Метод контроля технологии светодиодных структур

В статье описан неразрушающий метод контроля стабильности технологии легирования светодиодных структур, основанный на измерении распределения концентрации заряженных центров в слабо легированной области p-n-перехода методом динамической емкости.

Метод измерения концентрации неподвижных заряженных центров в полупроводниковых структурах методом динамической емкости

Стабильность распределения концентрации электрически активных центров в относительно слабо легированной области диодной структуры, особенно с наноразмерными слоями, является условием их длительной работоспособности. Как правило, в слабо легированную область инжектируются носители заряда противоположного знака, и в ней происходит их излучательная или безызлучательная рекомбинация, определяющая характеристики диодов. Эта область часто называется активной, особенно в светодиодах.

Неразрушающее экспериментальное определение профиля концентрации заряженных центров (КЗЦ) в наноразмерных структурах — весьма сложная задача, требующая как высокого разрешения по глубине исследуемого профиля, так и адекватности математического аппарата. Традиционный вольт-фарадный метод в этом отношении обладает рядом недостатков, среди которых наиболее существенный — большая ошибка измерений на краях диапазона напряжений смещения, где преобладает барьерная емкость, особенно при больших обратных напряжениях смещения.

Принцип представляемого метода заключается в одновременном измерении величины емкости барьерной структуры и параметров динамической барьерной емкости, возникающей в результате модуляции края области пространственного заряда (ОПЗ) с малым переменным напряжением. В первом случае электрический сигнал на выходе измерительного устройства содержит информацию о ширине ОПЗ (сечении профиля), во втором — информацию о величине концентрации неподвижных заряженных центров (ЗЦ) на краю ОПЗ в этом сечении.

Начнем с того, что любую диодную (барьерную) структуру, которая находится под действием постоянного напряжения смещения U_С и малого переменного напряжения u(t), можно представить в виде последовательно включенных постоянной барьерной емкости C_C и динамической барьерной емкости C_D.

Величины U_С и C_D могут быть рассчитаны по формулам:

где ε, ε₀ — относительная и абсолютная диэлектрические константы;

S — площадь барьерной структуры;

W — ширина ОПЗ при постоянном напряжении смещения U₀;

ΔW — амплитуда модуляции ширины ОПЗ относительно Wпри наложении на постоянное напряжение смещения UС малого переменного напряжения смещения с амплитудой U₀.

Если создать условия, при которых вместо напряжения модуляции u(t) модуляцию ОПЗ создавать малым переменным зарядом Δq(t) с постоянной амплитудой ΔQ,

где ƒ₁ и ƒ₂ — частоты составляющих гармонических зарядов; ƒ₁ ≈ ƒ₂, то переменное напряжение на барьерной структуре рассчитывается по формуле:

где ΔW(t) — модуляция ширины ОПЗ.

Как правило, площадь ОПЗ диодной структуры одинакова по всей области ее изменения при различных напряжениях смещения. Поэтому при постоянстве ΔQ, задаваемого экспериментально, амплитуда модуляции ОПЗ может быть представлена выражением:

где q = 1,67×10^–19 Кл — элементарный заряд; N(W) — усредненная по ΔW концентрация заряженных центров на краю ОПЗ (на расстоянии W от границы сильно легированного слоя).

Подставляя (4) в (3), получим:

При разложении произведений тригонометрических функций на элементарные составляющие, получим выражение, показывающее, что напряжение u_С(t) состоит из нескольких гармоник с частотами ƒ₁, ƒ₂, 2ƒ₁, 2ƒ₂, (ƒ₁+ƒ₂), (ƒ₁-ƒ₂). Первые две из указанных гармоник содержат информацию оширине ОПЗ (сечении профиля КЗЦ), остальные — о величине концентрации ЗЦ в этом сечении.

В устройстве, реализующем рассматриваемый метод (рис. 1), барьерную структуру устанавливают в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя (ОУ), а малый переменный заряд Δq(t) задают подачей двух меандров с различными, но близкими частотами от генераторов прямоугольных импульсов на инвертирующий вход ОУ через калиброванный по величине емкости конденсатор С₀. В этом случае

На выходе фазовых детекторов выделяют сигналы, идущие с выхода ОУ на частотах ƒ₁ и (ƒ₁-ƒ₂). По амплитуде первого сигнала определяют сечение профиля КЗЦ, отсчитываемое от края сильно легированной области диодной структуры (от границы металла барьера Шоттки или от границы диэлектрика МДП-структуры):

где U_W — амплитуда выходного сигнала ОУ на частоте ƒ₁.

По амплитуде выходного сигнала ОУ на частоте (ƒ₁-ƒ₂) — U_N — определяют величину концентрации на краю ОПЗ — N(W):

Разделение сигналов U_W и U_N по сильно различающимся частотам ƒ₁ и (ƒ₁-ƒ₂) облегчает техническую реализацию их выделения из u_C(t).

Внешний вид установки показан на рис. 2. Блоки измерения и питания скомпонованы в типовом корпусе размером 185×135×40 мм. Вес измерительного устройства — 450 г. Разрешающая способность по глубине профиля — до 1 нм при концентрации заряженных центров до 10²⁰ см^–3. Время измерения: одна экспериментальная точка за 0,5 с, максимальное число точек — 1024.

Объекты исследования

Объектами исследования были эффективные светодиодные наноразмерные гетероструктуры нового поколения с квантовыми ямами на основе AlGaN/InGaN/GaN синего и зеленого свечения (условно № 1С, № 2С и № 5Е) и AlInGaP красного и желтого свечения (условно № 3Е и № 4Е) двух зарубежных фирм-изготовителей (условно С и Е, проставленные у номера).

У этих структур измеряли распределение неподвижных заряженных центров (примеси и дефектов) в области расположения квантовых ям (в активной области), вольт-амперные характеристики (ВАХ) и отношение излучательной мощности к потребляемой — ? (коэффициент полезного действия, КПД).

Все измерения проводили в автоматическом режиме на устройствах, сопряженных с персональным компьютером.

Результаты измерений

Распределения концентрации заряженных центров для пяти типов светодиодных структур показаны на рис. 3. Отсчет глубины профиля ведется от границы сильно легированного слоя.

Светодиодные структуры № 5Е имеют явно выраженный модулированный характер легирования потенциальных барьеров в области расположения квантовых ям. Период максимумов и минимумов концентрации там, где расположены квантовые ямы, составляет в среднем 20 нм. В зависимости от глубины профиля кратность максимумов и минимумов по концентрации составила от 5 до 2. Профили концентрации структур № 1С и № 2С оказались сверхрезкими. Отмечено, что различия по характеру профиля у структур, выполненных по одному технологическому циклу, практически не влияют на вид ВАХ, но в то же время отражаются на зависимости ? от прямого тока ?(I) (рис. 4) — одном из основных показателей эффективности светодиодов.

Зависимости ?(I) имеют явно выраженные экстремумы, характерные для светодиодов. Видно, что для AlGaN/InGaN/GaN-структур максимум ? наблюдается практически при одинаковых токах, тогда как у AlInGaP-структур он проявляется при различных токах и сдвинут в сторону их больших величин.

Как отмечалось в [1], снижение ? при больших плотностях тока связано с наличием и величиной последовательного сопротивления компенсированного слоя, расположенного в активном слое. Чем больше его величина, тем раньше начинается спад ? при росте прямого тока. Эта корреляция отражается на ВАХ исследованных светодиодных структур (рис. 5) и зависимостях ?(I) (рис. 4): более ранний отход ВАХ от экспоненциальной зависимости при росте напряжения смещения соответствует большему последовательному сопротивлению.

Величина сопротивления компенсированного слоя для светодиодных структур одного технологического цикла и на основе одного и того же полупроводникового соединения прямо пропорционально зависит от ширины компенсированного слоя Х₀, которая в качестве примера отмечена на рис. 3 для структуры №3Е, и степени его компенсации. Из анализа зависимостей (рис. 3, 5) следует, что, несмотря на относительно большую (по сравнению со структурой № 5С) ширину компенсированного слоя структуры № 3Е, сопротивление ее компенсированного слоя меньше вследствие меньшей степени компенсации.

Таким образом, измерение профиля концентрации в активном слое светодиодных структур представленным методом позволяет выявить взаимосвязь их структурно-технологических особенностей с основными параметрами и характеристиками.

Выводы

1. Представлен неразрушающий метод и устройство для измерения распределения концентрации неподвижных заряженных центров в диодных структурах, обладающий высоким разрешением по глубине профиля (до 1 нм) в широком диапазоне концентраций и градиента концентрации.
2. Показано, что структурно-технологические различия p-n-структур светодиодов отражаются на их основных характеристиках. Представленный метод измерения концентрации заряженных центров в активной области p-n-перехода может быть использован для сертификации (паспортизации) кристаллов светодиодов и контроля стабильности технологии их изготовления.

Литература

1. Маняхин Ф. И. Причины спада выходной мощности излучения и внешнего квантового выхода светодиодных структур AlGaN/InGaN/GaN с квантовыми ямами при больших напряжениях прямого смещения // Изв. вузов, Материалы электронной техники. 2004. № 1. С. 57–62.