CC BY
10
для различных видов резких гетеропереходов, в которых заряд поверхностных состояний зависит от приложенного напряжения. Другим важным достоинством являются условия измерения вольт-фарадных характеристик исследуемого образца: оно проводится при постоянной температуре. Также важно отметить, что для измерений НЧ ВФХ и ВЧ ВФХ могут использоваться стандартные измерители иммитанса, предназначенные для исследования характеристик полупроводниковых приборов. Такое оборудование имеется во многих исследовательских лабораториях и на производстве.
В качестве недостатка предложенной методики следует отметить невозможность разделить влияние ГУ поверхностных состояний и в объеме базовой области гетероструктуры при значениях V, близких
к ^шах. Такое разделение спектров ГУ возможно с помощью метода релаксационной спектроскопии глубоких уровней за счет селекции по постоянной времени релаксации. В то же время при исследовании поверхностных состояний методом р елаксационной спектроскопии глубоких уровней требуется производить многократные измерения спектра при разных значениях напряжения заполнения и опустошения ГУ [9]. Это снижает степень оперативности получения результата.
В заключение следует отметить, что предложенная методика исследования поверхностных состояний может найти применение прежде всего на производстве, при оптимизации технологии изготовления гетероструктур фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шарма, Б.Л. Полупроводниковые гетеропереходы [Текст]: пер. с англ. / Б.Л. Шарма, Р.К. Пурохит.- М.: Сов. радио, 1979. - 232 с.
2. Фаренбух, А. Солнечные элементы: Теория и эксперимент [Текст]: пер. с англ. / А. Фаренбух, Р. Бьюб. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — 280 с.
3. Берман, Л.С. Емкостная спектроскопия глубоких центров в полупроводниках [Текст] / Л.С. Берман, А.А. Лебедев. — Л.: Наука, 1981. — 176 с.
4. Трегулов, В.В. Исследование гетероструктур CdS/p-Si, изготовленных методом гидрохимического осаждения CdS [Текст] / В.В. Трегулов // Вестник Рязанского гос. ун-та им. С.А. Есенина.— 2011.— Т. 32. — № 3. — С. 169—179.
5. Tataroglu, A. Effect of surface states on electrical characteristics of metal-insulator-semiconductor (MIS)
diodes / A. Tataroglu, S. Altindal, I. Dokme // G.U. Journal of Science. — 2003. — Vol. 16. — №4. — Р. 677—685.
6. Зи, С.М. Физика полупроводниковых приборов [Текст]: в 2 т. — Т.2. —М.: Мир, 1984. — 456 с.
7. Киреев, П.С. Физика полупроводников [Текст]: Учеб. пос. для втузов / П.С. Киреев. — М.: Высшая школа, 1975. —584 с.
8. Орешкин, П.Т. Физика полупроводников и диэлектриков [Текст] / П.Т. Орешкин. — М.: «Высшая школа», 1977. — 448 с.
9. Дорджин, Г.С. Релаксационная спектроскопия глубоких уровней. Методические основы применения [Текст] / Г.С. Дорджин, В.Н. Лактюшкин, М.В. Сорокина // Обзоры по электронной технике. Сер. 7. Технология, организация производства и оборудование. — 1989. — Вып. 4 (1434). — 72 с.
УДК 621.315.592, 621.382
Е.А. Чернышева, А.В. Сахаров, Н.А. Черкашин, В.В. Лундин, А.Ф. Цацульников
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ В РЕАКТОРЕ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР InGaN, ВЫРАЩЕННЫХ МЕТОДОМ ГФЭ МОС
Известно, что при выращивании соедине- эпитаксии из металлорганических соединений ний нитридов III группы методом газофазной (ГФЭ МОС), от давления в реакторе суще-
ственно зависят как газофазные паразитные реакции, так и сам процесс синтеза материала [1, 2]. В то же время механизмы этого влияния все еще мало изучены, а оптимальное давление при выращивании должно экспериментально определяться для каждого слоя многослойной приборной гетероструктуры, что значительно затрудняет технологический процесс. В данной работе проводилось детальное исследование влияния давления в реакторе на структурные и люминесцентные свойства активной области светодиодов на основе InGaN/GaN.
Экспериментальная часть
Исследуемые светодиодные структуры выращивались на сапфировых подложках ориентации (0001) методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений на установке А1Х2000НТ с планетарным реактором. В качестве исходных соединений использовались триметилгаллий, триэтилгаллий, триметилин-дий, триметилалюминий, аммиак, моносилан и биспентациклодиенил магния. При выращивании слоев я-GaN в качестве несущего газа использовался водород, при выращивании слоев ^-(AГ)GaN — азотоводородная смесь. В процессе роста активной области InGaN/GaN несущим газом был азот. Процедура роста более подробно описана в статье [3]. Исследуемые светодиодные структуры содержали активную область из пяти квантовых ям InGaN, разделенных барьерами нитрида галлия. Для обеспечения сохранности начальных условий выращивания активной области давление в реакторе при росте первой ямы для всех исследованных структур было 300 мбар. Эта яма заращивалась барьерным слоем нитрида галлия без прерывания процесса роста. Исследовалось три режима роста остальных четырех квантовых ям (КЯ), и при их выращивании давление в реакторе составляло 100, 200 и 600 мбар. После выращивания каждой из этих четырех КЯ производилось 20-секундное прерывание роста с добавлением водорода в атмосферу несущего газа [4]. Значение номинальной толщины квантовых ям InGaN и барьеров нитрида галлия составляли 3 и 8 нм, соответственно.
Структурные свойства исследовались с помощью рентгеновской дифрактометрии и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Изображения ПЭМ высокого разре-
шения были получены на микроскопе серии Тесш^ работающем при ускоряющем напряжении 200 кВ и оборудованном корректором сферической абберации. Далее эти изображения обрабатывались с помощью метода анализа геометрических фаз ^РА) [5], позволяющего получать двумерное распределение деформации в напряженных слоях относительно недефор-мированной матрицы GaN, и далее, используя закон Вегарда, рассчитывать распределение индия и алюминия в слоях твердых растворов.
Оптические свойства исследовались с помощью спектроскопии фотолюминесценции (ФЛ) в широком диапазоне температур от 10 до 300 К. Для возбуждения ФЛ использовался гелий-кадмиевый лазер с мощностью излучения 10 мВт на длине волны основной линии 325 нм, работающий в непрерывном режиме. Для регистрации ФЛ использовался монохро-матор МДР-23 и фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100. Для повышения чувствительности измерений и снижения шумов применялся синхронный детектор SR810-DSP. Для измерений спектров ФЛ при температурах ниже комнатной применялся гелиевый криостат замкнутого цикла.
Электролюминесцентные (ЭЛ) свойства выращенных структур исследовались в непрерывном режиме на неразделенных пластинах с выводом света через подложку. Спектры ЭЛ регистрировались установкой на основе моно-хроматора и фотоэлектронного умножителя. При измерении эффективности светодиодных структур интенсивность ЭЛ измерялась калиброванным фотодиодом.
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлены данные по просвечивающей электронной микроскопии с последующей обработкой методом анализа геометрических фаз для структур, выращенных при значениях давления 100 и 600 мбар. Отчетливо видны различия в формировании активной области. При низком давлении в реакторе (рис. 1,а) активная область представляет собой непрерывные в латеральном направлении квантовые ямы InGaN с толщиной 2,3 — 2,5 нм с мелкомасштабной флуктуацией состава, среднее содержание индия в КЯ составило 27 ± 8 %. При высоком ростовом давлении (рис. 1,6) структура активной области принципиально отличается.
а)
■ . *_л. ■* — »
20 пт
Рис. 1. Карты распределения локальных деформаций кристаллической решетки по отношению к ненапряженной матрице GaN в направлении роста [0001] для активной области, выращенной при значениях
давления 100 мбар (а) и 600 мбар (б); 1—5 — квантовые ямы
я
Ц
= к
о *
о ч о С
б)
40 60 80
Ток, мА
я я 2,62-
о ^
Ц « 2,60-
т ш
^
Д 2,58-
К к
н
к & § С 2 о Б X о ^ о 2,562,54-
С 2,52-
А-А-Д,
Л-Д-
0 50 100 150 200 250 300
- 210
- 195
- 180
- 165
- 150
- 135
- 120
- 105
- 90 - 75 Т, К
Рис. 2. Результаты анализа экспериментальных данных по электро-(а) и фото-(б) люминесценции для серии светодиодных структур, выращенных при различном давлении, мбар: 100 (1, 2), 200 (3, 4), 600 (5, 6); приведены зависимости положений максимумов люминесценции (2, 3, 5) и значений полуширины линий спектров (1, 4, 6) от тока (а) и температуры (б)
Вместо КЯ наблюдаются плоские островки с латеральными размерами от единиц до нескольких десятков нанометров и толщиной до 2,5 нм, среднее содержание индия составило 25 ± 8 %. Таким образом, при увеличении давления в реакторе при росте тонких слоев InGaN наблюдается ярко выраженный фазовый распад слоя и некоторое уменьшение среднего содержания индия. По степени неоднородности распределения индия структуры можно качественно разделить на два типа: слабо и сильно неоднородные. У структур первого типа флуктуации состава малы и трехмерная локализация выражена слабо, свойства близки к набору кван-
товых ям. У структур второго типа свойства близки к неоднородному массиву квантовых точек. На основании полученных данных структуры, выращенные при низком давлении (100, 200 мбар), можно отнести к первому типу, а при давлении 600 мбар — ко второму.
На рис. 2,а представлены данные, полученные из анализа спектров ЭЛ [6]. Увеличение давления приводит к коротковолновому сдвигу максимума ЭЛ, что связано с уменьшением максимального содержания индия в активных слоях. Кроме изменения положения максимума излучения, увеличение давления в реакторе приводит к изменению величины
коротковолнового сдвига максимума длины волны излучения от тока, которая также связана с флуктуациями состава по индию в слоях InGaN. С ростом давления коротковолновый сдвиг излучения с увеличением тока возрастает. Данный эффект связан с тем, что образование отдельных островков InGaN, имеющих значительную дисперсию как по размерам, так и по составу, приводит к уширению спектра состояний. Следовательно, при увеличении тока растет заселенность состояний с меньшей энергией локализации, что приводит к уширению линии излучения (рис. 2, а). Для структуры, выращенной при давлении 100 мбар, величина полуширины спектра с ростом тока не меняется. Для структур, выращенных при давлениях 200 и 600 мбар, существуют «хвосты» плотности состояний, которые заполняются уже при токах 20 мА. На рис. 3,а представлены зависимости эффективности ЭЛ от тока для светодиодных структур, выращенных при различных давлениях. Видно, что при увеличении давления от 100 до 200 мбар при выращивании структур значительно увеличивается эффективность излучения. Полученный результат может быть связан с тем, что образование островков приводит к подавлению латерального транспорта носителей к центрам безызлучательной рекомбинации, а это повышает эффективность ЭЛ. Особенно данный эффект заметен в области малых (менее 20 мА) токов. Изменения формы кривых зависимости эффективности излучения от тока для структур, выращенных при различных давлениях, связаны, скорее всего, с различием в плотности островков и, возможно, с увеличением латерального транспорта носителей при заселении состояний с меньшей энергией локализации.
Анализ спектров ФЛ, измеренных в диапазоне температур от 20 до 300 К (рис. 2, б), показал, что для структур, выращенных при давлениях 100 и 200 мбар, характерна малая ширина спектров ФЛ при низких температурах (20 К), что свидетельствует об относительно однородном распределении индия в активной области, хотя повышение давления до 200 мбар привело к росту указанной ширины. Для структур, выращенных при давлении 600 мбар, в спектрах ФЛ наблюдалось значительное неоднородное уширение при низких температурах, что объясняется значительной дисперсией по размеру островков и содержанию индия.
Зависимость полуширины спектров ФЛ от температуры на графиках, представленных на рис. 2, б, можно разделить на три характерных участка. При малых температурах наблюдается слабое влияние температуры на полуширину спектра, что характерно для структур с квантовыми точками, т. е. с неоднородным распределением индия в активных слоях (второй тип по степени неоднородности). При высоких температурах поведение рассматриваемой зависимости характерно для структур с квантовыми ямами (первый тип), т. е. с однородным распределением индия в активной области. Малый (23 мэВ) немонотонный сдвиг максимума ФЛ в сторону меньших энергий (рис. 2,б) наблюдался для серии структур, выращенных при малых давлениях. Такое поведение характерно для структур с равномерным распределением индия в активных слоях. Вид аналогичной зависимости для структуры, выращенной при высоком давлении, принципиально отличается. Значительный (52 мэВ) монотонный длинноволновый сдвиг характерен для неоднородного распределения индия в активной области.
С увеличением температуры для всех структур наблюдалось падение интенсивности ФЛ, что связано с термоактивационным характером транспорта носителей к центрам безызлучатель-ной рекомбинации. Измерения при комнатной температуре показали, что с увеличением давления при выращивании структур интенсивность ФЛ уменьшалась. При этом интегральная интенсивность (рис. 3,б) также уменьшалась; это может быть следствием подавления транспорта носителей к центрам безызлучательной рекомбинации.
Таким образом, после анализа данных ФЛ в диапазоне температур от 20 до 300 К можно сделать вывод, что рост давления при формировании активной области приводит к значительному изменению морфологии и оптических свойств выращиваемых структур.
Была также проведена оценка энергий активации температурного гашения ФЛ путем аппроксимации интегральной интенсивности ФЛ для исследуемой серии образцов. Для структуры, выращенной при давлении 100 мбар, энергия активации составила (41±10) мэВ, при 200 мбар — (52±10) мэВ, при 600 мбар — (72±10) мэВ. Следовательно, локализация наи-
а)
б)
я о
г! я
« 0
20 40 60 80 100 Ток, мА
&
U Ё S
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
10 20 30 40 50
103/ Т, К-1
Рис. 3. Результаты обработки экспериментальных данных по электро-(а) и фото-(б) люминесценции для серии светодиодных структур, выращенных при различном давлении, мбар: 100 (1), 200 (3), 600 (2); приведены зависимости квантовой эффективности ЭЛ от тока (а) и интегральной интенсивности ФЛ от обратной температуры (б)
0
0
более ярко выражена для структуры, выращенной при давлении 600 мбар, что согласуется со всеми предыдущими экспериментальными результатами.
Таким образом, было проведено исследование влияния давления в реакторе при эпитак-сии на оптические свойства структур GaN. В ходе исследований было выяснено, что увеличение давления ведет к значительному фазовому распаду InGaN и уменьшению максимального содержания индия в активных слоях. Данная морфологическая трансформация сло-
ев InGaN в активной области сопровождается увеличением эффективности ЭЛ. Оптические свойства структур, выращенных при высоком давлении, характерны для структур с квантовыми точками. Следовательно, меняя давление в реакторе, можно контролировать морфологию активной области и тем самым управлять оптическими свойствами светодиодной структуры непосредственно в процессе роста.
Работа проведена при поддержке Государственного контракта с Министерством образования и науки РФ № 16.513.12.3018 от 4 октября 2011г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Creighton, J. R. Observations of gas-phase nanopar-ticles during InGaN metal-organic chemical vapor deposition [Text] / J.R. Creighton, M.E. Coltrin, J.J. Figiel // Appl. Phys. Lett. - 2008. - Vol. 93. - Iss. 17. - P. 1906 (3 p.).
2. Iida, D. Growth of GaInN by raised - pressure metal-organic vapor phase epitaxy [Text] / D. Iida, K. Na-gata, T. Makino [et al.] // Appl. Phys. Express. - 2010. -Vol. 3. - Iss. 7. - P. 5601 (2 p.).
3. Сахаров, А.В. Влияние релаксации напряжений на формирование активной области гетероструктур InGaN/ (Al)GaN для светодиодов зеленого диапазона [Текст] / А.В. Сахаров, В.В. Лундин, Е.Е. Заварин [и др.] // ФТП. - 2009. - Т. 43. - Вып. 6. - С. 841 (7 с.).
4. Sakharov, A.V. Influence of growth interruptions and gas ambient on optical and structural properties of InGaN/GaN multilayer structures [Text] / A.V. Sakharov, W.V. Lundin, I.L. Krestnikov, [et al.] // Proceedings of IWN2000, Nagoya, September 24-27, 2000 - IPAP Conference series 1. - P. 241-243.
5. Hytch, M.J. Quantitative measurement of displacement and strain fields from HREM micrographs [Text] / M.J. Hytch, E. Snoeck, R. Kilaas // Ultramicroscopy. -1998. - Vol. 74. - P. 131-146.
6. Лундин, В.В. Влияние давления в реакторе на свойства активной области InGaN/GaN светодиодов [Текст] / В.В. Лундин, Е.Е. Заварин, М.А. Синицын [и др.] // ФТП. - 2010. - Т. 44 - Вып. 1. - С. 126-129.
