基于电子束辐照技术提高LED发光效率的实验及机理研究

In this project the type of defect caused by the irradiation of LED materials are studied based on the experiment of electron beam irradiation on GaN and AlGaInP material LED. The characterization of the defect types, defect level distribution and concentration are analyzed in the test. LED luminous intensity changes combining with the induced defects damage caused by irradiation are analyzed with the correspondence between the light-emitting process and defect levels. Tthe ultimate goal is to explore the law of the different dose and energy of the electron beam irradiation LED induced defects damage and the LED light strength. The project play an important role on the electron beam irradiation effect of the LED, LED radiation hardness and radiation effects research to enhance the level of technology and device performance.

本项目是在电子束辐照GaN和AlGaInP材料体系LED实验的基础上，对由辐照引起的LED材料的缺陷类型进行研究，通过对缺陷类型的表征，获得缺陷能级分布和浓度等相关信息。并将诱生缺陷损伤与由辐照引起的LED发光强度的变化相结合，分析发光过程与缺陷能级之间的对应关系，最终目标是探索不同剂量和能量的电子束辐照LED诱生缺陷损伤和使LED发光强度提高的规律。本项目在探索LED的电子束辐照效应、提升LED的抗辐照能力和利用辐照效应的研究提升工艺水平和器件性能上具有重要意义。

电子辐照能够在半导体材料中引入缺陷，通过对缺陷的引入和控制将会对半导体材料及器件的性能产生影响。半导体发光二极管（Light Emitting Diode, LED）作为具有多层结构半导体材料的典型器件，电子辐照对其发光性能产生影响。本项目中对GaN 和AlGaInP材料体系LED电子辐照效应的研究，一方面是分析电子辐照提高LED发光效率的可能性，另一方面是结合电子辐照机理研究将成果延伸至其他半导体材料及光电器件性能的研究中。本项目主要是在电子束辐照GaN 和AlGaInP材料体系LED实验的基础上，对由辐照引起的LED材料的缺陷进行研究，并将诱生缺陷损伤与由辐照引起的LED 发光强度的变化相结合，分析发光过程与缺陷能级之间的对应关系。主要进行以下几方面的研究：(1) 对电子在LED材料结构中的运动过程进行仿真，建立GaN 和AlGaInP材料体系LED的多层结构辐照效应研究模型，对不同材料内部的电子传输效率、电离能量变化进行模拟，并应用蒙特卡洛方法对电子的运动轨迹进行仿真，较为直观地反映出电子在材料内部的穿透及背散射运动规律；(2)对AlGaInP材料和GaN材料LED进行不同能量和剂量下的电子束辐照实验，并对其发光性能进行对比研究，得到LED的发光性能变化与电子束辐照能量和剂量的对应关系，对于本实验中的样品在电子束能量和剂量在3MeV和10kGy情况下，AlGaInP材料LED平均发光效率约提高10%左右，而GaN材料LED的情况更为复杂；(3) 结合对VN、VGa、GaN、MgGa点缺陷和MgGa-ON、MgGa-H、MgGa-VN、VGa-ON复合体缺陷引起的发光性能的变化的模拟，对辐照实验的测试结果进行辐照诱生缺陷的可能性分析，进一步将辐照能量和剂量与诱生缺陷类型相联系，并应用XPS和XRD等测试手段，对辐照引起材料缺陷进行定性分析。在项目执行过程中，基本达到了预期的研究目标，在辐照对LED发光性能影响方面，研究了能够提高LED发光效率的电子束辐照的能量和剂量，研究结果对电子辐照提高半导体LED发光性能的应用及机理研究上起到重要的指导作用，在今后的研究中还将进一步确定不同能量和剂量的电子辐照下对不同材料中产生的具体缺陷类型及其谱学性能，期望能够实现有效控制缺陷引入，进而实现电子辐照对半导体材料及器件性能的操控。