока имеет вид:

(2/ЗГ^Р^+ш)Т^4,л) л/2 ^ е3>2РоРШП^/ьУ

На степенных участках В АХ ^ЕИ^и-и*))"", где а—константа; В - константа;

- контактная разность потенциалов.

(13)

При равномерном распределении активаторов в оптически активной п-области:

где Ь - отношение подвижности электронов и дырок, - время рекомбинации.

Зависимость силы света от тока и времени жизни носителей - линейна, что характерно для структур с желто-зеленым цветом свечения.

В третьей главе приведены и проанализированы результаты воздействия нейтронов с энергией >0,1 МэВ и 2,65 МэВ на вольт-амперные и световые характеристики (Zn-О)-светоизлучающей структуры из фосфида галлия с красным цветом

свечения. По силе света светоизлучающие структуры были разделены на две группы: более эффективные с силой света 1,0-1,5 мкД и менее эффективные с силой света 0,3-0,4 мкД при токе 10 мА.

Вольт-амперные характеристики в общем случае состояли из двух экспоненциальных и одного степенного участка:

I

ДЛ«Л и С1С1

(15)

где 15 - ток насыщения;

Р, = 1,95-2,16; р2= 1,46-1,53.

У менее эффективных светоизлучающих структур наблюдали только первый участок, а у более эффективных второй участок исчезал уже при малых флюенсах облучения. В интервале Ф=5,6х101о-1,2х1015 н/см2 ток возрастал в среднем на два порядка у светоизлучающей структуры первой и на порядок - у второй группы.

Зависимости тока от флюенса имели следующий вид:

О'/УоЬ^Го^Ф

(16)

где

]уЗо — снижение плотноститока;

у светоизлучающей структуры первой группы; Л] = 2 у светоизлучающей структуры второй группы.

Данные зависимости позволили уточнить предложенную Барнсом структуру излучающего p-n-перехода. Первый участок ВАХ, согласно нашей модели, является следствием рекомбинации носителей не в области пространственного заряда, а в вы-сокоомной компенсированной в режиме высокого

уровня инжекции. Согласно данной модели у светоизлучающей структуры первой группы в компенсированном слое отношение с1/Ьр й 1, а у второй — ¿/Ц, » 3.

Из анализа ВАХ следует, что эффективные светоизлучающие структуры первой группы отличаются от менее эффективных структур второй группы значением безызлучательного времени жизни в активной области. Поэтому структуры первой группы в основном «короткие», а второй - «длинные». При облучении это различие исчезает, и ВАХ светоизлучающей структуры первой и второй группы совпадают Определенная на основе (16) величина произведения (то„К,) составила (5±3)х10"

причем верхний предел соответствует светоизлучающим структурам первой, а нижний - второй группы.

Зависимости силы света от напряжения в интервале флюенсов 0-10х1015 н/см2

14

имели следующий вид:

1у~1у 0 е'

■Чг)

Экспериментальная зависимость от флюенса:

(17)

(18)

где тощ - время жизни электронов в оптически активной области (до облучения), как показано во 2 главе диссертации, отвечает модели р+-П -П+-структуры с линейным распределением активаторов в р+-области. Величина (топКО = (6±2)х10"14 см2/н при энергии нейтронов > 0,1 МэВ и (2,8±0,9)х10*13 см2/н при энергии 2,65 МэВ, что

в пределах погрешности эксперимента совпадает со значением, полученным из анализа эволюции В АХ при облучении.

Экспериментальные зависимости снижения силы света при фиксированном токе 1мА можно описать следующей эмпирической формулой:

где П1 = 3 для эффективной «короткой» светоизлучающей структуры;

П1 =2 для менее эффективной «длинной» светоизлучающей структуры.

Эмпирические зависимости согласуются с расчетными, основанными на модели р+-п -п+-структуры. Действительно, если переписать выражение (12) для свето-излучающих структур с оставив только сомножители, завися-

гцие от времени жизни, для случая линейного закона распределения активаторов в р^-области (п= 1), получаем:

где - константы, что согласуется с эмпирическими зависимостями силы света от тока и флюенса (19). Из данного анализа следует, что снижение силы света при фиксированном токе при облучении происходит значительнее быстрее, чем при заданном напряжении, и определяется не только снижением времени жизни в оптически активной -области, но также в компенсированном слое. Экспериментально определенная на основании (19) величина произведения (ТопК*) = 6х10"14 см2/н и при фиксированном напряжении практически совпадает с рассчитанной. Это дает основание полагать, что первоначальные значения времени жизни в и компенсированном слое близки по величине и сходным образом меняются с облучением.

Экспериментально показано, что величина произведения (то„Кт) зависит от тока и снижается в среднем в 1,7 раза при его изменении в пределах 0,2-10 мА у светоизлучающей структуры первой группы. У светоизлучающей структуры второй группы, напротив, величина (1о„К,) растет, хотя и в меньшей степени.

Традиционный метод определения величины (топКг) путем измерения 1у(и)-характеристик в широком интервале флюенсов требует выполнения большого объема измерений, расчетных и графических работ. Хотя уже при флюенсе 1013 н/см2 сила света светодиода с красным цветом свечения при заданном токе снижается в 2-3 раза, а при 10м н/см2 - на два порядка, при фиксированном напряжении для определения константы повреждаемости необходимо облучать светоизлучаюгцие структуры нейтронами до 1015 н/см2. Кроме того исследования радиационной деградации при этом проводятся при токах, которые на 1-2 порядка ниже номинальных. При заданном токе измерения менее точны, так как с флюенсом меняется характер зависимости силы света от тока.

Нами был предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый метод определения констант повреждаемости с использованием малых флюенсов облучения. В качестве основополагающей была выбрана расчетная формула (19), которая при малых флюексах (ТопК^Ф «1) принимает следующий вид:

(/„о//,М = «.ГопКг* (21)

где П1 = 3 для светоязлучающей структуры первой группы;

11]= 2 для светоизлучающей структуры второй группы.

Из экспериментальных значений (ТооК,) = 6x10"14 см2/н следует, что область малых флюенсов лежит в пределах , когда значения

0,3.

Рассчитанная с помощью выражения (21) величина (ТопКт) после облучения нейтронами с энергией > 0,1 МэВ и флюенсами 1,0х1012 я ЗДхЮ12 и/см2 составила (5,2±0,3)х10"14 см^/н, что согласуется с ранее сделанными оценками.

Преимуществом данного метода является небольшой объем экспериментальных исследований и расчетов, возможность поставки облученных светоизлучающих структур заказчику. Таким образом, данный метод является по сути дела неразру-шающим.

На основе описанных методов нами было исследовано воздействие электронов с энергией 5 и 10 МэВ, протоков с энергией 18 и 70 МэВ и гамма квантов с энергией 1,25 МэВ. При расчете констант повреждаемости были использованы аналитические формулы (19) и (21). Определенные значения (топКО и коэффициенты относительной эффективности (КОЗ), приведенные к нейтронам с энергией > ОД МэВ, суммированы в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициенты повреждаемости и коэффициенты относительной эффективности (КОЭ) после различных видов воздействия на светоизлучающие структуры с красным цветом свечения.

Нейтроны, 2 ОД МэВ Нейтроны, 2,65 МэВ Протоны, 18 МэВ Протоны, 70 МэВ

(ТаА) 4,4x10"'4см'/н 2,8 х Ю'" см^/н 1,0x10"" см^/н 2,3х10'"см^/н

КОЭ 1,0 6,3 22,7 52,7

Электроны, 5 МэВ Электроны, 10 МэВ Гамма кванты, 1,25 МэВ

(ТоА) 1,5х 10""см^/э 1,9х 1-""«г7э 0,75х 10'" см^

КОЭ 0,034 0,043 0,017

Для всех видов воздействий применима следующая расчетно-эмпирическая зависимость силы света от флюенса (дозы) облучения: Для

оценки КОЭ может быть использована следующая эмпирическая зависимость: (голКг)~ т]теЕ' то есть константа повреждаемости зависит от энергии и массы частиц.

В четвертой главе диссертации приведены и проанализированы результаты воздействия нейтронов, электронов и гамма квантов на светоизлучающие структуры с желто-зеленым цветом свечения с различным уровнем легирования n-области донорами (серой и теллуром) и изоэлектронной примесью азота.

Изучены профили распределения основной легирующей примеси в активной области для четырех групп светоизлучающих структур. У светоизлучающих струк-

тур первой группы п-область была легирована серой до уровня 5х1015 СМ*' и азотом до 7x10" СМ*7. У приборов второй группы п-слой легирован серой до концентрации 5х1016 СМ3, а концентрация азота была на порядок ниже. У светоизлучаюгцих структур третьей группы п-область была легирована только серой до уровня (0,5-5,0)х1017 см'3. И, наконец, у светоизлучаюгцих структур четвертой группы п-область была легирована теллуром до уровня (3,5-5,0)х10№ см"3. Сила света составляла 5-7; 1,5-3,9; 0,5-1,3 и 0,2 0,5 мкД для светоизлучающих структур 1-4 групп.

Установлено наличие высокоомного компенсированного слоя шириной 0,040,05 мкм в зависимости от уровня легирования, т.е. все исследуемые светоизлучаю-щие структуры имели

Приведенные в отечественных работах результаты исследования спектров тер-мостимулированной емкости (ТСБ) показали наличие до и после облучения по крайней мере восьми готбоких центров (Е1-Е8) с энергией 0,29-0,90 эВ и коэффициентом захвата 1,2x10 - 6,0х10'7 см/с. Концентрации Е1 и Б8 центров росли при облучении, что, по-видимому, объясняется образованием комплексов азота с вакансиями галлия: и антиструктурных дефектов (атомов галлия в узлах фосфора). По видимому, именно последние центры отвечают за снижение времени жизни носителей.

ВАХ светоизлучающих структур в общем случае состояли из следующих четырех участков:

еи

еи

+ А(и-ик)4+В(и-ик)2 (22)

где экспериментальные значения А и В - константы.

В светоизлучающих структурах первой группы наблюдали только первый экспоненциальный и степенной участки, что характерно для р -п -П -структур с достаточно широкой компенсированной областью ВАХ светоизлучающих струкгур 2-4 групп состояли из двух экспоненциальных и одного (второго) степенного участка с 01=1,96-2,08 и 02=1,45-1,53. Второй экспоненциальный участок ВАХ с 02 * 1,5, на котором фиксировалась ЭЛ у светоизлучающих структур второй - четвертой групп, являлся следствием либо нелинейной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, либо существенной инжекцией носителей в одну из двух низкоомных областей (в данном случае в оптически активную П+-область). В наиболее общем случае аналитическая зависимость тока от напряжения выглядит следующим образом:

и при что имеет место при облучении, экспериментальная зависимость тока

от флюенса хорошо согласуется с рассчитанной:

0/Л-1У-1 = То,К,Ф (24)

где - время жизни дырок в оптически активной области (до облучения).

Определенная на основе экспериментальных зависимостей и выражения (24)

величина константы повреждаемости составила ы света от напряжения

имела следующий вид:

Зависимость силы света от напряжения в интервале флюенсов

где фактор т = 1,03-1,05 и постепенно увеличивается с облучением.

Если активаторы люминесценции в активной области распределены равномерно, то имеем:

и (торЬУ = (1,4±0,6)х10"12 см2/н,

что согласуется с ранее сделанной оценкой.

В режиме генератора т

или

(1„о/1у-1У5-1=прКтФ

(27)

(28)

в зависимости от преобладания излучательной рекомбинации в или ком-

пенсированном слое.

Экспериментальные исследования показали, что в области номинальных токов более предпочтительна линейная аппроксимация, а величина константы повреждаемости (торК,) = (1,3±0,2)х10"12 см2/н.

Таким образом, вся совокупность исследований ВАХ и зависимостей силы света от тока и напряжения свидетельствует в пользу того, что во всех четырех группах излучательная рекомбинация преобладала в п-области р+-п -п+-струк1уры и выражение (27) является основополагающим при анализе радиационной стойкости и определении констант повреждаемости светоизлучающих структур с желто-зеленым цветом свечения при нейтронном и других видах воздействия.

Нами было исследовано воздействие протонов с энергией 18 к 70 МэВ, электронов с энергией 4-5 МэВ и гамма квантов с энергией 1,25 МэВ. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты повреждаемости и коэффициенты относительной

эффективности (КОЭ) после различных видов воздействия на светоизлучающие структуры с желто-зеленым цветом свечения.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Исследование изменения тока и силы света при нейтронном облучении

позволило предложить модель светодиода, содержащего высокоомный компенсированный слои в районе инверсии проводимости и оптически активную с линейным распределением активаторов люминесценции ^п-0-комплексов) в этой области.

2. Установлено, что зависимости тока от флюенса ваР^п-О) светодиодов с красным цветом свечения первой (более эффективной) и второй (менее эффективной) группы отличаются из-за различного отношения ширины компенсированного слоя к диффузионной длине. Определенная на основе предложенной модели величина произведения (ТаДС,) составила (5 ± 3)-10"14 н/см2.

3. Показано, что излучательная компонента электрического тока, связанная с инжекцией электронов в в области малых токов являляется экспоненциальной функцией напряжения и линейной функцией флюенса облучения, что позволило определить константу повреждаемости в оптически активной области (6 ± 2>1014Н/см2.

4. Выведены аналитические зависимости силы света при заданном токе от электрофизических параметров материала активной области, что позволило оценить количественно скорость радиационной деградации при номинальном токе через светодиод.

5. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован неразрушающий метод оценки радиационной стойкости при использовании малых флюенсов облучения.

6. Исследована радиационная деградация и оценена радиационная стойкость ваР^п-О) светодиодов при облучении протонами (18 и 70 МэВ), электронами (5 и 10 МэВ) и гамма квантами (1,25 МэВ). Определены константы повреждаемости и эффективности относительно воздействия данных видов облучения на светодиоды из фосфида галлия с красным цветом свечения.

7. Исследована радиационная деградация и оценена радиационная стойкость четырех групп ваР(8,Те^) светодиодов с желто-зеленым цветом свечения с различным содержанием основной легирующей примеси (серы или теллура) и активаторов люминесценции (доноров и азота) в активной области при облучении нейтронами.

8. Определенная на основании экспериментальных данных и предложенной математической модели р+- П - П+ структуры величина произведения (торК^) составила (У±0,2)-10'" см2/!!).

9. Исследована радиационная деградация и оценена радиационная стойкость ваР^Те^) светодиодов при облучении протонами (18 и 70 МэВ), электронами (5 МэВ) и гамма-квантами (1,25 МэВ). Определены константы повреждаемости и относительной эффективности воздействия данных видов облучения на светодиоды из фосфида галлия с желто-зеленым цветом свечения.

10. Светодиоды, излучающие в красной области спектра, значительно более стойкие по сравнению со светодиодами с желто-зеленым цветом свечения вследствие преобладания у последних излучательной рекомбинации в более чистых рафинированных слоях, большей вероятности образования при облучении антиструктурных дефектов, снижающих время жизни носителей, и дырочных ловушек, влияющих на силу света только из п-области и компенсированного слоя.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Числов А.А. Вольтамперные характеристики фосфидогаллиевых (/пО) свето-диодов, облученных нейтронами. // Журнал «Техника и технология» № 2 за 2005 год. 7 с.

2. Зерннй Ю.В., Числов А.А., Степченко Н.И. Неразрушаюпщй экспресс-метод оценки константы повреждаемости времени жизни. // Международная научно -техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». М., 2003, - 3 с.

3. Числов А.А. Сравнительный анализ влияния нейтронов, протонов, электронов и гамма-квантов на силу света фосфидогаллиевых. (/п-О) светодиодов. // Международная научно-техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». М., 2003, -5 с.

4. Числов А.А. Приборы и методы контроля и оценки радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия (Б-К и Те-К) с желто-зеленым цветом свечения при воздействии нейтронов, протонов, электронов и гамма-квантов. // Международная научно-техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». Том 2. М., 2004, - 7 с.

5. Числов А.А. Методы контроля и оценки радиационной стойкости фосфидогаллиевых (/п-О) светодиодов при нейтронном облучении. // Международная научно-техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». Том 2. М., 2004, - 9 с.

6. Числов А.А. Разработка комплексных методов контроля и оценки радиационной стойкости фосфидогаллиевых (Б-К и Те-К) светодиодов с желто-зеленым светом свечения. // Международная научно-техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». Том 2. М., 2004, -20 с.

7. Числов А.А., Рыжиков В.И., Селезнев Д.В., Белоусов Е.Д., Юрков О.В. Анализ влияния структуры излучающего р-и-перехода и параметров активной области на силу света и ее изменение при воздействии внешних факторов. // Международная научно-техническая конференция «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». Том 2. М., 2004, - 15 с.

Отпечатано в ООО «Компания Спутник+» ПД № 1-00007 от 25.06.2000 г. Подписано в печать 21.03.2005 Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,13

Печать авторефератов 730-47-74,778-45-60

п Л IIP 2005

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ПО МЕТОДАМ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ КРИСТАЛЛОВ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ И СВЕТОДИОДОВ НА ЕГО ОСНОВЕ.

Выводы.

ГЛАВА 2. ВЫВОД АНАЛИТИЧЕСКИХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВЕТОДИОДОВ.

2.1. Изменение параметров оптически активной области при облучении.

2.2. Связь электрофизических и оптических параметров материала активной области с электрическими и электролюминесцентными характеристиками светодиодов.

2.2.1. Электролюминесценция (ЭЛ) из оптически активной р-или n-области в режиме малого уровня инжекции.

2.2.2. ЭЛ из оптически активного компенсированного слоя или низкоомных р- и n-областей в режиме высокого уровня инжекции

2.2.3. ЭЛ из оптически активных низкоомных р+- и п+-областей р+-п -п+-структуры.

Выводы.

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВЕТОДИОДОВ ИЗ ФОСФИДА ГАЛЛИЯ С ЖЕЛТО-ЗЕЛЕНЫМ ЦВЕТОМ СВЕЧЕНИЯ.

3.1. исследуемые структуры. методы измерения до и после облучения. аппаратура и режимы облучения р-ы-переходов нейтронами, протонами, электронами и гамма квантами.

3.2. Спектры ЭЛ. Профили распределения основной легирующей примеси. Спектры ТСЕ.

3.2.1. Спектральные характеристики р-п-переходов.

3.2.2. Профили распределения основной легирующей примеси.

3.2.3. Спектры ТСЕ, энергии ионизации и коэффициенты захвата глубоких примесных центров.

3.3. Экспериментальные зависимости ВАХ и Iv(U,I)-xapaktephcthk от флюенса нейтронного облучения.

3.4. Обсуждение экспериментальных вольт-амперных и Iv(U,I)-xapaktephcthk и расчет коэффициентов повреждаемости времени жизни.

3.5. Экспериментальные зависимости силы света от флюенса протонного облучения и дозы гамма квантов. Константы повреждаемости времени жизни при данных воздействиях.

3.5.1. Экспериментальные зависимости силы света от флюенса облучения протонами с энергией 18 и 70 МэВ и результаты расчета констант повреждаемости.

3.5.2. Экспериментальные зависимости силы света от флюенса облучения электронами с энергией 5 Мэв и расчет константы повреждаемости.

3.5.3. Экспериментальные зависимости силы света от дозы (флюенса) облучения гамма квантами с энергией 1,25 МэВ и расчет константы повреждаемости.

3.6. Сравнительный анализ влияния различных видов облучения на снижение силы света и расчет коэффициентов относительной эффективности.

Выводы.

ГЛАВА 4. РАДИАЦИОННАЯ ДЕГРАДАЦИЯ И КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ОЦЕНКИ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ (ZN-O)-GAP С КРАСНЫМ ЦВЕТОМ СВЕЧЕНИЯ.

4.1. исследуемые структуры.

4.2. Изменение силы света и ВАХ светодиодов после воздействия. нейтронного облучения.

4.2.1. Методика облучения и контроля спектра нейтронов и плотности потока.

4.2.2. Экспериментальные вольт-амперные и люмен-вольт-амперные характеристики до и после облучения.

4.2.3. Обсуждение экспериментальных результатов. Расчет констант повреждаемости.

4.3. Разработка метода малых флюенсов для контроля и оценки радиационной стойкости

4.4. Сравнительные методы контроля и оценки радиационной стойкости (величины (т0 еК,)) при облучении протонами, электронами и гамма квантами.'.

4.4.1. Изменение силы света светодиодов при облучении протонами и определении величины т0Кр.

4.4.2. Изменение силы света при облучении электронами с энергией 5 и 10 МэВ и определение величины ТоКе.

4.4.3. Изменение силы света при облучении гамма квантами и определение величины (т0К,).

Выводы.

Разработанные в последние годы светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, шкалы и табло-экраны на основе бинарных соединений и твердых растворов находят все более широкое применение как в гражданской, так и в аппаратуре спецприменения, в частности атомной и ядерной электронике, бортовой, включая космическую, аппаратуре и военной технике. Непременным условием применения светодиодов в данных областях является стойкость к действию проникающей радиации: нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов с энергией от 0,1 до 100 МэВ.

Важную роль при разработке светодиодов и устройств отображения информации играл и играет фосфид галлия и приборы на его основе. Он является достаточно широкозонным полупроводником, что позволяет создавать на его основе р-п-переходы, излучающие в красной и желто-зеленой области спектра. Основной недостаток фосфида галлия - непрямую структуру зон - удалось в значительной степени компенсировать возможностью введения эффективных центров излучательной рекомбинации. Как сам материал, так и светодиоды на его основе, являлись моделями, на которых впервые были обнаружены и исследованы основные механизмы излучательной рекомбинации: экситонная люминесценция на Zn-O-комплексах, примесное и межпримесное излучение, эффективная фото- и электролюминесценция на изоэлектронных центрах азота и т.д.

Если светодиоды с красным цветом свечения были разработаны также на основе твердых растворов GaAs0)6Po,4 и Alo^Gao^As, то источники желто-зеленого цвета долгое время выпускались только на основе фосфида галлия. Светодиоды с красным цветом свечения из данного материала, по-видимому, являются наиболее радиационно-стойкими, что в полной мере подтверждается проведенными нами исследованиями. Появившиеся в 1996 г. более эффективные светодиоды на основе AlGaN-InGaN-GaN с зеленым, а также с синим цветом свечения, по объемам выпуска и цене пока уступают светодиодам из фосфида галлия.

ВВЕДЕНИЕ

Разработанные в последние годы светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, шкалы и табло-экраны на основе бинарных соединений и твердых растворов находят все более широкое применение как в гражданской, так и в аппаратуре спецприменения, в частности атомной и ядерной электронике, бортовой, включая космическую, аппаратуре и военной технике. Непременным условием применения светодиодов в данных областях является стойкость к действию проникающей радиации: нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов с энергией от 0,1 до 100 МэВ.

Важную роль при разработке светодиодов и устройств отображения информации играл и играет фосфид галлия и приборы на его основе. Он является достаточно широкозонным полупроводником, что позволяет создавать на его основе р-п-переходы, излучающие в красной и желто-зеленой области спектра. Основной недостаток фосфида галлия - непрямую структуру зон — удалось в значительной степени компенсировать возможностью введения эффективных центров излучательной рекомбинации. Как сам материал, так и светодиоды на его основе, являлись моделями, на которых впервые были обнаружены и исследованы основные механизмы излучательной рекомбинации: экситонная люминесценция на Zn-O-комплексах, примесное и межпримесное излучение, эффек-' тивная фото- и электролюминесценция на изоэлектронных центрах азота и т.д.

Если светодиоды с красным цветом свечения были разработаны также на основе твердых растворов GaAso,6Po,4 и Alo^Gao^As, то источники желто-зеленого цвета долгое время выпускались только на основе фосфида галлия. Светодиоды с красным цветом свечения из данного материала, по-видимому, являются наиболее радиационно-стойкими, что в полной мере подтверждается проведенными нами исследованиями. Появившиеся в 1996 г. более эффективные светодиоды на основе AlGaN-InGaN-GaN с зеленым, а также с синим цветом свечения, по объемам выпуска и цене пока уступают светодиодам из фосфида галлия.

Актуальность работы

Светодиоды, цифро-знаковые и шкальные индикаторы , табло-экраны на основе фосфида галлия с желто-зеленым цветом свечения широко применяются в аппаратуре спецназначения, что делает актуальным разработку методов контроля и оценки радиационной стойкости приборов. Светодиоды с красным цветом свечения на основе этого материала обладают повышенной радиационной стойкостью, что позволяет их использовать в более тяжелых условиях эксплуатации. Имеющиеся в литературе данные по радиационной стойкости и деградации, как правило, не являются систематическими, не охватывают всех видов воздействия, предусмотренных ГОСТом РФ, энергии частиц часто отличаются от стандартов РФ. Экспериментальные данные по стойкости, как правило, получены при фиксированном напряжении на р-п-переходе, в то время как светодиоды и устройства отображения работают при заданном токе. Универсальная теория, описывающая зависимость силы света от параметров активной области и, как следствие, флюенса (дозы) облучения не разработана. Поэтому систематическое комплексное исследование зависимости силы света при всех видах воздействия при фиксированном напряжении и заданном токе является весьма актуальной задачей.

Цель работы

Целью работы являлась разработка методов контроля и оценки изменения электрических и световых характеристик GaP(Zn-O) и GaP(Zn-Te-N) р-п-переходов при воздействии основных видов облучения.

Данная цель достигается постановкой и решением следующих задач:

1. Разработки модели светодиодов, излучающих в желто-зеленой и красной области спектра, на основе исследования вольт-амперных, вольт-частотно-фарадных и вольт-люмен-амперных характеристик.

2. Исследование изменения характеристик при воздействии нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов.

3. Анализ экспериментальных результатов на основе разработанной модели, расчет константы повреждаемости времени жизни и снижения силы света при облучении.

4. Разработка методов оценки и прогнозирования радиационной стойкости, сравнительный анализ воздействия различных видов облучения на (Zn-O)-GaP и (Zn-S-N)-GaP светодиоды.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработке физической и математической модели р+-п*-п+-структуры светодиода из фосфида галлия, содержащей высокоомный компенсированный прелой, в котором реализуется режим высокого уровня инжекции, а излуча-тельная рекомбинация преобладает либо в п*- или п+-областях («зеленая» полоса), либо в р+-слое («красное» излучение).

2. Выводе аналитических зависимостей силы света от тока, напряжения, электрофизических параметров материала активной области и характера распределения центров излучательной рекомбинации в этой области и флюенса (дозы) облучения для основных участков ВАХ.

3.В определении энергетического спектра и сечений захвата глубоких центров до и после нейтронного облучения, установлении природы и параметров центров, ответственных за радиационную деградацию.

4. В разработке метода контроля радиационной стойкости при заданном токе через светодиод, как при малых, так и номинальном значении тока.

5. В предложении, теоретическом и экспериментальном обосновании нового неразрушающего метода контроля стойкости с использованием малых флюенсов облучения.

6. В контроле радиационной стойкости при протонном облучении и оценке сравнительной эффективности различных видов воздействия на электрические и световые характеристики.

Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработаны методы контроля и оценки радиационной стойкости широкой номенклатуры светодиодов, цифро-знаковых и шкальных индикаторов из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения при воздействии всех предусмотренных ГОСТом В.20.39.404-81 РФ видах облучения.

2. Оценены константы повреждаемости времени жизни и снижения силы света светодиодов из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения. Установлено, что радиационная стойкость (Zn-O)-GaP светодиодов по крайней мере на порядок выше, чем у GaAs0)6Po,4 и Alo^Gao^As структур, также излучающих в красной области спектра.

3.Рассчитаны теоретически подтверждены экспериментально зависимости силы света от флюенса (дозы) облучения при номинальном токе с использованием полученных разными методами констант повреждаемости.

4. Предложен и реализован практически неразрушающий экспресс метод контроля стойкости и оценки констант повреждаемости и снижения силы света при всех видах воздействия.

5. На основе расчетных и экспериментальных зависимостей силы света от нейтронного, протонного, электронного и гамма облучения при номинальном токе определены константы повреждаемости (Zn-O)-GaP и (Zn-S-N)-GaP светодиодов, которые в последнем случае на 1,5 — 2 порядка выше, чем в первом, и коэффициенты относительной эффективности воздействия протонов, электронов и гамма квантов по сравнению с нейтронным облучением.

Реализация и внедрение результатов работы

Данная работа являлась частью программы по исследованию радиационной стойкости, разработке методов ее оценки и прогнозирования. Программа выполнялась по заданию Министерства обороны в МГАПИ, ОАО «Сапфир», ЗАО «Пола», ЗАО «Корвет». Основные результаты вошли в ТУ, справочники и информационные листы по оптоэлектронным приборам.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Светоизлучающая структура, содержащая компенсированный слой, оптически активные р- и n-области (соответственно для GaP(Zn-O) и GaP(Zn-Te(S)-N) светодиодов), установленная из анализа вольт-частотно-фарадноых характеристик, вольт-амперных и люмен-вольт-амперных характеристик и за-виси мости силы света от флюенса нейтронного облучения.

2. Расчетные зависимости силы света от электрофизических параметров активной области с неравномерным (в общем случае) распределением центров излучательной рекомбинации, флюенсов (доз) облучения при заданном облучении и токе.

3. Методики контроля и оценки констант повреждаемости и снижения силы света при фиксированном напряжении, заданном токе и малых флюенсах облучения.

4. Экспериментально определенные константы повреждаемости времени жизни GaP(Zn-O) и GaP(Zn-Te(S)-N) структур с красным и желто-зеленым цветом свечения после облучения нейтронами и гамма квантами.

5. Результаты сравнительного анализа относительной эффективности воздействия различных видов облучения на силу света светодиодов из фосфида галлия с красным и желто-зеленым цветом свечения.

Выводы

1. Исследование изменения тока и силы света при нейтронном облучении GaP(Zn-O) р-п-переходов позволило предложить модель светодиода, содержащего высокоомный компенсированный слой в районе инверсии проводимости и оптически активную р+-область с линейным распределением активаторов люминесценции (Zn-O-комплексов) в этой области.

2. Зависимости тока от флюенса более и менее эффективных светодиодов первой и второй группы отличались из-за различного отношения ширины компенсированного слоя к диффузионной длине. Определенная на основе предложенной модели величина произведения (то,рКт) составила (5 ± 3)-10"14 н/см2.

3. Излучательная компонента электрического тока, связанная с инжекци-ей электронов в р+-область, в области малых токов являлась экспоненциальной функцией напряжения и линейной функцией флюенса облучения, что позволило определить константу повреждаемости времени жизни в оптически активной области (6 ± 2)-10'14 н/см2.

4. Выведены аналитические зависимости силы света при заданном токе от электрофизических параметров материала активной области, что позволило оценить количественно скорость радиационной деградации при номинальном токе через светодиод.

5. Предложен, теоретически и экспериментально обоснован неразру-шающий метод оценки радиационной стойкости при использовании малых флюенсов облучения.

6. Исследована радиационная деградация и оценена радиационная стойкость Zn-0-GaP светодиодов при облучении протонами (18 и 70 МэВ), электронами (5 и 10 МэВ) и гамма квантами (1,25 МэВ). Определены константы повреждаемости и эффективности относительно воздействия данных видов облучения на светодиоды из фосфида галлия с красным цветом свечения.

7. Светодиоды, излучающие в красной области спектра, значительно более стойкие по сравнению со светодиодами с желто-зеленым цветом свечения вследствие преобладания излучающей рекомбинации в более чистых рафинированных слоях, большей вероятности образования при облучении антиструктурных дефектров, снижающих время жизни, и дырочных ловушек, влияющих на силу света только из n-области и компенсированного слоя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая работа носит комплексный характер. Проведены исследования воздействия проникающей радиации (высокоэнергетичных нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов) на светоизлучающие структуры фосфида галлия с желто-зеленым и красным цветом свечения.

Разработаны методы контроля, оценки и прогнозирования радиационной стойкости светодиодов с различными механизмами излучательной рекомбинации.

Для анализа экспериментальных результатов и оценки величины константы повреждаемости (тоКт) была предложена физическая модель светодиода, содержащая компенсированный слой, с неравномерным в общем случае распределением легирующей примеси и активаторов люминесценции во всех областях р+-п*-п+-стру кту р ы.

На основании данной модели получены аналитические зависимости силы света от параметров активной области и флюенса (дозы) облучения в предположении, что излучательная рекомбинация может преобладать в легированных активаторами низкоомных р+- и п+-областях или в компенсированном п*-слое, в режимах малого и высокого уровня инжекции, в случае линейной и нелинейной излучательной и безызлучательной рекомбинации, при фиксированном напряжении при заданном токе через р+-п*-п+-переход.

Исследовано воздействие нейтронов, электронов и протонов различной энергии, а также гамма квантов на светоизлучающие р+-п*-п+-структуры из фосфида галлия с красным цветом свечения, у которых излучательная рекомбинация преобладала в легированной активаторами р+-области с линейным распределением последних в этой области. Рассчитанные вольт-амперные и Iv(U,^-характеристики хорошо описывали экспериментальные зависимости, что позволило определить константы повреждаемости и снижение силы света при основных видах воздействия, оценить коэффициенты эффективности различных видов облучения и прогнозировать радиационную стойкость.

Предложен, теоретически и экспериментально обоснован новый, неразрушающий метод прогнозирования и контроля радиационной стойкости, основанный на физической модели светоизлучающей структуры и использовании малых флюенсов облучения (тоКтФ « 1). Применение данного метода для определения констант повреждаемости при нейтронном облучении светодиодов с красным цветом свечения позволило в пределах погрешности эксперимента получить такие же результаты, как при использовании других методов при существенной экономии времени и средств.

Исследование вольт-частотно-фарадных и вольт-амперных характеристик светодиодов, излучающих в желто-зеленой области спектра, с различным содержанием доноров и изоэлектронной примеси азота до и после облучения позволило уточнить структуру излучающего перехода, оценить ширину компенсированного слоя (0,05 - 0,4 мкм), проанализировать экспериментальные вольт-амперные и Iy(U,^-характеристики, оценить константы повреждаемости времени жизни.

Исследования термостимулированной емкости, проведенные совместно с С.В, Булярским и А.С. Амброзиевичем, позволили определить энергии ионизации и коэффициенты захвата глубоких центров в светоизлучающих структурах до и после нейтронного облучения. Уровень Е1 с энергией ионизации 0,29 эВ и сечением захвата 8,0x1 О*13 см3/с наблюдался только в структурах, легированных азотом. Концентрация этих центров росла с облучением, что позволяет отождествить их с комплексом: изоэлектронная ловушка - вакансия галлия. Уровни Е2, ЕЗ, Е4 и Е5 с энергиями ионизации 0,25 - 0,65 эВ и сечениями захвата 1,2x10"12 см3/с, по-видимому, представляют ассоциацию элементов шестой группы с вакансией галлия. Некоторые из них, особенно Е5 с большим сечением захвата, являются эффективными центрами безызлучательной рекомбинации. Концентрация этих центров росла при увеличении уровня легирования и облучения, что приводило к снижению силы света. Уровень Е6, по-видимому, связан с антиструктурным дефектом: атомом фосфора в узле галлия. Наибольший интерес для нас представляют глубокие центры Е8 с энергией 0,9 эВ и большим сечением захвата (6,0x10'7 см3/с). Они, по-видимому, представляют антиструктурные дефекты: атомы галлия в узле фосфора. Именно с ростом концентрации этих центров при облучении, по-видимому, связана деградация времени жизни.

Сравнительный анализ влияния облучения на светоизлучающие р+-п*-п+-структуры с красным (Zn-O) и желто-зеленым (Zn, Те, S, N) цветом свечения показал, что радиационная стойкость первых существенно выше. Константы повреждаемости при разных видах облучения у них в среднем на полтора-два порядка ниже. Т.к. в обеих структурах первичными радиационными дефектами являются вакансии фосфора и галлия, то причиной различной стойкости является образование различных комплексов с первичными дефектами. В (Zn-O)-GaP светодиодах вакансии фосфора в значительной степени заполнены кислородом и образование антиструктурных дефектов GaP, снижающих время жизни в активной области при облучении, является менее вероятным, чем в (Zn-Te(S))-GaP структурах. Другой возможной причиной является генерация при облучении не только центров рекомбинации, но также дырочных ловушек. Последние не влияют на излучение из р+-области, но снижают силу света в компенсированной и п+-области.

Излучающие в красной области спектра GaP(Zn-0)-CTpyKTypbi имеют на порядок более высокую радиационную стойкость, чем GaAso^Po^ р-п-переходы, и на два порядка превосходят по этому параметру гетероструктуры на основе

Alo,33Ga0)67As.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ОАО Hi ill «Сапфир», ОАО «Оптрон», ЗАО «Пола» и ЗАО «Алкол».

1. Пивоваров В.Я., Ткачев В.Д. Энергетический спектр радиационных нарушений в эпитаксиальном фосфиде галлия п-типа//Радиационная физика неметаллических кристаллов. Киев. Наукова думка. 1997. Т.З. С.3-9.

2. Браиловский Е.Ю., Конозенко И.Д., Тартачник В.П. Дефекты в GaP, облученном электронами//ФТП. 1975. Т.9. № 4. С. 769-771.

3. Браиловский Е.Ю., Ерицян Г.Н., Тартачник В.П. Радиационные дефекты в Gap при облучении электронами с энергией 50 МэВ//ФТП. 1975. Т.9. №9. С. 1805-1807.

4. Tokuda Y., Oda М., Usomi A. Electrical properties of 1,7 MeV elektron irradiated sulfur-doped Gap//IEEE Trans. Nuc.l. Sci. 1971. V. NS -25. N4. P. 10551060.

5. Neamen. D.A., Granneman W.W. Fast neutron effects on GaAsP shottly barrier diodes and Hall effect devices.//IEEE Trans. Nuc.l. Sci. 1972. V. N5. P. 215219.

6. Brailovski E.Yu., Murchik N.D. Jhermally stimulated current stadies of radiation defect in Gap crystals//Phys. Stat. Solid. 1989. V.58.N1.P.41-48.

7. Pankey Т., Davey Jr., Davey J.E. Effects of neutron irradiation on the optical properties of thin films and bulk GaAs and GaP// J. Appl. Phys. 1970. V. 41. N2. P. 697-702.

8. Загайнова JI.M., Осташко Н.И., Шаховцов В.И. Оптическое поглощение облученного электронами фосфида галлия, легированного медью. Радиационные эффекты в полупроводниковых соединениях// Препринт КИЯИ. 76-22. Киев. 1976. С. 16-17.

9. Браиловский Е.Ю., Григорян Н.Е., Ерицян Г.Н., Тартачник В.П. Оптическое поглощение в облученных кристаллах фосфида галлия//Препринт КИЯИ. Киев. 1976. С. 22-23.

10. Nuece C.I., Schade Н., Herrick D. Efficiency degradation of GaAsj.xPx electroluminescent diodes due to high-energy electron irradiation//Meta Trans. 1970. V.l. N3. P.587-591.

11. Уваров Е.Ф., Храмцов Ф.П. оптические и люминесцентные свойстл сва облученных широкозонных полупроводников А В . Обзор по электронной технике. М., ЦНИИ «Электроника» 1979 г. Сер. 2. Вып. 11 (666) 66 с.

12. Храмцов А.П. Влияние электронного и нейтронного облучения на процессы излучательной ркомбинации в некоторых широкозонных полупроводниках А3В5.//Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 1982. 195 с.

13. Logan R.A., White H.G., Mikulyak R.M. Effects of irradiationupon lifetime and luminescence of GaP diodes// Appl. Phys. Lett. 1964. V.5. N8. P.41-42.

14. Tomas D.S., Hopfield S.I., Augystymak W.H. Kinetics of recombination at roudomly distributed donor and acceptors// Phys. Rev. 1965.V.40. P. A202-A220.

15. Lang D.V. and Kimerling L.C.// Appl. Phys. Lett. 1976. V.28. P.248256.

16. Lang D.V., Kimerling L.C. Observation of recombination ennanced defect reactions in semiconductors// Phys. Rev.Lett. 1974. V.33. P.489-493.

17. Barnes C.E. A comparison of y-induced degradacion and forward bias induced degradacion in GaP(Zn-O) LED//J. of Electronic Material. 1978. V. 7. N4. P.589-617.

18. Epstein A.S.,Share S., Polimadei R.A. and Herzog A.H. Gamma irradiation and annealing effects in nitrogen-doped GaP green light-emitting diodes.//IEEE Trana. Nucl. Sci. 1972. NS 19. N6. P. 386-390.

19. Barnes C.E. Neutron damage in GaP light-emitting diodes.// Appl. Phys. Lett. 1972. V.22. N3. P. 110-112.

20. Epstein A.S.,Share S., Polimadei R.A. and Herzog A.H. Effect of neutron irradiation on GaAsj.xPx electroluminescent diodes.// Appl. Phys. Lett. 1973. V.23. N 8. P.472-474.

21. IEEE Transaction on Nuclear Science. 1985. V.32. N6. P,4010-4014; 4046-4049; 4453-4460.

22. Barnes C.E. Neutron damage in GaP:Zn,0 light-emitting diodes.//J. Appl. Phys. 1977. V. 48. N5. P.1921-1927.

23. Доманевский Д.С., Либов Л.Д., Домако В.М., Новоселов A.M., Ра-вич В.Н., Ткачев В.Д., Ухин Н.А. Действия излучений на р-п-переходы из фосфида галлия//В Сб. Радиационная физика неметаллических кристаллов. Киев: Наукова Думка. 1971. Т.З. С. 50-53.

24. Эспозито P.M., Лофереки Д.Ш. Влияние облучения быстрыми нейтронами на спектры рекомбинационного излучения GaP, GaAsj.xPx (Х=0,7; 0,54)//Труды X Международной конференции по физике полупроводников. Л.: Наука. 1969. Т.2.С.1166-1171.

25. Браиловский Е.Ю., Mapчук Н.Д., Тартачник В.П. Изучение радиационных эффектов в фосфиде галлия// Предпринт КИЯИ-77-1. Киев. АН УССР. 19977. С.26.

26. Stanley A.G. Comparison of light emitting diodes in a space radiation environment.//IEEE Tranc. Nucl. Sci. 19970. V. NS 17. N6. P.234-244.

27. Kaminski P., Kot W., Nizinski Z. and Roszkiewics K. Deep electron traps in GaAs0)35Po,65:N and GaAso.isPo.ss^N light emitting diodes.//Acta Physica Polonica. 1987.V. A71/N3. P.453-456.

28. Кравченко А.Ф., Принц В.Я. Зависимость энергетического спектра уровней, вводимых облучением электронами в GaAsuxPx и AlxGai.xAs, от со-става//ФТП.1978. Т. 12. №8. С. 1612-1614.

29. Lang D.V., Logan R.A. and Kimerling L.C. Identification of the defect state, associated with a gallium vacancy in GaP and AlxGaixAs.//Phys. Rev. 1977. V.15.N10. P4874-4882.

30. Рыжиков И.В., Свечников Г.С., Ситникова И.А. Физическая модель GaAso,6Po,4 р-п-перехода, облученного быстрыми электронами// Оптоэлектрони-ка и полупроводниковая техника. 1990. Вып. 18. С.9-22.

31. Bergh A.A. and Dean P.J. Light-emitting diodes//Clarendon • Press. Oxford. 1976. 686p.

32. Shockley W. The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junction transistors.//Bell. Syst. Tech. 1949. V.28. N3. P.435-490.

33. Sah C.T., Noyce R.N., Shockley W. Carrier generation and recombination in p-n junctions characteristic.//"Proc. IRE". 1957. V.56. P. 1228-1234.менения характеристик светоизлучающих р-п-переходов из фосфида гал-лия//Препринт МИФИ. 080-88. М. 1988.

34. Числов А.А. Вольтамперные характеристики фосфидогаллиевых (ZnO) светодиодов, облученных нейтронами. // Журнал «Техника и технология» № 2 за 2005 год. c.l 18 122.