電子束輻照對GaN基藍光LED特性參數影響

劉海浪，張瑞賓，黃以平

LIU Hai-lang, ZHANG Rui-bin, HUANG Yi-ping

（桂林電子科技大學 機電工程學院，桂林 541004）

0 引言

電子束輻照加工技術具有生產率高，能耗低，控制性好，無環保問題等優點，是一種清潔的加工技術。80年代以來，我國輻照加工技術得到迅速發展，應用電子束對半導體二極管、開關晶體管、快速可控硅輻照取得了令人滿意的效果[1]。

半導體發光二極管（LED-Light Emitting Diode）是一種新型的發光體，具有電光轉換效率高、體積小、壽命長、電壓低、節能、環保等優點，是下一代理想的照明器件。GaN作為寬帶隙第三代半導體材料的代表，具有禁帶寬、發光效率高、熱導率高、擊穿電壓大、電子漂移和飽和速度大、介電常數小等特點，是制造半導體器件的理想材料，被廣泛用于LED的制造中，以GaN基功率型藍光LED為核心的半導體照明光源，被認為是繼白熾燈和熒光燈之后的第三代照明光源。

1 LED芯片及輻照參數的確定

1.1 LED芯片的選取

輻照所用的GaN基藍光芯片是當今LED產業中廣泛使用的芯片，其中包括InGaN/GaN量子阱結構[2]。圖1所示為 InGaN 藍光LED芯片外形結構圖，此種芯片采用的是標準的藍寶石基板之InGaN LED單面雙電極結構，如圖2所示。它以透明導電層作為p-GaN之歐姆接觸層，并以Au金屬層作為焊線電極。

圖1 InGaN 藍光LED芯片外形結構圖

圖2 單面雙電極結構圖

1.2 電子束輻照實驗參數的確定

輻照裝置選用的是我國輻照工業上普遍使用的地那米（高頻高壓型）加速器，主要部件包括：加速管，高頻變壓器，整流倍壓系統，高頻振蕩器，掃描裝置，控制系統[3]。工作原理：電子槍發射的電子在加速管內通過高壓整流器建立的電位場被加速，被加速的電子通過電磁透鏡聚焦到引出裝置中，由掃描系統將電子束打開，通過鈦箔掃描到束下裝置的被照物體上，電子束的能量，束流等參數是通過控制系統調節，達到不同輻照劑量的要求。電子束輻照裝置性能參數如下：

表1 電子束輻照裝置性能參數

2 電子束輻照實驗及結果分析

2.1 電子束輻照實驗

輻照試驗是在某單位的小車輻照裝置（如圖3所示）上進行的，將要輻照的LED芯片放在輻照小車上，小車通過傳送帶被送至地那米加速器的下方,在經過加速器下方的過程中，芯片受到了電子束的輻照，輻照過程中的小車傳送速度以及輻照的劑量都是由計算機進行控制的。試驗樣品采用同一批次的GaN基藍光LED芯片，一共20顆，平均分成2組，每10顆為一組，其中一組給予1kGy劑量的電子束輻照，標號為#B,未經過輻照加工的芯片標號為#A。輻照實驗技術結束后，將20顆芯片進行表面貼裝器件(SMD-Surface Mounted Devices)封裝[4]。封裝成型的燈珠如圖4所示，燈珠的各項參數采用遠方PMS-80_V1光色電參數測試儀進行測試。測試的環境溫度為25.3℃，環境濕度為65%，測試的正向電流If為350mA,正向電壓VF為3.2V。

圖3 小車輻照裝置

圖4 SMD封裝的燈珠

2.2 輻照前后LED顏色參數對比分析

對藍光LED進行輻照加工后，如圖5所示，發現藍光LED的主波長發生了變化，主波長的平均值由輻照前的為505nm,減少到了受1kGy輻照后的494nm,漂移了近11nm。如圖6所示，藍光LED的色純度的平均值由輻照前的7.6%增加到了受1kGy輻照后的10.2%。電子束輻照引起了LED芯片量子阱中的原子的移位，產生原子移位是由于量子阱中的電子對電子束的能量的吸收，原子移位引起InGaN量子阱區的富In量子點變得更大，更少，使得量子點處的In組分更大，所以引起了主波長發生了漂移[5-7]。由于色純度是主波長描述顏色時的輔助表示，因而主波長的發生變化導致色純度的變化。

圖5 輻照前后主波長的變化

圖6 輻照前后色純度的變化

2.3 輻照前后LED光度參數對比分析

由圖7可以看出，輻照前的藍光LED光通量的平均值為30.4lm,輻照后的LED光通量的平均值為21.2lm,光通量衰減了近30%。如圖8所示，藍光LED的光效率的平均值由輻照前的27.1m/w變為輻照后的18.8lm/w。,這些光度參數的衰減原因是由于電子束輻照在量子阱區引起了晶體缺陷，進而產生非輻射復合中心，引起非輻射型復合，使少子的壽命降低。復合時可以通過能隙中許多能量間隔小的能級作發射多聲子的躍遷，這就是非輻射復合中心的復合過程。在純的GaN材料中，低溫下可以觀察到自由電子被氧的深施主能級俘獲的復合發光，溫度升高以后這種過程消失；另一方面，在施主或受主摻雜濃度大于1017cm-3的晶體中不出現這種發光，原因是氧施主周圍的施主或受主發生俄歇過程，從而使能量轉換為熱能。

圖7 輻照前后光通量的變化

圖8 輻照前后光效的變化

3 結論

采用地那米加速器產生的低能電子束對GaN基藍光LED進行輻照，通過對比輻照前后顏色參數和光度參數，發現LED的主波長發生了漂移，色純度提高，光通量、光效都有所降低，電子束輻照會引起LED芯片量子阱中的原子位移，非復合型復合，降低少子壽命。這對進一步研究電子束輻照對LED的改性以及對研究LED器件的抗輻射加固具有一定的指導意義。

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