Лучинин В.В. Физика и технология микро

Подождите немного. Документ загружается.

130

вации носителей с уровня квантования в КЯ определяется по темпера-

турной зависимости скорости эмиссии, построенной в координатах

Аррениуса:

(

)

(

)

ln1

e fT

= (рис. 4, б).

T, K

100

150

200 250

III

Рис. 3. Температурный спектр проводимости образца InGaN/GaN

с пятью квантовыми ямами [5]. Цифрами обозначены частоты

тестового сигнала от 5 кГц (1) до 500 кГц (7)

Детальное изучение особенностей графиков Аррениуса и поведе-

ния спектров проводимости в зависимости от величины приложенного

к структуре напряжения может дать важную дополнительную информа-

цию о природе и свойствах глубокой ловушки. Примером служит иссле-

дование гетероструктуры InGaN/GaN с пятью квантовыми ямами с по-

мощью измерений температурных спектров проводимости (рис. 3, 4) [5].

Первый низкотемпературный пик в спектре проводимости (I на

рис. 3), амплитуда которого практически не зависит от приложенного

смещения (рис. 4, а), следует интерпретировать как эмиссию носителей

заряда с мелкого донорного уровня в запрещенной зоне, принадлежа-

щего равномерно распределенной в объеме активной области примеси.

Для таких равномерно распределенных по структуре глубоких центров

не будет наблюдаться зависимости отклика в спектре проводимости от

смещения, в отличие от связанных уровней в квантовой яме, которые

располагаются локально и отклик проводимости от которых будет испы-

131

100

150

200

250

200

150

100

T, K

III

1000/T, K

–1

Рис. 4. Температурные спектры проводимости (а)

того же образца InGaN/ GaN при частоте сигнала 100 кГц

с различным приложенным прямым смещением

(1 – 0; 2 – 0,8; 3 – 1,6; 4 – 2,0; 5 – 2,3; 6 – 2,5 В)

и графики Аррениуса (б) в координатах

ln(e

) = f (1/T). Энергии активации E

пиков:

I – 34; II – 17; III – 60…90 мэВ. Приложенное

прямое смещение: кружки – 0 В, квадраты – 2,0 В

тывать сильное влияние приложенного напряжения. Кроме того, от-

сутствие какого-либо уширения исследуемого пика дает основания ут-

верждать, что он не связан с макродефектами типа дислокаций. Энер-

гия активации первого пика, определенная по наклону графика Арре-

ниуса, равна 30 мэВ.

132

В отличие от низкотемпературного пика, амплитуда второго пика

испытывает резкую (на два порядка) зависимость от приложенного

смещения, спадая практически до нуля при U ≤ 0 В. Это объясняется

тем, что при обратном смещении ямы оказываются глубоко внутри об-

ласти объемного заряда, полностью опустошаются и поэтому не участ-

вуют в токопереносе. Кроме того, график Аррениуса данного пика от-

клоняется от линейной зависимости. Совокупность этих особенностей

позволяет связать данный пик с эмиссией носителей заряда непосред-

ственно из квантовой ямы.

Анализ показывает, что энергии активации для первого и второго пи-

ков также не зависят от приложенного смещения. В отличие от этого, рас-

счетная энергия активации третьего пика сильно зависит от приложенного

напряжения, монотонно возрастая с увеличением прямого смещения от 60

до 90 мэВ. График Аррениуса этого пика существенно отклонен от линей-

ной зависимости, что может свидетельствовать о его сильном уширении и,

следовательно, о регистрируемом в данном случае непрерывном распреде-

лении плотности электронных состояний, что обычно связывают с наличи-

ем кластеров в эпитаксиальных слоях нитрида галлия [5].

Особую ценность адмиттансные измерения приобретают для со-

временных высокоэффективных светоизлучающих приборов на кван-

товых ямах. Достигнутый к настоящему времени прогресс в техноло-

гии изготовления таких гетероструктур обеспечивает эффективную

рекомбинацию носителей заряда в основном через квантовую яму, что

неизбежно приводит к обеднению обычно информативных оптических

спектров оптоэлектронных приборов и необходимости поиска новых

методов контроля их характеристик, адекватных современному уров-

ню нанотехнологии.

Важная проблема оптимизации светоизлучающих структур –

контроль соотношения вероятностей излучательной и безызлучатель-

ной рекомбинации. Как показано выше, температурные спектры ад-

миттанса позволяют количественно характеризовать глубокие центры,

являющиеся причиной безызлучательной рекомбинации, и различать

различные эмиссионные источники – уровни квантования, точечные

дефекты и др. [3], [5] (рис. 3, 4).

133

Важную дополнительную информацию об электронном спектре

наногетероструктур можно получить моделированием вольт-фарадных

характеристик и спектров проводимости и последующей «подгонки»

модельных данных к экспериментальным. Развитый на кафедре микро-

и наноэлектроники метод расчета вольт-фарадных характеристик на

основе самосогласованного решения уравнений Пуассона и Шрединге-

ра подробно описан в [3], [4], [6], [7].

Диагностика нанослоев А

и нитридных структур с МКЯ

методами атомно-силовой микроскопии

Современные микро- и нанотехнологии позволяют получать слож-

ные полупроводниковые структуры на основе материалов высокого

кристаллического совершенства с заданными электрофизическими па-

раметрами. Прогресс в технологии синтеза новых материалов, таких

как твердые растворы In

1–x

N, требует дальнейшего развития мето-

дов диагностики, среди которых в последние годы лидирует скани-

рующая зондовая микроскопия. Кроме того, для более глубокой и точ-

ной характеризации свойств наноструктур представляется перспектив-

ным комбинирование электрофизических и зондовых методов, объе-

динение их в единый исследовательско-измерительный комплекс.

Характеризация гомоэпитаксиальных слоев. Атомно-силовая

микроскопия (АСМ) предоставляет уникальные возможности исследо-

вания свойств поверхностей и сколов материалов с разрешением до

атомарного.

Использование АСМ для исследования гомоэпитаксиального арсе-

нида галлия, нитрида галлия на сапфире и гетероструктур InGaN/GaN на

сапфире позволяет выявить механизмы роста слоев и особенности, при-

сущие различным эпитаксиальным технологиям.

Для эпитаксиальных слоев твердых растворов арсенида галлия,

выращенных на подложках из арсенида галлия, всегда наблюдается

планарный рост. Это иллюстрирует рис. 5, на котором представлен

АСМ-скан образца, полученного методом газофазной эпитаксии из ме-

талло-органических соединений (MOCVD).

134

На скане отчетливо видны вин-

товые дислокации со спиральным

ростом, усредненный перепад высот

составляет менее 10 нм. Морфология

поверхности эпитаксиального GaAs,

выращенного на GaAs-подложке, ока-

зывается практически не зависящей

от технологии роста. Это объясняется

идентичностью кристаллической ре-

шетки при гомоэпитаксиальном росте

и, как следствие, незначительным рас-

согласованием постоянных решетки на интерфейсе растущего слоя и

подложки, а также одинаковостью коэффициентов термического рас-

ширения. Эпитаксиальные слои растут планарно.

Таким образом, на поверхности гомоэпитаксиальных слоев при

высоком разрешении измерительной аппаратуры, которого позволяет

достичь АСМ-метод, можно увидеть ступени планарного роста, возни-

кающие вдоль винтовых дислокаций. Опыт изучения различных об-

разцов эпитаксиального GaAs позволяет утверждать, что уровень со-

временной технологии выращивания эпитаксиальных структур на ар-

сениде галлия чрезвычайно высок. Шероховатость эпитаксиальной по-

верхности обычно не превышает нескольких атомных слоев.

Характеризация гетероэпитаксиальных слоев. Технологии вы-

ращивания полупроводников системы AlInGaN еще недостаточно разви-

ты по сравнению с арсенидогаллиевыми технологиями. Одной из важ-

нейших проблем является нестабильность планарного роста. При эпитак-

сии GaN на сапфире морфология растущего слоя сильно зависит от усло-

вий роста, в частности, от вариаций потоков галлия и азота. Измерения

спектров фотолюминесценции и АСМ-сканов показывают, что азото-

обогащенные условия роста GaN позволяют формировать наноколонча-

тую морфологию. Галлий-обогащенные условия приводят к более глад-

кой морфологии, но при этом существенно падает интенсивность ФЛ.

С помощью АСМ нами анализировались выращенные методом

MBE структуры эпитаксиальных слоев GaN на сапфире с различным

Рис. 5. АСМ-скан эпитаксиального

арсенида галлия, выращенного

методом MOCVD

135

соотношением потоков азота и галлия. На рис. 6 представлен АСМ-

скан слоев нитрида галлия, выращенных в галлий-обогащенных

(Ga/N~1,6), а на рис. 7 – в азот-обогащенных (Ga/N~1) условиях.

Рис. 6.

АСМ

скан п

оверхност

эпитаксиального слоя GaN,

выращенного методом MBE

в галлий-обогащенных условиях

на сапфировой подложке

Рис. 7.

АСМ

скан п

оверхност

эпитаксиального слоя GaN,

выращенного методом МВЕ

в азот-обогащенных условиях

на сапфировой подложке.

Поперечный размер столбиков

250–300 нм, высота – до 120 нм

По сравнению с гомоэпитаксиальным ростом арсенида галлия

очевиден более развитый рельеф поверхности. Шероховатость в гал-

лий-обогащенных условиях роста составляет более 10 нм, в азот-

обогащенных – 100 нм и более при радиальном размере наноколонок

до 150 нм. АСМ-сканы более гладких образцов, полученных в галлий-

обогащенных условиях, показывают наличие винтовых дислокаций и

развитие роста вокруг них по шестиугольным спиралям. Такая конфи-

гурация определяется вюрцитной структурой нитрида галлия. Из этих

сканов очевидна более высокая неоднородность областей между вин-

товыми дислокациями.

Электрохимическое профилирование

гетероструктур с нанослоями

Измерение распределения концентрации легирующей примеси и

основных носителей заряда по глубине полупроводниковой структуры

является важнейшей операцией контроля полупроводниковых прибо-

ров. Метод измерения вольт-фарадных характеристик давно и успешно

зарекомендовал себя как основной метод данного вида контроля. Од-

136

нако принципиальным ограничением традиционного (электрического)

варианта этого метода является небольшая глубина профилирования,

которая ограничена обратным напряжением пробоя диода Шоттки или

p–n-перехода. Это имеет серьезное значение в случае материалов с вы-

сокими концентрациями носителей заряда, где обедненный слой явля-

ется очень тонким.

Электрохимический C–V-профилометр (ECV-профилометр) по-

зволяет преодолеть это ограничение с помощью системы электрохи-

мического травления. Используя правильно выбранную электрохими-

ческую реакцию растворения, материал можно профилировать до лю-

бой глубины при управляемой и рассчитываемой скорости. Поверх-

ность раздела «полупроводник – электролит» ведет себя как диод

Шоттки и таким образом позволяет выполнять измерения профиля

концентрации носителей заряда.

При использовании электролита как для травления, так и для

формирования контакта Шоттки с полупроводником ECV-профило-

метрия представляет собой оптимальный метод с точки зрения эффек-

тивности измерения концентрации носителей заряда и обеспечения ус-

пеха технологического процесса еще до изготовления прибора.

Метод электрохимического профилирования может эффективно

использоваться для точного послоевого контроля концентрации леги-

рующей примеси, ее распределения по толщине и положения металлур-

гической границы в p–n-переходе. Возможно травление образца на глу-

бину до несколько микрон с точностью травления не хуже 1 нм. Это по-

зволяет применять его для контроля современных наноструктур, толщи-

ны отдельных слоев которых достигают единиц нанометров. Измеренный

с помощью электрохимического профилометра ECV Pro-UV Nanometrics

концентрационный профиль основных носителей заряда в гетерострукту-

ре InGaN/GaN с МКЯ показан на рис. 8, в нем наблюдаются пики от трех

квантовых ям. По этой зависимости можно точно определить период

квантовых ям, а с помощью детального анализа можно получить более

прецизионную и полную информацию о заряде, накопленном в КЯ, и об

особенностях электронного спектра наноструктуры.

137

На рис. 9 представлен профиль концентрации носителей заряда в

p–i–n-структуре на основе GaN. Электрохимический профилометр реа-

гирует на знак заряда, уносимого электролитом, поэтому он позволяет

измерять распределение концентрации электронов и дырок непосредст-

венно в сформированном p–n-переходе готового прибора (рис. 9). Раз-

мытие краев p- и n-областей связано с диффузией носителей заряда в

слаболегированную область на величину нескольких дебаевских длин.

, нм

183

,10

см

N414-1 pin GaN

w, мкм

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6

-N

, см

-3

0,4

0,8

1,2

w, мкм

см

414-1pin GaN

Рис. 8.

Концентрационный профиль

основных носителей заряда образца

InGaN/GaN с МКЯ, измеренный

с помощью профилометра ECV-Pro-UV

Рис. 9.

Концентрационный профиль

образца p–i–n-GaN

Нужно отметить, что при исследовании полупроводников мето-

дом электрохимического профилирования получаемые значения кон-

центрации, как правило, выше чем значения, измеренные методом

Холла. Различие объясняется тем, что при C–V-измерениях на низких

частотах происходит полная ионизация примеси в приложенном поле

[3], а при холловских измерениях тестируется только ионизованная

часть примеси. Эта доля зависит от энергии ионизации конкретной

примеси и при комнатной температуре может быть в разы меньше ве-

личины легирования.

Электрохимический профилометр позволяет работать в двух ре-

жимах: в режиме вольт-фарадного профилирования с использованием

верхнего жидкостного электролитического контакта и в режиме опре-

деления концентрационного профиля легирующей примеси равномер-

ным стравливанием и измерением количества унесенного заряда по

138

закону Фарадея. Основной проблемой при работе во втором режиме

является точный контроль координаты. Нами предложено совместное

использование метода атомно-силовой микроскопии и метода электро-

химического профилирования, что позволяет устранить потенциальную

погрешность измерений в фарадеевском режиме, связанную с возникно-

вением окислов на поверхности и границах раздела. АСМ-анализом под-

тверждено, что травитель, используемый профилометром ECV-Pro-UV,

является полирующим. Например, шероховатость поверхности эпитакси-

ального GaAs до травления составляет 2-3 нм, а после травления – 8–

10 нм. Таким образом, контролируя глубину и качество травления с по-

мощью атомно-силового микроскопа, можно решить основную проблему

вольт-фарадных измерений – проблему точного определения координаты

в концентрационном профиле носителей заряда.

Виртуальные приборы

Среди всего многообразия средств эксперимента следует особо

выделить активно развиваемые в последнее десятилетие технологии,

использующие «виртуальные приборы». Их рассматривают как самые

современные технологии создания лабораторных измерительных сис-

тем на базе компьютера.

Виртуальным прибором (virtual instrument) называют компьютер

с платами сбора информации и соответствующим программным обес-

печением, выполняющий функции настоящего измерительного прибо-

ра. Составными частями виртуального прибора являются графический

язык программирования LabVIEW, платы сбора информации (встроен-

ные в компьютер и внешние), драйверы устройств [8].

Научно-ориентированная система графического программирова-

ния LabVIEW вместе с соответствующими встраиваемыми в ПК пла-

тами сбора информации может охватывать все этапы научного иссле-

дования – от съема информации с конкретного физического устройства

или датчика до презентации результатов в Интернете, в том числе не-

посредственно в режиме on-line.

Разработанный в нашей лаборатории виртуальный прибор для

измерений вольт-амперных характеристик полупроводников показан

на рис. 10. Его основой является блок NI-USB-6009 – портативное уст-

ройство сбора данных с 8 аналоговыми входами, двумя аналоговыми

139

выходами и 12 цифровыми входами/выходами. Передача данных осу-

ществляется через порт USB 2.0, что позволяет подключать устройство

к любому компьютеру или ноутбуку. Программирование выполнено в

графической среде LabVIEW.

Рис. 10. Малогабаритный виртуальный прибор для измерений ВАХ,

выполненный с использованием NI-USB-6009 [8]

Использование плат сбора данных, подобных блоку NI-USB-6009,

дает возможность строить компактные виртуальные приборы для раз-

личных экспресс-измерений, позволяющие измерять токи и напряже-

ния в приемлемом для современной электроники диапазоне. Реализуе-

мая подобным образом технология виртуальных приборов символизи-

рует переход от обычных приборов к измерительным системам на базе

компьютера с соответствующим программным обеспечением.

Заключение

В статье изложены последние результаты по емкостной и адмит-

тансной спектроскопии наногетероструктур. Показано, что разработан-

ная система комплексной диагностики электрофизических параметров

полупроводниковых гетероструктур с одиночными и множественными

квантовыми ямами на основе спектроскопии адмиттанса и численного

моделирования с учетом квантово-механических эффектов дает уни-

кальную количественную информацию о параметрах электронного спект-

ра наноструктур.

Лучинин В.В. Физика и технология микро - и наносистем

Подождите немного. Документ загружается.