Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів
Дослiджується вплив опромiнення швидкими нейтронами реактора (E¯ = 1 МеВ) на вольтампернi характеристики (ВАХ) фосфiдо-галiєвих свiтлодiодiв. Виявлено зсув додатних гiлок ВАХ в область менших напруг при малих дозах опромiнення та невеликих робочих струмах. Встановлено, що зростання диференцiйного оп...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Ukrainian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2010
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/29837 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів / I.М. Вишневський, О.В. Конорева, В. I. Кочкiн, В.Ф. Ластовецький, П. Г. Литовченко, В.Я. Опилат, В.П. Тартачник // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 69-74. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-29837 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-298372012-01-07T12:11:29Z Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів Вишневський, І.М. Конорева, О.В. Кочкін, В.І. Ластовецький, В.Ф. Литовченко, П.Г. Опилат, В.Я. Тартачник, В.П. Фізика Дослiджується вплив опромiнення швидкими нейтронами реактора (E¯ = 1 МеВ) на вольтампернi характеристики (ВАХ) фосфiдо-галiєвих свiтлодiодiв. Виявлено зсув додатних гiлок ВАХ в область менших напруг при малих дозах опромiнення та невеликих робочих струмах. Встановлено, що зростання диференцiйного опору при великих дозах зумовлено збiльшенням опору бази. В основi механiзму, який спричиняє спостережуванi змiни, є падiння часу життя неосновних носiїв струму та захват основних носiїв глибокими рiвнями введених радiацiєю дефектiв. Influence of fast reactor’s neutrons (E¯ = 1 MeV) on the current-voltage characteristics (CVC) of GAP light diodes was studied. A shift of the forward part of CVC into the lower voltage region at low irradiation doses and low operating currents is found. The increase of the differential resistance at large doses of neutrons was determined to depend on the base resistance increase. All these effects are caused by the drop of the minority carriers’ life-time and the capture of main charge carriers by the deep radiation induced levels. 2010 Article Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів / I.М. Вишневський, О.В. Конорева, В. I. Кочкiн, В.Ф. Ластовецький, П. Г. Литовченко, В.Я. Опилат, В.П. Тартачник // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 69-74. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/29837 538.935 uk Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Фізика Фізика |
| spellingShingle |
Фізика Фізика Вишневський, І.М. Конорева, О.В. Кочкін, В.І. Ластовецький, В.Ф. Литовченко, П.Г. Опилат, В.Я. Тартачник, В.П. Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів Доповіді НАН України |
| description |
Дослiджується вплив опромiнення швидкими нейтронами реактора (E¯ = 1 МеВ) на вольтампернi характеристики (ВАХ) фосфiдо-галiєвих свiтлодiодiв. Виявлено зсув додатних гiлок ВАХ в область менших напруг при малих дозах опромiнення та невеликих робочих струмах. Встановлено, що зростання диференцiйного опору при великих дозах зумовлено збiльшенням опору бази. В основi механiзму, який спричиняє спостережуванi змiни, є падiння часу життя неосновних носiїв струму та захват основних носiїв глибокими рiвнями введених радiацiєю дефектiв. |
| format |
Article |
| author |
Вишневський, І.М. Конорева, О.В. Кочкін, В.І. Ластовецький, В.Ф. Литовченко, П.Г. Опилат, В.Я. Тартачник, В.П. |
| author_facet |
Вишневський, І.М. Конорева, О.В. Кочкін, В.І. Ластовецький, В.Ф. Литовченко, П.Г. Опилат, В.Я. Тартачник, В.П. |
| author_sort |
Вишневський, І.М. |
| title |
Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів |
| title_short |
Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів |
| title_full |
Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів |
| title_fullStr |
Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів |
| title_full_unstemmed |
Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів |
| title_sort |
вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Фізика |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/29837 |
| citation_txt |
Вплив нейтронного опромінення на вольтамперні характеристики фосфідо-галієвих світлодіодів / I.М. Вишневський, О.В. Конорева, В. I. Кочкiн, В.Ф. Ластовецький, П. Г. Литовченко, В.Я. Опилат, В.П. Тартачник // Доп. НАН України. — 2010. — № 6. — С. 69-74. — Бібліогр.: 15 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT višnevsʹkijím vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív AT konorevaov vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív AT kočkínví vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív AT lastovecʹkijvf vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív AT litovčenkopg vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív AT opilatvâ vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív AT tartačnikvp vplivnejtronnogoopromínennânavolʹtamperníharakteristikifosfídogalíêvihsvítlodíodív |
| first_indexed |
2025-07-03T10:06:24Z |
| last_indexed |
2025-07-03T10:06:24Z |
| _version_ |
1836619854920024064 |
| fulltext |
УДК 538.935
© 2010
Академiк НАН України I.М. Вишневський, О. В. Конорева,
В. I. Кочкiн, В. Ф. Ластовецький, П. Г. Литовченко, В.Я. Опилат,
В.П. Тартачник
Вплив нейтронного опромiнення на вольтампернi
характеристики фосфiдо-галiєвих свiтлодiодiв
Дослiджується вплив опромiнення швидкими нейтронами реактора (E = 1 МеВ) на
вольтампернi характеристики (ВАХ) фосфiдо-галiєвих свiтлодiодiв. Виявлено зсув до-
датних гiлок ВАХ в область менших напруг при малих дозах опромiнення та невеликих
робочих струмах. Встановлено, що зростання диференцiйного опору при великих дозах
зумовлено збiльшенням опору бази. В основi механiзму, який спричиняє спостережува-
нi змiни, є падiння часу життя неосновних носiїв струму та захват основних носiїв
глибокими рiвнями введених радiацiєю дефектiв.
Фосфiд галiю — функцiональний матерiал, область застосування якого — оптоелектронна
галузь приладобудування [1]. Використання свiтловипромiнюючих структур в умовах дiї
пучкiв проникаючої радiацiї (космос, ядерно-фiзичнi та силовi установки) стимулює розви-
ток робiт, спрямованих як на встановлення радiацiйних констант приладiв, так i на визна-
чення радiацiйної чутливостi кристала.
Впродовж останнього десятилiття науковий пошук стосувався, в основному, причин,
що зумовлюють деградацiю найважливiшої характеристики цього напiвпровiдника — його
випромiнювальної здатностi [2–7]. Для створення дефектiв у зразку використовувались пе-
реважно нейтрони реактора [2–5] та протони з E = 50 МеВ [6]. Параметри глибоких рiвнiв,
якi спричиняють деградацiю фiзичних характеристик, вивчались у роботах [8–10] методом
нестацiонарної спектроскопiї глибоких рiвнiв (НСГР).
Слiд зауважити, що коли цитованi вище роботи можна вiднести до групи iнформа-
цiйно-пiзнавальних, результати яких обмежуються рамками академiчної зацiкавленостi, то
вже автори огляду [11] зосереджуються на цiлком практичнiй i перспективнiй технологiч-
нiй задачi, обгрунтовуючи спосiб легування напiвпровiдникiв класу AIIIBV радiацiйними
дефектами, iнiцiйованими опромiненням протонами та α-частками.
Сфера застосування фосфiдо-галiєвих дiодiв неухильно розширюється. В останнi роки
на базi GaP створено високочутливий термометр, який використовує ефект температур-
ної залежностi ємностi p − n-переходу [12], детектор фотонiв iз пiкосекундною роздiльною
здатнiстю [13], термостiйкий дiод Шотткi [14] та iн.
Очевидно, що змiна електричних характеристик дiода при опромiненнi iстотно впливає
на експлуатацiйнi якостi приладу, до складу якого може входити p−n-перехiд, особливо тодi,
коли цi характеристики є контрольними. У лiтературi на сьогоднi обмаль iнформацiї щодо
впливу радiацiї на ВАХ GaP-дiодiв саме в межах робочих струмiв та напруг. Тому метою
даної роботи було дослiдження впливу нейтронного опромiнення на електричнi характе-
ристики дiодних GaP структур в iнтервалi робочих струмiв та виявлення закономiрностей,
яким пiдлягають змiни на ВАХ, стимульованi радiацiєю.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 69
Експеримент. Використовувалися серiйнi фосфiдо-галiєвi p− n-структури, зелене свi-
чення яких зумовлене легуванням азотом, а червоне — цинком. Свiтловипромiнюючi шари
нарощувалися методом подвiйної рiдинної епiтаксiї на пiдкладинцi n-типу, вирощенiй мето-
дом Чохральського. Орiєнтацiя пiдкладинки — [111]. Товщини епiтаксiйних шарiв стано-
вили 50–60 мкм та 20–30 мкм для n- та p-плiвки вiдповiдно.
Опромiнення швидкими нейтронами реактора (Eн = 1 МеВ) здiйснювалося на горизон-
тальному каналi реактора ВВРМ iз застосуванням кадмiєвої оболонки в межах доз 1014–
1016 н/см2 при температурi, близькiй до кiмнатної.
Вимiрювання вольтамперних характеристик проводилося на автоматизованому при-
строї, роботою якого керував комп’ютер. Конструкцiя вимiрювального приладу дозволяла
змiнювати температуру вимiрювання зразка вiд 300 до 77 К; iнтервал вимiрюваних струмiв
становив 102–10−9 А.
Результати та їхнє обговорення.Дослiджуванi дiоди очевидно слiд вважати “дов-
гими”, тобто такими, в яких довжина бази W перевищує дифузiйну довжину неосновних
носiїв струму Ln. Справдi, якщо
Ln =
√
Dnτn =
√
kT
q
µnτn,
де Dn — коефiцiєнт дифузiї електронiв; τn — час життя електронiв; k — постiйна Больцма-
на; µn — рухливiсть носiїв; q — заряд електрона, то при µn = 100 см2 В−1с−1, τn = 7 · 10−9с
i T = 300 К маємо Ln = 135 мкм. Товщина базової частини приладу є сумою товщин пiд-
кладинки L ≈ 300 мкм i товщин плiвок, близька до 400 мкм. Це означає, що W/Ln ≫ 1
i при розрахунку розподiлу падiння напруги на p − n-переходi Up−n та базовiй частинi
дiода Uбпотрiбно зважити на внесок Uб у загальний спад напруги на дiодi U . Остання об-
ставина є особливо важливою у випадку, коли необхiдно визначити спiввiдношення мiж Uб
та Up−n опромiненого приладу.
Враховуючи зробленi оцiнки та застосувавши метод, запропонований у роботi [15], спро-
буємо провести аналiз пострадiацiйних змiн ВАХ, виявлених на фосфiдо-галiєвих дiодах
при нейтронному опромiненнi.
Згiдно з формулою Шоклi для p − n-переходу
I = IS
(
e
qUp−n
mkT − 1
)
,
де IS = (qDppn/Lp + qDnnp/Ln) — зворотний струм насичення; m = 1 ÷ 2 — числовий
коефiцiєнт; np, pn — концентрацiя неосновних носiїв струму у p — та n — областi дiода
вiдповiдно; Dp — коефiцiєнт дифузiї дiрок.
Для несиметричного дiода одиничної площi (S = 1)
IS =
qDp
Lpnn
ni, Lp =
√
Dpτp,
IS = q2n2
i ρnµn
√
Dp
τp
,
де iндексом “p” позначенi вiдповiднi параметри для дiрок; ni — власна концентрацiя носiїв
струму; ρn — питомий опiр n-областi дiода.
70 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
Для GaP дозова залежнiсть концентрацiї носiїв експоненцiйна
n = n0e
−knΦ,
де kn — вiдносна швидкiсть видалення носiїв; Φ — iнтегральний потiк часток; n0 — кон-
центрацiя носiїв у вихiдному зразку,
kn =
1
n0
dn
dΦ
.
Радiацiйна змiна часу життя може бути подана, як 1/τ = 1/τ0 + Φ/k1, k1 — коефiцiєнт
радiацiйного пошкодження часу життя носiїв, τ0 — час життя носiїв у неопромiненому
зразку.
Тодi величина зворотного струму дорiвнює
IS = q2n2
i ρnµn
√
Dn
τp
= q2n2
i ρnµn
√
Dp(k1 + τ0Φ)
k1τ0
,
ρn = 1/σn = 1/(qnµ); σn — питома провiднiсть.
Вважаючи рухливiсть µ ≈ const, а також враховуючи, що в нашому випадку в областi
робочих струмiв i напруг e
qUp−n
mkT ≫ 1, одержимо значення падiння напруги на p−n-переходi
Up−n(Φ) =
mkT
q
ln
[
I
IS
]
=
mkT
q
ln
[
In0e
−knΦ
qn2
i
√
τp0k1
Dp(k1 + τ0Φ)
]
.
Видно, що при зростаннi дози опромiнення падiння напруги на p−n-переходi зменшується.
Продиференцiювавши Up−n(Φ) за потоком Φ, одержимо
dUp−n(Φ)
dΦ
= −
mkT
q
{
kn +
τp0
2(k1 + τp0Φ)
}
.
З iншого боку, падiння напруги на базi дiода (S = 1)
Uб = IRσ = IWρ = IWρ0e
knΦ = Uб0
eknΦ,
dUб
dΦ
= Uб0
kne
knΦ.
Оскiльки dUp−n(Φ)/dΦ та dUб/dΦ — взаємно протилежнi, то повинно iснувати таке значення
струму I0, при якому радiацiйна швидкiсть падiння напруги дорiвнює нулю. Прирiвнявши
вирази dUp−n(Φ)/dΦ та dUб/dΦ, одержимо величину струму I0, при якому сумарне значення
dUp−n(Φ)
dΦ
−
dU
б
dΦ
= 0, при цьому I0 =
mkT
qWρ0kn
[
kn+
τp0
2(k1 + τ0Φ)
]
e−knΦ. Тобто, I0 — це струм,
при якому зменшення падiння напруги на p− n-переходi компенсується її збiльшенням на
базi приладу.
Видно, що в умовах зростання дози опромiнення струм I0 зменшується. Збiльшення
температури зразка спричиняє протилежну дiю — струм I0 збiльшується; ефект темпера-
турного впливу на I0 повинен бути значно слабшим.
На рис. 1 зображенi ВАХ дiода GaP, опромiненого нейтронами, знятi при рiзних тем-
пературах. Пiсля першого опромiнення (Φ = 2 · 1015 н/см2) спостерiгається “полiпшення”
характеристики — прямий струм зростає в iнтервалi 0–50 мА; друге опромiнення дещо
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 71
Рис. 1. Температурнi залежностi прямих гiлок ВАХ для вихiдного та опромiненого нейтронами червоного
GaP:ZnO свiтлодiода, вимiряних при температурах: 1 — T = 300 К; 2 — T = 180 К; 3 — T = 130 К; 4 —
T = 83 К
Рис. 2. Температурнi залежностi прямих гiлок ВАХ для вихiдного та опромiненого нейтронами зеленого
GaP : N свiтлодiода, вимiряних при температурах: 1 — T = 300 К; 2 — T = 180 К; 3 — T = 150 К; 4 —
T = 130 К; 5 — T = 95 К; 6 — T = 85 К
звужує межi цього iнтервалу, i точка перетину ВАХ вихiдного та опромiненого дiода зсову-
ється донизу. Аналогiчним чином впливає на характеристики також зниження температури
вимiрювання (рис. 2). Отже, як бачимо, результати проведеного експерименту добре пiд-
тверджують данi розрахунку дозових залежностей ВАХ.
Позитивний ефект “полiпшення” ВАХ властивий режиму роботи дiода, коли через нього
протiкають малi струми (I < I0). Головну роль у “полiпшенi” характеристики вiдiграє змен-
72 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
шення величини потенцiального бар’єра p− n-переходу внаслiдок зменшення концентрацiї
основних носiїв струму, зумовлене їхнiм захватом на глибокi рiвнi радiацiйних дефектiв,
та падiння часу життя τp.
Конкуруючий ефект — збiльшення падiння напруги з дозою, зумовлене зростанням по-
слiдовного опору бази при зменшеннi в нiй концентрацiї вiльних носiїв.
Таким чином, встановлено, що опромiнення нейтронами реактора (E = 1 МеВ) свiтло-
дiодiв GaP призводить до зростання прямих струмiв в областi малих значень I (I < I0,
де I0 — характеристична величина, що залежить вiд температури i дози опромiнення, яка
вiдповiдає точцi перетину ВАХ вихiдного та опромiненого дiода) та до їхнього зменшення
при I > I0.
Визначальна роль у “полiпшеннi” ВАХ при невеликих значеннях струму та малих до-
зах опромiнення вiдводиться зниженню величини потенцiального бар’єра p − n-переходу
внаслiдок введення глибоких рiвнiв дефектiв при опромiненнi; збiльшення величини дифе-
ренцiйного опору на ВАХ при зростаннi дози нейтронiв зумовлене зростанням послiдовного
опору бази дiода в результатi падiння концентрацiї основних носiїв струму.
1. Берг А., Дин П. Светодиоды. – Москва: Мир, 1979. – 686 с.
2. Kawakubo T., Okada M. Electrical and optical properties of neutron-irradiated GaP crystals // J. Appl.
Phys. – 1990. – 67, No 6. – P. 3111–3114.
3. Palezewska M., Jasinski J., Korona K. et al. Antisite defects created in neutron irradiated GaP crystals //
Ibid. – 1995. – 78, No 6. – P. 3680–3685.
4. Kuriyama K., Okada M. Redshift of the longitudinal optical phonon in neutron irradiated GaP // Ibid. –
1999. – 85, No 7. – P. 3499–3502.
5. Sukach G.A. Radiation-induced transformation of radiative exciton complexes bound to nitrogen in GaP:
N green light-emitting structures // J. of Lumines. – 1999. – 85. – P. 121–128.
6. Johnson A.H., Rax B.G., Selva L. E., Barnes C.E. Photon degradation of light-emitting diodes // IEEE
Trans. on Nucl. Scien. – 1999. – 46, No 6. – P. 1781–1789.
7. Gomonai A.V., Goyer D.V., Azhniuk Yu.M., Megela I.G. Radiative recombination in electron-irradiated
GaP crystals // J. of Optoelectronics and Advanced materials. – 2003. – 5, No 3. – P. 641–646.
8. Endo T., Nishimura T., Nakakuki K. DLTS study for energy-broadening of the defect level on introducting
radiation damage in GaP // Jap. J. Appl. Phys. – 1988. – 27, No 11. – P. 2107–2112.
9. Endo T., Hirosaki Y., Uchida E., Miyake H., Sugiyama K. Deep levels in electron-irradiated GaP at 10
MeV // Ibid. – 1989. – 28, No 10. – P. 1864–1870.
10. Zaidi M.A., Zazoui M. Bourgoin J. C. Defects in electron irradiated n-type GaP // J. Appl. Phys. – 1993. –
74, No 8. – P. 4948–4952.
11. Козлов В.А., Козловський В. В. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облу-
чении протонами и α-частицами // Физика и техника полупроводн. – 2001. – 35, № 7. – С. 769–794.
12. Zafar M., Baber N., Arshad M. Zafar N. Sensitive thermometry using capacitance variation of GaP LEDs //
Solid. – State electronics. – 1987. – 30, No 6. – P. 639–641.
13. Prochazka I., Hamal K., Sopko B. Photon counting detector with picosecond timing resolution for X to
visible range on the basis of GaP // Nucl. Inst. And Method in Phys. Res. – 2006. – A568. – P. 437–439.
14. Беляев А.Е., Болтивец Н.С., Иванов В.Н. и др. Термостойкий диод Шоттки TiBx-n-GaP // Физика
и техника полупроводн. – 2008. – 42, № 4. – С. 463–467.
15. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. – Москва: Мир, 1984. – 455 с.
Надiйшло до редакцiї 14.10.2009Iнститут ядерних дослiджень НАН України, Київ
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №6 73
Academician of the NAS of Ukraine I.M. Vyshnevsky, O.V. Konoreva,
V. I. Kochkin, V. F. Lastovetsky, P. G. Litovchenko, V. Ya. Opilat,
V. P. Tartachnyk
Neutron radiation effect on current-voltage characteristics of GAP light
diodes
Influence of fast reactor’s neutrons (E = 1 MeV) on the current-voltage characteristics (CVC) of
GAP light diodes was studied. A shift of the forward part of CVC into the lower voltage region at
low irradiation doses and low operating currents is found. The increase of the differential resistance
at large doses of neutrons was determined to depend on the base resistance increase. All these effects
are caused by the drop of the minority carriers’ life-time and the capture of main charge carriers
by the deep radiation induced levels.
74 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №6
|