КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, 2011, том 56, № 3, с. 521-526
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ
УДК 621.383.52: 534.29.66
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ НАНОГЕТЕРОСТРУКТУРЫ © 2011 г. Е. К. Наими, О. И. Рабинович
НИТУ Московский институт стали и сплавов E-mail: e.naimi@mail.ru, olegr@misis.ru Поступила в редакцию 03.09.2010 г.
Приведены результаты исследования влияния ультразвукового воздействия на характеристики многокомпонентных наногетероструктур GaP и AlGalnN. Обнаружено, что воздействие ультразвука при частотах ~105 Гц в течение нескольких часов приводит к существенному изменению (деградации) характеристик многокомпонентных наногетероструктур, а также смещению спектрального максимума свечения светоизлучающих диодов на их основе. Дается качественное объяснение полученным результатам.
ВВЕДЕНИЕ
В связи с началом широкого использования полупроводниковых материалов и различных изделий на их основе в промышленности и электронике, актуальной становится задача создания высокоэффективных многокомпонентных наногетероструктур (МКНГ) с квантово-размерными точками и ямами. Среди материалов полупроводниковой электроники для создания приборов силовой, опто- и СВЧ-электроники (силовые диоды, транзисторы, приемные и излучающие диоды инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов) доминируют широкозонные материалы типа АШВУ и АУВЖ (например, А1Оа1пМ, Оа8Ъ, 8Ю), устойчивые к радиационным, температурным, химическим и механическим воздействиям. Для них характерны высокие температуры Дебая, что определяет стойкость этих материалов по отношению к внешнему воздействию.
Квантово-размерные МКНГ на основе упомянутых выше соединений представляют повышенный интерес для изделий опто- и функциональной электроники. В частности, МКНГ на основе нитридных материалов уже находят широкое применение при создании высокоэффективных приемных и излучающих диодов в инфракрасной и видимой областях спектра из-за их уникальных свойств [1—5]. Одно из наиболее значимых преимуществ соединений АШВУ и АиВщ, таких как ОаМ, 1пМ, АВД, Оа8Ъ, ОаР и их твердых растворов 1пхОа1 _ ^ и А1уОа1 _ — это широкий диапазон ширины запрещенной зоны (Е^) от 1.95 до 6.3 эВ в зависимости от состава твердого раствора. Для выращивания МКНГ в основном используют хорошо зарекомендовавшие себя технологии молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений. Многие вопросы, касающиеся фор-
мирования квантово-размерных структур с заданным набором свойств, являются проблемными. Особенно это касается структур на основе промежуточных фаз, образующихся в системах, которые характеризуются высокой упругостью паров и инконгруэнтным испарением. Поиск новых подходов в решении задач направленного формирования квантово--размерных структур, учитывающих особенности фазовых равновесий в системах с легколетучим компонентом, представляет важный практический интерес. Эффективным решением этой задачи может стать выращивание наноразмерных островков методом ин-конгруэнтного испарения материала состава В.
Среди первостепенных задач, стоящих перед разработчиками излучающих и силовых диодов нового поколения, следует выделить снижение скорости деградации МКНГ при их длительной эксплуатации в различных условиях. К настоящему времени проведено большое число исследований, в которых изучалось влияние различных факторов, главным образом тока и температуры, на деградацию характеристик МКНГ и светоиз-лучающих диодов (СИД) на их основе [3, 6, 7]. Возможность влияния на характеристики СИД высокочастотных механических колебаний (ультразвука) как нового фактора воздействия впервые была продемонстрирована в [8].
Настоящая работа посвящена исследованию влияния ультразвукового воздействия (УЗВ) на характеристики ОаР и А1Оа1пМ многокомпонентных наногетероструктур с учетом изменения квантово-размерной активной области материалов.
I |_ P-GaN
"-1-Х-
^ х = 0.1 Энергия
л-Л13,Оа1_
и-Оа^ I I ^
барьер ^Буферный слой p-AGaN
Рис. 1. Типичный вид многокомпонентной наногете-роструктуры Л1GaInN.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Объектами исследования являлись образцы многокомпонентных наногетероструктур типа АШВУ иЛ™ВЖ, например ОаР и ЛЮа1п^ на подложках Л1203 и 8Ю, и светоизлучающих диодов на их основе. Типичный вид многокомпонентной наногетероструктуры Л1GaInN с множественными квантово-размерными ямами (КЯ), специально выращенными областями для локализации носителей заряда с целью высокоинтенсивной излуча-тельной рекомбинации, представлен на рис. 1.
Нитриды группы ЛШВУ и их твердые растворы представляют собой класс материалов с присущими им спонтанной поляризацией (СП) и внутренним пьезоэлектрическим полем (ВПЭП) [6, 7]. В большинстве материалов ЛШВУ и ЛпВж, являющихся пироэлектриками, СП всегда параллельна оси кристалла нижней сингонии — пироэлектрической оси. Среди тетраэдрических соединений у пироэлектриков наиболее часто встречается вюр-цитная структура (рис. 2).
УЗВ на многокомпонентные наногетероструктуры для СИД осуществлялось с помощью пьезоэлектрического преобразователя — кварцевого стержня Х-среза, возбуждаемого на частоте первой гармоники, по методике, описанной в [9]. Применялись пьезокварцы с резонансными частотами /р = 64 и 106 кГц, размерами 40 х 4 х 4 и 26.8 х 4.5 х 4.5 мм соответственно. Акустический контакт между кварцем и СИД создавался посредством тонкого промежуточного слоя — бакели-то-фенольного клея, с помощью которого СИД прикреплялся к средней части пьезокварцевого стержня, где располагалась пучность стоячей продольной волны напряжения (деформации). Максимальная амплитуда механического напряжения в
Рис. 2. Вюрцитная структура нитридных соединений.
пучности УЗ-волны составляла ст0 « 2.8 МПа. Мощность УЗ-волны, воздействующей на МКНГ, для применявшихся пьезокварцев (/ = 64 и 106 кГц) составляла соответственно 5.1 и 6.5 Вт.
Многокомпонентные наногетероструктуры подвергались попеременному воздействию ультразвука с длительностью каждого цикла нагру-жения около 5 (для ОаР(^) и 1.5 (для ЛЮа1п^ ч. После этого проводилась отклейка СИД от пьезокварца для исследования его характеристик на отдельных измерительных приборах. Интегральная продолжительность ультразвукового воздействия на ОаР^) МКНГ составила примерно 15 ч, а на A1GaInN МКНГ — 7 ч. Измерялись вольт-амперные характеристики (ВАХ), зависимости оптической мощности излучения СИД от плотности тока через кристалл, а также спектры электролюминесценции.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В процессе длительной эксплуатации характеристики МКНГ ухудшаются (деградируют), что отражается на параметрах СИД. Одной из основных причин, приводящих к деградации параметров СИД, считается накопление в области р-п-пе-рехода центров безызлучательной рекомбинации (ЦБИР) при протекании прямого тока [3]. Эта модель предполагает, что накопление ЦБИР в области р-п перехода происходит по двум причинам: за счет инжекции уже имеющихся ЦБИР из объема кристалла в активную область; за счет образования в активной области кристалла новых ЦБИР при переходе атомов примеси из узлов в междоузлия при локальном нагреве. Если эта гипотеза верна, то к аналогичному результату долж-
и, отн. ед. 0.8
10
15
20
25
30 I, мА
Рис. 3. Вольтамперные характеристики СИД на основе многокомпонентной наногетероструктуры ОаР(М): 1 — исходная; 2 и 3 — после УЗВ в течение 5 и 10 ч, соответственно / = 106 кГц).
Р1, отн. ед. 7
540
570 575
X, нм
Рис. 4. Спектры излучения ОаР МКНГ: 1 — исходный; 2 и 3 — после 5 и 10 ч УЗВ, соответственно (/р = = 106 кГц).
0
5
но приводить любое воздействие, в том числе ультразвуковое. Заметим, что УЗВ сводится в данном случае не столько к нагреву кристалла (что имеет место при применении ультразвука большой мощности), сколько к активации под действием ультразвуковых колебаний процессов миграции ЦБИР и их образования, например, при аннигиляции дислокаций, содержащих заряженные ступеньки, и ряда других процессов [9, 10].
Исследования показали, что УЗВ практически не влияет на наклон ВАХ ОаР(М) СИД, т.е. на величину дифференциального сопротивления МКНГ по прямому току (рис. 3). Кроме того, было обнаружено, что с увеличением времени УЗВ выходная мощность излучения ОаР МКНГ систематически понижается для каждого значения величины рабочего тока. Поскольку мощность излучения СИД падает — полученный результат означает, что УЗВ приводит к увеличению скорости безызлучательной рекомбинации. Одновременно с этим вследствие уменьшения количества областей с повышенным (относительно среднего значения) числом излучательных ММ-центров в квантово-размерной активной области МКНГ спектральный максимум Хт должен смещаться в сторону более коротких длин волн. Полуширины на половине максимума спектра также должны меняться из-за перераспределения расположения ММ-центров в квантово-размерной активной области. И то и другое наблюдается в эксперименте (рис. 4).
Результатом влияния УЗВ на А1Оа1пМ СИД стало то, что уже после первой экспозиции наблюдается заметная деградация ВАХ (рис. 5). Дальнейшее увеличение продолжительности УЗВ приводит к некоторому смещению ВАХ по оси
и, мВ
и, мВ I, мА
0 5 10 15 20 25
I, мА
Рис. 5. Влияние УЗВ на вольтамперные характеристики СИД на основе многокомпонентных наногетеро-структур АЮа1п№ а — на подложке А12О3, б — на подложке 81С (/р = 64 кГц); 1 — исходная, 2, 3, 4 — после каждого из последовательных циклов УЗВ по 1.5 ч (а); по 3 ч (б).
напряжений без существенного изменения угла их наклона.
Изменение ВАХ во всех случаях связано с влиянием СП и ВПЭП в МКНГ. В пироэлектриках СП обусловлена несовпадением геометрического центра распределения плотности электронов с центром положительных зарядов. В вюрцитных кристаллах пироэлектрическая ось параллельна направлению (0001) (рис. 2). В кубических полупроводниках характер связи между соседними атомами может быть изменен, если приложить напряжение к кристаллической структуре в направлении (111). В этом случае связь вдоль направления (111) укорачивается/удлиняется и совершенная симметрия «р3 гибридизации разрушается — возникающая при этом поляриз
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.