ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2012, № 11, с. 22-26
УДК 621.382: 620.191.4
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ НА КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЮ И НАВЕДЕННЫЙ ТОК В InGaN/GaN СВЕТОДИОДАХ С ЗАГЛУБЛЕННОЙ АКТИВНОЙ ОБЛАСТЬЮ © 2012 г. П. С. Вергелес1, Н. М. Шмидт2, Е. Б. Якимов1
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН, Черноголовка, Московская область, Россия 2Физико-техничкский институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия Поступила в редакцию 02.11.2011 г.
Методами катодолюминесценции и наведенного тока исследовано влияние облучения в РЭМ на оптические свойства светодиодов с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ, собранных методом флип-чип-монтажа. Показано, что влияние электронного пучка в этих структурах качественно такое же, как и в структурах с тонким верхним слоем ОаМ, однако наблюдается при больших значениях энергии пучка. Обнаружено, что облучение не только изменяет спектр и интенсивность катодолюминесценции, но и приводит к уменьшению энергии, при которой начинает возбуждаться излучение, связанное с квантовыми ямами. Подобный эффект наблюдался и в структурах с пониженной в несколько раз внешней квантовой эффективностью в результате длительных испытаний при плотности инжекционного тока 35 А/см2 и температуре 100°С.
ВВЕДЕНИЕ
В [1-5] было обнаружено, что облучение низ-коэнергетичными электронами с энергией порядка 10 кэВ в растровом электронном микроскопе (РЭМ) приводит к существенному изменению оптических и электрических свойств светоизлу-чающих структур с множественными квантовыми ямами (МКЯ) 1пОаМ/ОаМ. В результате облучения существенно изменялся как спектр катодолюминесценции (КЛ) в спектральной области, соответствующей излучению квантовых ям, так и его интенсивность. При этом интенсивность излучения возрастала на порядок величины и появлялась новая линия (или группа линий) излучения, смещенная в голубую область относительно исходной полосы. Однако природа наблюдаемых изменений до сих пор не выяснена. В [1-5] измерения проводились при облучении через тонкий р+-слой ОаМ. Для получения дополнительных данных о природе наблюдаемых явлений представлялось полезным исследовать структуры с толстым верхним слоем ОаМ, что позволило бы более надежно отделить явления, происходящие в квантовых ямах 1пОаМ, от эффектов, обусловленных взаимодействием электронного пучка с поверхностью и р+-слоем ОаМ. Это можно сделать, например, путем облучения структуры электронным пучком с обратной стороны через п+-слой ОаМ толщиной 3 мкм, поскольку в этом случае облучаемая поверхность отделена от активной области с МКЯ сравнительно толстым слоем ОаМ.
В настоящей работе исследовано влияние облучения в РЭМ на КЛ и наведенный ток (НТ) светодиодов, собранных без линз методом флип-чип-монтажа из таких светоизлучающих структур на основе МКЯ 1пОаМ/ОаМ. Кроме того, для выявления связи между процессами деградации све-тодиодов под действием инжекционного тока и явлениями, обусловленными воздействием электронов низкой энергии, методом КЛ исследовались светодиоды с пониженной в несколько раз внешней квантовой эффективностью в результате длительных испытаний при плотности инжек-ционного тока 35 А/см2 и температуре 100°С.
МЕТОДИКА
Образцы представляли собой светодиоды с внешней квантовой эффективностью 40% с множественными квантовыми ямами 1пОаМ/ОаМ, собранные методом флип-чип-монтажа с удаленной подложкой сапфира. При этом р+-область была полностью закрыта контактом, а на п+-об-ласть с толщиной 3 мкм был нанесен контакт в виде сетки. Измерение спектров КЛ, НТ и облучение проводили со стороны п+-области между контактными полосками. Наряду с исходными образцами исследовались также структуры, деградировавшие после испытаний при плотности тока 35 А/см2 и температуре р-п-перехода 100°С в течение 1000 часов. В результате таких испытаний в несколько раз понизилась квантовая эффектив-
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ В РЭМ
23
ность в максимуме и на несколько порядков возрос туннельный ток.
Поскольку в предыдущих исследованиях было показано [3], что максимальное влияние облучения наблюдается при энергии пучка, приводящей к максимальной концентрации носителей в квантовых ямах, облучение исходной структуры электронами проводилось при больших значениях энергии пучка, Бъ = 30 и 38 кэВ, и токе пучка 1ь = = 6 х 10-9А. Облучалась прямоугольная область площадью 144 мкм2 при сканировании пучка в телевизионном режиме.
Измерения спектров КЛ проводились при комнатной температуре в РЭМ JSM 6490 ^ео1), оборудованном системой измерения катодолю-минесценции Оа1ап MonoCL3 с фотоумножителем Нашаша18и в качестве детектора. Энергия пучка Бь варьировалась от 5 до 30 кэВ (максимальной энергии, возможной в данном микроскопе), ток пучка не превышал 10-9А. Спектральное разрешение во всех измерениях было не хуже, чем несколько нанометров.
Исследования методом НТ проводились в нормальной геометрии (электронный пучок перпендикулярен плоскости р—я-перехода) в РЭМ Jeo1-840A, в качестве усилителя тока использовался усилитель КеИЫеу 428. Зависимость НТ от энергии пучка изучалась в диапазоне энергии от 4 кэВ до 38 кэВ. При этом для каждого значения энергии пучка с помощью цилиндра Фарадея измерялся ток пучка (порядка 10-10 А). Расчеты зависимости НТ от энергии пучка проводились по обычным формулам для р—я-перехода [6] с использованием функции генерации для ОаМ, предложенной в [7].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 представлены спектры КЛ от исходной структуры (кривая 1) и областей, облученных при ускоряющих напряжениях 30 (кривая 2) и 38 кэВ (кривая 3). Все спектры измерены при энергии пучка 30 кэВ и нормализованы на интенсивность краевой полосы излучения ОаМ. Спектр, представленный на рис. 1 (кривая 2), был получен при токе пучка 5 х 10-10 А, при котором проводилось облучение, а остальные спектры — при токе в десять раз меньшем. Видно, что в спектре излучения исходной структуры преобладает желтая полоса излучения, которую обычно связывают с дефектами в ОаМ [8]. Интенсивность этой полосы излучения быстро понижалась с повышением тока пучка. Так, если при токе порядка 10-12 А интенсивность желтой полосы в максимуме превышала интенсивность краевой люминесценции ОаМ в десять раз, то при токе порядка 10-10 А эти интенсивности были сравнимы (как и на кривой 2). Этим и объясняется различие в от-
Э 3.0
!2.5
3 2.0
§ 1.5
к
§ 1.0
| 0.5 о
* 0
2
Рис. 1. Спектры КЛ исходной структуры (кривая 1) и областей, облученных при ускоряющем напряжении 30 кэВ и дозе облучения 10 Кл/см2 (кривая 2) и 38 кэВ и дозе облучения 7.5 Кл/см2 (кривая 3).
носительной интенсивности желтой полосы на спектрах 1 и 2. Таким образом, пока, по-видимому, нельзя утверждать, что интенсивность желтой полосы изменяется при облучении.
Интенсивность излучения в области 2.68 эВ, связанной с квантовыми ямами 1пОаМ, на исходной структуре была мала даже при энергии пучка 30 кэВ, при которой электроны уже проникают через толстый я+-слой ОаМ. Излучение в этой области можно было наблюдать только при токах пучка, превышающих 10-10 А, при которых существенно понижалась относительная интенсивность желтой полосы излучения. Облучение при 30 кэВ до доз порядка 10 Кл/см2 практически не влияет на полосу излучения, связанную с 1пОаМ. Однако повышение энергии электронного пучка при облучении до 38 кэВ оказывало существенное влияние на излучение в этой спектральной области и приводило к появлению новой интенсивной полосы излучения с энергией 2.75 эВ (рис. 1, кривая 3). Следует также отметить, что, если на исходной структуре интенсивность излучения с энергией 2.68 эВ даже при 30 кэВ очень мала, после облучения новая полоса излучения с энергией 2.75 заметна уже при энергии пучка 10 кэВ (рис. 2), при которой неравновесные носители заряда не должны были достигать активной области. При больших энергиях на спектре облученного образца проявлялась также полоса излучения в ультрафиолетовой области, подобная той, которая наблюдалась ранее в [2]. Природа этой полосы в наших образцах пока не очень понятна, поскольку излучение в этой области спектра наблюдалось в ряде работ и связывалось с разными дефектами [8]. Однако поскольку эта полоса наблюдается в спектрах только при энергии пучка, превышаю-
.0 2.5 3.0 3.5
Энергия, эВ
24
ВЕРГЕЛЕС и др.
60 50 40 30 20 10
Еь = 30 кэВ 25 кэВ 20 кэВ 15 кэВ 10 кэВ
2.6 2.8 3.0 3.2 Энергия, эВ
3.6
Рис. 2. Нормированные на произведение /ь • Еь спектры КЛ структуры, облученной электронами с энергией 38 кэВ и дозой 7.5 Кл/см2, измеренные при энергиях пучка 10, 15, 20, 25 и 30 кэВ (соответствующие спектры расположены снизу вверх).
60 50 40 30 20
и Си10
Еь = 30 кэВ 25 кэВ 20 кэВ 15 кэВ
2.6 2.8 3.0 3.2 Энергия, эВ
3.6
Рис. 3. Нормированные на произведение /ь • Еь спектры КЛ деградировавшей структуры, измеренные при энергиях пучка 15, 20, 25 и 30 кэВ (соответствующие спектры расположены снизу вверх).
4 -
х
< 2 1
3 -
5 10 15 20 25 30 35 40
Еь, кэВ
Рис. 4. Нормированные графики зависимости НТ от ускоряющего напряжения для исходной (закрашенные квадратики) и для деградировавшей (пустые квадратики) структур.
щей 20-25 кэВ, ее можно связывать с активной областью и/или р+-слоем ОаМ.
Эти результаты качественно хорошо согласуются с результатами, полученными при облучении со стороны тонкой р+-области [2, 3, 5]. В обоих случаях после облучения возникает новая полоса излучения в диапазоне энергии 2.6-2.8 эВ, ее интенсивность возрастает с дозой облучения, достигает максимума, а затем начинает понижаться. Но в случае облучения со стороны толстого п+-слоя ОаМ энергия пучка, при которой наблюдаются изменения в спектре КЛ существенно выше, а доза облучения, при которой достигается максимальная интенсивность новой полосы излучения, в несколько раз больше, чем при облучении со стороны тонкого п+-слоя.
В деградировавших структурах спектр КЛ (рис. 3) отличался как от спектра исходной структуры, так и от спектра облученной области. В таких диодах наблюдались две полосы излучения с энергией 2.7 и 3.0 эВ. Однако на деградиров
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.