УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА СВЕТОДИОДНЫХ GaN ГЕТЕРОСТРУКТУР

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам тестирования параметров пластин с планарными светодиодными гетероструктурами (ПСГ) на основе множественных наноразмерных слоев и может быть использована при производстве ПСГ на основе AlGaN/InGaN/GaN на этапе послеростового тестирования указанных структур.
v
g
g
Известны устройства-аналоги для измерения параметров фотолюминесценции ПСГ [1-3]. Особенностью таких устройств является бесконтактный режим измерения оптической мощности, который реализуется за счет возбуждения люминесценции ПСГ лазерным излучением с энергией излучения h≥E (E - ширина запрещенной зоны слоев ПСГ). Возможность бесконтактного измерения мощности фотолюминесценции позволяет проводить неразрушающий контроль параметров ПСГ, в том числе внутреннего квантового выхода при заданной оптической мощности возбуждающего лазерного излучения. Однако используемая в известных устройствах характеристика не позволяет установить зависимость внутреннего квантового выхода от плотности тока, протекающего через ПСГ.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является устройство тестирования микросхем и светодиодных кристаллов на ПСГ, в которых имеются два или более зонда (иглы) для подачи напряжения и измерения тока, протекающего в цепи зонда [4-5] (выбрано за прототип).
Устройство позволяет проводить измерение мощности оптического излучения светодиодных структур в режиме электролюминесценции только при наличии контактной металлизации на ПСГ, так как необходимо создавать контакт к p- и n-областями ПСГ, поэтому для тестирования ПСГ в известном устройстве необходимо предварительно проводить ряд технологических операций фотолитографии, сухого химического травления и нанесения многослойной контактной металлизации, что является недостатком известного устройства.
Технической задачей является упрощение технологии неразрушающего измерения внутреннего квантового выхода ПСГ.
Недостаток прототипа устраняется в предлагаемом устройстве неразрушающего контроля внутреннего квантового выхода светодиодных гетероструктур, содержащем измерительный блок, фотоприемник и измерительные электроды, и реализуется тем, что электроды для подачи на структуру напряжения смещения сформированы на разнополярных границах поверхности слоя нитрида галлия дырочного типа проводимости в виде прижимных проводящих зондов с расстоянием между зондами не менее 50·d, где d - полная толщина светодиодной гетероструктуры.
При этом, как и в прототипе, измеряется зависимость мощности оптического излучения прямосмещенного контакта от тока, протекающего в цепи двух измерительных зондов.
На Фиг.1 представлена блок-схема устройства неразрушающего контроля.
На Фиг.2. показана эквивалентная схема измерительной цепи устройства.
На Фиг.3 показана экспериментальная зависимость тока при постоянной оптической мощности электролюминесценции от расстояния между точечными зондами.
На Фиг.4 представлена зависимость мощности оптического излучения от протекающего тока.
Цифрами на Фиг.1 обозначены: 1, 2 - измерительные электроды (зонды); 3 -верхний слой p-GaN ПСГ; 4 - слой n-типа проводимости ПСГ, стрелками схематично показаны линии протекания тока между зондами, 5 - собирающая оптика с фотоприемником. Стрелками схематично показано излучение электролюминесценции; 6 -измерительный блок, включающий источник тока, измеритель тока для электродов и измеритель тока фотоприемника.
пoв
к
При условии, что поверхностное сопротивление, R. будет значительно (например, в 100 раз) превышать сопротивление контакта R, ток между зондами в основном (на 99%) будет протекать через встречно включенные-, р-n- и n-р- переходы, пересекая границу слоев 3 и 4. При увеличении подаваемого напряжения под зондом с отрицательным потенциалом происходит лавинный пробой обратно-смещенного р-n-перехода, сопротивление в измерительной цепи резко уменьшается, что приводит к перераспределению подаваемого напряжения на прямо-смещенный р-n- переход, который в данном случае является инжектирующим, и стимулированию излучательной рекомбинации. Таким образом, область р-n- перехода ПСГ под зондом с положительным потенциалом начинает излучать фотоны за счет явления электролюминесценции, в данном случае реализуется рабочий режим светодиода.
1
2
4
2
1
3
На эквивалентной схеме измерительной цепи (Фиг.2) контактные сопротивления R и R в общем случае являются нелинейными. Сопротивление R обусловлено чрезвычайно малым сопротивлением n-слоя GaN. При измерении диод D находится в режиме лавинного пробоя, диод D находится в режиме электролюминесценции. При использовании прижимных зондов малой площади сопротивление верхнего слоя p-типа R зависит от расстояния между контактами, что объясняется частичным протеканием тока по данному слою.
1
Из Фиг.3 видно, что ток увеличивается при уменьшении расстояния при постоянной мощности излучения, что указывает на уменьшение сопротивления в параллельной светодиоду D цепи.
1
2
3
При увеличении диаметра прижимного контакта до 50-100 мкм (в экспериментах использовали индиевые навески) зависимость тока при постоянной мощности оптического излучения от расстояния между зондами исчезает, что объясняется увеличением площади контакта и, соответственно, резким уменьшением сопротивления диодов D и D по отношению к поперечному сопротивлению верхнего слоя p-типа R.
Экспериментальная зависимость мощности оптического излучения от тока I, протекающего через измерительные зонды, перестроенная в координатах η/I, представлена на Фиг.4, где η - мощность оптического излучения (отн. ед.), I - ток в измерительной цепи зондов. Представленная кривая отражает зависимость внутреннего квантового выхода от тока, протекающего через прямо-смещенный светодиод [6].
Технология измерения упрощается выбором минимально возможного расстояния между измерительными зондами, контактирующими с поверхностью p-GaN ПСГ толщиной порядка 1 мкм.
1
пoв
к
пoв.
к
пoв.
к
Оценку расстояния между зондами, при котором сопротивление диода D становится несущественным, получим из условия: R>100-R, R=p·l/·d⌀, где ρ - удельное сопротивление p-GaN, l - расстояние между прижимными контактами, d - толщина слоя p-GaN, например, 0,25 мкм, ⌀ - диаметр прижимного контакта. Контактное сопротивление R=р/(2⌀). Условие R>100-R соответствует: p-l/(d·⌀)>100·р/(2⌀). Сокращая подобные члены, получим, что минимальное расстояние между контактами не зависит от удельного сопротивления поверхностного p-GaN и диаметра контакта и составляет соотношение: l>50·d. Полагая полную толщину слоя растекания GaN близкую к 2 мкм, получим минимальное расстояние между контактами l более 100 мкм. Таким образом, приведено обоснование условий протекания тока через излучающую структуру, а, следовательно, применимости предложенного способа для анализа внутреннего квантового выхода светоизлучающих GaN структур.
Техническим результатом устройства является неразрушающий контроль внутреннего квантового выхода ПСГ на основе AlGaN/InGaN/GaN, т.е. устранение недостатка, связанного с необходимостью предварительного проведения технологических операций фотолитографии и химического травления p-слоя для нанесения металлических контактов к p- и n- областям ПСГ.
Источники информации:
1. http://www.nanometrics.com/products/vertex.html
2. http://www.ysystems.jp/Products/index.html
3. http://www.dwoptron.com/main.asp
4. http://www.wecon.com.tw/products-e.php?NC_ID=22
5. http://www.suss.com/products/alignment-verification-systems/dsm8.html
6. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - второе изд. - М.:Физматлит, 2008 - 496 с.