научная статья по теме АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ Физика

Текст научной статьи на тему «АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2011, том 75, № 10, с. 1491-1497

УДК 621.315.592

АДМИТТАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ КАК МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛАКСАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫХ СТРУКТУРАХ © 2011 г. В. И. Зубков, И. Н. Яковлев, О. В. Кучерова, Т. А. Орлова

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

E-mail: yakovlev.yn@gmail.com

На примере комплексных исследований полупроводниковых светоизлучающих гетероструктур с множественными квантовыми ямами InGaN/GaN показаны широкие возможности методов спектроскопии адмиттанса как современного и эффективного метода исследования релаксационных процессов в квантово-размерных гетероструктурах. По характеру релаксации носителей заряда, выявленному из температурных спектров проводимости, определена природа эмитирующих центров в наногетероструктурах на основе InGaN/GaN.

ВВЕДЕНИЕ

Начиная с 60-х годов наблюдение релаксации барьерной емкости используется для исследования примесных и дефектных уровней в объемных полупроводниках и полупроводниковых растворах. Методика основана на регистрации емкостных переходных процессов, связанных с возвращением примесных уровней к температурно-рав-новесному заполнению носителями заряда, после окончания воздействия, выводящего из равновесия, в структурах с барьером Шоттки или р-п-пе-реходах (метод изотермической релаксации емкости, или — кратко — ИРЕ). Путем оценки постоянной времени переходных процессов, зарегистрированных при различных температурах, метод позволяет получить информацию о примесных центрах в области объемного заряда (ООЗ), такую как энергия активации примесного уровня, сечение захвата, концентрация примеси. Процесс релаксации барьерной емкости проиллюстрирован рис. 1, где изображена зонная диаграмма выпрямляющего барьера металл-полупроводник, в запрещенной зоне полупроводника имеется глубокий примесный уровень. В начальный момент времени барьер смещен в обратном направлении напряжением Уг и находится в стационарном состоянии. При приложении прямоугольного импульса смещения зоны изгибаются и происходит заполнение энергетического уровня примеси в той его части, примыкающей к границе ООЗ, которая оказалась ниже уровня Ферми. Когда напряжение возвращается к исходному значению, начинается термический выброс захваченных носителей заряда. При этом регистрирующий прибор записывает релаксации барьерной емкости как функции времени, по анализу которой судят о свойствах эмитирующих центров [1].

Существенный прогресс в емкостных исследованиях полупроводников произошел после выхода знаменитой работы Д. Лэнга [2], который предложил обрабатывать переходные процессы ИРЕ с помощью двухстробового интегратора (box-car integrator). Появившийся в результате метод Deep Level Transient Spectroscopy — сокращенно DLTS приобрел большую популярность и на протяжении трех десятилетий широко использовался в экспериментальной и лабораторной практике для исследования глубоких центров в полупроводниках [1, 3]. Однако стремительное развитие нанотехнологии привело к тому, что современные полупроводниковые структуры могут состоять из нескольких десятков различных слоев толщиной всего в несколько нанометров, что приводит к существенной неоднородности концентрационного профиля в них и заставляет искать новые методы их диагностики и совершенствовать имеющуюся экспериментальную технику.

Появление нового класса современного измерительного оборудования, такого как измерители адмиттанса и RLC-метры с возможностью изменения частоты тестового сигнала в широких пределах, позволило реализовать принципиально новую технику измерений примесного состава полупроводников динамическими методами адмиттансной спектроскопии.

ОСНОВЫ АДМИТТАНСНЫХ МЕТОДОВ

Под адмиттансом понимается полная проводимость объекта, которая векторно складывается из активной и реактивной составляющих:

Y = G + ]юС, (1)

где G — проводимость, C — емкость, ю — частота измерительного сигнала. Традиционно активная составляющая адмиттанса, которая описывает токи утечки через структуру, не принимается во внима-

~^рГ t

reverse bias

V = V

rn r r

■о. '------

"•Ow.™.-----Ef

'///////M

Metal

У////////Л

Ec Ef Et

* д

[С Va V

Metal!

________

Ec Ef Et

Рис. 1. Рабочий цикл измерений ВЬТ8-метода. а — зависимость внешнего смещения от времени; б — зависимость емкости структуры от времени; в, г, д — зонные диаграммы структуры до, во время и после внешнего импульса.

ние при анализе данных емкостных измерений. В то же время изучение температурных и частотных спектров активной части проводимости в рамках комплекса спектроскопии адмиттанса вкупе с исследованием вольт-фарадных (С—У) характеристик и регистрацией переходных процессов релаксации носителей заряда с глубоких уровней позволяет существенно расширить возможности характериза-ции современных наноматериалов и структур [4].

Для пояснения отличия метода адмиттансной спектроскопии от ВЬТ8-методики на рис. 2 приведена зонная диаграмма перехода металл-полупроводник с барьером Шоттки. Приложение к образцу переменного тестового сигнала вызывает перезарядку центров ионизации вблизи границы ООЗ. Перезарядка мелких центров происходит практически мгновенно (большой пик на зависимости 8р( /)),

E

Металл _ч

EC Ef Et

X

Рис. 2. а — зонная диаграмма обратно смещенного барьера Шоттки в присутствии глубоких уровней; б — соответствующая плотность заряда в ООЗ; в — приращение плотностей заряда, связанных с электронами, дырками и зарядом на глубоких уровнях.

а наличие глубоких центров вызывает их медленную периодическую ионизацию/нейтрализацию вблизи точки пересечения соответствующего энергетического уровня в запрещенной зоне (примесный уровень в случае глубокой ловушки или уровень квантования в квантово-размерной гетеро-структуре) с квазиуровнем Ферми, этому процессу соответствует меньший пик на зависимости 8р( /) [5]. Данные процессы носят релаксационный характер, постоянная времени ионизации зависит от температуры наблюдения и может быть сравнима по величине с периодом переменного сигнала, что вызывает задержку отклика по отношению к изменениям приложенного смещения. В этом случае ад-миттанс будет содержать частотнозависимую компоненту активной проводимости.

Уровни с разной глубиной залегания обладают различными динамическими характеристиками, что позволяет разделять их отдельными пиками в спектре проводимости при сканировании по температуре. Пик в проводимости и одновременно перегиб в температурной зависимости емкости диода наблюдаются при условии

ют = 1, (2)

где т — постоянная времени эмиссии носителей заряда с глубокого уровня или уровня квантования.

Исследуя зависимость емкости и проводимости образца с квантово-размерными слоями при темпе-

а

в

ратурах от гелиевых до комнатных, мы можем наблюдать отклики от различных уровней квантования, 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 (2), или, что то же самое,

ю = en, (3)

при этом скорость термической эмиссии носителей en с уровня в КЯ равна

= AT exp (-EjkT), (4)

где A — коэффициент, не зависящий от температуры, Ea — энергия активации носителей из КЯ [6]. При увеличении частоты вынуждающего тестового сигнала для выполнения условия (3) максимум зависимости G/®(T) сдвигается в область больших температур.

Энергия активации носителей с уровня квантования в КЯ или глубокого уровня в объеме полупроводника определяется по графику температурной зависимости скорости эмиссии, построенному в координатах Аррениуса ln(en/T1/2) = /(1/7), где в качестве параметра используется частота измерительного сигнала. Для сравнения: в методе DLTS таким параметром служит искусственно создаваемое окно скорости (rate window), определяемое выбором моментов считывания (стробов) [7].

АППАРАТУРА

В качестве измерителя электрических параметров исследуемых образцов в состав созданной нами установки адмиттансной спектроскопии входит LCR-метр Е4980А компании "Agilent", который по техническим характеристикам обеспечивает наилучшее сочетание точности, скорости измерений и универсальности для прецизионных измерений емкости и проводимости в широком диапазоне.

Для поддержания необходимой температуры образца использована система криостатирования, состоящая из гелиевого криостата замкнутого цикла Janis CCS-400/204N, контроллера температуры и вакуумного поста. Криостат Janis CCS-400/204N состоит из двухступенчатого криорефрижератора DE-204N, работающего на основе замкнутого газового цикла Гиффорда—Мак-Магона, вакуумного корпуса, теплового экрана, держателя образцов с нагревателем и гелиевого компрессора.

Управление температурным режимом осуществляет контроллер LakeShore 331, предназначенный для высокоточного измерения и поддержания температуры объектов с точностью не хуже ±0.1 К в широком температурном диапазоне.

В используемом криокулере установлены два кремниевых датчика, один из них откалиброван и

имеет точность измерения температуры ±0.02 К. Температура, измеренная датчиком, сравнивается с установленным значением температуры, которую необходимо достичь, затем с помощью встроенного РГО-регулятора автоматика выбирает значение мощности, которую необходимо подать на нагреватель для достижения требуемой температуры образца.

Для работы с оборудованием в автоматическом режиме на языке графического программирования LabVIEW было разработано и защищено авторским свидетельством управляющее программное обеспечение [8]. Программа разделена на несколько частей, каждая из которых отвечает за определенный этап измерений, что позволяет гибко регулировать процесс измерения структур и проводить обработку данных.

В основе методики измерения полной базы данных спектров адмиттанса образца лежат три вложенных друг в друга цикла. Внешний цикл обеспечивает изменение по температуре с постоянным шагом АТ, промежуточный цикл — по напряжению, и внутренний цикл — по частоте. Реализац

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком