научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ НА КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ И НАВЕДЕННЫЙ ТОК В СТРУКТУРАХ С МНОЖЕСТВЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ INGAN/GAN Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ НА КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ И НАВЕДЕННЫЙ ТОК В СТРУКТУРАХ С МНОЖЕСТВЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ INGAN/GAN»

ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2011, № 10, с. 33-36

УДК 621.382:620.191.4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ НА КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ И НАВЕДЕННЫЙ ТОК В СТРУКТУРАХ С МНОЖЕСТВЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ

InGaN/GaN

© 2011 г. П. С. Вергелес1, Н. М. Шмидт2, Е. Б. Якимов1

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка,

Московская область, Россия 2Физико-технический институт имени А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 24.11.2010 г.

Методами катодолюминесценции и наведенного тока проведены исследования влияния облучения низкоэнергетичными электронами на оптические и электрические свойства светодиодных структур с множественными квантовыми ямами на основе 1пОаМ/Оа№ Показано, что такое облучение приводит к изменению как оптических, так и электрических свойств таких структур. Подгонка зависимостей сигнала наведенного тока от энергии пучка позволила показать, что облучение приводит к подавлению рекомбинации в верхнем слое р-ОаМ, к уменьшению вероятности прохождения носителей заряда через активную область структуры с квантовыми ямами и к повышению эффективной концентрации доноров в активной области. Эти изменения позволяют объяснить повышение интегральной интенсивности катодолюминесценции, но не изменение ее спектра.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема деградации светоизлучающих диодов с множественными квантовыми ямами (МКЯ) 1пОаМ/ОаМ не решена до сих пор, несмотря на важность этой проблемы для получения эффективных твердотельных источников света [1]. Было показано [2], что хорошо известный механизм размножения дислокаций, стимулированного рекомбинацией неравновесных носителей заряда, не играет существенной роли в светодиодах на основе 1пОаМ/ОаМ. Более того, хорошо известно [3, 4], что основное влияние на деградацию таких структур оказывает продолжительная инжекция носителей заряда, а деградационный процесс развивается в локальных областях, предположительно связанных с протяженными дефектами. Облучение низкоэнер-гетичными электронами в растровом электронном микроскопе (РЭМ) в некотором приближении является аналогом инжекции неравновесных носителей заряда при функционировании светоизлучаю-щих структур. Поэтому исследование влияния облучения низкоэнергетичными электронами на оптические и электрические свойства светодиодных структур на основе 1пОаМ/ОаМ может оказаться полезным для понимания механизмов деградации в таких структурах.

В настоящей работе методами катодолюминесценции (КЛ) и наведенного тока (НТ) исследовано влияние облучения низкоэнергетичными электронами на оптические и электрические свойства светодиодных структур с множественными квантовыми

ямами на основе 1пОаМ/ОаМ. Выявлена корреляция между изменением оптических и электрических характеристик, позволяющая более надежно интерпретировать природу обнаруженных явлений.

МЕТОДИКА

Исследовались светоизлучающие структуры на основе системы с МКЯ 1пОаМ/ОаМ, выращенные методом МОСУО на сапфире с ориентацией (0001). Структуры состояли из нижнего слоя я-ОаМ толщиной 3 мкм, легированного кремнием ~ 5 х х 1018 см-3), на котором была выращена сверхрешетка ОаМ/1пОаМ с низкой концентрацией 1п (<10%). Затем выращивался активный слой, содержащий пять квантовых ям (3 нм 1пОаМ и 12 нм ОаМ). После этого выращивался верхний слой р+-ОаМ толщиной порядка 0.1 мкм, легированный М§ до концентрации порядка 1020 см-3.

На этих образцах вытравливались мезаструктуры диаметром 0.45 мм, в центре которых напылялся металлический электрод диаметром 0.35 мм. Для изготовления второго контакта на стравленную до нижнего слоя и-ОаМ область наносился 1п. Облучение и измерения методами наведенного тока (НТ) и катодолюминесценции (КЛ) проводились на области мезаструктур, не покрытой металлом. Исследования методом наведенного тока проводились в нормальной геометрии (электронный пучок перпендикулярен плоскости р—п-перехода) в РЭМ JEOL-840A, для усиления тока использовался уси-

34

ВЕРГЕЛЕС и др.

/СЬ отн. ед 30000

25000 20000

15000 10000

А / V

1 \ \

11111 1 1 1

2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6

Е, эВ

Рис. 1. Спектры катодолюминесценции светоизлуча-ющей структуры до облучения (1) и после облучения электронами дозой 0.53 (2) и 4.7 Кл/см2 (3).

литель КеНЫеу 428. При измерении зависимости НТ от энергии пучка энергия изменялась от 4 до 38 кэВ. При этом для каждого значения энергии пучка с помощью цилиндра Фарадея измерялся ток пучка, значения которого были порядка 10-10 А. Измерение катодолюминесценции проводилось при комнатной температуре в РЭМ JSM 6490 (ШОЬ), оборудованном системой катодолюминесценции Оа1ап МопоСЬ3 с фотоумножителем Нашаша18и в качестве детектора при энергии пучка 10 кэВ, ток пучка не превышал 10-10 А. Спектральное разрешение при измерениях спектров катодолюминесценции было не хуже нескольких нанометров. Облучение проводилось на прямоугольной области с площадью порядка 10 мкм2, при этом пучок сканировал в телевизионном режиме. При облучении энергия пучка равнялась 10 кэВ, а ток пучка во всех случаях не превышал 10-9 А, что, по-видимому, исключало возможность нагрева образца.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 представлены типичные спектры ка-тодолюминесценции и их изменение в результате облучения низкоэнергетичными электронами. Видно, что интенсивность излучения в видимой области, связанного с рекомбинацией внутри квантовых ям, заметно возрастает в результате облучения и положение максимума излучения смещается к энергии, близкой к 2.68 эВ. После достаточно продолжительного облучения интенсивность катодолюминесценции начинала медленно уменьшаться. Этот спад может быть связан с известным эффектом образования углеводородной пленки на поверхности образца. Как можно заметить на кривой 2, смещение максимума излучения к более высокой энергии происходит не из-за сдвига исходного пика, а вследствие появления (в до-

полнение к исходному пику при 2.57 эВ) нового пика излучения при 2.68 эВ, амплитуда которого возрастает при увеличении длительности облучения. Разложение КЛ-спектров, полученных после облучения, с помощью кривых Гаусса подтвердило появление нового пика излучения и показало, что после облучения в некоторых структурах, кроме нового пика излучения с энергией 2.68 эВ, появляется также менее интенсивный пик с энергией 2.83 эВ. Наблюдаемые изменения в спектре сохраняются, по меньшей мере, в течение нескольких месяцев, хотя интенсивность новых пиков и спадает (примерно в шесть раз за 100 дней). Повышение интенсивности катодолюминесценции в видимой области спектра и сдвиг спектра на подобных структурах уже наблюдались в [5, 6]. Однако авторы упомянутых работ утверждали, что полоса излучения в процессе облучения монотонно смещается из исходного положения в конечное, и объясняли такой сдвиг влиянием внутреннего электрического поля, изменяющегося в процессе облучения. Наши результаты ясно показывают, что исходная полоса излучения сохраняет свое положение, а в результате облучения возникают дополнительные, более интенсивные полосы.

Для получения дополнительной информации о причинах наблюдаемых изменений были проведены исследования облученных структур в режиме наведенного тока. Прежде всего, было показано, что в процессе облучения сигнал НТ с облученной области, измеренный при энергии пучка Еь = 10 кэВ, сначала возрастает, а затем начинает убывать, принимая значения меньшие, чем сигнал с необлучен-ной области. При этом максимум сигнала достигается при дозах облучения, примерно равных дозам, при которых достигается максимум сигнала катодолюминесценции. Далее, были облучены три области разной дозой. Первая область облучалась дозой 1.2 Кл/см2, при которой спектр и интенсивность катодолюминесценции изменяются не очень сильно. Вторая доза была равна 3.6 Кл/см2, что примерно соответствует максимуму интегральной интенсивности катодолюминесценции в голубой области, и третья доза была равна 15 Кл/см2, при которой интегральная интенсивность катодолюминесценции уже заметно падает. Далее на этих областях и на не-облученной области измерялась зависимость сигнала наведенного тока от энергии пучка. На рис. 2 приведены зависимости НТ 1С, нормированного на произведение тока пучка 1ь и энергии пучка Еь, для облученных областей при двух дозах облучения — 1.2 и 15 Кл/см2 и для необлученной области. Кривая для образца, облученного дозой 3.6 Кл/см2, при малых энергиях была близка к зависимости, соответствующей дозе облучения 1.2 Кл/см2, а при больших энергиях располагалась между зависимостями, соответствующими дозам облучения 1.2 и 15 Кл/см2, и на рисунке не приводится. Подгонка измеренных зависимостей к расчетным позволяет определить эф-

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ

35

фективную диффузионную длину в p-области, диффузионную длину в я-области, ширину области пространственного заряда (ОПЗ) и вероятность рекомбинации неравновесных носителей заряда в области пространственного заряда, которая в случае структур с квантовыми ямами может быть существенной [7, 8].

Сравнение полученных данных с результатами моделирования показало, что уже при наименьшей дозе облучения (кривая 2) скорость рекомбинации в р+-области заметно понижается. Известно [9—11], что электронное облучение в РЭМ приводит к распаду комплексов Mg—H, которые могут присутствовать в p-GaN. Если это в действительности происходит, освобожденный водород может пассивировать как центры рекомбинации в слое p-GaN, так и поверхностные состояния. Оба эти механизма должны приводить к подавлению рекомбинации неравновесных носителей заряда в p-GaN в результате электронного облучения. Поскольку неравновесные электроны инжектируются в квантовые ямы в основном из этого слоя, понижение скорости их рекомбинации должно приводить к повышению числа инжектированных электронов, а значит и к повышению интенсивности катодолюминесценции. Кроме того, подгонка показала, что если в исходной структуре в квантовых ямах рекомбинирует примерно 45% неравновесных дырок, достигших границ области пространственного заряда, то после облучения эта д

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