Исследование и прогнозирование радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия

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 фотои 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.

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 фотои 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 ри 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 8,0×1 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 1,2×10″ 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 (6,0×10'7 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».