氮化鎵基藍光發光二極管伽馬輻照的1/f噪聲表征*

劉宇安 莊奕琪 杜磊 蘇亞慧

1)(西安電子科技大學微電子學院,西安 710071)

2)(西安電子科技大學技術物理學院,西安 710071)

(2012年11月21日收到;2013年3月28日收到修改稿)

1 引言

近年來隨著航天技術和電子技術的進一步發展,GaN基發光二極管(LED)越來越多地用在衛星通信系統的天氣預報和寬帶數據傳輸中,也常作為光源器件以及光電耦合器的前端被廣泛應用于軍事及航天領域[1,2].器件在太空中工作,不可避免地受到太空中各種射線的照射,從而使其性能發生衰減,所以在此條件下工作的器件穩定性一直倍受重視.研究各類輻射對GaN基發光二極管的影響,不僅對器件的實際應用具有重要意義,而且有助于了解氮化鎵材料和器件在特殊環境下的物理特性.目前國內外對GaN基藍光LED的輻照效應研究大都集中在高能電子和質子[2-5],但作為空間中存在的重要輻射源伽馬(γ)射線對其影響的報道[6,7]卻很少.而將低頻噪聲用GaN基藍光LED的γ輻照效應研究處于起步階段.本文試圖通過研究電離輻照對器件電參數和噪聲參數的影響,建立基于1/f噪聲的氮化鎵基藍光LED電離輻照可靠性模型.根據試驗結果找到表征氮化鎵基藍光LED電離輻照退化的敏感參量.本文結論將提供一種基于1/f噪聲的氮化鎵基藍光LED電離輻照可靠性表征方法.

2 γ輻照對LED的影響

γ射線與物質相互作用后會發生康普頓散射,打出康普頓電子,高能電子繼續與原子相互作用,會在材料中引入晶格損傷或形成各種缺陷,產生電離效應和位移效應[8].對于寬帶隙的GaN基材料及器件來說,在2 Mrad總輻照劑量條件下,主要體現為電離效應,不會產生明顯的位移效應[9].

2.1 電離輻照減小LED有效輸出功率

氮化鎵基藍光LED的實質是半導體PN結,其發光區域主要集中在p-GaN有源區[10].γ射線與其作用產生的電離輻照效應將在LED有源區中引入空間電荷和新的界面態陷阱Nit,這些缺陷俘獲載流子,產生非輻射復合,增大暗電流,減少LED的內量子效率,從而降低LED的有效輸出功率Pout.

首先討論與輻照缺陷密切相關的非輻射復合,其主要是通過復合中心的載流子復合禁帶中能級為Et的復合中心俘獲非平衡載流子,轉化為聲子,發生光淬滅,產生暗電流.非輻射復合還包含俄歇復合.氮化鎵基藍光LED為寬帶隙半導體材料,俄歇復合可以忽略.設通過復合中心的凈復合率為[11]

在LED中與缺陷沒有直接關系的輻射復合指的就是直接輻射復合(又稱帶間輻射復合)是導帶電子與價帶空穴直接產生復合,產生擴散電流(光電流),或者說發射光子的過程.這種復合的凈復合率Rr可由下式表示[11]：

Rr為直接輻射復合的凈復合率,Br為復合系數,N0,P0分別為平衡態電子和空穴密度,n為有源區非平衡載流子密度.

有源區過剩載流子密度和總光子密度的速率方程為

其中,Vact為有源區體積,ILED為注入到有源區的電流,s為有源區總光子密度,βsp為自發發射系數,τph為光子壽命,Ln為電子擴散長度,Dn為電子擴散系數,NA為受主濃度,d有源層厚度,A為有源層有效面積,hν為每個光子的能量,η為光學效率,c為光速.

在穩態條件下,由(3),(4)兩式可得：

其中,第一項為與缺陷密切相關的暗電流,第二項為與缺陷沒有直接關系的光電流.假設Cn=Cp=C,且N0+n=P0+p,將有源區總光子密度s=τphβspRr(n)代入(1),(2)兩式可得LED注入效率η0：

將(6)式代入(5)式可得：

根據半導體PN結I-V特性[11],結合對LED分析得到的(5),(7)兩式,可推知LED的I-V特性為

其中,Nt包括Npt器件工藝缺陷和Nit電離輻照產生缺陷.由于器件發光主要來自于擴散電流,而非輻射復合主要來自于復合電流,則根據(6)和(8)式可得光/暗電流比：

將(9)式化簡,結合(6)和(8)式依次代入有效光功率Pout的表達式,則可得到輸出有效光功率Pout為

可見,隨著輻照劑量增加,電離輻照產生缺陷Nit的增加,工藝缺陷Npt不變,會使(10)式中的Pout減小.

2.2 電離輻照增大LED 1/f噪聲

根據van der Ziel和Harder等的低頻噪聲理論,低頻噪聲主要分為：由于器件遷移率漲落造成少子擴散電流漲落引起的基本1/f噪聲,由于表面氧化層、空間電荷區、界面態等處的陷阱中心對載流子的隨機俘獲與發射引起的非基本1/f噪聲[12].γ射線輻照使GaN基發光二極管產生電離效應,打出的康普頓電子與原子相互作用,會在材料中引入晶格損傷或形成各種缺陷,尤其是在空間電荷區的缺陷會對GaN基發光二極管引入非基本1/f噪聲.

根據遷移率漲落機制[12],與缺陷沒有直接關系的擴散1/f噪聲功率譜密度與輸入電流有如下關系：

其中,SID(f)為擴散1/f噪聲功率譜,ID為擴散電流,α為Hooge常數,q為電子電量,τ為少子壽命,f為頻率.

根據半導體理論[13]和載流子數漲落理論[14],與缺陷密切相關的復合速率GR漲落功率譜SGR(f)及復合電流IR功率譜SIR(f)可分別表示為

其中對稱結的表面分量有,界面復合電流理想因子β=2,B為常數,其中Nt包括Npt器件工藝缺陷和Nit電離輻照產生缺陷.故(13)式可化簡為

當復合速率很慢,可以認為低頻1/f噪聲主要由擴散和復合電流噪聲兩部分組成,則電流1/f噪聲可表示為

當復合速率很快,則低頻1/f噪聲主要由復合速率漲落以及擴散和復合電流噪聲三部分組成,則電流1/f噪聲可表示為

可見,隨著輻照劑量增加,電離輻照產生缺陷Nit的增加,工藝缺陷Npt不變,會導致(16)式中Nt的增加,對公式第一項的基本1/f噪聲沒有影響,引起公式第二項的非基本1/f噪聲增大,從而使總電流1/f噪聲SI(f)增大.

3 實驗

實驗樣品是國產GaN基藍光發光二極管.采用金屬氧化物化學氣相沉積在藍寶石(Al2O3)襯底上生長外延材料,從下至上依次為低溫生長的GaN緩沖層,接著是n-GaN層、n-AlGaN層和InGaN量子阱有源區,上邊是摻Mg的p-AlGaN層和p-GaN層.生長好的LED外延片首先在N2環境下高溫退火10—40 min,達到Mg激活的作用.然后采用光刻膠保護,用感應耦合等離子刻蝕技術(ICP)刻蝕出臺階圖形,以便制作上下電極,之后將p電極與n電極金屬淀積在上下臺面上,p電極的材料是Ni/Au,n電極的材料是Ti/Al/Ti/Au,然后在p-n結附近生長一層SiO2作為保護,最后通過磨片、劃片、裂片,將管芯壓焊制作成器件并進行測試,本次輻照實驗是在西北核技術研究所進行的,使用60Co作為γ射線的產生源.γ輻照的累計總劑量分別為30 krad(SiO2),60 krad(SiO2),200 krad(SiO2),500 krad(SiO2),1000 krad(SiO2),2500 krad(SiO2).為減少退火效應,故輻照完成后,必須在12 h內對其電學特性和噪聲特性進行測試.器件的伏安特性和低頻噪聲測試采用本實驗室自主開發的“基于虛擬儀器的自動測試系統硬件平臺”上完成的,其中包括器件偏置電路、低噪聲前置放大器、數據采集卡和微型計算機四部分.

4 電離輻照引起LED電流退化

GaN基藍光LED輻照前后的正向I-V曲線如圖1所示.從圖中可以看出GaN基藍光LED的三段I-V曲線在輻照前后的變化是不同的.

I：在I＜1μA的小注入區,由于GaN外延層中存在較高的位錯密度以及由于InGaN/GaN MQW(多量子)阱區存在強烈的壓電極化和自發極化效應,載流子的輸運方式主要為隧穿,電流主要為空間電荷區的隧道電流和復合電流,復合電流占主要地位,隨輻照劑量的增加正向電流明顯增加.

II：在中值電流區,有源區載流子主要發生的是輻射復合,GaN基藍光LED的電流以擴散電流為主,隨輻照劑量的增加正向電流略微增加.

III：在I＞1 mA時,大注入條件下,串聯電阻(來源于體電阻和接觸電阻)的影響占據主導地位,復合電流占據主導地位.隨輻照劑量的增加正向電流變化不明顯.

圖1 GaN基藍光二極管輻照前后的正向I-V曲線

5 電離輻照與1/f噪聲退化相關性

根據2.1和2.2節的理論推導可以得出,電離輻照產生缺陷Nit,減小LED的有效輸出光功率,兩者負關聯.電離輻照產生缺陷Nit,增大總電流1/f噪聲SI(f),兩者正關聯.因此,可以用噪聲表征電離輻照引起的LED有效輸出光功率退化即LED電離輻照退化.載流子的不同輸運方式對應了器件不同的低頻噪聲產生機制.電離輻照對不同機制的產生的低頻噪聲其影響也不一樣.對GaN基藍光LED來說,從圖1可知,其I-V特性分為明顯的三段,對應載流子不同的輸運方式,從而有不同的低頻噪聲產生機制.接下來,分別討論電離輻照對它們的影響.

5.1 小注入

在小注入時,如圖1中I段所示,I＜1μA時,這時器件的全部電阻主要由勢壘電阻構成,其低頻噪聲主要來源于空間電荷區禁帶中部附近的深能級產生——復合中心和陷阱中心.其噪聲表達式為(14)式.根據2.2節的推導可知,小注入情況下,電離輻照產生缺陷Nit,增大復合電流,增大非基本1/f噪聲.因此,隨著輻照劑量增大,1/f噪聲增大.實驗結果如圖2所示.

從圖2可以看出,電流為5×10-7A的小注入,新器件噪聲幅值為5.80706×10-13A2/Hz,經過總輻照劑區量1 Mrad輻照后器件噪聲幅值增大為1.80423×10-12A2/Hz,經過總輻照劑量2.5 Mrad輻照后器件噪聲幅值又增大為6.17376×10-12A2/Hz.這個結果表明,小注入區,1/f噪聲幅值隨著輻照劑量增大,與理論預測完全一致.

圖2 GaN基藍光二極管小注入區輻照前后的1/f噪聲

5.2 中值電流

隨著電流的增長,如圖1中的II段所示,當1μA＜I＜5×10-5A,載流子主要以擴散的方式進入到量子阱區發生直接復合,其1/f噪聲為(15)式,根據2.2節的推導可知,中值電流情況下,以擴散電流為主.輻照后,高能載流子改變了有源區散射,改變了遷移率相關的擴散電流噪聲.輻照感應缺陷Nit增強了載流子數漲落相關復合電流噪聲.因此,隨著輻照劑量增大,總的1/f噪聲在頻域變化有可能增大也可能減小.實驗結果如圖3所示.

圖3 GaN基藍光二極管中值電流區輻照前后的1/f噪聲

從圖3可以看出,電流為5×10-5A的中值電流區,新器件噪聲幅值為3.42834×10-12A2/Hz,經過總輻照劑量1 Mrad輻照后器件噪聲幅值減小為1.82568×10-12A2/Hz,經過總輻照劑量2.5 Mrad輻照后器件噪聲幅值增大為6.24206×10-12A2/Hz.這個結果表明,中值電流區,隨著輻照劑量增大,總的1/f噪聲在頻域變化先減小后增大,沒有一致性.因此,針對在頻域沒有明顯規律的中值電流輻照前后1/f噪聲,采用1/f噪聲時域多尺度熵復雜度分析方法,該方法可用于描述時間序列在不同時間尺度上的不規律程度[15].本文將多尺度熵方法用于GaN基藍光二極管中值電流區輻照前后的1/f噪聲數據分析.

從圖4可以看出,當尺度大于4時,新器件多尺度熵復雜度最小,經過總輻照劑量1 Mrad輻照后器件多尺度熵復雜度增大,經過總輻照劑量2.5 Mrad輻照后器件多尺度熵復雜度最大.這個結果表明中值電流區,隨著輻照劑量增大,1/f噪聲時域多尺度熵復雜度增大.新器件的噪聲信號規律性較強,是因為其電流噪聲機制源于擴散電流.輻照后,高能載流子增強了有源區散射,使遷移率改變,增大了遷移率相關的擴散電流噪聲,輻照感應缺陷Nit的增加,增強了載流子數漲落,噪聲信號較不規律,其復雜度較大.因此,多尺度熵能反映中值電流區電流噪聲信號復雜度及有源區電流混亂度的變化.

5.3 大注入

隨著電流的進一步增加,串聯電阻上的壓降將不可忽略,電流隨著電壓的增長已不再呈指數的關系增長,如圖1中的III段所示.GaN基LED的串聯電阻和器件的p-GaN層密切聯系[16],由于結附近兩種材料晶格常數失配使得在界面處存在大量的懸掛鍵和弱鍵.在大電流和電離輻照效應的雙重作用下,這些懸掛鍵可以失去一個未成對電子或獲得一個配位電子而形成界面態,弱鍵也會斷裂形成新的界面態,結區表面原有的一些懸掛鍵和弱鍵也會以相同的方式形成新的表面態.此時的1/f噪聲來源于串聯電阻.根據2.2結的推導可知,與缺陷密切相關的復合速率GR漲落功率譜SGR(f)及復合電流IR功率譜SIR(f)可分別由(12)和(13)式表示.總的電流噪聲為(16)式的第二項非基本1/f噪聲.

圖5 GaN基藍光二極管大注入區輻照前后的1/f噪聲

從圖5可以看出,電流為5×10-3A的大注入區,新器件噪聲幅值為2.14661×10-13A2/Hz,經過總輻照劑量1 Mrad輻照后器件噪聲幅值增大為3.80733×10-12A2/Hz,經過總輻照劑量2.5Mrad輻照后器件噪聲幅值又增大為2.57861×10-10A2/Hz.這個結果表明,大注入區,1/f噪聲幅值隨著輻照劑量增大,與理論預測完全一致.

綜合上述,來源于擴散電流的1/f噪聲組分隨輻照劑量增大變化不明顯,輻照前后器件的噪聲幅值沒有發生明顯的變化.而來源于復合電流1/f噪聲組分隨輻照劑量的增加有一個較大的增長幅度.因此1/f噪聲退化可以敏感的表征以復合電流1/f噪聲為主的小注入和大注入區電離輻照退化,噪聲幅值越大,則說明Nit越高,暗電流相關的復合電流越大,光電流相關的擴散電流比例減少,使得器件發光效率、光輸出功率等性能參數下降,造成失效率顯著增大.對中值電流區,1/f噪聲時域多尺度熵復雜度可以更敏感地反映氮化鎵基藍光LED的可靠性.多尺度熵復雜度越大,則說明除了有高能載流子對遷移率相關的擴散電流的影響,還有輻照感應缺陷Nit對復合電流的影響,噪聲信號越不規律,器件可靠性越差.

6 結論

本文通過電離輻照對氮化鎵基藍光LED器件有源區光/暗電流產生機制的研究,建立了電離輻照減小LED有效輸出功率的電學模型.通過電離輻照對氮化鎵基藍光LED器件有源區1/f噪聲影響機制的研究,建立了電離輻照增大LED 1/f噪聲的相關性模型.根據輻照前后電流電壓試驗結果噪聲測試結論,證實了實驗結論與理論推導結果的一致性.在I＜1μA的小注入區,隨著電離輻照產生缺陷Nit的增加,1/f噪聲幅度增大.在I＞1 mA的大注入條件下,隨著電離輻照產生缺陷Nit的增加,1/f噪聲幅度增大.1/f噪聲退化可以敏感的表征以復合電流1/f噪聲為主的小注入和大注入區電離輻照退化,噪聲幅值越大,則說明Nit越高,暗電流相關的復合電流越大,光電流相關的擴散電流比例減少,使得器件發光效率、光輸出功率等性能參數下降,造成失效率顯著增大.對中值電流區,1/f噪聲時域多尺度熵復雜度可以更敏感地反映氮化鎵基藍光LED的可靠性.多尺度熵復雜度越大,則說明除了有高能載流子對遷移率相關的擴散電流的影響,還有輻照感應缺陷Nit對復合電流的影響,噪聲信號越不規律,器件可靠性越差.本文結論提供了一種基于1/f噪聲的氮化鎵基藍光LED電離輻照可靠性表征方法.

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