СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРОНЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ НА ОСНОВЕ InGaN/GaN
DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR ELECTRIC MICROHETEROGENEITIESIN SEMICONDUCTOR HETEROSTRUCTURES, BASED ON INGAN/GAN

2
3
Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике и может быть использовано для визуализации пространственного распределения электрических микронеоднородностей технологического происхождения: дислокаций, пор, преципитатов и т.д. в полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктурах на основе InGaN/GaN, выращенных на подложках AlO.
Известен способ диагностики полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур [1. RU 2498277 С1, МПК G01N 23/02 (2006.01), H01L 21/66 (2006.01), опубл. 10.11.2013], включающий сканирование образца в условиях брэгговского отражения в пошаговом режиме, производимом путем изменения угла падения рентгеновского луча, использование рентгеновской однокристальной дифрактометрии с немонохроматическим, квазипараллельным пучком рентгеновских лучей и позиционно-чувствительным детектором. Рентгеновскую трубку и детектор устанавливают относительно углового положения характеристического пика от одной из систем кристаллографических плоскостей гетероструктуры на угол  По отклонению положения интерференционного пика тормозного излучения на шкале детектора от угла падения рентгеновского луча определяют погрешность положения образца. С учетом полученной погрешности независимым перемещением устанавливают трубку в положение  при котором ось симметрии между трубкой и детектором перпендикулярна к выбранной системе кристаллографических плоскостей. При таком положении трубки проводят пошаговое сканирование в диапазоне углов, характеризующих выбранную систему кристаллографических плоскостей. Независимым перемещением устанавливают трубку на угол  выводя максимум тормозного пика за границы характеристического пика. Затем проводят пошаговое сканирование всех слоев гетероструктуры, оставляя неизменным угловое положение характеристического пика от системы кристаллографических плоскостей путем перемещения шкалы детектора, и определяют угловые положения пиков от всех слоев гетероструктуры.
Недостатком этого способа является невозможность определения, в каких дефектных областях произойдет наибольшая локализация электрического тока. Это особенно важно при анализе гетероструктур, предназначенных для изготовления полупроводниковых приборов.
Известен способ выявления микродефектов, вызывающих каналы токовой утечки в излучающих кристаллах InGaN/GaN мощных светодиодов [2. Закгейм А.Л., Курышев Г.Л., Мизеров М.Н. и др. Исследование тепловых процессов в мощных InGaN/GaN флип-чип светодиодах с использованием инфракрасной тепловизионной микроскопии // ФТП. 2010. Т.44, №3. С. 390-396], включающий пропускание электрического тока через светодиоды и измерение температурных полей, возникающих в светодиодах в результате саморазогрева, с помощью инфракрасного микроскопа УТК-1 с разрешением единицы микрометров, в котором тепловое излучение регистрируется InAs прибором с зарядовой инжекцией - фотоприемной матрицей с количеством элементов 128×128 (шаг элементов 50 мкм) и областью спектральной чувствительности 2,5-3,1 мкм. Поле зрения микроскопа составляет 400×400 мкм (~3 мкм на элемент). Полученная карта распределения инфракрасного излучения соответствует распределению плотности тока, т.к. температура в определенной точке гетероструктуры прямо пропорциональна плотности тока при доминировании безызлучательной рекомбинации при тепловыделении. Каналы токовой утечки (области расположения электрических микронеоднородностей) на инфракрасных цифровых фотографиях проявляются в виде темных пятен.
Основным недостатком этого способа является невозможность исследования гетероструктур до нарезки на чипы и их сборки в светодиод. Кроме того, необходимость наработки светодиода в течение нескольких сотен часов приводит к большой длительности процесса диагностики.
-10
Известен способ выявления каналов повышенного транспорта неосновных носителей заряда в активной области полупроводниковых гетероструктур на основе InGaN/GaN [3. Якимов Е.Б. Характеризация GaN и структур на его основе методами растровой электронной микроскопии // Ученые записки физического факультета. 2014. Т. 2, 142501. С. 1-5], выбранный в качестве прототипа, включающий напыление барьеров Шоттки Ni/Au на поверхность образца, сканирование гетероструктуры электронным пучком в вакууме при комнатной температуре с током ~10А в растровом электронном микроскопе Jeol-840A с усилителем тока Keithley 428, и измерение пространственного распределения наведенных электрических токов в гетероструктуре. По полученному распределению наведенного тока, собранного в каждой точке сканирования, судят о локальных электрических характеристиках гетероструктуры, выявляют области расположения каналов повышенного транспорта неосновных носителей заряда и протяженных дефектов в гетероструктурах.
В режиме наведенного тока структурные дефекты в слоях гетероструктуры с небольшим количеством InGaN/GaN-квантовых ям (<5) проявляются в виде темных точек из-за локального повышения скорости рекомбинации в дефектных областях.
Для структур с большим количеством квантовых ям (≥5) темные точки, связанные с дефектами практически не выявляются и на фоне крупномасштабной неоднородности скорости рекомбинации проявляются два типа дефектов, дающих светлый контраст в режиме наведенного тока.
Маленькие (0,1-0,2 мкм) светлые точки связаны с дислокациями, большие светлые области на изображениях связаны со скоплениями дислокаций и/или с микропайпами.
К основным достоинствам данного способа относятся:
1. Возможность диагностики гетероструктур до этапа нарезки пластины на чипы и сборки их в светоизлучающий прибор.
2. Возможность визуализировать каналы повышенного транспорта носителей заряда в активной области гетероструктур на основе InGaN/GaN.
К основным недостаткам данного способа относятся:
1. Существенное влияние дизайна активной области гетероструктуры на зависимость наведенного тока от первичной энергии электронов и на изображение протяженных дефектов из-за эффективного захвата неравновесных носителей заряда квантовыми ямами.
2. Невозможность определения дефектных областей, в которых произойдет наибольшая локализация электрического тока.
3. Необходимость использования вакуумной системы и другого сложного и дорогостоящего оборудования.
4. Необходимость предварительной подготовки исследуемых образцов (напыление барьеров Шоттки), трудоемкость и длительность процесса диагностики.
2
3
Задача предлагаемого изобретения - диагностика электрических микронеоднородностей в полупроводниковых гетероструктурах на основе InGaN/GaN, выращенных на подложках AlO, с произвольным дизайном активной области.
2
3
2
3
2
13
-3
2
Способ диагностики электрических микронеоднородностей в полупроводниковых гетероструктурах на основе InGaN/GaN, выращенных на подложках AlO, заключается в облучении гетероструктуры электронным пучком, которое приводит к визуализации пространственного распределения электрических микронеоднородностей. Подложку AlO вместе с гетероструктурой и нанесенной на ее поверхность заземленной алюминиевой фольгой облучают в атмосферном воздухе электронным пучком с плотностью энергии от 0,1 до 0,8 Дж/см и скоростью нарастания напряженности электрического поля в гетероструктуре не ниже 5⋅10 В/см⋅с. Определяют пороговую плотность энергии, выше которой в гетероструктуре возникают электрические разряды и связанные с ними микроразрушения. Микроразрушения регистрируют с помощью оптического микроскопа после многоимпульсного облучения дозой не менее 6⋅10 Кл/см. Визуально судят о размерах и пространственном распределении электрических микронеоднородностей в гетероструктуре.
п
п
2
6
2
3
-10
-5
2
2
В основе предлагаемого способа диагностики электрических микронеоднородностей в полупроводниковых гетероструктурах лежит явление электрического пробоя твердых тел под действием сильноточных электронных пучков наносекундной длительности, эффект накопления микроразрушений при многоимпульсном облучении [4. Олешко В.И., Штанько В.Ф. Механизм разрушения высокоомных материалов под действием мощных электронных пучков наносекундной длительности // ФТТ. 1987. Т. 29, №2. С. 320-324] и известное свойство твердых тел - снижение электрической прочности при наличии в них структурных дефектов [5. Грехов И.В., Сережкин Ю.Н.. Лавинный пробой p-n-перехода в полупроводниках. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. С. 84-90]. Увеличение плотности энергии электронного пучка выше порогового значения Р, (или плотности тока j при постоянной энергии и длительности импульса тока) приводит к росту напряженности внутреннего электрического поля в облучаемом объекте и инициированию электрического пробоя в области торможения электронного пучка. В отличие от слаботочных электронных пучков, имеющих плотность тока j от 10 до 10 А/см, сильноточные (J≥10 А/см) позволяют инициировать электрический пробой не только в материалах, накапливающих инжектированный отрицательный объемный заряд, в так называемых катодоэлектретах, но и в высокоомных материалах различных классов -ионных кристаллах, полупроводниках группы АВ и полимерах. Это связано с тем, что радиационно-импульсная проводимость твердых тел зависит от мощности источника ионизирующего излучения не линейно, а более слабо. При этом энергия сильноточных электронных пучков, в отличие от слаботочных, выделяется в высокоомных материалах по двум основным каналам. Часть энергии выделяется гомогенно в результате ионизации среды высокоэнергетическими электронами (ионизационные потери), а часть преобразуется в энергию электрического поля отрицательного объемного заряда и выделяется локально в областях расположения электрических микронеоднородностей, что приводит к разогреву и разрушению облучаемого образца [6. В.И. Олешко. Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.ф.-м.н. «Пороговые процессы в твердых телах при взаимодействии с сильноточными электронными пучками». Специальность 01.04.07. 2009 г. С.11]. В тонкопленочных полупроводниковых гетероструктурах, выращенных на подложках AlO, толщина которых превышает глубину пробега электронного пучка, развиваются такие же процессы, о чем свидетельствуют экспериментальные данные: близкие значения порогов электронно-пучкового разрушения макрокристаллов и тонкопленочных полупроводниковых гетероструктур в режиме многоимпульсного облучения, локальный характер микроразрушений и эффект накопления микроразрушений с увеличением дозы облучения.
2
Минимальный порог по плотности энергии электронного пучка 0,1 Дж/см определяется минимальной скоростью нарастания напряженности электрического поля в полупроводниковой гетероструктуре на основе InGaN/GaN, при которой развивается электрический пробой и формируются связанные с ним локальные микроразрушения.
2
Максимальный порог по плотности энергии электронного пучка 0,8 Дж/см обусловлен разрушением образца динамическими напряжениями (термоудар), проявляется в виде трещин и не связан с электрическим пробоем образца.
-5
2
Порог по дозе облучения 6⋅10 Кл/см связан с эффектом накопления микроразрушений и обусловлен минимальной дозой облучения, при которой визуализируются все электрические микронеоднородности, присутствующие в зоне облучения полупроводниковой гетероструктуры. С увеличением дозы облучения выше пороговой наблюдается незначительное увеличение размеров, имеющихся микроразрушений.
Перечень иллюстраций:
Фиг. 1. Схема реализации способа диагностики.
Фиг. 2. Фотографии пространственного распределения микроразрушений, соответствующих местам локализации электрических микронеоднородностей в гетероструктуре образца ГС-1.
Фиг. 3. Фотографии пространственного распределения микроразрушений, соответствующих местам локализации электрических микронеоднородностей в гетероструктуре образца ГС-2.
Фиг. 4. Фотографии пространственного распределения микроразрушений, соответствующих местам локализации электрических микронеоднородностей в гетероструктуре образца ГС-3.
Пример
2
3
e
На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа диагностики, включающая ускоритель электронов 1, диафрагму 2 с переменным диаметром отверстия, алюминиевую фольгу 3, электронный пучок 4, диафрагму 5, устанавливаемую в паз металлического столика 6, алюминиевую фольгу 7, нанесенную на гетероструктуру 8, выращенную на подложке AlO 9, оптический микроскоп 10 с микронным разрешением. На фиг. 1 также показана глубина пробега электронов R в образце и область, в которой формируется отрицательный объемный заряд 11.
Ускоритель электронов 1 представляет собой сильноточный импульсный ускоритель конструкции Г.А. Месяца и Б.М. Ковальчука [7. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Семин Б.М., Шпак В.Г. Сильноточный наносекундный ускоритель для исследования быстропротекающих процессов // Приборы и техника эксперимента. 1981. №4. С. 15-18] с длительностью импульса тока 15 не, средней энергией электронов в пучке 250 кэВ и максимальным током в импульсе 3 кА.
2
2
Диафрагму 2 с переменным диаметром отверстия, устанавливаемую за анодом вакуумного диода ускорителя электронов 1, используют для дискретного варьирования плотности энергии электронного пучка 4 на поверхности гетероструктуры 8. Отверстия диафрагмы 2 обозначают от Д1 до Д15, они соответствуют плотностям энергии электронного пучка 4 от 0,1 до 0,8 Дж/см с шагом 0,05 Дж/см. Плотность энергии электронного пучка 4 в месте потенциального расположения гетероструктуры 8 измеряют радиационно-химическим способом [8. Сериков Л.В., Юрмазова Т.А., Шиян Л.Н. Способ дозиметрии ионизирующего излучения /а.с.No 1544030. 1989].
В качестве алюминиевой фольги 3 и алюминиевой фольги 7 используют алюминиевый скотч толщиной 15-20 мкм. Алюминиевая фольга 3 предотвращает проникновение воздуха в вакуумный диод ускорителя электронов 1. Алюминиевая фольга 7 обеспечивает однородность электрического поля в зоне торможения электронного пучка в образце. Алюминиевая фольга 7 заземлена, т.к. соприкасается с металлическим столиком 6, размещенным на заземленном корпусе ускорителя электронов 1.
Диафрагмой 5 ограничивают зону облучения образца и вырезают из электронного пучка 4 область с однородной по сечению плотностью энергии. Металлический столик 6 с отверстием используют для фиксации диафрагмы 5 и в качестве опоры для размещения диагностируемого образца.
Оптический микроскоп 10 используют для регистрации микроразрушений, образующихся в местах локализации электрических микронеоднородностей после многоимпульсного облучения гетероструктуры 8. В качестве оптического микроскопа 10 используют микровизор проходящего света μVizo-101.
Диагностируемые образцы - три светодиодные гетероструктуры на основе InGaN/GaN с различным дизайном активной области, выращенные методом металлоорганической газофазной эпитаксии на сапфировых подложках [0001] толщиной 400 мкм.
0,14
0,86
0,1
0,9
Гетероструктура образца ГС-1 состоит из слоя n-GaN толщиной 4 мкм, активной области, содержащей десять квантовых ям InGaN толщиной 2 нм и барьеров GaN толщиной 15 нм, слоя p-AlGaN толщиной 30 нм и слоя p-GaN толщиной 200 нм.
0,12
0,88
0,1
0,9
Гетероструктура образца ГС-2 состоит из слоя n-GaN толщиной 3 мкм, активной области, содержащей пять квантовых ям InGaN толщиной 2,5 нм и барьеров GaN толщиной 10 нм, слоя p-AlGaN толщиной 20 нм и слоя p-GaN толщиной 140 нм.
0,12
0,88
0,1
0,9
Гетероструктура образца ГС-3 состоит из слоя n-GaN толщиной 3 мкм, активной области, содержащей одну квантовую яму InGaN толщиной 2,5 нм и барьер GaN толщиной 10 нм, слоя p-AlGaN толщиной 20 нм и слоя p-GaN толщиной 140 нм.
2
-3
Предлагаемый способ диагностики электрических микронеоднородностей реализуют следующим образом. Устанавливают диафрагму 2 с отверстием Д1, соответствующим плотности энергии электронного пучка Р=0,1 Дж/см. Откачивают вакуумный диод, входящий в состав ускорителя электронов 1, до давления 10 Тор.
п
п
п
-5
2
2
-5
2
2
На поверхность гетероструктуры 8 образца ГС-1 наклеивают алюминиевую фольгу 7. Диагностируемый образец размещают на металлическом столике 6 с диафрагмой 5, диаметр которой составляет 2 мм, и облучают при комнатной температуре в атмосферном воздухе в многоимпульсном режиме дозой D не менее 6⋅10 Кл/см. После облучения с поверхности образца ГС-1 удаляют алюминиевую фольгу 7, помещают его на столик микровизора проходящего света μVizo-101 и фотографируют облученную поверхность полупроводниковой гетероструктуры с пространственным разрешением ~1 мкм. Визуально по фотографиям судят о наличии микроразрушений в облученной зоне гетероструктуры. При отсутствии микроразрушений дискретно увеличивают плотность энергии электронного пучка 4 через интервал 0,05 Дж/см путем последовательного использования диафрагмы 5 с отверстиями Д2, Д3, и т.д. и повторяют фотографирование облученных зон гетероструктуры образца ГС-1 для каждой плотности энергии после многоимпульсного облучения дозой не менее 6⋅10 Кл/см до тех пор пока не будет достигнута пороговая плотность энергии Р электронного пучка 4, характеризующаяся формированием микроразрушений в облученных зонах (фиг. 2а), инициируемых электрическим пробоем. Для образца ГС-1 определенная таким образом пороговая плотность энергии электронного пучка составляет Р=0,15 Дж/см.
п
п
Диагностику всей поверхности гетероструктуры 8 производят путем перемещения образца ГС-1 относительно диафрагмы 5 и облучения новых областей гетероструктуры 8 электронным пучком 4 с установленными ранее параметрами Р и D. На основе визуального осмотра облученной поверхности образца с помощью микровизора проходящего света μVizo-101 судят о размерах и пространственном распределении микроразрушений, которые являются местами локализации электрических микронеоднородностей в полупроводниковой гетероструктуре. Место наибольшего скопления микроразрушений в диагностируемой гетероструктуре образца ГС-1 показано на фиг. 2b.
п
Многоимпульсное облучение гетероструктуры дозой, равной пороговой D, позволяет визуализировать все типы дефектов технологического происхождения, находящихся в зоне облучения и ответственных за электрическую микронеоднородность диагностируемой гетероструктуры.
п
2
3
2
3
e
2
Зная параметры электронного пучка 4 (средняя энергия электронов U=250 кэВ, длительность импульса тока электронного пучка t=15 нс) и экспериментально определенную пороговую плотность энергии электронного пучка для инициирования электрического пробоя в образце ГС-1 (Р≈0,15 Дж/см), проведем оценку величины напряженности электрического поля и скорости его нарастания в гетероструктуре, выращенной на AlO. При заземленной облучаемой поверхности гетероструктуры 8 и толщине AlO 9, превышающей глубину пробега электронов R (фиг. 1):
где Е - напряженность электрического поля, В/см;
0
ε - диэлектрическая постоянная, Ф/см;
ε - диэлектрическая проницаемость образца;
е
3
ρ - объемная плотность инжектированного заряда, Кл/см;
e
2
j - амплитуда плотности электронного тока, А/см;
e
2
Q - поверхностная плотность инжектированного заряда, Кл/см;
e
R - эффективный пробег электронов в образце, см;
п
2
Р - пороговая плотность энергии электронного пучка, Дж/см;
п
2
j - пороговая амплитуда плотности электронного тока, А/см;
U - средняя энергия электронов, эВ;
t - длительность импульса тока электронного пучка, с.
2
3
п
п
e
п
2
3
2
3
2
3
2
2
=
-7
2
6
13
6
14
Поскольку термализация отрицательного объемного заряда 11 электронного пучка 4 происходит в подложке AlO 9, то при Р=0,15 Дж/см, j=40 А/см, t=15 нс, Qj⋅t=6⋅10 Кл/см и ε=9,3 напряженность поля в AlO достигнет величины Е≈0,7⋅10 В/см, a dE/dt≈4,7⋅10 В/(см⋅с). В гетероструктуре 8 на основе InGaN/GaN, расположенной на поверхности AlO 9, амплитудные величины напряженности электрического поля и скорости его нарастания составят, соответственно, Е≈1,2⋅10 В/см и dE/dt≈0,8⋅10 В/(см⋅с). При этом возникает быстрая (электроразрядная) компонента наведенного электронным пучком тока, нейтрализующего электрическое поле, связанное с инжектированным в AlO отрицательным объемным зарядом 11 электронного пучка 4.
14
6
7
19
20
-3
6
2
е
e
Электрический пробой, инициируемый в полупроводниках и диэлектриках при облучении сильноточным электронным пучком, со скоростью нарастания не менее dE/dt~10 В/(см⋅с) развивается в виде стримерных разрядов (нитеобразных токовых каналов) [4. Олешко В.И., Штанько В.Ф. Механизм разрушения высокоомных материалов под действием мощных электронных пучков наносекундной длительности // ФТТ. 1987. Т. 29, №2. С. 320-324]. Неравновесные носители заряда в этом случае образуются за счет ударной ионизации или туннельного эффекта вблизи головки стримера, где напряженность электрического поля Е достигает величины от 10 до 10 В/см, концентрация носителей тока n - от 10 до 10 см, плотность тока j~10 А/см, что приводит к локальному разрушению образцов вследствие джоулева нагрева.
2
3
2
14
Таким образом, эксперимент и расчет свидетельствуют о том, что положительный эффект для полупроводниковой гетероструктуры на основе InGaN/GaN, выращенной на подложке AlO, достигается при плотностях энергии электронного пучка от 0,15 до 0,8 Дж/см и скорости нарастания напряженности электрического поля на ее поверхности не менее 0,8⋅10 В/(см⋅с).
2
2
-5
2
При плотностях энергии электронного пучка более 0,8 Дж/см в гетероструктурах начинают проявляться разрушения в виде трещин, связанные с термоударом, что исключает возможность дальнейшего использования гетероструктуры. На фиг. 2 с представлены фотографии трещин, появившихся в гетероструктуре образца ГС-1 после многоимпульсного облучения электронным пучком с плотностью энергии 1 Дж/см и дозой не менее 6⋅10 Кл/см.
п
2
Образцы ГС-2 и ГС-3 используют для демонстрации возможности проведения диагностики электрических микронеоднородностей предлагаемым способом в гетероструктурах с произвольным дизайном активной области InGaN/GaN. Диагностику электрических микронеоднородностей в гетероструктурах образцов ГС-2 и ГС-3 осуществляют, как было описано выше для образца ГС-1. Определенная из эксперимента пороговая плотность энергии электронного пучка, необходимая для инициирования микроразрушений в гетероструктурах образцов ГС-2 и ГС-3, составляет Р=0,2 Дж/см. Фотографии пространственного распределения электрических микронеоднородностей в гетероструктурах образцов ГС-2 и ГС-3 приведены на фиг. 3 (а, b) и фиг.4 (а, b), соответственно.
На основе визуального сравнения картин пространственного распределения электрических микронеоднородностей в образцах ГС-1, ГС-2 и ГС-3, полученных с помощью микровизора μVizo-101, делают вывод об отсутствии влияния дизайна активной области на визуализацию электрических микронеоднородностей. Наибольшее количество электрических микронеоднородностей, приходящихся на единицу площади поверхности, содержит гетероструктура образца ГС-1, а наименьшее - гетероструктура образца ГС-3.
2
3
Использование предлагаемого способа диагностики электрических микронеоднородностей в полупроводниковых гетероструктурах на основе InGaN/GaN, выращенных на подложках AlО, обеспечивает в сравнении с прототипом следующие преимущества:
1. Возможность проведения диагностики в атмосфере воздуха, исключающую необходимость изготовления специальной вакуумной камеры и использования сложного и дорогостоящего оборудования, что уменьшает затраты времени на проведение диагностики за счет исключения операции предварительной подготовки исследуемых образцов (напыление барьеров Шоттки), а также исключает сложную операцию измерения наведенных токов, что в совокупности приводит к ускорению и упрощению диагностики.
2. Повышение достоверности результатов диагностики, т.к. предлагаемый способ позволяет определять не все виды дефектов, образующихся в полупроводниковой гетероструктуре в процессе выращивания, а только те дефектные области, в которых происходит локализация электрического тока, приводящая к появлению локальных микроразрушений, что позволит отбраковывать эти участки гетероструктуры при нарезке пластины на чипы.
3. Возможность диагностики пространственного распределения электрических микронеоднородностей в гетероструктурах на основе InGaN/GaN, имеющих произвольный дизайн активной области, т.к. эффект локализации электрического пробоя и связанных с ним микроразрушений определяется именно наличием электрических микронеоднородностей, а не составом слоев (в том числе активной области) гетероструктуры.