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.

Основные термины (генерируются автоматически): силы света, зависимости силы света, гамма квантов, флюенса облучения, зависимость силы света, Влияние применения метанола, радиационной стойкости, Экспериментальные зависимости силы, дырочных ловушек, флюенса гамма квантов, МэВ величина произведения, тока силы света, сила света, силу света, флюенсах облучения, света макетов светодиодов, гамма облучения, изучение зависимости силы, характеристики тепловыделения, радиационной стойкости светодиодов.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle