Библиографическое описание:

Зайцев С. Н. Влияние нейтронов, протонов, электронов и гамма-квантов на вольт-амперные характеристики GaP(Zn-Te(S)-N) светодиодов // Молодой ученый. — 2012. — №12. — С. 67-70.

Введение

В данной работе описаны методы контроля и сравнительной оценки радиационной стойкости светодиодов из фосфида галлия, излучающих в желто-зеленой области спектра, широко применяемых в гражданской и спецаппаратуре.

Практически единственным методом контроля радиационной стойкости и определения константы повреждаемости, описанным в литературе, является изучение зависимости силы света (IV) от флюенса (дозы) облучения при малой плотности тока, когда IV является экспоненциальной функцией напряжения и описывается классической формулой Шокли [1]:

(1)

где р – время жизни носителей в активной области;

n - показатель степени функции NR = axn, описывающей распределение активаторов люминесценции в этой области.

Проведенные нами предварительные исследования показали, что зависимость силы света от флюенса (дозы) нейтронного, протонного, электронного и гамма облучения при фиксированном напряжении и токе менее 10-3 А имеют следующий вид:

(2)

т.е. показатель степени n в выражении (1) равняется единице.

Это соответствует модели излучающего светодиода с равномерным распределением активаторов люминесценции в оптически активной области.

Однако, как правило, светодиоды работают при заданном токе, номинальное значение которого превышает 10-3 А. При номинальных токах наблюдаются отличные от (1) зависимости тока силы света от напряжения. При токах свыше 10-3 А преобладают степенные участки ВАХ. Зависимости силы света от тока флюенса линейны, пока величина последнего при нейтронном облучении не превышала 31013 н/см2.

Для интерпретации экспериментальных результатов, в частности зависимости силы света от тока и флюенса облучения, нами предложена более сложная p+-p(n)-n+-структура излучающего перехода, в котором ширина компенсированного слоя в зависимости от уровня легирования n-области донорами составила 0,1 – 0.4 мкм. Излучательная рекомбинация при малых токах преобладала в компенсированном слое, а при номинальном токе 10-2 - 10-1 А в n+-области. Аналитические зависимости силы света от тока, флюенса и электрофизических параметров активной области, согласно [3] могут быть записаны в следующем виде:

(3)

, (4)

где 0,р, р – время жизни дырок в n+-области до и после облучения;

R - излучательное время жизни носителей в этой области;

- коэффициент захвата дырок в компенсированном слое;

Nt,p – концентрация дырочных ловушек;

Еt,pэнергия ионизации дырочных ловушек.

Выражения (3) и (4) являлись основополагающими при анализе зависимости силы света от тока, флюенса и параметров активной области.

Пока bр < 1 ( ≤ 3.41013 н/см2) зависимость силы света от флюенса линейна, что является следствием снижения безызлучательного времени жизни из-за генерации облучением центров рекомбинации: антиструктурных дефектов (атомов галлия в узлах фосфора) с энергией ионизации 0,9 эВ и большим сечением захвата [3]. При обратном знаке неравенства (bр > 1) сила света была пропорциональна Ф-2 вследствие генерации центров рекомбинации и дырочных ловушек.

Формула (4) являлась основополагающей при оценке констант повреждаемости и прогнозировании радиационной стойкости. При этом использовался линейный участок IV(Ф)-характеристики.

Экспериментальные результаты

Светоизлучающие структуры были получены последовательным эпитаксиальным наращиванием слоев n- и р-типа на подложку фосфида галлия, легированного серой до уровня 31017 см-3. Концентрация цинка в р-области составляла 21017 – 2,51018 см-3. Концентрация доноров (серы или теллура) и изоэлектронной примеси азота в оптически активной n-области у разных образцов менялись в пределах 51015 – 51017 и 51017 – 21018 см-3 соответственно в зависимости от требуемого цвета (спектра) излучения.

Светодиоды облучали нейтронами с энергией 0,1 МэВ. Использовались импульсные реакторы БАРС-2 и БАРС-4. Плотность потоков составляла 1016 и 1018 н/см2с, длительность импульса – 90 – 120 Мкс и 100 нс 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 [2,3]. Для пересчета флюенса с энергией 2.65 МэВ во флюенс с энергией более 0,1 МэВ использовали соотношение: Ф0,1 = qФ2,65, где фактор q = 4.7 [2].

При облучении протонами использовали циклотроны У-150 и У-240 в следующих режимах: р ≤ 51010 пр/см2с; Ер = 18 МэВ и Ер = 70 МэВ.

При облучении электронами использовали ускоритель ЭЛУ-4 в следующем режиме: е ≤ 1012 э/см2; Ее = 4 МэВ; микротрон М-10 с е = 1012 э/см2; Ее = 4 МэВ и ускоритель электронов У12Ф: е = 1012 э/см2; Ее = 5 МэВ.

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

Исследование зависимости силы света от облучения нейтронами подробно исследованы в работе [2]. Константы повреждаемости времени жизни (0,рКn) лежали в пределах (1,3 – 2,0)10-12 см2/н при энергии нейтронов свыше 0,2 МэВ. При энергии пучка 2,65 МэВ величина произведения была в 2-3 раза выше.

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

В таблице 1 приведены значения (IV0/IV) при разных флюенсах облучения. При каждом значении флюенса, используя выражение (4) определяли величину произведения (0,рКр).

Таблица 1

Зависимости (IV0/IV) от флюенса протонов с энергией 18 МэВ

Ф, р/см2

21011

61011

11012

21012

41012

(IV0/IV)

10,4

29.2

50,0

93,1

196,2

(0,рКр)

4,810-11

4,710-11

5,110-11

5,010-11

4,910-11

Средняя величина (0,рКр) составила (4,9 0,1)10-11 см2/р.

В таблице 2 представлены зависимости (IV0/IV) от флюенса при Е= 70 МэВ. Также в каждой точке рассчитывали величину произведения (t0,рКр).

Таблица 2

Зависимости (IV0/IV) от флюенса протонов с энергией 70 МэВ

Ф, н/см2

1011

31011

51011

21012

4,21012

(IV0/IV)

13,0

31,0

59,0

240,0

500,2

(t0,рКр)

1,1×10-10

1,0×10-10

1,3×10-10

1,2×10-10

1,15×10-10


Средняя величина (t0,рКр) составила (2 0,2)10-10 см2/р и была примерно в два раза больше, чем при энергии 18 МэВ.

Экспериментальные зависимости силы света от флюенса облучения

электронами с энергией 4 – 5 Мэв и расчет константы повреждаемости

В таблице 3 приведены значения (IV0/IV) при различных флюенсах облучения электронами при энергии 5 МэВ.

Таблица 3

Зависимость (IV0/IV) от флюенса электронов с энергией 5 МэВ

Ф, э/см2

2×1012

2×1013

7×1013

1×1014

3×1014

(IV0/IV)

1,26

3,6

10,8

16.4

43,1

(t0,рКе)

1,4×10-13

1,3×10-13

1,5×10-13

1,6×10-13

1,2×10-13


Средняя величина (t0,рКе) = 1,4×10-13 см2/е.

У трех партий светодиодов значения (t0,рКе) лежали в пределах (0,6 -2,0)10-13 см2/е.

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

Исследовано влияние облучения гамма квантами с энергией 1.25 Мэв на силу света макетов светодиодов без линз и покрытий до доз 108 рад и серийных светодиодов и индикаторов до доз 6106 рад. На рис. 1 приведены зависимости силы света от тока 7 светодиодов до и после облучения дозой гамма квантов 6106 рад. При малых токах сила света снижалась в 5 – 7 раз, а в области рабочих токов в среднем в 2 раза. Величина произведения (t0,рК), оцененная из экспериментальных (IV0/IV)-характеристик при разных дозах с помощью выражения (4) составила (3,3 1,2)10-7 рад-1 или (1,3 0,6)10-13 см2.


Рис. 1. Зависимости силы света от тока серии из семи макетов светодиодов до (1) и после (2) облучения гамма квантами с энергией 1,25 МэВ и дозой 6106 рад


В таблице 4 приведены зависимости (IV0/IV) от флюенса гамма квантов для макетов светодиодов без линз или полимерных покрытий, а также рассчитанные в каждой точке величины произведения (t0,рК).

Таблица 4

Зависимость (IV0/IV) от флюенса гамма квантов с энергией 1,25 МэВ

Ф, см-2

1×1012

3×1012

2×1013

6×1013

2×1014

(IV0/IV)

1,1

1,4

3,2

8,2

33,1

(t0,рК)

1,3×10-13

1,4×10-13

1,1×10-13

1,2×10-13

1,6×10-13


Средняя величина (t0,рК) = 1,4×10-13 см2, что совпадает с ранее полученным значением.

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

На графиках рис. 2 показаны кривые зависимости относительной силы света (IV0/IV) от флюенсов протонного, нейтронного, электронного и гамма облучения.

Рис. 2. Типичные зависимости силы света от флюенсов протонного (18 и 70 МэВ), нейтронного ( 0,1 МэВ), электронного (5,0 МэВ) и гамма (1,25 МэВ) облучения


Для всех видов воздействий справедлива аналитическая зависимость (4), что служит подтверждением применимости используемой нами модели светодиода.

В таблице 5 приведены коэффициенты относительной эффективности (КОЭ) для каждого вида воздействия.

Таблица 5

Коэффициенты повреждаемости и коэффициенты относительной эффективности (КОЭ) для различного вида воздействий

Вид воз действия


К-ты

Нейтроны,

см2/n, 0,1 МэВ

Протоны, см2/р, 18 МэВ

Протоны, см2/р, 70 МэВ

Электроны, см2/у, 5,0 МэВ

Гамма кванты, см2/рад, 1,25 Мэв

(t0,рК)

1,3×10-13

4,9×10-11

1,2×10-10

1,4×10-13

1,3×10-13

КОЭ

1

37,7

92,3

0,105

0,092


Из данных таблицы следует, что КОЭ определяются энергией и массой частиц, вызывающих радиационную деградацию.

Коэффициенты повреждаемости определяются также материалом, из которого изготавливается светодиод. У светодиодов с желто-зеленым цветом свечения в целом они на один - два порядка выше, чем у светодиодов, излучающих в красной области спектра. Это является следствием преобладания излучательной рекомбинации в рафинированных, менее легированных слоях n-типа. В GaP(Zn-O) светодиодах оптически активная р-область относительно сильно легирована цинком и кислородом, что приводит к снижению как излучательного, так и безызлучательного времени жизни и, как следствие, величины произведения (t0,рК). В слоях р-типа значительная часть вакансий фосфора занята атомами кислорода, что приводит к снижению концентрации антиструктурных дефектов Gaр, снижающих время жизни при облучении. И, наконец, генерация дырочных ловушек уменьшает силу света из n+-области, не влияя на ЭЛ из р+-слоя.


Литература:

  1. Barnes C.E. Neutron damage in GaP:Zn-O light-emitting diodes//J.Appl. Phys. V.48. N 5. P. 1921-1927.

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

  3. Званцев А.А., Крамер-Агеев Е.А., Рыжиков И.В. Радиационные изменения характеристик светоизлучающих p-n-переходов из фосфида галлия//Препринт МИФИ-08-088. М.: 1988. 13 с.

  4. Зайцев С. Н. Контроль и оценка радиационной стойкости GaP-(Zn-O) светодиодов при облучении нейтронами / С. Н. Зайцев // Технические науки в России и за рубежом (II): материалы междунар. заоч. науч. конф. (г. Москва, ноябрь 2012 г.). — М.: Буки-Веди, 2012. — С. 29-34.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle