AlGaInP材料LED的電子束輻照效應的PL譜分析

于莉媛 劉 超 牛萍娟 吳英蕾

（1.天津工業大學電氣工程與自動化學院 天津 300387 2.天津工業大學電子與信息工程學院 天津 300387 3.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

1 引言

(AlxGa1-x)0.5In0.5P是一種寬禁帶直接帶隙材料，對其中的Al的摩爾組分x進行調節，能夠使材料的能隙寬度和 GaAs襯底有更好的晶格匹配，進而發光復合幾率大、發光效率較高。其帶隙寬度在1.9eV～2.3eV之間變化，在紅光（650nm）到藍綠光（560nm）相當寬的波長范圍內可以實現超高亮度的發光二極管（light-emitting diodes,LEDs）[1]。AlGaInP材料 LEDs主要應用于戶外的多彩顯示、汽車尾燈和作為聚合物光纖（POF）通信的光源等。AlGaInP材料LEDs 的結構比較復雜，包含有多量子阱層、限制層以及DBR層等。在材料生長過程中，對材料組分的控制成為難點，摻入 Al組分帶來的氧污染也使材料的發光效率變低。同時，在載流子注入的過程中，由于電子遷移率高于空穴，沒有被限制在有源層的電子將會在有源層外發生復合，降低了有源層內的電子-空穴復合幾率，進而降低內量子效率。

在近年來的研究中，研究人員發現可以利用電子束輻照手段，對載流子注入的半導體器件，例如LEDs等進行深入研究，可以應用電子束輻照引起的器件性能的變化去揭示關于電子注入對殘余雜質和結構性缺陷的效應影響；另外，LEDs作為半導體器件也會可能暴露于地球或空間的輻照環境中，因此，針對電子束輻照對器件性能及壽命影響的研究更為重要。其研究主要著重于器件性能的變化和由輻照帶來的永久性損傷上，這些都與電子束輻照的注入條件有關。AlGaInP材料 LEDs的結構一般采用雙異質結或者多量子阱結構，經輻照后將在LEDs的內部產生晶格空位、間隙原子和反位缺陷等內在缺陷，對材料和器件的電學性能和發光性能等都將產生很大的影響。

國內外已經有關于輻照LED的相關實驗報道，主要集中在GaN材料LEDs上[2-7]。1999年Z-Q.Fang等人發現1MeV電子輻照在GaN材料LED中產生誘生深能級(Ec～0.18eV)。2002年，Gelhausen等人利用低能電子束輻照研究摻 Mg的GaN材料 LED的缺陷問題，提高了 LED的發光效率。2003年，Sharshar等人進行了AlGaAs材料LEDs的電子束輻照和γ射線輻照效應的研究，發現了LEDs的發光強度與輻照劑量之間的關系。其中，關于 AlGaInP LEDs 的輻照效應的研究較少。本課題組在本領域的研究上做了一定的工作，主要集中在 LEDs的輻照損傷、應用輻照改善 LED的發光性能以及LED的輻照誘生缺陷等方面。

本文主要應用1.5MeV電子加速器、3MeV電子加速器、7.5MeV電子加速器及7.5MeV電子加速器X射線轉靶等幾種電子束輻照對AlGaInP LEDs外延片進行實驗，并應用 PL譜對比分析不同能量劑量的電子束輻照對AlGaInP LEDs發光性能的影響，并通過與理論值的擬合，總結其輻照效應。本實驗結果將被用于指導AlGaInP基LED的輻照改性實驗。

2 實驗

實驗中選用的AlGaInP LEDs外延片的材料結構如圖1（a）所示，其主波長為630nm左右，對應的強發光峰位置的能量為E=1.96eV。在外延結構上，窗口層為p型GaP材料，有源區采用量子阱結構，兩側為n型限制層和p型限制層，底部設計有分布式布拉格反射層（DBR）結構。其典型的常溫下PL譜發光特性圖如圖1（b）所示,其中存在著由厚度干涉條紋引起的衛星峰，并且主峰半峰寬度較小，表明有源區的各個量子阱的均勻性較好。

圖1 AlGaInP材料LEDs外延片材料結構Fig.1 Structure of AlGaInP LEDs epitaxial wafer

本實驗是利用電子加速器及X射線轉靶裝置對LEDs進行輻照，實驗中應用到1.5MeV電子加速器、3MeV電子加速器、7.5MeV電子加速器和7.5MeV電子加速器X射線轉靶輻照裝置。并在每一個輻照能量下，進行劑量分別為5kGy，10 kGy和15 kGy的輻照實驗。實驗是在標準大氣壓、常溫和普通空氣氛圍中進行的，符合一般 LEDs的工作環境。實驗中準備了若干片AlGaInP材料LEDs外延片樣品，并將樣品分割成大小相等的若干正方形芯片，保證在不同輻照條件下的樣品的可比較性。

對樣品采用光致發光（PL）光譜測量系統對其的發光強度進行測試，主要對有關材料的結構、成分、能級躍遷等信息進行分析。本實驗中使用實驗室搭建的PL譜測試系統，系統中使用功率為100mW、波長為532nm的綠光激光器作為AlGaInP材料 LEDs外延片的激發光源。在實驗中對正方形LED外延片樣品進行了五個位置點的測量，五點位置分別位于四個角區域點和中心區域，并提取五個測量點的平均 PL光譜強度值，并對實驗結果進行對比分析，獲得了較為適合進行AlGaInP基LED的輻照改性實驗的輻照的能量及劑量。

3 實驗結果及分析

3.1 輻照實驗結果

應用以上幾種能量的電子輻照LED，并對其進行測試得到不同劑量下的PL譜圖，實驗中共準備了6組外延片作為樣本，從測試結果的趨勢上看，不同輻照實驗下，幾組外延片樣本的變化趨勢大致相同，故選取較為典型的一組外延片，即3#外延片，進行比較和分析。如圖 3所示,（a）-（c）分別為1.5MeV、3MeV和7.5MeV電子輻照的情況，圖中‘1’、‘2’和‘3’分別代表輻照劑量為5kGy，10kGy和 15 kGy的情況。其中橫坐標為掃描波長，從550nm到 700nm，縱坐標為相對發光強度，由于7.5Mev加速器的X射線轉靶輻照實驗時只有一個劑量，因此未進行比較。

圖3 不同劑量電子輻照后的外延片PL譜Fig.3 PL spectrum of electron-beam irradiation on LED samples with different dose

由以上實驗結果中看出，圖 3（a）為1.5MeV電子輻照的情況，與圖1-(b)的未輻照外延片的典型PL譜的主波長的峰值相對比，其主波長沒有變化，在劑量為10kGy時發光強度峰值有所增加。在輻照作用下，LED的PL譜形變化較小，僅在波長為555nm左右的位置上存在一個小的突起，對應的能量為E=2.23eV。樣品經過能量為3MeV的輻照后，如圖3（b）所示，5kGy劑量的發光強度最大，15kGy劑量的最小，而10kGy劑量的居中。并與未輻照外延片相對比，其發光強度有所增加。由圖3（c）中看出，經過能量為7.5MeV的輻照后，10kGy劑量的發光強度最大，15kGy劑量的最小，而 5kGy劑量的居中。該組結果中與未輻照外延片的發光強度相比有所降低，在555nm處的較小的突起變化明顯，其隨劑量的變化趨勢為先降低后增加。

3.2 發光強度變化分析

對比不同輻照能量和劑量情況下，將輻照后樣品的主波長的發光強度峰值的平均值與未輻照的樣品的主波長的發光強度峰值的平均值相比，選擇未輻照發光強度歸一化均值 4×104，得到的主峰強度變化的比值作為對比和分析的數據。LEDs發光強度的主峰強度變化比值的變化規律如表1所示。

表1 主峰強度變化比值Tab.1 The change of main intensity peak ratio

從上表中可以對比出不同輻照源對 LED外延片發光強度的影響。其中 7.5MeV電子束輻照后發光強度很低，其他的輻照源對應的外延片的發光強度相差不大。這是由于7.5MeV電子束的能量過大，部分對外延片內部結構造成損傷，導致外延片樣品局部或完全失效。其中發光強度提高最多的為1.5MeV電子束輻照。

在 AlGaInP體系材料的生長過程中將會引入Mg-H復合體，與GaN體系材料的電子輻照效應相似，Mg-H復合體經輻照后分解，使得Mg原子活性得到恢復，進而使P型GaP層和P型AlGaInP層載流子濃度得到提高。隨著輻照劑量的增加，輻照誘生缺陷增多，加強了對載流子的俘獲，使非輻射復合增加，發光性能有所降低[8]。

從少子壽命角度來分析，少子壽命τ與輻照劑量的關系如下式：

其中，τ0為輻照前少子壽命，k為輻照損傷系數，φn為輻照劑量。在較低劑量下，隨輻照劑量的上升，少子壽命降低，擴散長度減小，將會在 pn結的附近產生一個窄的本征區，由于電子束輻照引起的窄的本征區的產生引起正向電流的顯著提高，同時引起發光強度的提高。隨著劑量的進一步增加，缺陷俘獲的電子濃度為nt(t)，如下式所示：

Nt0為缺陷的本征濃度，T為系統溫度，αrate為升溫速率常數，由上式看出，隨著少子壽命降低，缺陷俘獲的少子濃度也有所降低，復合幾率下降，引起發光強度的降低。與實驗結果大致相符。由圖3中可以觀察到主波長也隨劑量的增加有一定的紅移，這是由于隨著劑量的增加，由P型摻雜引起的導帶邊的升高，而使主波長產生紅移。

3.3 電子輻照X射線轉靶實驗

進一步使用低劑量的由7.5MeV加速器X射線轉靶產生的電子輻照外延片樣品，X射線轉靶技術是將X射線打重金屬靶轉換成有很強的方向性、向前集中的更大的穿透深度和利用效率特別高的高能高功率電子束。經實驗測得的PL光譜的發光強度高于應用 7.5MeV加速器輻照的外延片的發光強度，表明 X射線轉靶技術可顯著改善 LED外延片樣品的發光性能。

圖4 7.5MeV電子加速器與7.5MeV電子加速器X射線轉靶輻照的外延片PL譜Fig.4 PL spectrum of 7.5MeV electron-beam irradiation and with rotating anode X ray on LED samples

4 結論

本文主要研究 1.5MeV電子加速器、3MeV電子加速器、7.5MeV電子加速器和7.5MeV電子加速器X射線轉靶幾種輻照對AlGaInP基LED器件發光性能的影響，并通過實驗結果對比分析不同輻照對AlGaInP基LED外延片的輻照效應，在實驗中我們發現，在發光強度的變化上，在 1.5MeV能量電子輻照的10kGy劑量以下、3MeV能量電子輻照的5kGy劑量以下時，輻照使發光強度增強，隨劑量的增加，發光強度逐漸降低；在 7.5MeV能量電子輻照下，樣品發生失效，發光強度下降較多；在7.5MeV電子加速器X射線轉靶輻照下，可顯著改善LED外延片樣品的發光性能。初步分析是由于材料生長中引入的Mg-H復合體經輻照后分解，使得Mg原子活性得到恢復，進而使P型GaP層和P型AlGaInP層載流子濃度得到提高，并隨著輻照劑量的增加，輻照誘生缺陷增多，使發光性能有所降低。本結果將被用于指導AlGaInP材料LED的輻照改性實驗。

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