СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВНУТРЕННЕГО КВАНТОВОГО ВЫХОДА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ GaN
METHOD TO CONTROL INTERNAL QUANTUM OUTPUT OF SEMICONDUCTOR LIGHT DIODE HETEROSTRUCTURES BASED ON GaN

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам тестирования параметров планарных полупроводниковых светодиодных гетероструктур (ППСГ) на основе GaN с использованием электронных пучков, и предназначено для использования в производстве ППСГ на этапе выходного и входного контроля качества указанных структур.
g
g
Известны аналоги заявленного способа, реализованные в устройствах для измерения параметров фотолюминесценции ППСГ [1-3]. В таких устройствах в качестве возбуждающего источника используется лазер с энергией излучения hν≥E, где E - ширина запрещенной зоны активной области полупроводниковых слоев ППСГ. При этом поглощение фотонов происходит по закону Бугера, что приводит к неоднородному распределению концентрации электронно-дырочных пар по направлению вглубь ППСГ. При использовании известных устройств относительное значение квантового выхода рассчитывается по измеренной интенсивности по формуле [4]
o
η=I/I
o
где I - интенсивность падающего излучения, I - интенсивность измеренного излучения фотолюминесценции.
Недостатком известных устройств является необходимость учета потери той части излучения, которая поглощается в неактивной эмиттерной области ППСГ. Указанное поглощение приводит к частичному ослаблению падающего излучения, дошедшего до активной области ППСГ. Так как в производстве используются ППСГ с различными толщинами слоев, возникает погрешность, что исключает возможность калибровки устройств фотолюминесценции для определения абсолютного значения внутреннего квантового выхода ППСГ.
Наиболее близким к заявленному техническому решению (прототипом) является способ измерения интенсивности микрокатодолюминесценции ППСГ, который реализован в некоторых растровых электронных микроскопах с использованием дополнительной приставки микрокатодолюминесценции [5].
Способ применяется преимущественно для определения плотности ростовых дефектов в полупроводниковых структурах, в том числе на основе GaN [6, 7]. В устройствах в качестве возбуждающего источника используют пучок электронов с типичными энергиями Е≤10-20 кэВ в статическом режиме [6, 7].
Относительно невысокие значения энергии электронного пучка в растровых микроскопах не позволяют получить однородное распределение ионизационных потерь в объеме ППСГ, что также приводит к неопределенности в оценке той части энергии электронов, которая приходится на активную область ППСГ. С другой стороны, использование статических режимов возбуждения может приводить к деградации активных слоев ППСГ даже при малых энергиях пучка (<20 кэВ). Это происходит вследствие подпороговых эффектов образования дефектов и их миграции при наборе больших доз облучения [8], что является недостатком данных устройств.
Технической задачей является уменьшение влияния зависимости ионизационных потерь в ППСГ от координаты и устранение деградации активных слоев ППСГ при контрольных измерениях.
Цель достигается тем, что возбуждение катодолюминесценции осуществляют путем облучения светоизлучающей полупроводниковой гетероструктуры в импульсном режиме с длительностью импульса от 10 нс до 400 нс.
2
В способе по изобретению недостатки прототипа устранены за счет выбора импульсного режима возбуждения ППСГ сильноточными пучками (не менее 0,5 А/см), вместе с тем, качественный контроль достигается при достаточно высоких значениях энергии облучения, не ниже 18 кэВ.
Для определения нижнего порога энергии электронов, при котором распределение ионизационных потерь остается однородным, оценим суммарную толщину активных слоев ППСГ. Типичная суммарная толщина эпитаксиальных слоев ППСГ на основе нитрида галлия составляет 4-5 мкм. При этом толщина активной области (множественных квантовых ям на основе гетероструктур InGaN/GaN) составляет в различных структурах от приблизительно 5 нм до приблизительно 200 нм. Активная область располагается на расстоянии не более 300 нм от поверхности, что составляет толщину слоя GaN с дырочным типом проводимости. Таким образом, суммарная толщина ППСГ, в которой необходимо реализовать однородное распределение ионизационных потерь, составляет величину не менее 500 нм. Численный расчет показывает, что минимальное значение энергии электронов, при котором распределение ионизационных потерь однородно (изменяется не более чем на 5% на толщине приблизительно 500 нм), составляет приблизительно 18 кэВ, что и обуславливает преимущественный нижний предел энергии.
Увеличение энергии приводит, с одной стороны, к увеличению глубины проникновения электронов в материал, а с другой - к более однородному распределению ионизационных потерь электронов вдоль координаты проникновения.
19
-3
Импульсный режим возбуждения при облучении электронным пучком позволяет снизить дозу облучения по сравнению со статическим режимом при использовании сильноточных пучков, результатом чего является отсутствие дефектов в ППСГ. Необходимость использования сильноточных пучков обусловлена выбором таких режимов облучения электронами, при которых стационарная концентрация возбуждаемых при катодолюминесценции электронно-дырочных пар (n) сопоставима с концентрацией носителей в реальных условиях эксплуатации светодиодов на основе ППСГ (n≈10 см [9]). Для определения диапазона возможных длительностей импульсов, при которых следует проводить измерения внутреннего квантового выхода ППСГ, установим нижний и верхний порог значений.
-9
-8
Нижний порог по длительности импульса обусловлен временем жизни носителей заряда (τ). Длительность импульса выбирается много больше времени жизни, для устранения влияния переходных эффектов на результат измерений. Согласно экспериментальным данным из работы [10] время жизни носителей в GaN составляет величину порядка 10 с при комнатной температуре. Минимальная длительность импульсов должна быть приблизительно на порядок выше и составляет не менее 10 с или 10 нс.
Верхний порог по длительности импульса обусловлен минимальной дозой облучения, при которой начинаются необратимые изменения характеристик полупроводниковых структур. Проведем оценку максимальной длительности импульса. Темп генерации носителей однороден по координате и равен
<mrow><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mi>τ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>E</mi><mi>g</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>I</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                             (1)</mtext></mrow>
g
g
e-h
-1
-2
где E - ширина запрещенной зоны нитрида галлия, 4·E≈E - средняя энергия образования электронно-дырочных пар, I - интенсивность электронного пучка (с·см), dE/dx - ионизационные потери в GaN.
Из формулы (1) следует, что общее время облучения должно удовлетворять условию:
<mrow><mi>T</mi><mo><</mo><mo><</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>Ф</mi><mi>I</mi></mfrac><mo>=</mo><mi>Ф</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>E</mi><mi>g</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                                                             (2)</mtext></mrow>
где Ф - минимальная доза облучения (поток электронов), при которой начинаются необратимые изменения (деградация) полупроводниковой структуры.
Измерение полного спектра катодолюминесценции светодиодных структур различного состава по индию необходимо проводить в широком диапазоне длин волн от приблизительно 370 нм до приблизительно 670 нм, т.е. в диапазоне Δ=300 нм, со спектральным разрешением δ не хуже 0.2 нм (для возможных узких линий вынужденного излучения ППСГ). Это накладывает условия на выбор общего количества импульсов (при измерении точки за один импульс), которое должно быть не менее Δ/δ=1500. Тогда при выборе условия Т=Ф/(100·I) из (2) следует, что максимальная длительность импульса электронного пучка составляет
<mrow><msub><mi>t</mi><mi>И</mi></msub><mo>=</mo><mi>Ф</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mfrac bevelled="true"><mrow><mi>d</mi><mi>E</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>x</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>τ</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>E</mi><mi>g</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>n</mi></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>100</mn><mo>⋅</mo><mn>1500</mn></mrow></mfrac><mtext>.                                                                             (3)</mtext></mrow>
-9
19
-3
19
-2
-6
g
И
Используя значения параметров τ=10 с [9], E=3,4 эВ, n=10 см [9], Ф=1,6-10 см [8], dE/dx=500 МэВ/см (согласно численным расчетам), максимальная длительность импульса составляет t≈0.4·10 с.
Таким образом положительный эффект достигается при длительности импульса от 10 нс до 400 нс, при более длинном импульсе, применяемом, например в [6] и [7], могут проявиться отмеченные выше недостатки статических режимов.
Краткое описание иллюстраций.
На фиг.1 представлена блок-схема реализации способа.
На фиг.2 представлен спектр катодолюминесценции светодиодной структуры.
Цифрами на фиг.1 обозначены: 1 - импульсный источник высокоэнергетических электронов; 2 - электронный пучок; 3 - образец тестируемой ППСГ; 4 - оптическое излучение катодолюминесценции ППСГ; 5 - измерительная спектрометрическая система.
Для реализации способа в качестве источника может быть использован, например, импульсный источник высокоэнергетических электронов на базе сильноточного ускорителя электронов конструкции Г.А. Месяца и Б.М. Ковальчука. Максимальная энергия электронов данного прибора составляет 400 кэВ, максимальный ток в импульсе - 3 кА, длительность импульса тока на полувысоте - 12 нс. Электронный пучок, попадая на образец, проникает вглубь ППСГ, вызывая генерацию свободных носителей заряда в ППСГ. Межзонная рекомбинация носителей заряда в активной области приводит к излучению ППСГ. Спектр излучения катодолюминесценции ППСГ измеряется в импульсном режиме (одна точка за импульс) при помощи спектрометрической системы на базе монохроматора, фотоэлектронного умножителя и осциллографа.
Пример спектра катодолюминесценции светодиодной структуры синего диапазона на основе множественных квантовых ям InGaN/GaN представлен на фиг.2.
При постоянной интенсивности возбуждающего электронного пучка и фиксированной геометрии измерительного стенда энергия, затраченная на возбуждение электронно-дырочных пар в активной области ППСГ, не зависит от глубины залегания активной области в ППСГ. Это обеспечено слабой зависимостью ионизационных потерь в ППСГ от координаты.
Так как ионизационные потери не зависят от координаты, то абсолютное значение внутреннего квантового выхода тестируемых материалов определяется при помощи эталонного образца ППСГ с известным абсолютным значением внутреннего квантового выхода Лэ, согласно формуле:
<mrow><mi>η</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>I</mi><mrow><msub><mi>I</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><msub><mi>η</mi><mi>Э</mi></msub></mrow>
,
Э
где I - измеренная интегральная интенсивность оптического излучения катодолюминесценции, I - интегральная интенсивность оптического излучения катодолюминесценции эталонного образца.
Повторные измерения одних и тех же образцов ППСГ показывают, что абсолютные значения интенсивности катодолюминесценции не изменяются от измерения к измерению, что указывает на отсутствие деградации ППСГ за счет образования структурных дефектов и их миграции.
Таким образом, способ по изобретению обладает новизной и позволяет проводить неразрушающие бесконтактные измерения внутреннего квантового выхода гетероструктур по измеренной интенсивности катодолюминесценции ППСГ, возбужденной импульсным пучком электронов.
Техническим результатом предложенного способа является устранение недостатков, связанных с неоднородным поглощением энергии возбуждающего излучения в слоях ППСГ и деградацией активной области ППСГ при контрольных измерениях, присущих способу-прототипу.
Источники информации
1.
2.
3.
4. Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. - второе изд. - М.: Физматлит, 2008 - 496 с.
5. /http://www.g. php.
6. Патент ЕP 2346097 A1 (SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES) 07.20.2011, 47 стр.
7. Патент US 2011164638 A1 (SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES) 07.07.2011, 48 стр.
8. П.С. Вергелес, Н.М. Шмидт, Е.Б. Якимов / Тезисы докладов 8-ой Всероссийской конференции «Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы», Санкт-Петербург, 2011, стр.98 (http://mtrides-conf.ioffe.ru/abstracts/III-N_2011.pdf).
9. Guan Bo Lin et al. / Appl. Phys. Lett. - V.100. - 2012. -P.161106.
10. Takakazu Kohno et al. / Jap.J. Appl. Phys. - V.51. - 2012. - P.072102.