измерен энергетический спектр самоорганизующихся квантовых -ко лец, и была обнаружена корреляция энергии оптических переходов с температурой роста таких структур [9].

Использование методов оптической спектроскопии позволило не только получить важнейшую информацию о фундаментальных свойствах наноструктур на основе гетеропереходов и барьеров Шоттки, но и дало возможность создать фоточувствительные структуры с новыми свойствами. В частности, показана возможность реализации фотодетекторов для видимого и ближнего ИК-диапазонов спектра, диапазон чувствительности и степень селективности которых могут изменяться в широких пределах за счет использования эффекта широкозонного окна. Создан ряд фотоприемников, полуширина спектральных характеристик которых составляет от 13 до 350 нм.

Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям(госконтракт 02.740.11.0213 от 07.07.2009) в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 гг., а также гранта Президента РФ для молодых ученых – кандидатов наук (МК-3996.2011.8)

Список литературы

1.Питер Ю. Основы физики полупроводников / Пер. с англ. под ред. акад. Б. П. Захарчени. 3-е изд. М.: Физматлит, 2002.

2.Shen H. Dependence of the photoreflectance of semiinsulating GaAs on temperature and pump chopping frequency / H. Shen, Z. Hang, S. H. Pan et. all // Applied Physics Letters. 1988. Vol. 52. № 24. P.2058–2060.

3.Excitonic effects and Franz–Keldysh oscillations in photoreflectance of ultrapure GaAs epilayers / O. S. Komkov, G. F. Glinskii, A. N. Pikhtin, Y. K. Ramgolam // Physica status solidy (a). 2009. Vol. 206. № 5. P. 842–846.

4.Effect of electric field on the probability of optical transitions in InGaAs/GaAs quantum wells observed by photoand electroreflectance methods / A. N. Pikhtin, O. S. Komkov, F. Bugge // Physica status solidy (a). 2005. Vol. 202. № 7. P. 1270–1274.

124

5.Влияние внешнего электрического поля на вероятность оптических переходов в квантовых ямах InGaAs/GaAs / А. Н. Пихтин, О. С. Комков, К. В. Базаров и др. // Физика и техника полупроводников. 2006.

Т. 40. Вып. 5. С. 608–613.

6.Oscillator strength of type-II light-hole exciton in InxGa1-xAs/GaAs

strained single quantum wells / M. Nakayama et. all // Physica E. 2000. Vol. 7. P. 567–571.

7.Общая технология. Книга 1 / И. Я. Козырь, Ю. И. Горбунов, Ю. С. Чернозубов, А. С. Пономарев. М.: Высш. шк., 1989.

8.Литвак А. М., Чарыков Н. А. Термодинамический расчет зависимости ширины запрещенной зоны от состава твердых растворов на

основе соединений А3В5 // Физика и техника полупроводников. 1990.

Т. 24. Вып. 12. С. 2106.

9. Self-assembled InGaAs/GaAs quantum rings: Correlation of formation temperature and energy spectrum / O. S. Komkov, O. E. Gordyushenkov, A. N. Pikhtin et. all // Proc. 18th Int. Symp. «Nanostructures: Physics and Technology», St. Petersburg, June 21–26, 2010, Р. 90–91.

125

В. И. Зубков, А. В. Соломонов

ДИАГНОСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР

МЕТОДАМИ АДМИТТАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Современное индустрия приборов нано- и оптоэлектроники (в частности, бурно развивающееся производство сверхъярких светодиодов на основе нитридогаллиевых гетероструктур) требует внедрения современных методов контроля качества изделий на всех стадиях процесса– начиная с отбраковки подложек и кончая тестированием готовой партии. Важнейшим направлением соответствующих исследований является диагностика полупроводниковых наногетероструктур на основе соединений типа A3B5 для лазерных и светодиодных применений, а также нитридных гетероструктур типа InGaN/GaN с множественными квантовыми ямами (МКЯ). Для такой диагностики используются электрические и оптические методы, включая спектроскопию адмиттанса, электрохимическое профилирование, люминесценцию и сканирующую зондовую микроскопию.

На кафедре микро- и наноэлектроники разработан не имеющий отечественных аналогов аппаратно-программный комплекс спектроскопии адмиттанса в широком температурном диапазоне на базе LCRметра Agilent E4980A и гелиевого криостата замкнутого циклаJanis [1], [2]. В дополнение к этому имеются сканирующий зондовый микроскоп Solver NEXT производства компании NT-MDT (Россия), электрохимический профилометр ECV-Pro-UV производства компания «Nanometrics» (США) с возможностью исследования широкозонных материалов (SiC, GaN, InGaN и AlGaN), а также приборы для измерения оптических характеристик светоизлучающих структур. Все оборудование автоматизировано. Часть аппаратуры реализована в технологии «виртуальных приборов» на основе платформыPXI, лабораторной станции ELVIS, а также плат сбора данных NI 6251 и NI-USB-6009.

Комплекс взаимодополняющих методик исследования морфологии поверхности эпитаксиальных структур, а также электрофизических и оптических характеристик позволяет решать широкий круг задач в области физики и технологии наноразмерных гетероструктур [2]–[4].

126

Адмиттансная спектроскопия наногетероструктур

Адмиттансная спектроскопия в ее современном виде получила развитие с появлением нового класса измерительного оборудования, такого как LCR-метры с возможностью изменения частоты тестового сигнала в широких пределах. Сопряжение таких многофункциональных измерителей адмиттанса с гелиевыми криостатами, температура в которых может прецизионно контролироваться в диапазоне от гелиевой до комнатной,

позволило реализовать принципиально новые технологии измерения электронного спектра и примесного состава полупроводников целым рядом методов адмиттансной спектроскопии, включая квазистатические, динамические и нестационарные методы (рис. 1).

Рис. 1. Методы адмиттансной спектроскопии

Квазистатический режим измерений адмиттанса (метод C–V- и G–V-характеристик) позволяет определять стационарное распределение заряда и электрического поля в полупроводниковой структуре. Применительно к наноструктурам это дает возможность получать точную количественную информацию о положении и числе квантовых ям в гетероструктуре, заряде, накопленном в отдельной квантовой яме, и т. п. [3]. На основании этих данных можно делать вывод о качестве и совершенстве полупроводникового прибора.

127

б

Рис. 2. Примеры удачного и неудачного формирования системы квантовых ям в активной области светоизлучающей гетероструктуры на GaN (пересчитано из ВАХ,

измеренных при 300 К): a – удачная структура КЯ (СИД производства LumiLED, толщина барьера 30 нм, высокая эффективность ограничения заряда);

б– неудачная структура (толщина барьера 10–11 нм, невысокий коэффициент ηi). Сверху показано

изменение состава InxGa1–xN активной области [5]

Рис. 2 иллюстрирует два разных концентрационных профиля носителей заряда, полученных из вольт-фарадных характеристик светодиодных гетероструктур InGaN/GaN с МКЯ. Резкие концентрационные пики в области квантовых ям в случае (а) свидетельствуют о высокой степе-

128

ни пространственного ограничения носителей заряда и, следовательно, приводят к высокой эффективности полезной излучательной рекомбинации между энергетическими уровнями в квантовых ямах для электронов и дырок. В случае (б) размерное ограничение выражено слабо, поэтому следует ожидать невысокого коэффициента внутреннего квантового выхода ηi такого светодиода.

Динамический и нестационарный режимы измерений адмиттанса предоставляют информацию о динамических характеристиках полупроводниковых приборов – о скоростях эмиссии (захвата) носителей заряда с глубоких ловушек в запрещенной зоне или о динамике перезарядки уровней размерного ограничения в квантовых ямах. Так, исследуя зависимость емкости и проводимости образца с квантоворазмерными нанослоями при температурах от гелиевой до комнатной, можно наблюдать отклики от уровней квантования различной глубины, вызванные термоэмиссией носителей заряда из КЯ. В зависимости от частоты вынуждающего тестового сигнала максимальный выброс носителей будет происходить при разных температурах, соответствуя условию оптимальной термической эмиссии носителей заряда с энергетического уровня [3]:

При этом скорость термической эмиссии носителейen с уровня в КЯ определяется выражением

термоактивации носителей из КЯ.

Динамическая природа рассматриваемого явления заключается в том, что при увеличении частоты вынуждающего тестового сигнала для выполнения условия (1) максимум зависимости G/ω(T) сдвигается

в область бóльших температур(рис. 3). Дальнейшая обработка этих измерений, проведенных в диапазоне частот(или окон скорости) тестового сигнала, позволяет получить количественную информацию об энергетических характеристиках исследуемых уровней. Энергия акти-

129

вации носителей с уровня квантования в КЯ определяется по температурной зависимости скорости эмиссии, построенной в координатах Аррениуса: ln (en ) = f (1T ) (рис. 4, б).

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 поведения спектров проводимости в зависимости от величины приложенного к структуре напряжения может дать важную дополнительную информацию о природе и свойствах глубокой ловушки. Примером служит исследование гетероструктуры InGaN/GaN с пятью квантовыми ямами с помощью 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, принадлежащего 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 -

130

В отличие от низкотемпературного пика, амплитуда второго пика испытывает резкую (на два порядка) зависимость от приложенного смещения, спадая практически до нуля приU ≤ 0 В. Это объясняется тем, что при обратном смещении ямы оказываются глубоко внутри области объемного заряда, полностью опустошаются и поэтому не участвуют в токопереносе. Кроме того, график Аррениуса данного пика отклоняется от линейной зависимости. Совокупность этих особенностей позволяет связать данный пик с эмиссией носителей заряда непосредственно из квантовой ямы.

Анализ показывает, что энергии активации для первого и второго пиков также не зависят от приложенного смещения. В отличие от этого, рассчетная энергия активации третьего пика сильно зависит от приложенного напряжения, монотонно возрастая с увеличением прямого смещения от60 до 90 мэВ. График Аррениуса этого пика существенно отклонен от линейной зависимости, что может свидетельствовать о его сильном уширении и, следовательно, о регистрируемом в данном случае непрерывном распределении плотности электронных состояний, что обычно связывают с наличием кластеров в эпитаксиальных слоях нитрида галлия [5].

Особую ценность адмиттансные измерения приобретают для современных высокоэффективных светоизлучающих приборов на квантовых ямах. Достигнутый к настоящему времени прогресс в технологии 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 уровню нанотехнологии.

Важная проблема оптимизации светоизлучающих структур– контроль соотношения вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации. Как показано выше, температурные спектры адмиттанса 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).

132

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

Диагностика нанослоев А3В5 и нитридных структур с МКЯ методами атомно-силовой микроскопии

Современные микро- и нанотехнологии позволяют получать сложные полупроводниковые структуры на основе материалов высокого кристаллического совершенства с заданными электрофизическими параметрами. Прогресс в технологии синтеза новых материалов, таких как твердые растворы InxGa1–xN, требует дальнейшего развития мето-

дов диагностики, среди которых в последние годы лидирует сканирующая зондовая микроскопия. Кроме того, для более глубокой и точной характеризации свойств наноструктур представляется перспективным комбинирование электрофизических и зондовых методов, объединение их в единый исследовательско-измерительный комплекс.

Характеризация гомоэпитаксиальных слоев. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) предоставляет уникальные возможности исследования свойств поверхностей и сколов материалов с разрешением до атомарного.

Использование АСМ для исследования гомоэпитаксиального арсенида галлия, нитрида галлия на сапфире и гетероструктурInGaN/GaN на сапфире позволяет выявить механизмы роста слоев и особенности, присущие 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).

133

На скане отчетливо видны винтовые дислокации со спиральным ростом, усредненный перепад высот составляет менее 10 нм. Морфология поверхности эпитаксиального GaAs, выращенного на GaAs-подложке, оказывается 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 расширения. 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, возникающие вдоль винтовых дислокаций. Опыт изучения различных образцов эпитаксиального GaAs позволяет утверждать, что уровень современной технологии выращивания эпитаксиальных структур на арсениде галлия чрезвычайно высок. Шероховатость эпитаксиальной поверхности обычно не превышает нескольких атомных слоев.

Характеризация гетероэпитаксиальных слоев. Технологии вы-

ращивания полупроводников системы AlInGaN еще недостаточно развиты по сравнению с арсенидогаллиевыми технологиями. Одной из важнейших проблем является нестабильность планарного роста. При эпитаксии GaN на сапфире морфология растущего слоя сильно зависит от условий роста, в частности, от вариаций потоков галлия и азота. Измерения спектров фотолюминесценции и АСМ-сканов показывают, что азотообогащенные условия роста GaN позволяют формировать наноколончатую морфологию. Галлий-обогащенные условия приводят к более гладкой морфологии, но при этом существенно падает интенсивность ФЛ.

С помощью АСМ нами анализировались выращенные методом MBE структуры эпитаксиальных слоев GaN на сапфире с различным

134