电子束辐照对GaN基蓝光LED特性参数影响

刘海浪，张瑞宾，黄以平

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

（桂林电子科技大学 机电工程学院，桂林 541004）

0 引言

电子束辐照加工技术具有生产率高，能耗低，控制性好，无环保问题等优点，是一种清洁的加工技术。80年代以来，我国辐照加工技术得到迅速发展，应用电子束对半导体二极管、开关晶体管、快速可控硅辐照取得了令人满意的效果[1]。

半导体发光二极管（LED-Light Emitting Diode）是一种新型的发光体，具有电光转换效率高、体积小、寿命长、电压低、节能、环保等优点，是下一代理想的照明器件。GaN作为宽带隙第三代半导体材料的代表，具有禁带宽、发光效率高、热导率高、击穿电压大、电子漂移和饱和速度大、介电常数小等特点，是制造半导体器件的理想材料，被广泛用于LED的制造中，以GaN基功率型蓝光LED为核心的半导体照明光源，被认为是继白炽灯和荧光灯之后的第三代照明光源。

1 LED芯片及辐照参数的确定

1.1 LED芯片的选取

辐照所用的GaN基蓝光芯片是当今LED产业中广泛使用的芯片，其中包括InGaN/GaN量子阱结构[2]。图1所示为 InGaN 蓝光LED芯片外形结构图，此种芯片采用的是标准的蓝宝石基板之InGaN LED单面双电极结构，如图2所示。它以透明导电层作为p-GaN之欧姆接触层，并以Au金属层作为焊线电极。

图1 InGaN 蓝光LED芯片外形结构图

图2 单面双电极结构图

1.2 电子束辐照实验参数的确定

辐照装置选用的是我国辐照工业上普遍使用的地那米（高频高压型）加速器，主要部件包括：加速管，高频变压器，整流倍压系统，高频振荡器，扫描装置，控制系统[3]。工作原理：电子枪发射的电子在加速管内通过高压整流器建立的电位场被加速，被加速的电子通过电磁透镜聚焦到引出装置中，由扫描系统将电子束打开，通过钛箔扫描到束下装置的被照物体上，电子束的能量，束流等参数是通过控制系统调节，达到不同辐照剂量的要求。电子束辐照装置性能参数如下：

表1 电子束辐照装置性能参数

2 电子束辐照实验及结果分析

2.1 电子束辐照实验

辐照试验是在某单位的小车辐照装置（如图3所示）上进行的，将要辐照的LED芯片放在辐照小车上，小车通过传送带被送至地那米加速器的下方,在经过加速器下方的过程中，芯片受到了电子束的辐照，辐照过程中的小车传送速度以及辐照的剂量都是由计算机进行控制的。试验样品采用同一批次的GaN基蓝光LED芯片，一共20颗，平均分成2组，每10颗为一组，其中一组给予1kGy剂量的电子束辐照，标号为#B,未经过辐照加工的芯片标号为#A。辐照实验技术结束后，将20颗芯片进行表面贴装器件(SMD-Surface Mounted Devices)封装[4]。封装成型的灯珠如图4所示，灯珠的各项参数采用远方PMS-80_V1光色电参数测试仪进行测试。测试的环境温度为25.3℃，环境湿度为65%，测试的正向电流If为350mA,正向电压VF为3.2V。

图3 小车辐照装置

图4 SMD封装的灯珠

2.2 辐照前后LED颜色参数对比分析

对蓝光LED进行辐照加工后，如图5所示，发现蓝光LED的主波长发生了变化，主波长的平均值由辐照前的为505nm,减少到了受1kGy辐照后的494nm,漂移了近11nm。如图6所示，蓝光LED的色纯度的平均值由辐照前的7.6%增加到了受1kGy辐照后的10.2%。电子束辐照引起了LED芯片量子阱中的原子的移位，产生原子移位是由于量子阱中的电子对电子束的能量的吸收，原子移位引起InGaN量子阱区的富In量子点变得更大，更少，使得量子点处的In组分更大，所以引起了主波长发生了漂移[5-7]。由于色纯度是主波长描述颜色时的辅助表示，因而主波长的发生变化导致色纯度的变化。

图5 辐照前后主波长的变化

图6 辐照前后色纯度的变化

2.3 辐照前后LED光度参数对比分析

由图7可以看出，辐照前的蓝光LED光通量的平均值为30.4lm,辐照后的LED光通量的平均值为21.2lm,光通量衰减了近30%。如图8所示，蓝光LED的光效率的平均值由辐照前的27.1m/w变为辐照后的18.8lm/w。,这些光度参数的衰减原因是由于电子束辐照在量子阱区引起了晶体缺陷，进而产生非辐射复合中心，引起非辐射型复合，使少子的寿命降低。复合时可以通过能隙中许多能量间隔小的能级作发射多声子的跃迁，这就是非辐射复合中心的复合过程。在纯的GaN材料中，低温下可以观察到自由电子被氧的深施主能级俘获的复合发光，温度升高以后这种过程消失；另一方面，在施主或受主掺杂浓度大于1017cm-3的晶体中不出现这种发光，原因是氧施主周围的施主或受主发生俄歇过程，从而使能量转换为热能。

图7 辐照前后光通量的变化

图8 辐照前后光效的变化

3 结论

采用地那米加速器产生的低能电子束对GaN基蓝光LED进行辐照，通过对比辐照前后颜色参数和光度参数，发现LED的主波长发生了漂移，色纯度提高，光通量、光效都有所降低，电子束辐照会引起LED芯片量子阱中的原子位移，非复合型复合，降低少子寿命。这对进一步研究电子束辐照对LED的改性以及对研究LED器件的抗辐射加固具有一定的指导意义。

[1]谢婉玲.n-GaN肖特基势垒二极管的高温电子辐照效应[D].成都:四川大学.2006.8-14.

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[3]张树林.真空技术物理基础[M].沈阳:东北工学院出版社.1988:25-40.

[4]罗毅,张贤鹏,韩彦军,等.半导体照明关键技术研究[J].激光与光电子学进展,2007,44(3):17-18.

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[6]Adams L,Holmes-Siedle A(1993)Handbook of radiation effects.Oxford Scientific Publishers,Oxford.

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