2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение..............................................................5
Список условных обозначений...........................................12
Глава 1.Методы спектроскопии адмиттанса для исследования квантоворазмерных гетероструктур 15
1.1 Емкость и проводимость объемного полупроводника, 5-легированного слоя, квантовой ямы и квантовой точки (кластера) 17
1.2 Квазистатические методы спектроскопии адмиттанса. Вольт-
фарадное профилирование......................................21
1.3 Динамические методы спектроскопии адмиттанса..................26
1.3.1 Температурные спектры проводимости......................29
1.3.2 Частотные спектры проводимости.........................31
1.3.3 Диаграммы Коула-Коула...................................33
1.4 Нестационарные методы спектроскопии адмиттанса................35
1.5 Электрохимическое вольт-фарадное профилирование...............37
1.6 Использование сканирующей зондовой микроскопии для измерений адмиттанса.......................................................40
1.6.1 Метод зонда Кельвина....................................41
1.6.2 Отображение сопротивления растекания....................42
Выводы по главе 1.................................................44
Глава 2. Измерительная аппаратура и методики, применяемые для
диагностики образцов с МКЯ 1пСаЫЮаЫ...........................45
2.1 Автоматизированный комплекс спектроскопии адмиттанса 45
2.2 Реализованные методики спектроскопии адмиттанса...............53
2.3 Способ измерения спектров адмиттанса..........................54
2.4 Программное обеспечение измерительного комплекса спектроскопии адмиттанса..........................................57
Выводы по главе 2.................................................61
Глава 3.Исследуемые образцы, их особенности, способы их получения и подготовки для измерения методами спектроскопии адмиттанса 62
3.1 Свойства ваЫ и его твердых растворов с 1пИ.....................62
3.1.1 Основные легирующие примеси ваЫ...........................64
3.1.2 Твердые растворы 1пхОа].хН................................67
3.1.3 Особенности выращивания ваК...............................72
3.2 Светодиодные гетероструктуры с МКЯ 1пСаМ/СаИ...................75
3.3 Поляризационные эффекты в КЯ 1пСаМ/СаИ.........................80
3.4 Подготовка образцов для измерений методами спектроскопии
адмиттанса. Требования к образцам для адмиттансных измерений 82
Выводы по главе 3...................................................86
Глава 4. Вольт-фарадное профилирование гетероструктур с МКЯ 1пОаЫ/СаЫ .......................................................................87
4.1 С-У характеристики гетероструктур с МКЯ 1пОаЫ/СаЫ..............87
4.2 Моделирование “наблюдаемых” концентрационных профилей
носителей заряда в МКЯ 1пСаЫ/СаЫ...............................94
4.3 Электрохимическое вольт-фарадное профилирование
гетероструктур с МКЯ 1пОаЫ/СаЫ................................102
4.3.1 Особенности электрохимического профилирования гетероструктур на основе ваИ...................................104
4.3.2 Контроль режимов ЕСУ и глубины травления с помощью атомно-силовой микроскопии.....................................107
Выводы по главе 4.................................................108
1.11 л мод шаш нош 111ШШ11111ШШИШ1Л1
4
Глава 5. Динамическая спектроскопия адмиттанса гстсроструктур с МКЯ
ЕЮаЖЗаН.......................................................110
5.1 Температурные спектры проводимости гетероструктур с МКЯ ЬЮаШММ...........................................................110
5.2 Частотные спектры емкости и проводимости гстероструктур с МКЯ 1пСаЫ/СаЫ........................................................116
5.3 Диаграммы Коула-Коула гетероструктур с МКЯ 1пСаЫ/СаЫ 118
5.4 Идентификация энергетической структуры гетероструктур с МКЯ 1пСаМ/СаИ по температурным спектрам проводимости........119
5.5 Определение природы эмитирующего уровня (центра)............120
5.6 Учет влияния различных механизмов на эмиссию носителей заряда из квантовой ямы при оценке величины энергии активации 128
5.6.1 Эффект Френкеля-Пула....................................132
5.6.2 Туннельный эффект......................................133
5.6.3 Расчет туннельного эффекта аналитическим методом 135
5.6.4 Расчет туннельного эффекта численным методом............138
5.7 Температурные спектры проводимости при протекании в гетероструктуре с МКЯ ГпСаЫ/СаЫ больших инжекционных токов .................................................................144
5.8 Моделирование температурных спектров проводимости гетероструктур с МКЯ кЮаМ/СаЫ...........................147
Выводы по главе 5................................................153
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................155
Список литературы.....................................................158
ВВЕДЕНИЕ
Современные полупроводниковые приборы, такие как лазеры, мощные светодиоды, НЕМТ-транзисторы и др., изготавливаются на основе гетероструктур, которые в свою очередь могут включать квантовые ямы (КЯ) и квантовые точки (КТ). Наноструктуры с множественными квантовыми ямами (МКЯ) 1гЮаМЛЗаЫ активно используются для создания принципиально нового поколения сверх мощных светодиодов, которые сегодня начинают вытеснять в быту лампы накаливания. Наличие размерного квантования в таких наногетероструктурах, коллективные многочастичные эффекты, явление псевдоморфизма и анизотропные пьезоэффекты вызывают интерес с точки зрения изучения фундаментальных основ физики конденсированного состояния вещества в наномасштабах, а, с другой стороны, являются причиной возникновения новых уникальных явлений и свойств.
Несмотря на достигнутый высокий уровень развития технологии выращивания приборов на основе Ш-нитридов, до сих пор нет полного понимания физических процессов, происходящих в активной области прибора при его работе. Так, большинство светодиодных нитридных гетероструктур, излучающих в синей и сине-зеленой областях спектра, содержат набор квантовых ям ТпСаЫ/СаЫ, хотя известно, что в других гетеросистемах материалов (например, 1гЮаА$/СаА5, СаАБ/АЮаАэ и др.) для эффективной работы достаточно сформировать только одну КЯ. Введение дополнительных КЯ изменяет внутренние механические напряжения, встроенные пьезополя модифицируют профиль потенциальной энергии как потолка валентной зоны, так и дна зоны проводимости. Все это влияет на энергетическую структуру прибора на основе нитрида галлия.
Для исследования готового корпусированного прибора можно применять только неразрушающие методы диагностики. Наиболее эффективными методами, исследующими зарядовое состояние прибора, распределение под-
6
вижных и неподвижных зарядов по координате вглубь образца, а также энергетическую структуру локализованных уровней, являются методы спектроскопии адмиттанса. Для комплексной диагностики квантоворазмерных структур с МКЯ 1гЮаЫ/СаК необходимо совместное применение квазистатических и динамических методов спектроскопии адмиттанса, реализующих температурную развертку и смещение границы области объемного заряда прибора. Их совместное использование сочетает пространственное разрешение по координате и информацию об энергетическом спектре квантово-размерной системы. Развитию методов спектроскопии адмиттанса для анализа квантоворазмерных гетероструктур с МКЯ 1пОаЫ/СаЫ посвящена данная работа.
Основными объектами исследования являлись полупроводниковые гетероструктуры с множественными квантовыми ямами ГпСаЫЛЗаМ, выращенные на сапфировых подложках и используемые при создании мощных синих, сине-зеленых и белых светодиодов нового поколения.
Целью работы являлось развитие методической и экспериментальной базы адмиттансной спектроскопии применительно к полупроводниковым гетероструктурам, содержащим множественные квантовые ямы 1пСаЫ/СаИ, и получение на этой основе конкретных сведений о пространственном распределении квантовых ям и их энергетической структуре.
Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
1. Разработка конструкции и создание автоматизированного аппаратно-программного комплекса температурной спектроскопии адмиттанса (10...500 К) полупроводниковых гетероструктур с множественными квантовыми ямами на базе измерителя иммитанса, контроллера температуры и гелиевого криостата замкнутого цикла.
2. Разработка способа измерений, реализующего комплекс квазистатических и динамических методик адмиттанса.
3. Проведение вольт-фарадных измерений гетероструктур различных производителей с множественными квантовыми ямами 1пОаЫ/СаЫ в
7
широком диапазоне температур.
4. Проведение температурных измерений проводимости и емкости гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN при различных внешних смещениях и частотах тестового сигнала.
5. Определение основных параметров исследуемых гетероструктур: число квантовых ям, ширина барьеров между квантовыми ямами, расположение системы МКЯ относительно металлургической границы р-п перехода, профиль основных носителей заряда, природа эмитирующих энергетических уровней, энергия активации носителей заряда с уровней квантования.
Научная новизна работы:
1. Разработан и построен автоматизированный комплекс спектроскопии адмиттанса полупроводников на базе LCR-метра Agilent Е4980А, контроллера температуры LakeShore 33IS и гелиевого криостата замкнутого цикла Janis CCS400/204N; по своим параметрам комплекс превосходит имеющиеся в России аналоги.
2. Предложен, реализован и запатентован оригинальный способ измерения спектров адмиттанса на основе ступенчатого изменения температуры с внутренним циклом по частоте, позволяющий существенно сократить время измерения полной базы данных спектров адмиттанса образца по сравнению с линейным изменением температуры.
3. Предложена методика идентификации природы пиков, наблюдаемых в экспериментальных спектрах проводимости гетероструктур (принадлежность глубокому центру, распределенному в объеме, уровню квантования в квантовой яме или распределенной системе энергетических уровней в кластере).
4. Показано, что отклонение графика Аррениуса от линейной зависимости и возникающее вследствие этого заниженное значение активации носителей заряда с энергетического уровня квантования возникает вследствие конкурирующего туннельного механизма эмиссии носителей из системы
8
МКЯ InGaN/GaN.
5. Обнаружено появление дополнительного пика на температурны>с^ спектрах проводимости гетероструктур с МКЯ InGaN/GaN при наступлении^ условий инжекции.
Все эти положения выдвинуты впервые.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Разработан и создан аппаратно-программный комплекс спектро— скопии адмиттанса на базе LCR-мстра Agilent Е4980А, контроллера темпера— туры LakeShore331 и гелиевого криостата замкнутого цикла Janis--CCS400/204N, позволяющий измерять температурные и частотные спектры: проводимости и вольт-фарадные характеристики в широком диапазоне тем— ператур, частот и приложенных смещений.
2. Разработан и запатентован оригинальный способ измерения температурных спектров адмиттанса, позволяющий за счет ступенчатой развертки температуры в рамках одного температурного цикла собрать полную базу' данных спектров адмиттанса образца и кардинально сократить время измерений.
3. Создано программное обеспечение автоматизации измерительного комплекса спектроскопии адмиттанса и математической обработки данных, позволяющее строить на основе экспериментальной базы данных ад— миттанса любые зависимости (С, G)=J[Uy Т> со) с их последующим анализом.
4. Разработана система комплексной диагностики адмиттаисными" методами полупроводниковых гетероструктур с МКЯ InGaN/GaN, дающая: информацию о количестве и периоде квантовых ям, запасенном в них заряде, и их энергетических характеристиках, включая энергии активации носителей заряда с уровней квантования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Спектроскопия адмиттанса обеспечивает неразрушающий контроль гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN, предоставляя информацию о ширине барьеров, количестве квантовых ям,
9
запасенном в них заряде, и их энергетических характеристиках, включая энергии активации носителей заряда с уровней квантования.
2. Регистрируемая по температурным спектрам проводимости гетероструктур с множественными квантовыми ямами 1пСаЫ/СаЫ непрерывная зависимость «наблюдаемой» энергии активации от приложенного смещения является отличительной особенностью неупорядоченных ЗО-наносистем, которые можно идентифицировать как кластеры 1п(Са)И.
3. Туннельный механизм эмиссии носителей заряда из квантовой ямы существенно влияет на значения «наблюдаемой» энергии активации, определяемой по графикам Аррениуса из спектров проводимости, занижая ее при низких температурах.
4. Температурные спектры проводимости при прямых смещениях, соответствующих инжекции в светоизлучающих диодах на основе множественных квантовых ям ЬпСаЫЮаЫ, позволяют определять характеристики уровня квантования, обеспечивающего излучательную рекомбинацию.
Все положения выдвинуты впервые.
Результаты работы использованы при выполнении
• Гос. контрактов №02.740.11.0213 от 07.07.2009, №П890 от 18.08.2009, №14.740.11.0445 от 30.09.2010, № 14.740.12.0860 от 22.04.2011, №П454 от 13.05.2010 и №П1605 от 10.09.2009 в рамках ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013г,
• Комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства (договор от 07.09.2010 г. № 13.С25.31.0040 с Минобрнауки РФ в рамках Постановления Правительства РФ от 09.04.10г. №218);
• Гос. контракта № 5425р/7978 от 14.12.07 г. на выполнение НИОКР по программе УМНИК;
• Гранта №А03-3.15-161 поддержки НИР аспирантов Минобразования РФ 2003 г.
10
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и школах:
3rd International Workshop on Nanotechnology and Application (Vung T^au, Vietnam, 2011),
X Всероссийской конференции по физике полупроводников (Нижний Новгород, 2011 г.);
IX и XV Международных симпозиумах «Нанофизика и наноэлсктроыи-ка» (Нижний Новгород 2005 и 2011 г.);
6-й, 7-й и 8-й Всероссийских конференциях «Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы» (Санкт-Петербург 2008 г., Москва 2010 года г., Санкт-Петербург 2011 г.);
The XXI and XXII International Conference on ’’Relaxation Phenomena in Solids” (Voronezh 2004 and 2010);
III Всероссийской конференции по наноматериалам «НАН0-20О9» (Екатеринбург 2009 г.);
7-й научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments - 2008» (Москва, 2008);
VII международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск 2007 г.);
2-nd International Conference “Physics of electronic materials” (Kaluga, Russia, 2005);
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского
состава СПбГЭТУ (2002-2011 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них;: б научных статей из списка ВАК, 1 статья в другом издании, материалы грудов 7 международных и российских научно-технических конференций. Основные положения защищены в том числе I патентом на способ измерения и- 1 свидетельством о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
11
пяти глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 91 наименование. Общий объем работы составляет 170 страниц машинописного текста. Работа содержит 74 рисунка и 4 таблицы.
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
С
/
Y
Р
В
R
2
еп -S Еа -Ес
>'о ~
АЕС -Eà -Ег-
Ej -
Е\ -A£v -
G -h -і -к -Ld -
Барьерная емкость полупроводника частота измерительного сигнала Адмиттанс
коэффициент, не зависимый от температуры
реактивная (емкостная) часть (susceptance)
сопротивление
импеданс
скорость эмиссии
Напряженность электрического поля Энергия активации Энергия дна зоны проводимости Равновесное расстояние между атомами Величина разрыва зоны проводимости Глубина залегания донорной примеси Энергия уровня Ферми Ширина запрещенной зоны полупроводника Энергия уровня квантования Энергия потолка валентной зоны Величина разрыва валентной зоны Заряд электрона
Активная проводимость полупроводниковой структ^3 Постоянная Планка Сила тока
Постоянная Больцмана Дебаевская длина экранирования
I 1-1 Hit 1 IBBIILI ШИВ HI! IIIIIIIHIIII.. KI IH II.ШII I ВПИШИ ШВ ШП!11В11Н11Ш
13
m* - Эффективная масса электрона в полупроводнике п0 - Концентрация свободных электронов Na - Концентрация акцепторов п(х) - Наблюдаемый профиль концентрации носителей заряда
Nc - Эффективная плотность состояний в зоне проводимости
Nd - Концентрация доноров дг+ - Концентрация ионизованных доноров
Nr - Концентрация глубоких ловушек р - Концентрация свободных дырок Qc - Плотность заряда в обедненной области /?-и-перехода Rt - Сопротивление области пространственного заряда полупроводника Rs - Сопротивление квазинейтральной области полупроводника
S - Площадь р-п перехода или контакта Шоттки Т - Абсолютная температура Тт - Температура максимума г - Постоянная времени эмиссии носителей заряда с глубокого уровня или уровня квантования V,ip - Напряжение смещения, поданное на кантилевер Fcap - Емкостная сила между зондом атомно-силового микроскопа и поверхностью U — Потенциальная энергия V - Внешнее приложенное напряжение w - Ширина области объемного заряда полупроводника р - Плотность объемного заряда Ф - Электростатический потенциал
14
Фк - Контактная разность потенциалов X - Электронное сродство полупроводника во - Диэлектрическая проницаемость вакуума в - Статическая диэлектрическая проницаемость а - Поверхностная плотность заряда на гетеропереходе Ф - Волновая функция электрона X - Де-Бройлевская длина волны электрона со - Круговая частота ВФХ, С-У - Вольт-фарадная характеристика
ЭЬТБ - Нестационарная спектроскопия глубоких уровней КТ ((30) - Квантовая точка КЯ (С?\У) - Квантовая яма
МКЯ - Множественные квантовые ямы АСМ (АБМ) - Атомно-силовая микроскопия 003 - Область объемного заряда МВБ - Молекулярно-пучковая эпитаксия МОСУО - Газофазное осаждение из металло-органических соединений СР - Сверхрешетка КПСР - Короткопериодная сверхрешегка ГУ(ГЦ) - Глубокий уровень (глубокий центр)
15
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ СПЕКТРОСКОПИИ АДМИТТАНСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР
Под адмиттансом понимается полная проводимость объекта, которая векторно складывается из активной и реактивной составляющих:
У = в + ]соС (1.1)
где Є - проводимость, С - емкость, со - частота измерительного сигнала.
Идеальный р-п переход или барьер Шоттки должны иметь только мнимую часть сигнала - емкость, при этом вещественная часть - проводимость, возникающая из-за утечек должна быть равной нулю. Традиционно, активная составляющая адмиттанса, не принимается во внимание при анализе данных емкостных измерений. В то же время, изучение температурных и частотных спектров активной части проводимости в рамках комплекса спектроскопии адмиттанса вместе с исследованием вольт-фарадных (С-У) характеристик и регистрацией переходных процессов релаксации носителей заряда с глубоких уровней позволяет существенно расширить возможности характеризации современных наноматериалов и структур [1].
Методики спектроскопии адмиттанса основаны на регистрации изменений положения границ(-ы) области объемного заряда (003) полупроводника со сформированным р-п переходом или барьером Шоттки в зависимости от приложенных внешних воздействий: смещения (напряжения), температуры, частоты и пр. (рисунок 1.1).
Различают три основных набора методов спектроскопии адмиттанса: квазистатические, динамические и нестационарные (рисунок 1.2). Если ква-зистатические и нестационарные методики основаны на изменении толщины 003 от приложенного смещения и сканировании границей 003 активной области образца, то в динамических методах активная область находится
- Київ+380960830922