автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование радиационной деградации и оценка радиационной стойкости светодиодов на основе гомо- и гетероструктур первого и второго поколения на базе трех-четырехкомпонентных твердых растворов А3В5

На правах рукописи

СЕЛЕЗНЕВ ДМИТРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ДЕГРАДАЦИИ И ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ СВЕТОДИОДОВ НА ОСНОВЕ ГОМО- И ГЕТЕРОСТРУКТУР ПЕРВОГО И ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ НА БАЗЕ ТРЕХ-ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ А3В5

Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена в Московском государственном университете приборостроения и информатики

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Рыжиков И.В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мурашов Виктор Николаевич

кандидат технических наук, профессор Мысловский Эдуард Викентьевич

Ведущая организация: ОАО «Оптрон», Федеральное агентство по промышленности

Защита состоится «_13 » октября 2006 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д850.012.01 при Государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «СПУРТ» по адресу 124460, Москва, Зеленоград, 1 Западный проезд, д. 4,

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ «СПУРТ».

р в _

Автореферат разослан « 2006 г.

Ученый секретарь ^уС'

диссертационного совета,

кандидат физ.-мат. наук, доцент // В.П.Мартынов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

Маломощные светодиоды, устройства и приборы сигнализации и отображения информации первого поколения в настоящее время широко применяются как в гражданской, так и бортовой аппаратуре. Анализ заявок потребителей показывает, что существует еще бблыпая потребность применения разработанных в последнее время эффективных сверхярких светодио-дов в бортовой (включая космическую), военной аппаратуре и ядерной радиоэлектронике. Необходимым условием их использования в этих областях является информация по воздействию проникающей радиации, особенно быстрых нейтронов и гамма квантов на электрические и светотехнические параметры и характеристики с последующим присвоением группы стойкости. Поэтому систематические исследования в области радиационной деградации и радиационной стойкости светоизлучающих структур первого и второго поколения являются весьма актуальными.

1.2. Цель работы

Систематическое исследование воздействия нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на характеристики и параметры излучающих в красной и желтой области спектра гомо- и гетероструктур: АЬ.ззОао.вгАв, ОаАво.бРо.д, (А1хОаьх)о,51по,5р и оценка радиационной стойкости светодио-дов, приборов и устройств отображения информации на основе этих структур.

Данная цель достигалась постановкой и решением следующих задач:

1. Разработкой конструкции и технологии изготовления светодиодов всех основных цветов, пригодных для проведения испытаний на воздействие нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на стандартном оборудовании.

2. Созданием автоматизированной аппаратуры и методик для комплексного измерения параметров и характеристик структур до и после облучения с компьютерной обработкой результатов измерений.

3. Разработкой методик измерения электрофизических параметров материала активной области и структуры светодиода, оценки констант повреждаемости времени жизни (К,) и снижения силы света (т0Кх).

4. Разработкой программ для аппроксимации экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и их эволюции при облучении.

1.3. Методы исследования

У светодиодов и светоизлучающих гомо- и гетероструктур измеряли вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) на автоматизированной установке с компьютерной обработкой результатов измерений.

Профили распределения заряженной примеси в активной области определяли на основе анализа параметров динамической барьерной емкости при одновременной подаче на исследуемые структуры постоянного смещения и малого переменного сигнала.

Для определения параметров и концентрации глубоких примесных

центров использовали метод термостимулированной емкости.

Измерения проводили до, во время и после облучения светодиодов и структур нейтронами, протонами, электронами и гамма квантами.

1.4. Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментально данными исследования нескольких партий светоизлучающих структур, изготовленных по различной технологии, измеренных на автоматизированной установке без участия оператора, и согласованием экспериментальных данных с расчетными, вытекающими из физической и математической модели светоизлучающих структур.

1.5. Научная новизна:

1. Исследованы воздействия протонного облучения на параметры и характеристики структур первого поколения, нейтронного и гамма облучения - на гетероструктуры второго поколения.

2. Усовершенствован и использован метод измерения распределения заряженных центров в активной области облученных светодиодов на основе анализа динамической барьерной емкости структур до и после облучения.

3. Установлена р+-п*-п+ гомо- или гетер о структур а светодиода первого и второго поколения с оптически активными компенсированными или легированными областями, содержащими квантовые ямы у светодиодов второго поколения.

4. Установлено согласие экспериментальных ВАХ с рассчитанными на основе классических дрейфовых и диффузионных теорий двойной инжекции, и разработана физическая и математическая модель, учитывающая влияние структуры и параметров активной области на вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) светодиодов.

5. На основе матмодели выведены аналитические зависимости изменения вольт-люмен-амперных характеристик светодиодов при облучении.

6. На основе экспериментальных данных и расчетных зависимостей определены константы повреждаемости и снижения силы света при облучении гомо- и гетероструктур первого и второго поколения.

1.6. Практическая ценность

Практическая ценность заключается в том, что:

1. разработаны методы определения констант повреждаемости и снижения силы света, т.е. методы количественной оценки радиационной стойкости светодиодов;

2. рассчитаны коэффициенты относительной эффективности воздействия различных видов облучения на силу света, что позволяет существенно снизить объем и стоимость экспериментальных исследований;

3. создана база определения квалификационной группы стойкости светодиодов в соответствии с ГОСТом В.39.404-81 РФ.

1.7. Внедрение результатов работы

Результаты внедрены в ОАО «Оптрон», ЗАО «Пола +» и ЗАО «Кор-

вет» и использованы при составлении ТУ, конструкторско-технологической документации, справочных и информационных материалов на выпускаемые и вновь разрабатываемые приборы.

1.8. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Аланья, Турция, 9-14 мая 2004 г., на десятой МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры», г. Севастополь, 9-17 сентября 2003 г., на МНТК «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности аппаратуры», Сусс, Тунис, 9-16 октября 2005 г.

1.9. Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

1.10. Структура и объем работы

Диссертация состоит ю введения, шести глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации излажена на 124 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.

1.11. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель светодиода, содержащая компенсированный слой, оптически активную область с одной или несколькими квантовыми ямами;

2. Экспериментальные характеристики гомо- и гетеропереходов на основе твердых растворов Alo.33Gao.67As, ОаАво.бРол и (А1хОа1_х)о.51по,5Р до и после облучения нейтронами, электронами, протонами и гамма квантами;

3. Компьютерная обработка экспериментальных характеристик на основе расчетных соотношений, вытекающих из математической модели, учитывающей режим высокого уровня инжекции в компенсированном слое, излучательную и безызлучательную рекомбинацию носителей во всех областях р+-п*-п+-структуры, включая квантовые ямы в компенсированном слое и низкоомных областях;

4. Оценка констант повреждаемости времени жизни и снижения силы света на основе экспериментальных результатов и математической модели;

5. Расчетные значения констант (т0Кх) при воздействии нейтронного, протонного, электронного и гамма облучения на светодиоды и свето-излучающие гомо- и гетероструктуры первого поколения, гамма и нейтронного облучения на гетероструктуры второго поколения.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, наиболее важные результаты и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализировано влияние проникающей радиации на электрофизические параметры материалов, катодо- и электролюминесценцию гомо- и гетероструктур иа основе бинарных соединений и твердых растворов А3В5: арсенида и фосфида галлия, арсенида фосфида галлия, арсени-да галлия алюминия, нитрида алюминия галлия индия. Проведено сравнение радиационной стойкости гомо- и гетероструктур первого и второго поколения. Проанализированы методы оценки радиационной стойкости, основанные на простой модели светодиода, содержащей гомо- или гетеро- р-п-переход и оптически активную область с неравномерным распределением центров излучательной рекомбинации.

Во второй главе проанализировано влияние структуры излучающего гомо- и гетероперехода и параметров активной области на вольт-люмен-амперные характеристики.

В основу математической модели была положена р+-п*-п+-структура, содержащая высокоомный компенсированный слой и оптически активную р+-, п+- или п -область с квантовыми ямами (в гетероструктурах второго поколения).

В основу расчета концентрации носителей, полей и токов в компенсированном слое положена система уравнений Херинга-Риттнера:

где по, ро, п, р - равновесные и неравновесные концентрации электронов и дырок; е - заряд электрона; Е - напряженность электрического поля; в, -диэлектрическая проницаемость материала; б0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; цп, цр - подвижность дырок и электронов; Ь = цп/цр - отношение подвижностей; тр - безызлучательное время жизни дырок; а - коэффициент безызлучательной рекомбинации.

Когда в левой части (1) преобладало первое слагаемое, распределение носителей в компенсированном слое находили из решения диффузионного уравнения и соответствующие теории получили название диффузионных.

Если коэффициенты инжекции гомо- или гетеро- р+-п - и п+-п -переходов равнялись единице, а рекомбинация носителей в компенсированном слое была линейной, реализовывалась модель Холла:

структур с «тонкой» (по сравнению с диффузионной длиной) и «толстой» п*-областью.

Здесь щ - концентрация носителей, в материале собственной проводимости, Бр, Ьр - коэффициент диффузии и диффузионная длина дырок, (1 -ширина компенсированного слоя, у - коэффициент захвата электронов и

(2)

с .1

соответственно для светоизлучающих

дырок Су„, Ур).

В зависимости от механизма рекомбинации (линейная или пропорциональная произведению концентраций) в правой части (1) преобладает первое или второе слагаемое.

При рекомбинации электронов через глубокие акцепторные (или дырок через донорные) центры излучательной рекомбинации в значительном интервале токов и температур, пока (р+0)»Муехр(-ПА/кТ), скорость излучательной рекомбинации линейна и сила света из компенсированного слоя равна:

уьДсь(а/ьр)-1][р(о)+р(а)] у тк(еу +1) ■ вЦа/ьр)-^ • ехр(- ед/кт)

где т;'=СрЫА> 6=Ср/Сп - отношение сечений захвата дырок и электронов центром рекомбинации акцепторного типа, У=(Ур+1У(Уп+1); Ур=(НиДТу)ехр(Е|.р/кТ). уи=(Н|.п/Нс)ехр(ЕиДТ) - коэффициенты захвата дырок и электронов соответственно; р(0) нр(»1) - концентрации дырок на границах компенсированного слоя.

Когда преобладала излучательная рекомбинация основных и неосновных носителей заряда, свободных и связанных экентонов. донорно-акцепторных пар, а также носителей на мелких, а при высокой температуре и на глубоких акцепторах (донорах), световой поток пропорционален произведению концентраций электронов и дырок и равен:

а Ру

V

Ф/прсЬс ~ 45Ь^/Ьр){[ЬрзЬ2(^/Ьр)-^] Рг(0)н

+ 2[Lpsh(d/Lp)(ch(d/Lp)-l)-ch(d/Lp)(Lpdl(2d/Lp)-2d)]■p(0).p(d)+ (4) + [ch2(^■УLPЖPsh(2d/Lp)-2d)+0>5Lpsh(2d/Lp)+d -

- Ьрзь(2с1/Ьр)(сь(2с1/Ьр)-!)]• р2 (а)}

где коэффициент излучательной рекомбинации (р) определяется механизмом люминесценции и в частном случае рекомбинации свободных электронов на акцепторных центрах Р=Сп(КА/Ыу)ехр(ЕА/кТ). Если излучательная рекомбинация линейна, то

_ тр[ЬусЬ(а / Ьр)+1] [сЬ(а / ьр) + ьу] [СЬ(а /ьр) -1].

-5 .ь (.5)

2еткЪ2узЬ (¿/Ьр)

а если она пропорциональна квадрату концентрации, но в компенсированном слое преобладает безызлучательная рекомбинация, то при d/Lp<l и (1/Ьр»1 получаем:

2Ртр(Ьу +1)2 ,2 рт^

IV =--J > 1у = ; 2,\ -Г- <б>

е2Ь2уа 8е ЬЬр

Если коэффициенты инжекции переходов в оптически активную ком-

пенсированную область равны единице, а концентрации носителей в этой области связаны нелинейным соотношением: пЫ^Ор2 или п2=0рМя, где Ия -концентрация центров рекомбинации:

1У = р|пр<1х = о

3/2

¥

1/2

ЬП1

спп5Ь3';2 (а/Ьп)

/л^ г «1х,

•что при с1/Ьр< 1 и (1/Ьр» 1 приводит к следующим соотношениям:

1у =

1у = Р

3

хт V/2

Ж ] О )

с! ' ■ е ' 3 М 1 ЧкТ

¡3/2

= --рЬпп?-ехр

>

еи

(7)

(8)

ВИ'-е*' 2 ' " ^ ЧкТ, Участок ВАХ, соответствующий данному случаю, впервые был рассмотрен Карагеоргий-Алкалаевым и Осиповым с Холодновым, которыми была получена следующая зависимость:

л/2

11.5кТ )

(9)

2 ьп и«/

В случае слабоуправляемой, как правило, жидкофазной технологии получения излучающих р-п-переходов, а также в результате воздействия внешних факторов, снижающих время жизни, величина отношения (<3/ЬР) в компенсированном слое может превышать 3, и кроме того, монотонное распределение носителей в длинных светодиодах сменяется на распределение с минимумом. ВАХ длинного несимметричного светодиода при преимущественной инжекции носителей в менее легированную р+-область имеет вид:

.¡ = А(и-ик)4,

(Ьу + 1) РрЬп (Ул2?

е

кТ

4 ( ъ ^

еРР

V 1р У

ЬУ & ехр(2с!/ьр)

(10) (И)

В =

е

кТ

роч

1тр j б1 ч а у

(12) (13)

На клайменовском участке ВАХ, когда имеет место существенная ин-жекция носителей в иизкоомные р+- и п+-области, ВАХ выглядит так:

1 = в(и-щ)2,

^ Ь(Ьу +1)

8Ь2(с1/Ьр)1112(л/к/сЬ(с1/ьР))

В (11) и (13) ро1 - концентрация основных носителей заряда, О0' - коэффициент диффузии, Ьп1 - диффузионная длина электронов в низкоомной р+-области

Для получения эффективной ЭЛ, снижения времени релаксации излучения и увеличения радиационной стойкости часто повышают уровень легирования оптически активной области активаторами люминесценции, причем в качестве последних обычно используют акцепторы.

Если структуры несимметричны, т.е. проводимость одной из областей значительно выше, чем другой, то в значительном интервале токов преоб-

ладает инжекция носителей в ту область, сопротивление которой выше. Интенсивность ЭЛ из относительно высокоомной оптически активной р+-области несимметричной р+-п"-п+-структуры равна:

= (14)

етк

Когда, наряду о инжекцией электронов в р+-область, имеет место эффективная инжекция дырок в п+-слой, выражение для уе несколько видоизменяется. Электрический ток .¡ = В(и-ик)2> а сила света, испускаемого р+-областью равна:

= (15)

ет^ Ъу + 1

Сила света из п+-области выглядит так:

тп

(16)

_1_

ет| Ьу + 1

В (14) и (16) т„ - общее, т^ - излучательное время жизни в р+-области, ТрП, Ть1 - общее и излучательное время жизни в п+-области.

Дрейфовые участки в основном описывают вольт-люмен-амперные характеристики светоизлучающих структур второго поколения, в данной работе из (ОахА11.х)о,зТпо.;Р, в которых излучательная рекомбинация преобладает в квантовых ямах, расположенных либо в компенсированном слое, либо на границе этого слоя с низкоомной областью.

Вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) при преобладании омической релаксации, бимолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме

Исходные уравнения, когда в левой и правой части выражения (1) основную роль играют вторые слагаемые, принимают следующий вид:

Лх др

(17)

До облучения скорости излучательной (Д) и безызлучательной рекомбинации в оптически активной компенсированной области сравнимы по величине. Однако после облучения Первая преобладает и при расчете тока II в (17) можно опустить.

Заменяя, исходя из соотношений размерности, в (17) Е на им, с1Е/с1х на и/<12, и исключая п из исходных уравнений, имеем:

еТь+Гцр ^ _ (и-ик)3/2 ■ (18)

" а

Сила света из компенсированного слоя, имеющего одну квантовую яму, выглядит так:

.2 '^Г /3, з Рг.ГрП^т?» 2/3

1У"зеМ3(Ь+1р ] • 1у~2 е2/3<12(Ь + 1) J ( }

соответственно для линейной и бимолекулярной рекомбинации носителей в квантовой яме.

Здесь V/ - ширина квантовой ямы; уп> ур - отношение числа электронов и дырок в квантовой яме и компенсированном слое.

В случае линейной рекомбинации носителей в компенсированном слое, заменяя в (1) Е на им, с1ЕЛ1х на и/с!3, опуская И. и исключая п из исходных уравнений, имеем:

■ Л,ецпцрЦ-РоК,(и_ик)2 (20)

»

Аналитические зависимости силы света от тока, параметров компенсированного слоя и размеров квантовой ямы имеют вид:

т л/3 /2Цдо-р0)Тр г 2Рг,Тр^(ро-Ро)тр . = \ е(Ь + 1>1 1У =---^ ( °

соответственно для линейной и бимолекулярной скорости излучательной рекомбинации носителей в квантовой яме.

ВЛАХ при преобладании времени пролета бимолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме

Когда в левой и правой части выражения (1) преобладают вторые слагаемые, исходные уравнения имеют вид:

Евео е с1х

^¿Е Е— ёх

Ь + 1

Ъцр

а

] = е(Ь + 1)п пЕ (22)

Используя, как и ранее, соотношения размерности, исключая п из исходных уравнений, опуская Я, для режима полупроводника (по > Ро * 0) имеем:

J = _l-----(и-иО (23)

4 а

Зависимости силы света из квантовой ямы, находящейся в компенсированном слое в случае линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации выглядят так:

(е*ео) п тр п 4 РУпУр^(е5ео)1/2(е/кТ)1/2П(/2тр/2 .

= ^--ез^(Ь+1)3/2с1 ^ (25)

ВЛАХ при преобладании времени пролета, мономолекулярной безызлучагельной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме

В данном случае в левой части выражения (1) основную роль играет третье, а в правой - первое слагаемое, и исходные уравнения принимают следующий вид:

е5ео е ёх

Е— ах

Ь+1

ьцр

■5- + ]*

j = e(b + l)|! пЕ (26)

1.тр

Заменяя Ес1ЕД1х на иУ<13. Е на считая пДр»И и исключая п, получаем участок В АХ Ламперта-Роуза:

. = (27) 8 а

Зависимости силы света из квантовой ямы, находящейся в компенсированном слое, в случае линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации имеют следующий вид:

^-Уп^д 3 (зУ/3 у^^еоц.тр)^ -2/з

ъ^-Аг) ега(Ь + 1)<12/3 ' ' (28)

В третьей главе рассмотрены методы облучения и контроля светоиз-лучающих структур до и после облучения.

У светодиодов измеряли вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ), спектры излучения, профили распределения заряженных центров (РЗЦ), концентрации и сечения захвата глубоких примесных центров методом термостимулированной емкости (ТСЕ).

ВЛАХ измеряли в автоматическом режиме во время облучения с использованием оригинальных методов и измерительных установок на базе персонального компьютера.

При измерении зависимости силы света от тока и напряжения свето-диод включался в прямом направлении при фиксированном напряжении. Величина тока задавалась последовательно включенными калиброванными

резисторами. Излучение регистрировалось кремниевыми фотодиодами. В процессе измерения фиксировалось прямое напряжение на нагрузке фотодиода.

По экспериментальным данным строились зависимости силы света от тока и напряжения при прямом смещении фотодиода.

Метод измерения РЗЦ основан на анализе параметров динамической барьерной емкости р-п-структуры. На исследуемую структуру одновременно подавалось напряжение постоянного смещения и малый периодический сигнал амплитудой несколько десятков милливольт, имеющий частотный спектр вида

Urn = Uao [sin (од t) + sin (ufe t)J (30)

Частоты ©i и o>2 различаются по величине на 5-10%.

Этот сигнал индуцирует на краю области пространственного заряда со стороны слабо легированного слоя малый заряд AQ, который модулирует ширину области пространственного заряда (W), задаваемую постоянным смещением. Таким образом, барьерная емкость р-п-перехода может быть представлена в виде двух последовательно включенных емкостей: постоянной барьерной емкости Со, определяемой постоянным напряжением смещения, и динамической барьерной емкости CD, возникающей в результате модуляции края области пространственного заряда.

= cd-^5. (31)

где е, е0 - относительная и абсолютная диэлектрические константы; S -площадь р-п-перехода; W - ширина области пространственного заряда (ОПЗ); AW - амплитуда модуляции ширины ОПЗ.

Переменное напряжение, возникающее на суммарной барьерной емкости р-п-перехода Cb^CV'+Cd"1)"1, будет состоять из суммы различных гармоник, одна из которых с частотой (со i +Юг)/2 содержит информацию о координате, т.е. точке, где измеряется концентрация заряженных центров (это край области пространственного заряда при заданном напряжении постоянного смещения), а другая на частоте (coi - оэ2), - о концентрации заряженных центров.

Указанные напряжения значительно разнесены по частотам и легко выделяются селективными усилителями.

По амплитудам гармоник с частотами fw = («>i +И2)/4т: и fu = (coi -co2)/2j[ операционного усилителя U(fw) и U(fN) однозначно определяются глубина профиля от границы сильно легированного слоя (W0) и концентрация ионизированной примеси N в этом слое по формулам:

W = ^.U(fw); N = í—^Т--í-7-v (32)

AQ V l S J 2q££0U(fN)

Как правило, все входящие в данное выражение параметры априорно известны. Принципиальным в этом методе является способ задания постоянной величины амплитуды заряда AQ. Это осуществляется включением ис-

следуемой структуры в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя. В этом случае входная и выходная измерительные цепи разделены и практически не влияют друг на друга.

Изменением напряжения смещения на исследуемой структуре создается массив взаимосвязанных данных, определяющих зависимость N(W).

Усреднение концентрации по глубине AW составляет приблизительно 1 нм при 600 экспериментальных точках на одной зависимости, что обеспечивает наблюдение профилей с градиентом концентрации £ 1-Ю25 см"4.

Измерение распределения профиля проводили в автоматическом режиме с компьютерным управлением и обработкой массивов данных на установке, любезно предоставленной проф. Ф.И. Маняхиным.

Для определения параметров глубоких примесных центров использовали метод термостимулированной емкости, Аналитическое выражение для определения энергетических уровней имело следующий вид;

где А - амплитуда пика производной;

Тю - температура максимума пика;

Бт - энергия активации для термоэмиссии носителя заряда с уровня;

а - параметр температурной зависимости коэффициента захвата (как правило, а = -2);

к - постоянная Больцмана.

Единственным подгоночным параметром является величина энергии термической активации, которую нетрудно оценить из экспериментальных кривых. Коэффициент захвата вычисляли по формуле:

С = V£Texp (eT/kTm)/kTa+4Nc. (34)

где V - скорость изменения температуры р-п-перехода или светодиода при измерении.

Светодиоды и светоизлучающие структуры облучали нейтронами с энергией > 0,1 МэВ. Использовались импульсные реакторы БАРС-2 и БАРС-4. Плотность потока составляла 1016 и 1018 н/см2-с, длительность импульса - 90-120 Мкс и 100 не соответственно. В качестве источника нейтронов с энергией 2,65 эВ использовался горизонтальный канал реактора ИРТ-2000 МГФИ. Спектр нейтронов измеряли активационным методом, а плотность потока с помощью серных пороговых детекторов. Для пересчета флюенса с энергией 2,65 МэВ во флюенс с энергией более 0,1 МэВ использовали соотношение: где фактор q = 4,7.

При облучении протонами использовали циклотроны У-150 и У-240 с следующих режимах: срр < 5-Ю10 п/см2-с; Ер = 18 МэВ и Ер = 70 МэВ.

При облучении электронами использовали ускоритель ЭЛУ-4 в следующем режиме: <ре S 1012 э/см2; Ее = 4 МэВ; микротрон М-10 с <р„ = 1012

э/см ; Ес = 4 МэВ и ускоритель электронов У12Ф: сре = 10 э/см ; Ее = 5 МэВ.

В качестве источника гамма квантов использовали кобальтовую пушку ГУ-2000. Энергия гамма квантов составляла 1.25 МэВ, срг = (0,5-2,0)-102 р/с.

В четвертой главе проанализированы воздействия нейтронного, протонного, электронного и гамма облучения на ВЛАХ А1о,ззСгао,б7Аз гетерост-руктуры.

Гетероструктуры были получены последовательной жидкофазной эпи-таксией на подложке р^-ваЛв, легированной цинком до уровня (2-5)-1019 см" 3, слоя р-А1о,ззОао,б7Аз, также легированного цинком (Р = 5-1017 см3), и двух слоев п-АЬсОаьхАз с Х=0,4-0,5, легированных теллуром. Протяженность оптически активной р-области составляла 5-7 мкм.

Экспериментальные ВАХ и 1у(и)-характеристики двух гетерострук-тур, измеренные в диапазоне 193-413 К, показаны на графиках рис. 1 и 2.

ВАХ состояли из двух экспоненциальных участков;

J = JslexP

eU

f eU

(35) 2,0 np: -1.5

с р1 - 1.83-2,16 и р: = 1,42-1,61. Величина коэффициентов р! не менялась в интервале температур 193-413 К и флюенсов до (0-5)-1013 н/см5. Температурная энергия активации тока jSl составляла 0,99 1,15 эВ, а ¡к: - 1,34-1,61 эВ и практически не изменялась при облучении.

1*1, А

< г »• «- S' б в Г

o.« 1.Ü М г,м

Рис. 1. 'Зависимости силы света п тока

от напряжения двух Ab.jjGaö.iiAs светоднодов до (1. Г) и после облучения Ф. н.см; 2, 2-1015. 3. 3-5-1015

i.a и, в

Рис. 2. ВАХ типичного АЬ.ззОао ^Ах светодиода до (1-6) и после (1'-б') облучения нейтронами с Ф=5 • 1013 н/см2 при следующих значениях температуры: 1, Г-193; 2, 2-213; 3, 3'-253; 4, 4'-300; 5, 5'-353; 6, 6-413

У небольшого числа гетероструктур после облучения на первом экспоненциальном участке ВАХ преобладающей становилась туннельная компонента электрического тока (кривая 3' рис. 1).

Л = Лх ехр(«и). (36)

Величина тока ^вг и росла в среднем на порядок при облучении нейтронами с флюенсом 5-1013 н/см2 (рис. 1).

Зависимость силы света от напряжения в широком интервале напряжений и флюенсов выглядела так (рис. 3):

= (37)

причем при Ф = 5-Ю13 н/смг сила света у большинства гетерострукгур снижалась в среднем на порядок величины, а у некоторых не менялась при облучении (рис. 3). При высокой плотности тока ^©-характеристика становилась линейной.

Т.к. светодиоды, как правило, работают при заданном токе, то больший практический интерес представляет изменение при облучении 1у(1)-характеристик. На графиках рис. 4 показаны эти характеристики для типичной гетероструктуры при различных флюенсах облучения.

В широком интервале плотностей электрического тока, соответствующих второму экспоненциальному участку ВАХ, ~ I3'2 и сила света снижается на 2-2,5 порядка при флюенсе 5-Ю13 н/см2.

Рис, 3. 1у(и> - характеристики двух Alo.33Gao.67As структур до (1, 2) и после (Г, 2') облучения нейтронами с Ф = 5 -1013 н/смг

Рис. 4. Зависимость силы свата от тока при значениях флюенса нейтронного облучения Ф, н/см2; 1 - 0; 2 - 10!2; 3 - 5-Ю12; 4 - 1013, 5 - 5 -1013

Изменение тока и силы света при нейтронном облучении Alo.33Gao.67As р+-р(п)-п+-гетероструктур получает качественное объяснение в рамках модели, содержащей оптически активный высокоомный компенсированный р-слой, в котором механизмами переноса электрического тока и возбуждения ЭЛ являлась двойная инжекция.

Выбор данной модели зависит от структур излучающего гетероперехода, которая определяется присутствием в области инверсии проводимости не только мелких, но также глубоких примесных центров с энергией ионизации 0,13; 1,3; 0,5; 0,6 и 0,7 эВ относительно дна зоны проводимости, концентрация которых в ряде случаев была сравнима с концентрацией акцепторов. Это дает основание полагать, что оптически активная р-область сильно компенсирована и уже при малой плотности тока в ней имеет место режим высокого уровня инжекции. В пользу данной модели свидетельствует изучение зависимости тока от флюенса нейтронного облучения.

Для первого участка ВАХ (01 ~2,0), в случае преобладания рекомбинации в высокоомном компенсированном слое в режиме двойной инжекции, величина «тока насыщения» описывается выражением (2).

Если в результате облучения в основном имеет место генерация центров безызлучателыюй рекомбинации, концентрация которых являегся линейной функцией флюенса, то:

— = ~ + КтФ (38)

Тп Т0п

и зависимость тока от флюенса с учетом выражения (2) выглядит следующим образом:

6Л))2-1 = т0пКтФ. (39)

Для второго экспоненциального участка с р2 ~1,5, используя (8) и (36),

имеем: (гуо/1у)2"1 = т0пК.тФ> (40)

Рассчитанная величина произведения (топКт). оцененная по снижению силы света при фиксированном напряжении, составила (2,2±0,6)-10~12 см2/н, что в пределах погрешности эксперимента согласуется с определенной по изменению ВАХ при облучении.

Для светодиодов основой является зависимость силы света от параметров активной области и, в данном случае, от флюенса нейтронного облучения в режиме генератора тока.

Используя (8) и (38) получаем:

(ГУОЛУР-^хопК,«», (41)

где п = 2/3 в случае "короткого" и 4/5 для "длинного" светодиода.

Формула (41) с п = 4/5 является основополагающей. Она использована для оценки величины (толКт) не только при нейтронном, но также протонном, электронном и гамма облучении.

Статистические оценки величины (топК*) при различных видах облучения дали следующие результаты: (топКт) = (1,4±0,9)-10~12 см2/н (при облучении нейтронами с энергией £ 0,1 МэВ); (4,5±0,8>10~12 см2/п (при облучении протонами с энергией 18 МэВ); (1,3±0,2>10~13 сма/э (при облучении электронами с энергией 10 МэВ) и (З.^О.б^Ю-8 см2 (при облучении гамма квантами с энергией 1,25 МэВ).

В пятой главе исследовано воздействие электронного, нейтронного, протонного и гамма облучения на ВЛАХ ОаЛ:>о,бРо,4 р+-п*-п+-структур.

Исследуемые переходы получены диффузией цинка из сплава с галлием (соотношение 1:10) в парах фосфора. Эпитаксиальные пленки, в которые проводили диффузию, содержали 0,37-0,41 мольной доли фосфора. Ширина запрещенной зоны в Г-минимуме при X = 0,40 составляет 1,91 эВ при комнатной температуре и 1,94 эВ при 0 К. В Х-минимуме Е8 равны 2,00 и 2,03 соответственно. Пленки были легированы теллуром до концентрации (4-10)-1016 см"3. Концентрация дырок в р+-области, измеренная методом Ван-дер-Пауэ, составляла 8-1018 - 6-1019 см"3, а подвижность - 90-20 см2/(В-с). Ширина компенсированного слоя, определенная из анализа вольт-фарадных характеристик, составляла десятые доли микрометра. Время жизни неравновесных носителей заряда в активной области, измеренное по спаду интенсивности электролюминесценции (ЭЛ), лежало в пределах (20-50)-10"9 с.

Зависимости тока и силы света от напряжения при различных флю-енсах показаны на рис. 5. До и после облучения с флюенсом ниже некоторого порогового значения, ВАХ состояли из двух экспоненциальных и двух степенных участков, последовательно сменявших друг друга:

1 = 1аехр

еЦ ДкТ

+ 132ехР

еи ив(и_ик2}+Ц^. (42)

чР2кТ,) ^ Я

и, в

Рис. 5. Зависимости тока и силы света от напряжения до и после облучения электронами.

, «»7-ишш элсшронами.

ф. Э/СМ : 1,1' - 0; 2,2' - 2-10» »'см2; 3,3' - 2-1015 э/смг; 4 -

2-101' э/см2

как доВтаЛкИГп1К„?Ф|ИЦИеНТа Р' Пер°ð ^«онепциального участка ВАХ

ЖТ,?^ В Т0М ЧИСЛС С Флюенсом выше порогового составляла 1,96-2,17 в широком диапазоне температур. Плотность тока

растала в среднем в 3 раза после флюенса (1-2)401в э/см3 Гм поп^Г

гда флюенс превышал пороговое Значение' Те^рат^наяш.ргш^Т

Пии тока до облучения составляла 0 93-1 02 эВ те бьтя л™, а"

При плотности тока свыше 10"3 А/см2 как до, так и после обл™ения ,

с^е~~ногового'отмечалась более ~„:рГмен;яа!

оГ;™ИГ- Т1 Г,ВИСИМ°Т Т0Ка 0Т На"Ря™ с Р- 1.65-1,85 до

300 К возрастала в 3-5 раз после Ф - о''^ п™™ости тока при активации приблизительно равняясь 1,1-1 2И 3-1 ТэВнаТ^ *ШРПИ ром участке, причем величина произведения; ' В Ш ПерВ°М И ВТ°"

р1Е, = р2Е2=Е8.

При флюенсах выше порогового значения (6-1016-2.1017 э/см21 втоло»

1 = А(и-ик4)4

неличина коэффициента А равнялась (1,8-0,9)-10"4 и <2 4-11ГГ3 л/п*

ГЛ^ЛЕГ — * » «гехГ

1а1. А.

и

1-1ИК ¿¿У 2-21Ж

3-23Ж

4-254К 5 - 273К З-ЗООК

7--323К

8-357К

9-373К. 10»398К. Н-4131С

■Л.

-1 -0.5

0.5 1«(хт-ик),в

Рис. 6. Степенные участки ВАХ после облучения электронами с флюенсом 2-Ю17 э/см2 в диапазоне температур 193-413 К

Второй степенной участок ВАХ:

1=В(и-ик2)2 (44)

наблюдался при флюенсах как ниже, так и выше пороговых, причем величина В = 0,5-2,8 А/В2 до облучения при 193-413 К и В = 3-Ю"4 - 3,7-10~3 А/В2 при крайних значениях температуры после облучения с Ф » 2-1017 э/см2 (рис. 5, 6).

Согласие экспериментальных и расчетных ВАХ позволяет оценить константы повреждаемости времени жизни и снижения силы света. Используя (!) и (38) для первого экспоненциального участка ВАХ, зависимость тока от флюенса можно записать в следующем виде:

(Ш-1 = -Ч)КхФ, (45)

где т0К, = (2,0±1,6)-10'1в см2/э, Кх = Ю-8 см2/эс.

Сильная зависимость значений коэффициентов А и В от флюенса объясняется тем, что эти коэффициенты являются экспоненциальной функцией времени жизни.

Энергетические уровни и концентрация ловушек при флюенсах выше пороговых наиболее точно можно определить из температурной зависимости и абсолютных значений коэффициентов А и В степенных участков ВАХ. Однако относительно большое число параметров, входящих в расчетные формулы (11) и (13) затрудняют интерпретацию экспериментальных результатов. Целесообразно трансформировать эти формулы таким образом, чтобы сократить число параметров и исключить из них сомножители, являющиеся экспоненциальной функцией величины отношения (сЗ/Ц).

Поделив В2 на 4А выражения (11) и (12), имеем:

4А

еррЬ'п

Ср(Ьу + 1)

■Б.

(46)

Экспериментальные зависимости 1п(В2/4А) от (кТ)"1 для трех р-п-переходов показаны на рис. 7.

ЬЦВ'МА), А

«

3"

«ТкТГ'Деи)'1

Рис. 7.

В диапазоне 373-233 К значения Вг/4А экспоненциально росли с температурой и энергией активации 0,15-0,17 эВ. В соответствии с выражением (46) в случае ионизации электронных и дырочных ловушек в компенсированном слое и акцепторов в р+-области энергия активации

Еакт = ЕА + Е1,п-Е4,р> (47)

Если пренебречь прилипанием электронов при температуре свыше 213233 К (см, ниже), а энергия ионизации акцепторов цинка в ОаАБо.бРол равна 0,043 эВ, то из графиков рис. 7, используя выражение (47), можно определить энергию ионизации дырочных ловушек: Е(,р £ 0,11-0,13 эВ. Концентрацию их нетрудно оценить из условия, что при температуре 375-398 К, они полностью ионизированы, т.е. Иц, ехр(Е^р/кТ) = КГУ и Иу, £ (0,6-1,0)-1018 см"3 в области низких температур. Согласно (47) Е1п £ Е, р + ЕА£ 0,15-0,17 эВ.

Поскольку прилипание электронов проявляется только в области низких температур, то это свидетельствует об относительно малой концентрации электронных ловушек. При температуре 213-233 К величина ^„ехр^п/кТ) = Мс и Ы^п ~ (0,3-2,3)-1014 см'3, если преобладает прилипание легких электронов на уровнях, ассоциированных с Г-минимумом зоны проводимости, и (0,14-

1,1)-1016 см"3, если прилипают тяжелые электроны на уровнях, ассоциированных с Х-минимумом.

По величине силы света и ее зависимости от тока и температуры, светодиоды можно разделить на две группы. У более эффективных р-п-переходов первой группы сила света пропорциональна току в степени три вторых на экспоненциальных участках ВАХ и току на степенном участке ВАХ.

Спектры ЭЛ р-п-переходов первой группы до и после облучения состояли из двух полос с максимумами в районе 1,96 и 1,92 эВ, что отвечает более эффективной экситонной ЭЛ в компенсированной п*-области и более радиациошю-стойкой ЭЛ электронов на нейтральных центрах цинка в р+-области.

На графиках рис. 8 приведены зависимости силы света от тока и флюенсов облучения р-п-переходов первой группы при комнатной температуре.

Согласно математической модели (выражение (7)) зависимость силы света от флюенса можно представить в следующем виде:

Ivo

Uv J

-1 = тоКтФ-

(48)

Рис. 8. Зависимости силы света от тока р-п-переходов первой группы до и после облучения. Температура 300 К

Определенная экспериментально величина (ХоК,) = (4,3±2,9)-10~15 см2/э, что несколько выше значения, полученного ранее из анализа зависимости тока от флюенса. Учет влияния центров прилипания позволяет устранить это различие.

Проведенные статистические исследования зависимости силы света от флюенса нейтронного, протонного и гамма облучения позволили опреде-

лить константы повреждаемости при данных видах воздействия: (т0К„) = (0,95±0,45)-10~13 см2/н, (т0Кп) = (5,0±0,40>10~13 см2/п и (т0Кг) = (3,3±0>8)-10"8 см2/рад.

Более высокая радиационная стойкость светодиодов из ОаАэо.еРои по сравнению с приборами на основе А1о,ззОао,б7Аз, по-видимому, связана с наличием наряду с краевым излучением более радиационностойкой примесной полосы ЭЛ электронов на нейтральных атомах цинка в р+-области р+-п -п+-структуры.

В шестой главе рассмотрены результаты воздействия нейтронов и гамма квантов на вольт-люмен-амперные характеристики и параметры активной области эффективных светодиодов нового поколения на основе (А1хОа! .х)о,з1по.}Р гетер оструктур.

Типичная многослойная гетероструктура изображена на рис. 9.

На подложке из сапфира, арсенида или фосфида галлия толщиной 350 мкм выращивали первый слой АЬсйаюсАз. Второй слой (А1хОа1.х)о,з1по,5Р п-типа, легированный теллуром, с X = 0,7 - 1,0 толщиной 0,5 мкм служил инжектором электронов в нелегированную (А1хОа1.х)о,з1по,зР оптически активную область, содержащую одну или несколько квантовых ям, состав которых (величина X) определял цвет свечения. Легированный магнием слой р-(А1хОа] ,х)о,з1по.5Р с повышенным содержанием алюминия позволял создавать гетеропереход, эффективно инжектирующий дырки в активную область. Максимум спектральной кривой светодиодов с красным цветом свечения лежал при 630-650 нм, с желтым - при 560-590 нм

ч

0 100 мкм

!%■ Аи+ В»

1П)(<»»|.хР; р-тйп; Мц: 10" ем?

х»0,7-1,0; р-тал; Мд

<а(«(;8И,ХМгч5Р

Кчиго»»<| яма

П »0.3(|р>сиы||, «о (ж»г»Т»и>. 692 ИМ)\

/£А1х<5й+хЬ^Шо.г.Р; »"<7-1.0; п-гип; Т»; 10™ «м*

СаАе{<5»Р); п-тип; Т»; {0,2 -4); 10" см*

к Активная

<Ллае»ь

Рис.

Параметры гетероструктур до облучения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Прямое падение и сила света гетероструктур

Цвет, А.т„, Л8 20 мА 40 мА

подложка обр. и„„. В 1у, кД и„„, В кД

1 2 3 4 5 6

1 1,94 0,054 2,06 0,113

Красный, 2 1,96 0,058 2.06 0,117

640 нМ, фосфид 3 1,95 0,058 2,07 0,116

галлия 4 1,96 0.055 2,08 0,113

5 1,96 0,056 2,08 0,113

Ср. 1,95 0,056 2,07 0,114

1 2,26 0,313 2,47 0.591

2 2,41 0,326 2,69 0,627

Желтый, 590 3 2,43 0,320 2,73 0,607

нМ, фосфид гал- 4 2,39 0,324 2,68 0,619

лия 5 2,40 0,322 2,70 0,611

Ср. 1,38 0,321 2,65 0,611

Экспериментальные результаты по влиянию облучения на профили распределения заряженных центров показаны на рис. 10.

Рис. 10. Профили распределения заряженных центров в активной области СД с красным (1, 1') и желтым (2, 2') цветом свечения до (1, 2) и после флюенса 4,7-Ю13 н/смг (Г, 2')

Концентрация в легированных областях практически не менялась, а ширина компенсированного слоя заметно возрастала.

Из данных рис. 10 следует, что светодиоды имели р+-п*-п+-гетероструктуру с шириной компенсированной активной п -области 0,150,25 мкм до облучения и 0,22-0,3 мкм после воздействия электронов с флю-

енсом 4,7-1015 н/см2.

ВАХ светодиодов, излучающих в красной области спектра, до и после облучения приведены на рис. 11. На рис. 12 показаны зависимости «фактора неидеальности» от напряжения. Значения р = 2,0 в интервале 1,3 - 1,6 В и Р = 1,5 при 1,62-1,75 В.

Из данных рис. 11 и 12 следует, что эмпирическим зависимостям соответствуют аналитические (2) и (9), отвечающие модели р+-п*-п+-структуры, когда излучательная и безызлучательная рекомбинация преобладает в компенсированной п -области, где расположены одна или несколько квантовых ям. Возрастание токов насыщения 1б1 и связано со снижением безызлучательного времени жизни вследствие генерации центров рекомбинации, причем согласно (2), (9) и (38) зависимость тока от флюенса имеет следующий вид:

О'А^-^оКтФ.

(49)

и-1 • -2

р« 2.0

и

—Г—

I*

ал

Рис. 11. ВАХ СД с красным цветом

свечения до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 - Ф, 0=0; 2 - Ф = 4,7-Ю13 н/см2, Э = 107 рад; 3 - Ф = 4,7-1015 н/смг

Рис. 12. Зависимость «фактора неидеальности» ¡1 от напряжения и флюенса нейтронного и дозы гамма облучения 1 - Ф =0, И - 0- 107 рад;

2 - Ф = 4,7-101! н/сма

Используя экспериментальные значения тока до и после облучения из (49) имеем (т0К,) = (4,2±1,3)-10~14 см2/н.

Степенной участок ВАХ отвечает дрейфовой модели Рашба-Толпыго (выражение (22) второй главы). Зависимость тока от флюенса, согласно этой модели, выглядит так:

1(ф)/1(0) = 1 + тОрКгФ (50)

и экспериментальное значение (т0Кх) = (1,1 ± 0,3)-10'14 см2/н.

Экспериментальные зависимости силы света от тока и флюенсов нейтронного облучения представлены на графиках рис. 13.

До облучения и после небольших флюенсов и доз облучения зависи-

мость 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.

Аналитические зависимости силы света из квантовой ямы приведены во второй главе (выражение (23)).

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

1у(0)/1у(Ф) = (1+Т0рК,ф)\ (51)

где п = 0,5 в случае линейной и п = 1,0- «квадратичной» скорости излуча-тельной рекомбинации. При токе 10"2 А люмен-амперная характеристика почти линейна, а отношение 1У (0)/I у (Ф) = 102 ■

iv

Рис. 13. Зависимость силы света от тока, флюенса нейтронного и дозы гамма облучения. Ф, н/см2; Б, рад. 1-Ф, 0 = 0;2-Ф = 4,7* 1012;

3 - И = 107; 4 - Ф = 4,7'1013; 5 - Ф = 4,7-Ю15

При п = 0,5 величина произведения (т0Кп) = (5,3 ± 2,1>10'14 см2/н, а при п = 1,0 (г0Кп) = (2,7 ± 1,8)-10'14 см2/н. Первая величина лучше согласуется с ранее полученным значением.

ВАХ светодиодов с желтым цветом свечения и значения «фактора неидеальности» до и после облучения приведены на рис. 14 и 15.

В интервале напряжений 1,5-1,9 В и токов 107—10-3 А ВАХ отвечает модели Холла, согласно которой рекомбинация преобладает в компенсированной области светодиода. Ток насыщения относительно слабо меняется с облучением, что, согласно (2), может являться следствием частичной компенсации изменения времени жизни генерацией дырочных ловушек.

Степенные участки ВАХ гетероструктур, излучающих в желтой об-

ласти, приведены на рис. 16.

До облучения, а также после относительно небольших флюенсов и доз облучения в интервале токов 10"1 - 10"' А имела место линейная зависимость тока от напряжения, которую прп токе свыше 10"' А сменяла степенная, описываемая выражением (23) с п = 2,0. После нейтронного облучения с флюенсом 4,7-1015 н/смг появлялась качественно новая степенная зависимость, описываемая выражением (27) с п = 3,0. Величина коэффициента В снижалась примерно на порядок, в то время как при гамма облучении она

практически не менялась.

и

м-

а-»"

Д*

/

& р- 2,0

Рис. 14. 13АХ СД. излучающих в желтой области спектра, до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 - Ф = 0: 2 - Ф = 4.7-1013 нем2. И = 10' рад: 3 - Ф = 4,7-10" н.'см1; 4 - Ф = 4,7-Ю1' н'см2

•М « 1.1 Ч 32 ** » X» «,■

Рис. 15. Зависимости «фактора неидеальности» от напряжения

1.Л

Рис. 16. Степенные участки ВАХ гетероструктур с желтым цветом свечения

до и после облучения нейтронами и гамма квантами. 1 - Ф, О = 0; п = 1,0 и 2,0, В = 0,055 А/В, ик = 1,78 В; 2 - Э = 0, О = 107 рад, п =* 1,95, В = 0,051 А/В2, ик - 1,78 В; 3 - Ф = 4,7-Ю15 н/см2, п = 3,0, В =0,0045 А/В5, ик - 1,45 В.

У данных гетероструктур при облучении менялся характер зависимо-

сти тока от напряжения. Если до облучения и при малых флюенсах нейтронного облучения показатель степени п = 2,0, что характерно для преобладания омической релаксации: ^ = ссо/'ст> то при максимальных значениях флюенса п = 3,0, что свидетельствует о преобладании времени пролета 1пр = <12/ци. Это может иметь место вследствие роста проводимости и ширины компенсированного слоя при облучении. Таким образом у гетерострук-тур с желтым цветом свечения при нейтронном облучении кроме времени жизни изменялись остальные параметры компенсированного слоя.

Зависимость силы света от тока и флюенса облучения приведены на рис. 17.

Рис. 17. Зависимость силы света от тока, флюенса нейтронного и дозы гамма облучения. 1-Ф, 0 = 0;2-Э = 106рад; 3 - О = 107 рад; 4 - Ф = 4,7'1013 н/см2;

5 - Ф = 4,7'10" н/см2

Зависимость силы света от флюенса описывалась выражением (41) с п = 1,0. Величина произведения (ТоК„) = (2,4 ± 1,4>10'14 см2/н, что практически совпадает с аналогичным значением данного произведения у гетерост-руктур с красным цветом свечения.

По радиационной стойкости гетероструктуры второго поколения на 12 порядка превосходят гомо- и гетероструктуры первого поколения.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертационной работе впервые проведено комплексное исследование воздействия нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов на светоизлучающие р-п-структуры первого поколения на основе Alo.33Gao.67As и ОаАзо.бРо.д, нейтронов и гамма квантов на гетероструктуры второго поколения на основе (А1хОа).х)о,51по,}Р с красным и желтым цветом свечения.

2. На основе экспериментальных данных и классических диффузионных

и дрейфовых теорий двойной инжекции разработана математическая модель светоизлучающей гомо- и гетероструктуры, содержащей компенсированный слой, одну или несколько квантовых ям в этом слое или низкоомных областях р+-п -п+-структуры. Выведены расчетные зависимости силы света от тока, напряжения, флюенса и дозы облучения.

3. На основании экспериментального исследования В АХ и 1\(и,1)-характеристик Alo.33Gao.67As р+-р*-п+-структур при разных флюенсах (дозах) нейтронного, электронного, протонного и гамма облучения установлена зависимость тока и силы света от интегрального потока:

(1уо/1у)4//5 -1= тоКтФ и определены константы повреждаемости:

(топК„) - (1,4±0,9>10-12 см2/н; (то„К„) = (4,5±0,8>1(Г12 см2/п;

(топКэ) = (1,3±0,2)-10~13 см2/э; (т0пКу) = (3,1±0,6)-10-8 см2/рад.

4. В результате детального анализа изменения ВАХ ОаА8о,бРо.4 структур при электронном облучении подтверждена трехслойная р+-р -п+-структура, в которой ширина компенсированного р*-слоя до облучения и при малых флюенсах была меньше, а после флюенса 6-101б-1017 э/см2 больше диффузионной длины, что приводило к появлению характерных степенных участков

1=В(и-ик4)4 и 1=В(и-ик2)г. Определенные из температурной зависимости и величины тока на этих участках энергетические уровни и концентрации радиационных дырочных и электронных ловушек составили: Е,.р = 0,11-0,12 эВ, = (0,6-1,0>1018 см"3, Е,,п = 0,15-0,17 эВ, >},.„ = (0,3-2,3)-10й см"3.

5. Экспериментальные зависимости силы света от напряжения и тока, а также спектры ЭЛ до и после облучения соответствовали предположению, что краевое излучение свободных носителей заряда или экси-тонов преобладало в компенсированном слое, а примесная ЭЛ электронов на нейтральных центрах цинка в р+-области. На основании экспериментальных данных и расчетов получена аналитическая зависимость силы света от флюенса: (ДуоДу)2''3 = тоКтФ при заданном токе. Определенные константы повреждаемости составили: (топКн) = (0,95±0,45)-10~13 см2/н; (х01,К„) = (5,0±0,40)-10-13 см2/п; (т0пКэ) = (4,3±2,9)-10~15 см2/э; (топКу) = (3,3±0,8)-10~8 см2/рад.

6. На основе комплексных измерений распределения заряженных центров в активной области, электрических и световых характеристик (А1хОа1.х)о,51по,5Р светодиодов с красным и желтым цветом свечения было установлено, что они представляют собой р+-п -п+-гетероструктуру с шириной компенсированного слоя 0,15-0,30 мкм, которая менялась при облучении.

7. Экспериментальные вольт-амперные характеристики до и после облучения соответствовали классическим диффузионным и дрейфовым

моделям двойной инжекции:

I = iS1exp(g), I = Is2e*py^)

I = A(U-Uk)4. I=B(U-Uk)2, I = C(u-Uk)3, что позволило оценить величину произведения (ТыК* ) =

(2,4±5,3)-10~и см2/н для гетероструктур с красным и (2,1±0,4)-10~14 см2/н - с желтым цветом свечения.

8. Экспериментальные зависимости силы света от тока, напряжения и флюенса нейтронного облучения соответствовали расчетным, выведенным в предположении, что излучательная рекомбинация имела место в квантовых ямах, расположенных в компенсированном слое.

9. Зависимость силы света от флюенса выглядела следующим образом:

1у(0)/1у(Ф) = (1+т0пК„Ф)п, где п = 0,5, (х0пК„) = (5,3±2,1>10-14 см2/н для гетероструктур с красным и п = 1,0, (топКп) = (2,4±1,4)-10~14 см2/н - для гетероструктур с желтым цветом свечения.

10. По силе света, надежности, времени наработки, радиационной стойкости светодиоды второго поколения с красным и желтым цветом свечения существенно превосходят светодиоды первого поколения.

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ:

1. Селезнев Д.В. Анализ влияния облучения на светоиндикаторы из Alo.33Gao.67As И В сборнике «Моделирование и исследование сложных систем» трудов международной научно-технической конференции «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». М.:МГАПИ. 2004. С.91-102.

2. Абрамов B.C., Рыжиков И.В., Селезнев Д.В. Исследование воздействия нейтронного и гамма облучения на вольт-люмен-амперные характеристики и параметры активной области мощных сверхярких (AlxGai.x)o,5lno,5P с красным и желтым цветом свечения // В сборнике трудов международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» под редакцией акад. РАН Гуляева Ю.В. М: МГАПИ. Т. 3, 2005, с. 42-56.

3. Рыжиков И.В., Селезнев Д.В. Исследование влияния нейтронного и гамма облучения на электрические характеристики и силу света (AlxGai-x)o.5lno,5P гетероструктур с красным и желтым цветом свечения // Журнал «Технологии приборостроения», М. 2005, № 4 (16), с. 11-22.

4. Рыжиков В.И., Селезнев Д.В. Анализ влияния структуры излучающего р-п-перехода и параметров активной области па силу света и ее изменение при воздействии внешних факторов // В сборнике «Моделиро-

вание и исследование сложных систем» трудов МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». М.:МГАПИ. 2004. Т.2. с. 61-75.

5. Абрамов B.C., Рыжиков И.В., Селезнев Д.В. Математическая модель светоизлучающих гетероструктур на основе твердых растворов фосфида и нитрида галлия, индия, алюминия, облученных нейтронами и гамма квантами // В сборнике трудов МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании» под редакцией акад. РАН Гуляева Ю.В. М.: МГАПИ, 2005, с. 67-78.

6. Абрамов B.C., Рыжиков И.В., Селезнев Д.В. Воздействие нейтронного и гамма облучения на сверхяркие гетероструктуры на основе нитрида галлия, индия, алюминия зеленого и синего цвета свечения // // В сборнике трудов МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании» под редакцией акад. РАН Гуляева Ю.В. М: МГАПИ, 2005. Т. 3, с. 57-73.

7. Рыжиков В.И., Селезнев Д.В., Белоусов Е.Д. Модель светодиода на основе твердого раствора GaAs0 6P0>4, облученного электронами. // В сборнике «Моделирование и исследование сложных систем» трудов МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры». М.:МГАПИ. 2004. Т.2. с. 76-90.

Тираж 100 экз. Заказ № 67 Типография МГУПИ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МАТЕРИАЛОВ, КАТОДО- И ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ ГОМО- И ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ БИНАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ А3В5.

Выводы.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ИЗЛУЧАЮЩЕГО р-п-ПЕРЕХОДА И ПАРАМЕТРОВ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ НА ВОЛЬТ-ЛЮМЕН-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ТЕОРИЯ).

2.1. Введение.

2.2. Электролюминесценция из оптически активного слоя р-пили гетероперехода в режиме малого уровня инжекции.

2.3. Электролюминесценция из оптически активного компенсированного слоя в режиме высокого уровня инжекции в диффузионном приближении теории.

2.4. ЭЛ из оптически активных низкоомных р+- и п+-областей р+-р(п)-п+-структуры.

2.5. Электролюминесценция из оптически активного слоя в дрейфовом приближении теории.

2.5.1. Основные положения и расчетные соотношения.

2.5.2. Вольт-люмен-амперные характеристики (ВЛАХ) при преобладании омической релаксации, бимолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной ремобинации в квантовой яме.

2.5.3. ВЛАХ в случае преобладания омической релаксации, мономолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме.

2.5.4. ВЛАХ при преобладании времени пролета бимолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейнойи бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме.

2.5.5. ВЛАХ при преобладании времени пролета, мономолекулярной безызлучательной рекомбинации в компенсированном слое, линейной и бимолекулярной излучательной рекомбинации в квантовой яме.

Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОБЛУЧЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ СТРУКТУР ДО И ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОННОГО, ПРОТОННОГО, ЭЛЕКТРОННОГО И ГАММА ОБЛУЧЕНИЯ НА ВОЛЬТ-ЛЮМЕН-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ AIo,33Ga<,,67As ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ.

4.1. Исследование структуры и методики облучения.

4.2. Экспериментальные результаты по изменению ВАХ и силы света при нейтронном облучении.

4.3. Обсуждение экспериментальных результатов и расчет констант повреждения при нейтронном облучении.

4.4. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов протонами.

4.5. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов электронами.

4.6. Снижение силы света и расчет константы повреждаемости при облучении светодиодов гамма квантами.

Выводы.

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННОГО, НЕЙТРОННОГО, ПРОТОННОГО И ГАММА ОБЛУЧЕНИЯ НА ВОЛЬТ-ЛЮМЕН-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ GaAs0.6P0.4 p+-p(n)-n+-СТРУКТУРЫ.

5.1. Исследуемые приборы, структуры и методика облучения.

5.2. Экспериментальные ВАХ до и после облучения.

5.3. Обсуждение экспериментальных ВАХ и определение констант повреждаемости.

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

5.5. Обсуждение экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и определение констант повреждаемости.

5.6.Статистические исследования влияния электронного, нейтронного, протонного и гамма облучения на силу света.

5.6.1.Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов электронами.

5.6.2. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов нейтронами.

5.6.3. Снижение силы света и расчет констант повреждаемости при облучении светодиодов протонами.

Выводы.

ГЛАВА 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕЙТРОННОГО И ГАММА ОБЛУЧЕНИЯ НА ВОЛЬТ-ЛЮМЕН-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ АКТИВНОЙ ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНЫХ СВЕРХЯРКИХ (AlxGa1.x)o,5lno,5P

ГЕТЕРОСТРУКТУР С КРАСНЫМ И ЖЕЛТЫМ ЦВЕТОМ

СВЕЧЕНИЯ.

6.1. Исследуемые гетероструктуры и методика облучения.

6.2. Распределение концентрации заряженных центров в гетероструктурах до и после облучения.

6.3. Вольт-люмен-амперные характеристики (Alo^GaojVsIno.sP гетероструктур с красным цветом свечения до и после облучения.

6.4. Вольт-люмен-амперные характеристики (Alo,4Gao,3)o,5^0,5? гетероструктур с желтым цветом свечения до и после облучения.

6.5. Обсуждение экспериментальных результатов и оценка константы повреждаемости времени жизни.

Выводы.

Разработанные в 70-80-х гг. светодиоды, цифро-знаковые индикаторы, табло, экраны и элементы шкалы на основе бинарных соединений и твердых растворов А3В5 нашли широкое применение в устройствах и приборах индикации, сигнализации, контроля и отображения информации малой мощности как гражданского, так и спецприменения. Помимо «грязного» цвета свечения, не соответствующего стандартам, эти светодиоды имели низкую эффективность и силу излучения - единицы или десятки милликанделл, тогда как в обычных светотехнических устройствах этот параметр должен составлять тысячи и десятки тысяч канделл.

Необходимые потребителям комплексные исследования по влиянию проникающей радиации (нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов) проводились в ограниченном масштабе.

В 90-х гг. за рубежом, в основном в Японии и США, были созданы эффективные полупроводниковые источники излучения второго поколения, способные заменить лампы накаливания и люминесцентные источники в светотехнических приборах большого радиуса действия, таких как шоссейные и железнодорожные светофоры, бакены и маяки, бортовые сигнальные и осветительные огни, дополнительные сигналы торможения, дорожные знаки информационные табло, лампочки для шахтеров и т.д.

Если в светодиодах первого поколения лишь гетероструктуры на основе AlxGai.xAs/GaAs, излучающие в красной области спектра (110-180 нм) обладали высоким внешним квантовым выходом (5-8%) при светоотдаче до 5 лм/ватт, то у светодиодов на основе твердых растворов алюминия-индия-галлия-фосфора, излучающих в красной и желтой области спектра квантовая эффективность составила 12-18%. У лабораторных образцов она достигала 40-60%, а светоотдача достигала 150 лм/ватт.

В 1996 г. были разработаны эффективные светодиоды (СД) для зеленой (530 нм) и голубой (460 нм) области спектра на основе гетероструктур AlxGai.xN/InxGa]xN/GaN с квантовой эффективностью 79%. Совместное использование «синих» светодиодов и желтого люминофора позволило создать источник белого света по светоотдаче превосходящий лампы накаливания. Разработаны мощные светодиоды на ток до 1 А, способные заменить лампы накаливания, люминесцентные и другие источники освещения при напряжении питания не более 5 В и существенной экономии электроэнергии.

В настоящее время данное направление оптоэлектроники бурно развивается. В 1999 г. объем выпуска сверхярких мощных светодиодов составил 100 млн. шт. Ежегодный прирост капиталовложений в эту область, начиная с 1996 г. составляет 40% и к 2006 г. достиг 3 млрд. долларов США. Число публикаций превышает 1000 наименований в год.

По оценкам специалистов внедрение светодиодов в светотехнику сейчас происходит быстрее, чем в свое время транзисторов в радиоэлектронику. Поэтому сложившееся положение называют промышленной революцией в оптоэлектронике.

Несмотря на большой объем публикаций по использованию, разработке и применению эпитаксиальных гомо- и гетероструктур первого и второго поколения, в известной нам литературе отсутствуют данные по систематическому изучению влияния проникающей радиации на светодиоды первого и особенно второго поколения.

Актуальность работы

Маломощные светодиоды, устройства и приборы сигнализации и отображения информации первого поколения в настоящее время широко применяются как в гражданской, так и бортовой аппаратуре. Анализ заявок потребителей показывает, что существует еще большая потребность применения разработанных в последнее время эффективных сверхярких светодиодов в бортовой (включая космическую), военной аппаратуре и ядерной радиоэлектронике. Необходимым условием их использования в этих областях является информация по воздействию проникающей радиации, особенно быстрых нейтронов и гамма квантов на электрические и светотехнические параметры и характеристики с последующим присвоением группы стойкости. Поэтому систематические исследования в области радиационной деградации радиационной стойкости светоизлучающих структур первого и второго поколения являются весьма актуальными.

Цель работы

Целью данной работы являлось систематическое исследование воздействия нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на характеристики и параметры излучающих в красной и желтой области спектра гомо- и гетероструктур: Alo^Ga^As, GaAs0,6Po,4, (AlxGa1.x)o,5lno,5P и оценка радиационной стойкости светодиодов, приборов и устройств отображения информации на основе этих структур.

Данная цель достигалась постановкой и решением следующих задач:

1. Разработкой конструкции и технологии изготовления светодиодов всех основных цветов, пригодных для проведения испытаний на воздействие нейтронов, протонов, электронов и гамма квантов на стандартном оборудовании.

2. Созданием автоматизированной аппаратуры и методик для комплексного измерения параметров и характеристик структур до и после облучения с компьютерной обработкой результатов измерений.

3. Разработкой методик измерения электрофизических параметров материала активной области и структуры светодиода, оценки констант повреждаемости времени жизни (Кх) и снижения силы света (тоКх).

4. Разработкой программ для аппроксимации экспериментальных вольт-люмен-амперных характеристик и их эволюции при облучении.

Научная новизна заключается:

1. В исследовании воздействия протонного облучения на параметры и характеристики структур первого поколения, нейтронного и гамма облучения - на гетероструктуры второго поколения.

2. В усовершенствовании и использовании метода измерения распределения заряженных центров в активной области облученных светодиодов на основе анализа динамической барьерной емкости структур до и после облучения.

3. В разработке математической модели влияния структуры и параметров активной области р-n и р+-р(п)-п+ гомо- и гетеропереходов в диффузионной и дрейфовом приближении теории.

4. В выводе на основе матмодели аналитических зависимостей изменения вольт-люмен-амперных характеристик светодиодов при облучении.

5. В определении на основе экспериментальных данных и расчетных зависимостей констант повреждаемости времени жизни и снижения силы света при облучении гомо- и гетероструктур первого и второго поколения.

Практическая ценность работы заключается:

1. В разработке методов определения констант повреждаемости и снижения силы света, т.е. в количественной оценке радиационной стойкости светодиодов.

2. В расчете коэффициентов относительной эффективности воздействия различных видов облучения на силу света, что позволяет существенно снизить объем и стоимость экспериментальных исследований.

3. В создании базы определения квалификационной группы стойкости светодиодов в соответствии с ГОСТом В.39.404-81 РФ.

Реализация и внедрение результатов работы

Данная работа выполнялась в рамках программы фундаментальных исследований ОИТВС РАН «Организация вычислений с использованием новых физических принципов», которая входила в программу фундаментальных исследований отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН и проекта «Разработка теоретических и конструктивно-технологических основ создания эффективных, мощных, надежных и радиационно-стойких светодиодов нового поколения на основе твердых растворов», входящего в вышеуказанные программы. Результаты внедрены в ОАО «Оптрон», ЗАО «Пола +» и ЗАО «Корвет» и использованы при составлении ТУ, конструкторско-технологической документации, справочных и информационных материалов на выпускаемые и вновь разрабатываемые приборы.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на МНТК «Информационные технологии в науке, технике и образовании», Аланья, Турция, 9-14 мая 2004 г., на десятой МНТК «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры», г. Севастополь, 9-17 сентября 2004 г., на МНТК «Информационные технологии и моделирование электронных приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности аппаратуры», Сусс, Тунис, 9-16 октября 2005 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Основная часть диссертации изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 7 таблиц.

Выводы

1. Проведены комплексные измерения электрических и световых характеристик гетероструктур на основе (AlxGai.x)o,5lno,5P//GaP с красным и желтым цветом свечения в широком интервале токов, п напряжений, доз гамма (до 10 рад) и флюенсов нейтронного

If л облучения (до 4,7-10 н/см). Измерения проводили в автоматизированном режиме с компьютерной обработкой результатов измерений.

2. Из измерения профилей распределения заряженных центров в активной области было установлено, что светодиоды представляют собой р+-р(п)-п+-гетероструктуру с шириной компенсированного слоя 0,15-0,30 мкм, в котором содержится одна или несколько квантовых ям.

3. Вольт-амперные характеристики до и после облучения соответствовали известным диффузионным и дрейфовым 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.

4. Рассчитанные на основе экспериментальных характеристик и математической модели константы снижения силы света (тОКх) и повреждаемости времени жизни составили (4,2+1,3)-10-14 см2/н и (2,4+1,4)-10-14 см2/н, соответственно из анализа вольт-амперных и люмен-амперных характеристик гетероструктур с красным цветом свечения и (2,1+0,4)-10-14 см2/н - с желтым. Гамма облучение не оказывало существенного влияния на электрические и световые характеристики до дозы 107 рад.

5. По радиационной стойкости гетероструктуры на 1-2 порядка превосходят гомо- и гетероструктуры на основе твердых растворов A10,33Ga0,67As и GaAs0,6P0,4.

118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертационной работе впервые проведено комплексное исследование воздействия нейтронов, электронов, протонов и гамма квантов на светоизлучающие р-п-структуры первого поколения на основе Alo,33Gao,67As и GaAs0,6Po,4, нейтронов и гамма квантов на гетероструктуры второго поколения на основе (AlxGa^xVsIno.sP с красным и желтым цветом свечения.

2. На основе экспериментальных данных и расчетов разработана математическая модель гомо (гетеро) структур в диффузионном и дрейфовом приближении теории двойной инжекции.

3. Для анализа экспериментальных результатов, прогнозирования радиационной стойкости, определения констант повреждаемости времени жизни и снижения силы света при облучении на основе матмодели рассчитаны зависимости силы света от параметров материала активной области, тока, напряжения и флюенса (дозы) облучения как для простого гомо- или гетероперехода с оптически активной p-n-областью в режиме малого уровня инжекции, так и более сложной трех-четырехслойной р+-р(п)-п+-структуры, содержащей компенсированный слой, в режиме высокого уровня инжекции.

4. На основании экспериментального исследования ВАХ и IV(U,I)-характеристик Alo^Gao^As структур при разных флюенсах нейтронного, электронного, протонного и гамма облучения установлена зависимость тока и силы света от интегрального потока: ivo/lv)^5"1 = тоКтФ и определены константы повреждаемости: топК„) = (1,4±0,9)-10~12 см2/н; (т0пКп) = (4,5±0,8>10"12 см2/п; юпКэ) = (1,3±0,2)-10~13 см2/е; (т0пКу) = (3,1±0,6>1(Г8 см2/рад.

5. В результате детального анализа изменения ВАХ GaAs0,6Po,4 структур при электронном облучении подтверждена трехслойная р+-р(п)-п+-структура, в которой ширина компенсированного р-слоя до облучения и при малых флюенсах была меньше, а после флюенса б-Ю'МО" э/см2 больше диффузионной длины, что приводило к появлению характерных степенных участков I = A(u-Uk)4 и I=B(U-Uk)2. определенные из температурной зависимости тока на этих участках энергетические уровни и концентрации дырочных и электронных

18 —3 ловушек составили: Et;P = 0,11-0,12 эВ, Nt>p = (0,6-1,0)-10 см , Et>n = 0,15-0,17 эВ, Nt,n = (0,3-2,3)-1014 см-3.

6. Экспериментальные зависимости силы света от напряжения и тока, а также спектры ЭЛ до и после облучения соответствовали предположению, что краевое излучение свободных носителей заряда или экситонов преобладало в компенсированном слое, а примесная ЭЛ электронов на нейтральных центрах цинка в р+-области. На основании экспериментальных данных и расчетов (2 глава диссертации) получена аналитическая зависимость силы света от флюенса:

1уо/1у)2/3"1 = тоКтФ ПРИ заданном токе. Определенные константы повреждаемости составили: (топК„) = (0,95±0,45)-10-13 см2/н; (т0пКп) = (5,0±0,40)-10"13 см2/п; (тОпКэ) = (4,3±2,9>10-15 см2/э; (топКу) = (3,3±0,8>10"8 см2/рад.

7. На основе комплексных измерений распределение заряженных центров в активной области, электрических и световых характеристик (AlxGai.x)o,5ln<),5P светодиодов с красным и желтым цветом свечения было установлено, что они представляют собой р+-р(п)-п+-гетероструктуру с шириной компенсированного слоя 0,15-0,30 мем, которая менялась при облучении.

8. Вольт-амперные характеристики до и после облучения соответствовали классическим диффузионным и дрейфовым моделям двойной инжекции: е1Л . ( eU л

I = IslexP > I = Is2exP 2kTy l,5kT

1=в(и-ик)2Л=с(и-ик)3, что позволило оценить величину произведения (топКп) = (2,4±5,3)-10 14 см2/н для гетероструктур с красным и (2,1±0,4)-10~14 см2/н - с желтым цветом свечения.

9. Экспериментальные зависимости силы света от тока, напряжения и флюенса нейтронного облучения соответствовали расчетным, выведенные в предположении, что излучательная рекомбинация имела место в квантовых ямах, расположенных в компенсированном слое.

10. Зависимость силы света от флюенса выглядела следующим образом:

1у(о)/1у(ф) = (1+топКпФ)П, где п = 0,5, (ТОпКп) = (5,3±2,1>10"14 см2/н для гетероструктур с красным и п = 1,0, (т0пКп) = (2,4± 1,4)-10"

14 см2/н - для гетероструктур с желтым цветом свечения.

11. По силе света, надежности, времени наработки, радиационной стойкости светодиоды второго поколения существенно превосходят светодиоды первого поколения.

121

1. Barnes С.Е. Neutron damage in GaP Light-emitting diodes.// Appl. Phys. Let. 1972. V.22.N3.P.110-112

2. Epshtein A.S., Share S., Polimadei R.A. and Herzog A.H. Gamma irradiation and annealing effect in nitrogendoped GaP green and yellow Light-emitting diodes//IEEE Trans Nucl. Scient.//1972 NS19.N6. P.386-390.

3. Уваров Е.Ф. Электрофизические свойства полупроводниковых соединений А3В5, облученных быстрыми электронами и нейтронами// Обзор по электронной технике. М.: 1979. Вып.9. 68 с.

4. Уваров Е.Ф., Храмцов А.П. Оптические и люминесцентные свойства облученных широкозонных полупроводников А3В5//Обзор по электронной технике. М.: 1979. Вып. 11. 72 с.

5. Stanley A.G. Comparison of light emitting diodes in a space radiation environent//IEEE Trans Nucl. Scient. 1970. V.NS. N6. P.234-244.

6. Epshtein A.S., Share S., Polimadei R.A., Herzog A.H. Effect of neutron irradiation on GaAsP electroluminescent diodes.// Appl. Phys. Let. 1973. V.23. N8. P.472-474.

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

8. Epshtein A.S., Share S., Polimadei R.A., Herzog A.H.// IEEE Conference on Nuclear and space radiation Effects//San Diego-California. 1976.

9. Nuese C.I., Shade H. and Herrick D. Effiency degradation of GaAsP electroluminescent diodes due to high-energy electron irradiation.//Met. Trans. 1970. V.5. P.587-592.

10. Shade H., Nuese C.I. and Herrick D. Defect centers in GaAsP electroluminescent diodes due to high-energy electron irradiation.//J. Appl. Phys. 1970. V.41. N9. P.3873-3789.

11. Nuese C.I., Shade H. and Herrick D. Effiency degradation of GaAsi.xPx electroluminescent diodes due to high-energy electron irradiation.// Metal. Trans. 1970. V.l. N3. P.587-591.

12. Kaminski P., Kot W., Nizinski Z. and Roszkiewics K. Deep electron traps in GaAsP:N and GaAsP:N light emitting diodes//Acta Physica Polonica. 1982. V.A7L. N3. P.453-456.

13. Lang D.V., Logan R.A. and Kimerling L.C. Identification of the defect state, associated with a gallium vacancy in GaAs and AlGaAs.//Phys. Rev. V. 15.N.10. P.4874-4882.

14. Селезнев Д.В. Анализ влияния облучения на светоиндикаторы из Alo,33Gao,67As//B сб. «Моделирование и исследование сложных систем».'М.:МГАПИ. 2004. С.91-102.

15. Рыжиков В.И. Методы контроля радиационной деградации и оценки радиационной стойкости светодиодов на основе нитрида галлия//В сб. «Моделирование и исследование сложных систем», М.: МГАПИ. ISBN-8068-0197-7,2004. Т.1. С.3-7.

16. Kalma А.Н., Corelli I.C. Radiation effects in Semiconductors.//Snanum Press. N4. 153 p.

17. Kolchenko T.I., Lomako I.M. Remuved and scattering charge carriers bydeffects clusters in Semiconductors.//Phys.Stat.Solidi. 1971. V.3(a). P.263-269.

18. Mc Nichols I. L.,Berg N. I. Newtron-induced metallic spike zones in GaAs/ЛЕЕЕ Trans on Nuclear Scientific, 1974. V.S. 18. #6, P.21-30.

19. Shockley W. The theory of p-n junctions in semiconductors and p-n junctions transistors.//Bell Sest.Tech.J. 1949. V.28. N.3. P.435-490.

20. Barns C.E. Neutron damage in GaP(ZnO) light-emitting diodes.// Appl. Phys. Let. 1977.V.48. N5. P.1921-1927.

21. Herring C. Bell Sest.Tech.J. 1949. V.28. N.401. P. 172-181.

22. RittnerE.S. Phys Rev. 1954. V.94. P.l 161-1172.

23. Hall R.N. Power rectifiers and transistors // Proc. IRE. 1952. P. 1512-1518.

24. Адирович Э. И., Карагеоргий-Алкалаев П. М., Лейдерман А. 10. Токидвойной инжекции в полупроводниках. М.: Сов. Радио. 1978. 320 с.

25. Акимов Ю. С., Рыжиков И. В. Инжекция электронов и дырок в изоляторы и полупроводники //Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы. 1972. № 4. Т. 1. С. 3-29; Т. 2. № 4. С.47-76.

26. Лейдерман А. Ю., Рабинович Ф. Я., Карагеоргий-Алкалаев П. М. Ктеории двойной инжекции в компенсированных полупроводниках. //Изв.АН УзбССР. Сер.Физ.Мат.Наук. 1969. №6. С.51-57.

27. Осипов В.В., Холоднов В.А. Теория диодов с излучательной и безызлучательной примесной рекомбинацией//Физика и техника Полупроводников. 1970. Т.4. Вып. 12. С.2241-2252.

28. Paramenter R.H., Ruppel W.S. Appl. Phys. 1959. V. 39. P.1548-1555.

29. Ламперт M., Марк П. Инжекционные токи в твердых телах/Пер. с англ.//М.: Мир. 1973. 146 с.

30. Рашба Э.И., Толпыго К.Б. Прямая вольт-амперная характеристика плоскостного выпрямителя при значительных токах //ЖТФ. 1956. Т.26. Вып.7. С.1419-1426.

31. Lampert М.А., Rose A. Phys. Rev/1961. V. 121. Р, 26-31.

32. Горюнов Н.Н., Клебанов Н.П., Лукашов Н.В., Маняхин Ф.И. импульсный трехчастотный метод измерения параметров заряженных центров в области пространственного заряда полупроводниковых структур//«Приборы и системы управления». 1999. № 10. С.34-42.

33. Маняхин Ф.И., Кодак А. Метод контроля технологии светодиодных структур//«Компоненты и технология». 2005. № 6. С. 236-238.

34. Берман Л.С., Лебедев А.А. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках//Л.: Наука. 1981. 176 с.

35. Булярский С.В., Радаууан С.Н. Определение параметров глубоких центров с помощью модифицированного метода термостимулированной емкости//ФТП. 1981. Т. 15. № 7. С. 1443-1446.

36. Булярский С.В. Глубокие центры безызлучательной рекомбинации в светоизлучающих приборах/Кишинев: Штинда, 1987. 103 с.

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

38. Алферов Ж.И. История и будущее полупроводниковых гетероструктур //ФТП. 1988. Т. 32, № 1. С.3-18.

39. Алферов Ж.И., Чиковани Р.И., Чармакадзе Р.А. и др. Высокоэффективные светодиоды в красной области спектра на основе гетеропереходов в системе AlAsGaAs//OTTI. 1972. Т.6. Вып.И. С. 1189-2291.

40. Алферов Ж.И. Письма в журнал технической физики. 1997. №3. С.657.

41. Craford M.G. Properties on electrolum. of the GaAsi.xAsPx ternary system//Progress in solid state chem. V.8. 1973. P. 127-165.

42. Munoz E., Snyder W.L., Moll J.L. Effect of arsenic pressure on heat treatment of liquid epitax. GaAs//Appl. Phys. Lett. 1970/ V.16. # 2. P. 262273.

43. Pegler P.L., Grimshaw J.A. Electrical measurement on electron irradiation n- and p-GaAs//Radiat. Eff. 1972. V.15. № 2. P.183-193.

44. Кравченко A.C., Принц В.Я. Зависимость энергетического спектра уровней, вводимых облучением электронами в GaAsP и AlGaAs от состава//ФТП. 1978. Т.12. С.1612-1614.

45. Lang D.V., Logan R.A. and Kimerling L.C. Identification of the defect state, associated with a gallium vacancy in GaAs and AlxGai.xAs.//Phys. Rev. 1977. V. 13. № 10. P.4874-4882.

46. Рыжиков В.И. Контроль радиационной стойкости мощных светодиодов на основе широкозонных полупроводников//Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2004. 100с.

47. CORVETTE-LIGHTS HIGH BRIGHTNESS LEDS & LIGHT SIGNALING SYSTEMS1. CORVETTE1. Ь ft » VL ¥ ¥ <t I & Г I~1. К О 1* Ь tT Л Л Й Т С.1. АКТвнедрения диссертационной работы аспиранта МГУПИ Селезнева Д.В.

48. Исследование радиационной деградации и оценка радиационной стойкости светодиодов на основе гомо-и гетероструктур первого и второго поколения на базе трех- четырехкомпонентных твердых растворов А3В5»

49. В ЗАО «Корвет-Лайте» внедрены следующие результаты диссертационной работы Селезнева Д.В.

50. Алгоритмы и программы для компьютерной обработки результатов измерений электрических и светотехнических характеристик мощных сверхярких светодиодов.

51. Результаты испытаний на длительную наработку (life-time) и ускоренных испытаний.

52. Методы исследования радиационной деградации сверхярких светодиодов нового поколения с красным и желтым цветом свечения и оценки их радиационной стойкости.1. Генеральный директор1. Долин Е.В./105058, Russia, Moscow, Mironovskaya st, bid. 10 A.

53. Tel.: +7 095-913-99-21, +7 095-369-06-94. Fax: +7 095-913-99-21, +7 095-742-87-71 E-mail: liqhts@corvette.ru. WWW: http://www.corvette-liqhts.ru.

54. В ЗАО ПОЛА+ внедрены следующие результаты диссертационной работы Селезнева Д.В.

55. Оптимизация установок и разработка методов диагностики и ускоренных испытаний на надежность светодиодов на основе (AlxGa1.x)o,5Ino,5P/GaP

56. Оценка гамма ресурса по результатам испытаний на длительную наработку до 10 ООО ч.

57. Передача результатов испытаний светодиодов на воздействие проникающей радиации для использования в технической документации и присвоения соответствующей группы стойкости.

58. Генеральный директор А ЙЦербаков Н.В./