ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 86-90
УДК 621.382:620.191.4
ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ И ОБЛУЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ СВЕТОДИОДОВ С МНОЖЕСТВЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ InGaN/GaN © 2015 г. П. С. Вергелес1, Е. Б. Якимов1, 2 *
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, 142432 Черноголовка, Московская область, Россия Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС",
119049 Москва, Россия *Е-таИ: yakimov@iptm.ru Поступила в редакцию 16.01.2015 г.
Исследованы зависимости спектров катодолюминесценции необлученных и облученных низко-энергетичными электронами фрагментов светоизлучающих структур с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ от обратного напряжения. Показано, что уже при малых дозах облучения интенсивность и положение максимума излучения практически перестают зависеть от напряжения, что объясняется повышением эффективной концентрации доноров в активной области. Изменение положения максимума излучения при больших дозах облучения, вероятнее всего, обусловлено релаксацией напряжений в локальных областях квантовых ям.
Ключевые слова: облучение низкоэнергетичными электронами, структуры с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ, катодолюминесценция, обратное смещение.
БО1: 10.7868/80207352815090176
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на то что энергия электронов в растровом электронном микроскопе (РЭМ) не превышает 30—40 кэВ и на несколько порядков ниже энергий, необходимых для образования дефектов за счет столкновения электронов с атомами решетки, во многих полупроводниковых материалах и структурах под воздействием таких электронов наблюдаются существенные изменения электрических и оптических свойств. В частности, было показано [1—14], что облучение структур с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ электронами с энергией порядка 10 кэВ приводит к повышению интенсивности люминесценции и сдвигу полосы излучения, связанной с квантовыми ямами, к большим энергиям. Из-за несоответствия параметров решетки ОаМ и 1пОаМ в квантовых ямах, выращенных вдоль оси с, возникают сжимающие тангенциальные напряжения, которые увеличивают энергию межзонного перехода и приводят к возникновению поля пьезоэлектрической поляризации, напряженность которого может превышать 1 МВ/см. Это поле уменьшает энергию излучения и уменьшает его интенсивность за счет квантово-
размерного эффекта Штарка. Обычно влияние пьезоэлектрического поля преобладает, что приводит к результирующему уменьшению энергии излучения. И во многих работах наблюдаемые изменения спектра люминесценции при облучении электронами низкой энергии объясняли за счет тех или иных механизмов подавления электрического поля в квантовых ямах (КЯ) [1—3, 7]. Поскольку в структурах с множественными КЯ 1пОаМ/ОаМ приложенное к структуре обратное смещение приводит к компенсации поля пьезоэлектрической поляризации, исследования зависимости спектров люминесценции от приложенного напряжения позволяют оценить поле пьезоэлектрической поляризации [15]. Таким образом, можно было надеяться, что такие исследования помогут прояснить вклад изменения поля пьезоэлектрической поляризации в модификацию оптических свойств квантовых ям при их облучении электронами подпороговой энергии.
В настоящей работе проведены исследования влияния облучения электронами подпороговой энергии на зависимости спектра катодолюминес-ценции квантовых ям от приложенного к структуре обратного смещения.
ВЛИЯНИЕ ОБРАТНОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
87
Рис. 1. Спектры катодолюминесценции квантовых ям, измеренные на необлученной области при напряжениях 0, 1, 2, 3, 6, 9, 12 В (спектры расположены сверху вниз).
Рис. 2. Зависимости интенсивности катодолюминесценции в максимуме сигнала от приложенного напряжения для необлученного участка (1) и облученного дозой 2.1 Кл/см2 (2).
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились на светоизлучаю-щих структурах с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ, выращенными методом МОСУи на сапфире с ориентацией (0001). Структуры состояли из нижнего слоя я-ОаМ толщиной порядка 3 мкм, легированного кремнием (N4 ~ 5 х 1018 см-3). Затем выращивался активный слой, содержащий пять квантовых ям (3 нм 1пОаМ и 12 нм ОаМ). После этого выращивался верхний слой ^+-ОаМ толщиной порядка 0.1 мкм, легированный М§ до концентрации около 1020 см-3. Измерения проводились на вытравленных меза-структурах диаметром 0.4 мм, внутри которых напылялся металлический контакт диаметром 0.3 мм. Это позволяло проводить облучение и измерения на непокрытой металлом области, а напряжение подавать между металлическим контактом к ^-области и контактом к я-ОаМ на протравленной области.
Облучение проводилось при комнатной температуре в РЭМ JSM 6490 ^ЕОЕ) при энергии электронного пучка 10 кэВ и токе пучка 10-10-10-9 А. Облучалась область с площадью порядка нескольких десятков мкм2, при этом сканирование проводилось в телевизионном режиме. Спектры катодолюминесценции (КЛ) измерялись при комнатной температуре в том же микроскопе с использованием системы Оа1ап MonoCL3 с фотоумножителем в качестве детектора при энергии пучка 10 кэВ и токе пучка порядка 10-10 А. Поскольку ток пучка во всех измерениях определялся с помощью цилиндра Фарадея и его стабильность периодически проверялась, ошибка при определении дозы не превышала 10%, а реально составляла несколько процентов. За время изме-
рения спектра (~2 мин) доза облучения не превышала 5 х 10-2 Кл/см2, при этом в большинстве структур заметного изменения оптических свойств еще не наблюдалось. На необлученной области спектры снимались на большей площади, что позволяло снизить дозу облучения. Прикладываемое к структурам обратное напряжение не превышало 27 В, поскольку при больших напряжениях структуры обычно пробивались.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 показаны спектры катодолюминесценции для необлученного фрагмента светоизлу-чающей структуры с пятью квантовыми ямами для нескольких значений обратного напряжения и. Кривыми 1 на рис. 2 и 3 представлены, соответственно, зависимости интенсивности катодолю-минесценции и положения максимума излучения от и. Видно, что в необлученных структурах интенсивность катодолюминесценции квантовых ям быстро спадает при повышении напряжения, а положение максимума сдвигается в сторону более высоких энергий уже при малых приложенных напряжениях порядка нескольких вольт, что хорошо коррелирует с результатами предыдущих исследований [15]. Следует отметить, что при увеличении напряжения ошибка в определении положения максимума возрастает вследствие уменьшения амплитуды пика. Обычно уменьшение интенсивности излучения в таких структурах при повышении напряжения и объясняется повышением вероятности туннелирования неравновесных носителей заряда из квантовых ям [16, 17]. А сдвиг максимума излучения в область больших энергий объясняют подавлением кван-тово-размерного эффекта Штарка вследствие
88
ВЕРГЕЛЕС, ЯКИМОВ
2.82 г 2.80 -
И 2.78 - *
1 1
§ 2.76 - •
- •
I 2.74 - •
® О О О п
о 70 ФО О О ° О
2.72 2 2.70 -•*
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
и, В
Рис. 3. Зависимости положения максимума спектра катодолюминесценции от приложенного напряжения для необлученного участка (1) и облученного дозой 2.1 Кл/см2 (2).
компенсации пьезоэлектричекого поля в квантовых ямах при повышении обратного напряжения.
Спектры катодолюминесценции для фрагмента этой же светоизлучающей структуры, облученного дозой 2.1 Кл/см2, практически не зависели от приложенного напряжения. Это иллюстрируют кривые 2 на рис. 2 и 3, на которых представлены, соответственно, зависимости интенсивности катодолюминесценции и положения максимума излучения от приложенного напряжения. Видно, что облучение приводит к практически полному подавлению зависимости от и как интенсивности катодолюминесценции, так и положение максимума излучения. На рис. 4 и 5 представлены зависимости интенсивности катодолюминесценции и
положения максимума излучения от приложенного напряжения для области структуры, облученной разными дозами. Видно, что процесс преобразования спектра катодолюминесценции при облучении можно рассматривать как двухступенчатый. Уже при малых дозах облучения порядка 0.2 Кл/см2 максимум спектра катодолюминесценции практически перестает зависеть от приложенного напряжения, и уменьшается зависимость интенсивности излучения от приложенного напряжения. При этом спектр катодолюминесцен-ции при нулевом смещении еще практически не изменяется. При дальнейшем повышении дозы облучения до значений порядка 1 Кл/см2 и максимум излучения из квантовых ям, и его интенсивность в облученных областях также практически не зависят от напряжения, но при этом максимум излучения смещается в область более высоких энергий, а интенсивность возрастает с дозой облучения. Таким образом, из полученных результатов следует, что зависимость от приложенного напряжения пропадает уже на первых этапах облучения и только при больших дозах возникает новая линия излучения.
Поскольку электрическое поле в области пространственного заряда (ОПЗ) р—«-перехода спадает с глубиной, подавление зависимостей интенсивности катодолюминесценции и положения максимума излучения от приложенного напряжения уже при малых дозах облучения можно было бы объяснить повышением эффективной концентрации доноров в активной области и соответствующим уменьшением ширины ОПЗ. При этом квантовые ямы оказываются в области слабого поля или вообще могут выйти из ОПЗ. Исследования методом наведенного тока [6, 8] подтверждают повышение эффективной концентрации
•
• •
- • • 1
- • • о о •о "О • -• о о 2 о о о
13
о о я <ч
о Я
В
Я
И
106 105 104 103 102 1011111
Ьосф ф А « А л д д
г О О А 3 А 4 >
г • о 2 О
: •
О
: •
1 1 •
•
_|_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 2426 28 30 и, В
2.82 2.80
и 2.78
т
¡5 2.76 к
&2.74
я
т
2.72 2.70 2.68
А*
ооо„
О ОА
_|_I_1
о
о _|_
1 2 ▲ 3
Д 4
д
0 2 4 6 8 10 12 1416 1820222426 28 30 и, В
Рис.
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.