Спосіб діагностики та характеризації світлодіодних gan структур по електролюмінесценції мікроплазм

Реферат: Спосіб діагностики та характеризації світлодіодних GaN структур, включає прикладання до світлодіодної структури постійної зворотної напруги і фіксацію свічення мікоплазм. Величину зворотної напруги збільшують до максимально можливого неруйнівного значення і вимірюють спектр електролюмінесценції всіх мікоплазм. За величиною інтенсивності електролюмінесценції та величиною відношення інтенсивностей максимумів синьої та жовтої смуг спектра електролюмінесценції характеризують світлодіодні GaN структури та оцінюють їх надійність. UA 85050 U (12) UA 85050 U UA 85050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі оптоелектроніки та світлодіодної техніки та може бути використана для експрес-методу контролю та характеризації GaN (InGaN, AlGaN) гетероструктур потужних світлодіодів (СД) на стадіях їх розробки та виробництва, які є ефективними джерелами випромінювання для освітлення та підсипки. На сьогодні гостро постає проблема оперативного виявлення і контролю електрично активних протяжних дефектів у світлодіодних InGaN/AlGaN/GaN гетероструктурах з великою площею, які погіршують функціональні параметри світлодіодів, оскільки зростає ймовірність появи "критичного" протяжного дефекту. Протяжні дефекти в активній області InGaN/GaN гетероструктури створюють систему енергетичних станів, флуктуації зонних параметрів; по ним ефективно дифундують атоми металу з контактів та легуючих домішок, утворюючи канали з великою провідністю. Це веде до зниження зовнішньої квантової ефективності через посилення неоднорідності протікання та концентрування струму, що призводить до формування шунтів і областей локального перегріву. Ці ефекти є причинами неоднозначного розвитку подальшого деградаційного процесу, що утруднює зокрема прогнозування терміну служби GaN світлодіодів та їх надійності [1]. Тому неруйнівний контроль таких дефектів у потужних GaN світлодіодах є практично важливим. Окрім різноманітних методів елементного та структурного аналізу, контролю дефектності (наприклад [2]) та електрофізичних методів діагностики та прогнозування надійності, ефективними неруйнівними методами для характеризації GaN (InGaN, AlGaN) структур є оптичні, в першу чергу фото- та електролюмінесценція (ФЛ та ЕЛ) [1, 3], а також еліпсометрія [4]. Було запропоновано метод сумісної локальної фотолюмінесценції зі скануючим зондовим мікроскопом для діагностики випромінюючих гетеро структур, зокрема неоднорідності оптичних властивостей InGaAs (InGaP)/GaAs [5]. Проте основним їх недоліком є те, що зазвичай вони відображають інтегральну по площі рn- переходу характеристику. А у випадку "локальної", тобто високороздільної по площі ФЛ та ЕЛ дані методи не є експресними; при цьому не завжди в змозі виявити критичні електрично "активні" протяжні дефекти (області), вплив яких є домінуючим на електричні та люмінесцентні функціональні характеристики GaN структур. Відомий "'Способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках" патент RU № 2185684 [4], де для контролю дефектності приладових шарів інтегральних схем чи дискретних приладів, виготовлених по типу "кремній на сапфірі" (та на діелектричних підкладках) використовують еліпсометричні вимірювання показника заломлення плівок, при цьому вимірювання виконують до та після опромінення структур рентгенівським -4 випромінюванням з енергією 60-150 кеВ та дозою (2,5-4,0)·10 Кл/кг, а про ступінь дефектності плівок судять по зміні показника заломлення після опромінення. Технічним результатом є підвищення чутливості еліпсометричного контролю дефектності плівок кремнію на діелектричних підкладках. Винахід є способом діагностики структурної досконалості шарів кремнію, проте інтегральним по площі - розмір скануючого пучка у фокусі не менше 1 мм, при цьому потребує рентгенівського опромінення для трансформації структурних дефектів за рахунок зміни зарядового стану та впливу власних електричних та механічних напруг. Тобто відбувається перебудова дефектів (дислокацій, кластерів, комплексів власних точкових дефектів та домішок). В патенті RU № 2436076 [2]. "Способ контроля дефектности и упругой деформации в слоях полупроводниковых гетероструктур" використовують рентгенівську дифрактометрію для визначення деформації та дефектності в епітаксійних шарах, зокрема по зміні відстані між інтерференційними максимумами від епітаксійного шару та підкладки, в тому числі для контролю гетероструктур AlGaN/GaN з нано- та мікронними шарами. Проте даний спосіб є трудомістким та тривалим. Фотолюмінесценціята її різновиди є потужним сучасним методом характеризації та контролю енергетичних станів точкових дефектів та комплексів у GаN, вирощеному за різних умов [3]. При цьому саме точкові дефекти, а не проростаючі дислокації, часто мають визначальний вплив на функціональні параметри опто- та фото- електронних GaN структур [3]. Перевагою аналога [4] перед існуючими є більш достовірне визначення дефектності напівпровідника. Перевагою аналога [3] є більш об'єктивна інформація про стан виробу (діагностика неруйнівним методом ФЛ). Проте недоліками даних способів є негативний вплив рентгенівського випромінювання [4] та відповідно використання громіздкого (дорогого) устаткування [2] або ж неспроможність виявити та відповідно вивчити критичні електрично "активні" протяжні дефекти (області), вплив яких є домінуючим на функціональні характеристики GaN структур, у випадку [3]. 1 UA 85050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Більш вільним від вищеописаних недоліків є патент на корисну модель "'Спосіб контролю критичних технологічних дефектів у світлодіодних структурах на основі GaN". № 76641 [6], який вибрано як найближчий аналог. Тут до світлодіодної GaN структури прикладають постійну зворотну напругу і її величину збільшують до моменту свічення першої мікроплазми (МП) та фіксують величину напруги, струму, та її місцезнаходження, і відповідно по цьому визначають критичні стани технології, що призводять до утворення протяжних дефектів, які понижують надійність GaN структури. Чим меншою є величина напруги появи першої мікроплазми у видимому оптичному діапазоні, а також чим більший зворотний струм при появі першої MП, тим структура є потенційно більш ненадійною. У найближчому аналогу спосіб експрес-контролю позбавлений недоліку інтегральності інформативної характеристики (струму), тобто стає можливим визначити місцезнаходження критичних дефектів, що необхідно для світлодіодних структур на основі широкозонного GaN з великою робочою площею. Проте, в даному патенті вибрані для аналізу основні характеристики величини зворотної напруги та струму практично не містять інформації про стан дефектів, а особливо випромінювальну рекомбінацію за участі дефектів; і це є недоліком найближчого аналога через недостатню інформативність. Задачею корисної моделі є підвищення інформативності способу при характеризації та діагностиці світловипромінюючих GaN структур та відповідно покращення достовірного прогнозування їх надійності. Поставлену задачу вирішують тим, що: до світлодіодної структури прикладають постійну зворотну напругу, величину якої збільшують до максимально можливого неруйнівного значення і вимірюють спектр електролюмінесценції всіх мікроплазм: і за величиною інтенсивності електролюмінесценції IМП та величиною відношення інтенсивностей максимумів синьої та жовтої смуг спектра електролюмінесценції Iсиня смуга/Iжовта смуга характеризують світлодіодні GaN структури та оцінюють їх надійність. Спосіб, що заявляється, дає можливість не тільки візуалізувати критичні протяжні дефекти, але й характеризувати (аналізувати) їх по спектрах електролюмінесценції для прогнозування надійності GaN структури. Характеризація базується на таких параметрах: 1) інтенсивність електролюмінесценції мікроплазм IМП, 2) спектр електролюмінесценції мікроплазм, по якому розраховується співвідношення Iсиня смуга/Iжовта смуга - інтенсивності піків люмінесценції основної (синьої) та "'жовтої'" (дефектної, Е = 2,1-2,3 еВ) смуг. Чим більша інтенсивність їх люмінесценції I МП при заданій напрузі, чим менше співвідношення Iсиня смуга/Iжовта смуга, тим GaN структура є більш ненадійною та неякісною. Так звана "жовта", дефектна люмінесценція МП даних СД в області 2,1...2,3 еВ (536,..590 нм) пов'язана і донорними та глибокими акцепторними рівнями за рахунок точкових дефектів і їх комплексів [1, 3]. Зазвичай типовими методами характеризації та діагностики GaN плівок та InGaN/AlGaN/GaN гетероструктур на різноманітних підкладках є фотолюмінесценція при кімнатній та низьких (азот, гелій) температурах та електролюмінесценція. Проте температури азоту та гелію не підходять, оскільки призводять до деградації функціональних параметрів та виходять за межі температурного інтервалу експлуатації (-40...+60 °С) випромінюючих гетероструктур. Спектри ФЛ типових InGaN/GaN СД містять основну (синю) смугу квантової ями (КЯ) InGaN та/або GaN шару і так звану "жовту" люмінесценцію, їх інтенсивність залежить від концентрації дефектів (в першу чергу точкових), при цьому з ростом концентрації дефектів інтенсивність синьої смуги знижується, жовтої - зростає. Тому, окрім напівширини смуг, розглядають таке співвідношення як Iсиня смуга/Iжовта смуга - інтенсивності піків ФЛ даних двох смуг, яке ще називають оптичним "критерієм (фактором) якості" [1]. Основними параметрами ЕЛ для характеризації InGaN/GaN СД є інтенсивність та напівширина основної синьої смуги спектру. В той же час інтегральна по площі інтенсивність ФЛ та ЕЛ при прямій напрузі (в тому числі номінальному струмі) слабко чутлива до протяжних дефектів, частина і яких перетинають область просторового заряду та є критичними. Цього загального недоліку позбавлений запропонований спосіб діагностики та характеризації GaN структур за спектрами електролюмінесценції мікроплазм при зворотній напрузі. Він є більш інформативний та достовірний порівняно з найближчим аналогом, в якому вимірюється тільки величини зворотного струму та зворотної напруги тільки першої МП, оскільки спектри ЕЛ МП прямо, а не опосередковано містять інформацію про критичні протяжні дефекти. При цьому спектри ЕЛ MП містять як мінімум три інформативні області, яким відповідає люмінесценція від шарів GaN, квантової ями InGaN (синя смуга), випромінювальні переходи за участі глибоких рівнів дефектів та їх комплексів (жовта смуга). Метод задовольняє основним вимогам до методів відбракування, тестування та прогнозування надійності 2 UA 85050 U 5 10 15 20 25 30 35 40 світловипромінюючих структур, дозволяє збільшити інформативність та покращити достовірність результатів дослідження при меншій їх кількості. Приклад Для характеризації і оцінки надійності тестувались потужні (Р елект = 1 Вт, Iном = 350 мА) 2 InGaN/GaN світлодіоди із площею гетеропереходу 1 мм , синього кольору випромінювання (макс = 460...470 нм) трьох типів: + 1) Гетероструктура Golden Dragon (Osram) була вирощена на сапфіровій підкладці та перенесена після лазерного відділення на Si підкладку за допомогою AuSn (евтектика) контакту. 9 -2 Густина дислокацій ~10 см , струм при прямій напрузі протікає однорідно по площі (контакти зверху та знизу). Світловий потік Ф = 18...21 Лм. 2) Гетероструктура ХРЕ (Сrее) була вирощена на SiC підкладці. Густина дислокацій на 2 порядки менша порівняно із структурою на сапфіровій підкладці. Струм протікає однорідно по площі (контакти зверху та знизу). Світловий потік Ф = 23,5...30,6 Лм. 3) Гетероструктура FYLP (Foryard) вирощена на сапфіровій підкладці. Густина дислокацій 9 -2 ~10 см , контакти знаходяться зверху, відповідно струм по площі протікає неоднорідно. Світловий потік Ф = 10...15...18,1 Лм. (15 середнє значення). Серед наведених трьох типів гетероструктур найбільшу крутизну прямої ВАХ має структура ХРЕ (Сree), найменшу - FYLP (Foryard). Тобто величина тунельного струму (до U прям = 2,1 В), який виникає за рахунок протяжних дефектів, максимальна для структури FYLP, Foryard (Al 2O3 підкладка) і мінімальна для ХРЕ, Gree (SiC підкладка). І навпаки, величина компоненти струму випромінювальної рекомбінації максимальна для структури ХРЕ, Gree і мінімальна для FYLP, Foryard. На кресленні наведено спектри електролюмінесценції мікроплазм потужних InGaN/GaN + світлодіодів даних типів: (а) - ХРЕ Gree, (б) - Golden Dragon Osram, (в) - FYLP Foryard при зворотній напрузі Uзвор = 40 В (а, б) та - 24 В (в). Величини даних напруг є неруйнівними (при часі спостереження до 10 хвилин), при перевищенні даних значень напруг відбувається утворення точкових дефектів в структурі. При напрузі 24 В мікроплазми в структурах Golden + Dragon Osram та ХРЕ Gree відсутні. А напруга 40 В для СД FYLP Foryard є недосяжною, оскільки відбувається пробій, що вже вказує на їх низьку надійність. Вимірювалось значення інтенсивності електролюмінесценції I МП та розраховувалось відношення інтенсивностей синьої та жовтої смуг спектра електролюмінесценції I 450 нм/I580 нм. Дані величини випромінювальної рекомбінації за участі дефектів наведено у таблиці. Відношення інтенсивностей при 450 нм та при 580 нм становить 2 для FYLP Foryard (при + 24 В). 2,14 для Golden Dragon Osram та 3,5 для ХРЕ Gree (при - 40 В). Тобто для СД FYLP Foryard інтенсивність люмінесценції у "жовтій" області більша відносно інтенсивності піку 450 нм. аніж для інших СД (креслення, в). що вказує на більшу ступінь дефектності. Величина IМП є для неї найбільшою. Зауважимо, що плече в області 390-430 нм (Фіг. 1 а, б) відповідає рекомбінації на донорах і(або) акцепторах у шарах р- та n- GaN. І для структури FYLP Foryard замість плеча спостерігається пік на 400 нм. (креслення, в) що вказує на більшу концентрацію енергетичних станів точкових дефектів, зокрема на гетерограницях. Тобто підтверджується, що ступінь дефектності у гетероструктури FYLP (Foryard) більший. При цьому спостерігається пічок при 675 нм за рахунок глибоких рівнів дефектів. Вищеописані дані наведено у таблиці. 45 Таблиця Структура ХРЕ (Grее) + Golden Dragon (Osram) FYLP (Foryard) 50 Густина -2 дислокацій, см 7 ~10 Світловий потік Ф, Лм 23,5...30,6 Інтенсивність ЕЛ МП ІМП, відн. од. 1 Співвідношення I450 нм/I580 нм 3,5 (Uзвор = -40 В) 9 18...21 1,1 2,14 (Uзвор = -40 В) 9 10..15..18,1 1,4 2 (Uзвор = -24В) ~10 ~10 Як видно з прикладу, серед трьох типів синіх світлодіодів гетероструктура ХРЕ (Сree) має найменшу величину ІМП та найбільшу величину співвідношення I450 нм/I580 нм, а також найменшу густину дислокацій, найбільшу величину Ф та крутизну ВАХ, тобто є самою надійною серед даних трьох СД. Гетероструктура FYLP (Foryard) тут має найгірші параметри (неякісна), її величина ІМП максимальна, параметр I450 нм/I580 нм - мінімальний, вона є ненадійною. 3 UA 85050 U + 5 10 15 20 25 Гетероструктура Golden Dragon (Osram) но даним величинам знаходиться посередині, вона виготовлена по кращій технології, аніж структура FYLP (Foryard). (див. Таблиця). Таким чином, по величинам інтенсивності спектра електролюмінесценції мікроплазм ІМП та співвідношенню Iсиня смуга/Iжовта смуга є можливою більш ефективна характеризація та діагностика GaN структур потужних світлодіодів. Спектральні параметри електролюмінесценції MП прямо пов'язані і елементами технології виготовлення InGaN/GaN структур (а саме підкладка - Al2O3, SiC, Si з AuSn), які визначають дефектність (наявність критичних протяжних дефектів) і відповідно світловий потік, крутизну ВАХ та однорідність струмопроходження. У прикладі виділено ненадійну InGaN/GaN структуру. Джерела інформації 1. III-Nitride devices and nanoengineering. Editor Zhe Chuan Feng. National Taiwan University, Taiwan. - Published by Imperial College Press. - 2008. - Р. 462. 2. Патент Росії № 2436076. дата публ. 28.04.2010. Енишерлова-Вельяшена K.Л., Лютцау А.В., Темпер Э.М., Колковский Ю.В. Способ контроля дефектности и упругой деформации в слоях полупроводниковых гетероструктур. 3. Michael A. Reshehikova and Hadis Morkoc. Luminescence properties of defects in GaN (Review) // Journal of Applied Physics. - 2005. - Vol.97. - P. 061301 (95). 4. Патент Росії № 2185684, дата публ. 20.07.2002. Латышева Н.Д., Скупов В.Д., Смолин В.К. Способ контроля дефектности пленок кремния на диэлектрических подложках. 5. Миронов В.Л. Сканирующая зондовая микроскопия твердотельных наноструктур. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. 01.04.01 приборы и методы экспериментальной фишки. - Нижний Новгород, 2009. - С. 395. 6. Патент України № 76641. дата публ. 10.01.2013. Власенко О.І., Велещук В.П., Киселюк М.П., Ляшенко О.В., Бойко М.І. Спосіб контролю критичних технологічних дефектів у світлодіодних структурах на основі GaN. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Спосіб діагностики та характеризації світлодіодних GaN структур, в якому до світлодіодної структури прикладають постійну зворотну напругу і фіксують свічення мікоплазм, який відрізняється тим, що величину зворотної напруги збільшують до максимально можливого неруйнівного значення і вимірюють спектр електролюмінесценції всіх мікоплазм, і за величиною інтенсивності електролюмінесценції та величиною відношення інтенсивностей максимумів синьої та жовтої смуг спектра електролюмінесценції характеризують світлодіодні GaN структури та оцінюють їх надійність. 4 UA 85050 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5