Ukrainian Journal of Physical Optics 
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Effect of electron irradiation on the electrical and optical characteristics of gallium-nitride light emitting diodes

1Hedzir A. S., 1Muridan N., 2Abdullah Y. and 1Hasbullah N. F.

1Electrical and Computer Engineering Department, International Islamic University, Kuala Lumpur, Malaysia
2Malaysia Nuclear Agency, Selangor, Malaysia. 

Download this article

Abstract. We study the effect of electron irradiation on the electrical and optical characteristics of commercial gallium-nitride light emitting diodes in the fluence region from 1015 to 1017 electrons/cm2. After electron irradiation, the forward-leakage current shows no significant changes, while the reverse-leakage current increases twice under the fluence 9.90×1016 electrons/cm2. This suggests the existence of radiation damage-induced traps. The irradiation reduces the capacitance and the carrier concentration, which can be attributed to deactivation of dopant atoms. Basing on electroluminescence measurements, we prove that the luminescence intensity and the red shift of peak position increase significantly with increasing dose. The peak-wavelength shift can be attributed primarily to the radiation-induced defects that cause formation of red bands and, at the same time, gradually suppress the band-edge luminescence.

Keywords: gallium nitride, light emitting diodes, current–voltage characteristics, capacitance–voltage characteristics, electroluminescence

UDC: 535.24
Ukr. J. Phys. Opt. 20 124-131
doi: 10.3116/16091833/20/3/124/2019
Received: 02.03.2019

Анотація. Вивчено вплив опромінення електронами на електричні та оптичні характеристики комерційних галієво-нітридних світлодіодів у діапазоні потоків від 1015 до 1017 електрон/см2. Після опромінення електронами прямий темновий струм не виявляє суттєвих змін, тоді як зворотний темновий струм збільшується вдвічі під впливом потоку 9,90×1016 електрон/см2. Це говорить про наявність пасток, спричинених дефектами. Опромінення зменшує ємність та концентрацію носіїв, що можна пояснити дезактивацією атомів легуючих речовин. На основі вимірювань електролюмінесценції показано, що інтенсивність люмінесценції та червоний зсув положення її піку значно збільшуються зі зростанням дози. Зсув пікової довжини хвилі можна віднести насамперед до дефектів, викликаних випромінюванням, які спричиняють появу червоних смуг і, водночас, поступово пригнічують крайову люмінесценцію.
REFERENCES
  1. Pearton S J, Ren F, Patrick E, Law M E and Polyakov A Y, 2016. Review-ionizing radiation damage effects on GaN devices. ECS J. Solid State Sci. Technol. 5: Q35-Q60. doi:10.1149/2.0251602jss
  2. Ionascut-Nedelcescu A, Carlone C, Houdayer A, von Bardeleben H J, Cantin J-L and Raymond S, 2002. Radiation hardness of gallium nitride. IEEE Trans. Nucl. Sci. 49: 2733-2738. doi:10.1109/TNS.2002.805363
  3. ChyiShiun Li and Subramanian S, 2003. Neutron irradiation effects in GaN-based blue LEDs. IEEE Trans. Nucl. Sci. 50: 1998-2002. doi:10.1109/TNS.2003.821610
  4. Kim H Y, Kim J, Ren F and Jang S, 2010. Effect of neutron irradiation on electrical and optical properties of InGaN/GaN light-emitting diodes. J. Vac. Sci. Technol. B. 28: 27-29. doi:10.1116/1.3268136
  5. Rodrigues J, Peres M, Soares M J, Lorenz K, Marques J G, Neves A J and Monteiro T, 2012. Influence of neutron irradiation and annealing on the optical properties of GaN. Phys. Stat. Solidi. C. 9: 1016-1020. doi:10.1002/pssc.201100200
  6. Lorenz K, Marques J G, Franco N, Alvesa E, Peres M, Correia M R and Monteiro T, 2008. Defect studies on fast and thermal neutron irradiated GaN. Nucl. Instrum. Meth. Phys. B. 266: 2780-2783. doi:10.1016/j.nimb.2008.03.116
  7. Gaudreau F, Carlone C, Houdayer A and Khanna S M, 2001. Spectral properties of proton irradiated gallium nitride blue diodes. IEEE Trans. Nucl. Sci. 48: 1778-1784. doi:10.1109/23.983130
  8. Buyanova I A, Wagner M, Chen W M, Monemar B, Lindström J L, Amano H and Aksaki I, 1999. Effect of electron irradiation on optical properties of gallium nitride. Phys. Scr. T79: 72-75. doi:10.1238/Physica.Topical.079a00072
  9. Narita S, Hitora T, Yamaguchi E, Sakemi Y, Itoh M, Yoshida H, Kasagi J and Neichi K, 2013. Effects of high-energy proton and electron irradiation on GaN Schottky diode. Nucl. Instrum. Methods Phys. A. 717: 1-4. doi:10.1016/j.nima.2013.04.003
  10. Polyakov A Y, Smirnov N B, Govorkov A V, In-Hwan Lee, Jong Hyeo Baek, Kolin N G, Boiko V M, Merkurisov D I and Pearton S J, 2008. Electron irradiation effects in GaN∕InGaN multiple quantum well structures. J Electrochem. Soc. 155: H31. doi:10.1149/1.2803517
  11. Polenta L, Fang Z-Q and Look D C, 2000. On the main irradiation-induced defect in GaN. Appl. Phys. Lett. 76: 2086-2088. doi:10.1063/1.126263
  12. Ohyama H, Takakura K, Hanada M, Nagano T, Yoshino K, Nakashima T, Kuboyama S, Simoen E and Claeys C, 2010. Degradation of GaN LEDs by electron irradiation. Mater. Sci. Eng. B. 173: 57-60. doi:10.1016/j.mseb.2010.03.018
  13. Ju Z G, Tan S T, Zhang Z H, Ji Y, Kyaw Z, Dikme Y, Sun X W and Demir H V, 2012. On the origin of the redshift in the emission wavelength of InGaN/GaN blue light emitting diodes grown with a higher temperature interlayer. Appl. Phys. Lett. 100: 123503. doi:10.1063/1.3694054
  14. Fauzi D A, Member S, Rashid N K A and Hasbullah N F. 2015. Neutron radiation effects on the electrical characteristics of InAs / GaAs quantum dot-in-a-well structures. IEEE Trans. Nucl. Sci. 62: 3324-3329. doi:10.1109/TNS.2015.2478450
  15. Mulligan P, Qiu J, Wang J and Cao L R, 2014. Study of GaN radiation sensor after in-core neutron irradiation. IEEE Trans. Nucl. Sci. 61: 2040-2044. doi:10.1109/TNS.2014.2320816
  16. Kuriyama K, Kondo H and Okada M, 2001. A point defect complex related to the yellow luminescence in electron irradiated GaN. Solid State Commun. 119: 559-562. doi:10.1016/S0038-1098(01)00304-0
  17. Reshchikov M A and Morkoc H, 2006. Luminescence from defects in GaN. Phys. B Condens. Matter. 376-377: 428-431. doi:10.1016/j.physb.2005.12.110
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics