ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРНОГО СОВЕРШЕНСТВА СЛОЕВ КВАНТОВЫХ ЯМ ГЕТЕРОСТРУКТУР НА ОСНОВЕ НИТРИДА ГАЛЛИЯ НА ИХ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ ELECTRONIC ENGINEERING MATERIALS

УДК 621.372.852.5

Влияние структурного совершенства слоев квантовых ям гетероструктур на основе нитрида галлия на их излучательные характеристики

Е.Н. Вигдорович1, И.Г. Ермошин2

1 Физико-технологический институт

Московского технологического университета

2

ЗАО «Элма-Малахит» (г. Москва)

Impact of Structural Perfection of Layers of Quantum Wells of Heterostructures Based on Gallium Nitride on Their Radiative Characteristics

• * 1 * 2 E.N. Vigdorovich , I.G.Ermoshin

1Physics and Technology Institute

of Moscow Technological University, Moscow

2

SO «Elma-Malakhit» (Moscow)

Приведены результаты исследования структурного совершенства слоев гетероструктуры GaN/GaInN/Al2O3 и влияния их дефектности на характеристики излучателя на их основе. Для определения дефектности слоев использован метод рентгеновской дифрактометрии. Разработаны новая методика и устройство на основе фотодиода ФД-24К для определения квантового выхода.

Ключевые слова: гетероструктура; дислокации; дифрактометрия; фотодиод; квантовый выход.

The results of the study on the structural perfection of the layers of the heterostrucrure GaN/GaInN/Al2O3 and the impact of the defects on the characteristics of the emitter based on them have been presented. To determine the de-fectiveness of the layers the x-ray diffraction method has been used. A new methods and a device based on photodiode FD-24K have been developed for estimation of the quantum yield.

Keywords: heterostructure; dislocation; diffraction; photodiode; quantum yield.

© Е.Н. Вигдорович, И.Г. Ермошин, 2016

Введение. Основным методом получения нитрида галлия (GaN) на сапфире (Al2O3) в настоящее время является эпитаксия с использованием металлоорганических соединений (МОС-гидридная эпитаксия) [1]. Для получения качественных зародышевых слоев целесообразно гетероэпитаксию проводить в два этапа. При высоком пересыщении и в момент перехода к автоэпитаксии, резко уменьшая пересыщение в системе, переходят на условия более совершенного двумерного зародышеобразования. После этого проводят эпитаксию активных областей гетероструктуры (барьеров, квантовых ям, гетеропереходов, подконтактных областей). Все основные этапы гетероэпитаксии GaN можно проследить с помощью лазерной (оптической) рефлектометрии.

Получение гетероструктур. Исследования проводили на установке D-180 с вертикальным реактором при пониженном давлении и при скорости вращения пьедестала 1500-2500 мин"1.

Система управления современных установок (в том числе D-180) может контролировать, регистрировать и анализировать изменения основных параметров роста (давления, температуры, скорости вращения подложкодержателя и пр.). Кроме этого, установка D-180 оснащена системой контроля роста на основе рефлектометра EpiMetric, состоящей из источника света с непрерывным спектром и спектрометром, а также системы ввода излучения и считывания отражения. Принцип контроля роста основан на отражении света от подложки. В зависимости от состояния отражающего слоя (температуры, морфологии поверхности) изменяется его отражательная способность, а также интенсивность рефлекса для разных длин волн. Система позволяет записывать значения интенсивностей отраженного сигнала для трех длин волн. Так, по рефлексу длины волны 930 нм оценивается температура поверхности подложки, по осцилляции сигнала отражения для длины волны 600 нм можно определять скорость роста. Для сбора данных установка EpiMetric оборудована компьютером, где подобные измерения легко осуществимы.

На рис.1. приведена рефлектограмма, на которой представлены все фазы формирования гетероструктуры при МОС-гидридной эпитаксии. После инкубационного периода (фазы 1, 2) образование трехмерных зародышей (фаза 3) происходит при низкой температуре (ЬТ), т.е. при высоком пересыщении. Первичная коалесценция (фаза 4), связанная с разрастанием зародышей, происходит во время отжига при повышении температуры (уменьшении пересыщения) и сопровождается изменением их формы и ориентации. При этом плотность зародышей уменьшается и образуются «диффузион-

Рис.1. Рефлектограмма процесса формирования гетероструктуры (1-6 - фазы формирования)

ные зоны». Вторичная коалесценция (фаза 5) при высокой температуре (Н7) сопровождается срастанием соседних островков в процессе их разрастания и обнажением больших участков подложки, на которых возможно вторичное зародышеобразование. Перед автоэпитаксиальным ростом (фаза 6) образуются кристаллографические сетки с большим количеством пор (каналов). Эти каналы заполняются, и поверхность роста сглаживается, т.е осуществляется переход к двумерному росту. Технологические условия всех этапов формирования эпитаксии в разной степени влияют на функциональные характеристики получаемой гетероструктуры.

Известно, что дефекты кристаллической структуры в квантовых ямах и барьерах активной области гетероструктур приборов отрицательно влияют на их излучательные характеристики [2]. Наличие локальных неоднородностей, включений и особенно дислокаций приводит к формированию глубоких энергетических уровней в запрещенной зоне и увеличивает безызлучательную рекомбинацию инжектированных носителей заряда. Гетероэпитаксиальные слои GaN, выращенные на сапфире, из-за различия параметров кристаллических решеток и температурного коэффициента расширения имеют

7 9 —2

высокую плотность дислокаций в диапазоне 5-10 - 5-10 см .

Эксперимент. Для оценки степени кристаллического совершенства эпитаксиальных слоев использовали метод рентгеновской дифрактометрии, позволяющий измерять параметры кривых качания. Как показано в [3], дислокации в слоях «не сдвигают» кривую качания, а «уширяют» ее за счет диффузного рассеяния отраженных рентгеновских лучей. Диффузное рассеяние рентгеновского излучения возникает из-за того, что дислокации вызывают локальные повороты решетки во всех направлениях. Это приводит к рассеянию от областей вблизи ядер дислокаций, которое не распространяется в том же направлении, что и дифракция от объема кристалла. Вклад рассеяния чисто кинематический (он изменяет интенсивность, а не амплитуду), и в результате формируется широкий низкий пик, центр которого должен совпадать с пиком Брэгга для слоя с дислокациями, поскольку все локальные развороты симметричны относительно ненарушенной решетки.

Простая модель уширения кривой качания предложена Хиршем [2], который показал, что зависимость плотности дислокаций р от уширения кривой качания может быть описана выражением

Р2

где в - полуширина рентгеновской кривой качания (ПШКК), рад.; Ь — вектор Бюргерса, см.

Плотность дислокаций р рассчитывали по формуле (1) по данным рентгенодифрак-тометрических измерений ПШКК в гетероструктурах.

Для оценки эффективности работы светодиодов или светодиодных структур используется значение внешнего квантового выхода [4, 5]. Практически важным является определение его экспериментального значения, для измерения которого сконструирована лабораторная установка. Схема установки приведена на рис.2.

По определению экспериментальная величина внешнего квантового выхода ^ све-тодиода или излучающей области светодиодной гетероструктуры равна:

ц = -100%; N = 1пр/е ; Щ = Роп*

где Щф / Ще - отношение числа фотонов, испущенных светодиодом или этой областью наружу, к числу инжектированных носителей заряда в единицу времени (секунду); 1пр - прямой ток, А; е - заряд электрона; Ропт - измеренная оптимальная мощность излучения, Вт; Ъ\ - энергия квантов в максимуме спектра излучения, эВ.

Рис.2. Схема установки измерения внешнего квантового выхода: 1 - специализированный контактный столик с образцом; 2 - фотодиод; 3 - устройство для подачи напряжения смещения фотодиода в обратном направлении; 4 - блок питания;

5 - микроамперметр; 6 - миллиамперметр; 7 - вольтметр

На практике для перевода значений энергии кванта к\, эВ, в длину волны излучения X, нм, удобно пользоваться соотношением Иу = 1239/Х.

Измеряемая гетероструктура помещалась на специализированный контактный столик (см. рис.2). Контактные площадки наносились в тех же пяти точках, как и в случаях измерений кривых качания в дифрактометрическом эксперименте и электролюминесцентных характеристик. Излучение из выбранной области выводилось наружу через сапфировую подложку и направлялось к фотодиоду, поверхность которого находилась в тесном оптическом контакте с подложкой сапфира.

В созданной установке для измерения мощности излучения Ропт, Вт, использовался кремниевый фотодиод ФД-24К с известной спектральной кривой чувствительности £(Х), А/Вт. Мощность Ропт определялась по формуле

Р =

опт

(—фд —фон )

ад :

где 1фд - обратный ток через фотодиод при подаче обратного смещения 9 В и прямого тока через излучающую область структуры /пр; /фон - фоновый обратный ток фотодиода при 1пр = 0.

Величину £(Х) можно принять постоянной при длине волны X, соответствующей положению максимума спектра излучения, так как полуширина спектра синего свето-диода составляет не более 20 нм.

Используя измеренные значения Ропт, 1пр и можно рассчитать внешний квантовый выход для каждой излучающей области гетероструктуры. Значение внешнего квантового выхода из-за различных условий вывода излучения наружу (у чипов, например, излучение выводится и через боковые грани) может значительно отличаться от значения квантового выхода у чипов, изготовленных из исходной гетероструктуры.

Внешний квантовый выход Л измерялся по разработанной методике и рассчитывался по формуле

Л = (Ропт И)/( /пр/е) • 100%.

Величина Л может быть представлена также в виде

"Л = ^ Лвнутр,

где к - коэффициент вывода излучения из светодиода наружу, отн. ед.; ^внугр — внутренний квантовый выход излучения в структуре.

Значения к определяются конструкцией светоизлучающей структуры и экспериментальными условиями измерений, ^внутр - отношением скорости излучательной рекомбинации электронов и дырок к сумме скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации во всех квантовых ямах активной области гетероструктуры. Если считать, что безызлучательная рекомбинация описывается классической моделью Шокли-Холла—Рида (ШХР), то выражение для внутреннего квантового выхода можно представить в виде

Лвнутр =[1+1/{8и - Тшхр-(р+и)}]—1, (2)

где Ви — коэффициент захвата при излучательной рекомбинации электронов и дырок,

3 —1

см -с ; тШХР — время жизни носителей согласно модели ШХР; р и п — соответственно концентрации электронов и дырок в квантовых ямах;.

Как правило, время жизни тШХР определяется одновременным действием нескольких каналов безызлучательной рекомбинации: атомов неконтролируемых примесей (например, кислорода), точечных дефектов, дислокации. Если выделить рекомбинацию с участием дислокаций, а действие остальных каналов рекомбинации описать величиной времени жизни т0, тогда [6]

Тшхр = Т0 /(1 + Т0рАфф), (3)

где р — плотность дислокаций; А,фф — эффективная скорость диффузии носителей заряда, см2-с—1.

Зная значения параметров т0, Дзфф, р, можно последовательно вычислить значения тШХР, ^внутр и, наконец, внешний квантовый выход излучения ^ и его зависимость от плотности дислокаций, определенной из измерений величины ПШКК по формуле (1).

Результаты исследования. По изложенной схеме эксперимента исследовали гете-роструктуры на всех этапах оптимизации. При оптимизации функциональных характеристик гетероструктур применялся факторный эксперимент с дисперсионным анализом. В качестве независимых параметров использовались давление (пониженное) в реакторе, скорость вращения подложки, температура на всех этапах процесса и учитывался состав газовой фазы. Основные начальные условия процесса (до оптимизации): температура зарождения 450 °С; температура роста барьеров и квантовых ям 950 °С; основной разбавляющий газ — водород; скорость вращения подложки 1000 м—1. После оптимизации скорость вращения подложки доведена до 2500 м—1, температура зарождения увеличилась до 600 °С, температура выращивания активной области гетерост-руктуры поднялась до 1000—1050 °С и в газ-носитель (водород) добавлен азот. ПШКК зародышевого слоя изменилась от 700—800 до 450—600 арксек, а для активной области от 450—600 до 200—350 арксек.

Экспериментальные исследования проводились в следующем порядке. Вначале на пластине определенным образом выбирались пять областей и в каждой измерялась ПШКК. Затем в каждой из этих областей создавались тестовые светодиодные мезаст-руктуры. Контакты к n-GaN- и p-GaN-областям изготавливались из In-Ga эвтектического сплава, эффективная площадь р-п-перехода излучающей мезаструктуры составляла 1 мм2. Мощность излучения тестовых структур измерялась со стороны сапфировой подложки при заданной величине прямого тока 10 мА.

Полученные данные позволили рассчитать плотности дислокаций из значений ПШКК для каждой из пяти выделенных областей на структурах (рис.3 и таблица), а также квантовую эффективность излучения п для каждой тестовой мезаструктуры. (см. таблицу).

Экспериментальные данные, приведенные в таблице, свидетельствуют об увеличении внешнего квантового выхода излучения Л при уменьшении ПШКК и плотности дислокаций р. Для выяснения количественной зависимости " от р по уравнениям (2) и (3) проведены расчеты теоретической зависимости Лвнутр от тШХР при известной величине Ви и заданной величине тока, определяющей значенияр и п.

Параметры исследуемых структур

Номер меза- Плотность дислокаций р, -2 см Характеристическое время жизни тШХР, нс Внешний квантовый выход излучения Л при токе 5 мА, %

структуры

до оптимизации после оптимизации до оптимизации после оптимизации до оптимизации после оптимизации

1 2,6-108 8,9-107 6,6 13,2 5,0 10,6

2 2,4-108 8,8-107 7,0 13,3 6,8 11,4

3 3,6-108 9,0-107 5,1 13,0 3,7 11,1

4 2,1 • 108 8,8-107 7,6 13,2 8,7 11,5

5 2,2-108 8,9-107 7,5 13,2 8,3 11,7

В литературе [8] приводится значение коэффициента захвата при излучательной рекомбинации электронов и дырок Ви =1 • 10-10 см3-с-1. Значение тока выбиралось на восходящем участке зависимости квантового выхода от тока. В рассматриваемом случае ток равен 10 мА, соответствующая плотности тока у =1 А/см . В исследованной гетероструктуре с пятью квантовыми ямами значения р и п различаются в зависимости от местоположения ямы. Поэтому необходимо рассчитать их значения в каждой яме и вычислить интегральную величину Лвнутр при заданных значениях тШХР. Эти вычисления выполнены с помощью программы SimWindows 1.5.0 [7]. Основы использования этой программы для моделирования светодиодных гетероструктур изложены в работе [8]. При расчете внешнего квантового выхода излучения " для изготов-

| мезаструктуры

Рис.3. Плотность дислокаций в меза-структурах до (•) и после (о) оптимизации технологических режимов эпитаксии

Г),%

11,1 %| 1

■ 8,5 %

5,8 % 1 1,

■ 5,0 %

/ 1 '3,7 %

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13тШХР,нс

Рис. 4. Зависимость внешнего квантового выхода излучения Л от характеристического времени жизни тШХР:-теория; ■ - эксперимент

ленных тестовых мезаструктур приняли к = 0. Рассчитанная зависимость ц от тШХР представлена на рис.4. Экспериментальную зависимость ц от р также можно представить

как ц = _ДтШХР). В расчетах в качестве подгоночных параметров для всех исследованных

2 — 1

структур принято т0 = 30 нс, А,фф = 0,5 см -с .

Заключение. Полученные данные позволяют оптимизировать технологию эпитак-сии гетероструктур, заключающуюся в корректировке температурных режимов выращивания буферного слоя GaN и активной квантоворазмерной области гетероструктур. При этом увеличивается квантовый выход излучения и существенно уменьшается неоднородность распределения ц по поверхности пластин за счет уменьшения плотности дислокаций в активной области гетероструктуры. Найдена зависимость между плотностью дислокаций в выбранной области пластины и ПШШК в этой области.

Построение карт распределения ПТТТКК по поверхности светодиодной гетерострук-туры дает возможность прогнозировать эффективность излучения светодиодных чипов, изготовленных из разных частей пластины. Использование неразрушающих и бесконтактных рентгенодифрактометрических измерений делает этот метод перспективным для оптимизации режимов получения гетероструктур с целью дальнейшего повышения эффективности светодиодов и уменьшения их разброса по параметрам в промышленном производстве.

Литература

1. Туркин А.Н. Обзор развития технологии полупроводниковых гетероструктур на основе нитрида галлия // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - №6. - С. 6-9.

2. Кютт Р.Н., Ратников В.В., Мосина Г.Н., Щеглов М.П. Структурное совершенство эпитакси-альных слоев GaN по данным рентгеновской дифракции // Физика твердого тела. - 1999. - Т. 41. -№ 1. - C. 30-37.

3. Боуэн Д.К., Таннер Б.К. Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топогарфия. -СПб.: Наука, 2002. - 274 с.

4. Blue InGaN quantum well LED fabrication / S. Nakamura, M. Grundmann, J. Haaheim et al. // Department of Electrical and Computer Engineering - Santa Barbara: University of California, 2002. - 5/8. - P. 16.

5. Квантовая эффективность и формирование линии излучения в светодиодных структурах с квантовыми ямами InGaN/GaN / Н.И. Бочкарев, Д.В. Тархин, Ю.Т. Ребане и др. // ФТП. - 2007. - Т 41. -Вып. 1. - С. 88-94.

6. Ермаков О.Н., Сушков В.П. Полупроводниковые знакосинтезирующие индикаторы. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

7. Winston D. W. Physical simulation of optoelectronic semiconductor devices // Thesis of doctor of philosophy degree dissertation. - Graduate School of the University of Colorado, 1996. - 186 p.

8. Рабинович О.И., Сушков В.П., Шишов А.В. Компьютерное моделирование InGaN светодиодов // V Всерос. конф. «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». - СПб.: Политехнический университет, 2007. - С. 81-82.

Статья поступила после доработки 29 апреля 2016 г.

Вигдорович Евгений Наумович - доктор технических наук, профессор кафедры оптических и биотехнических систем и технологий Физико-технологического института Московского технологического университета, лауреат Государственной премии СССР. Область научных интересов: материаловедение и технология полупроводников. E-mail: evgvig@mail.ru

Ермошин Иван Геннадьевич - кандидат технических наук, старший инженер ЗАО «Элма-Малахит» (г. Москва). Область научных интересов: технология полупроводников и приборов на их основе.