WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 8 Сканирующая кельвин-зонд-микроскопия утечки дырок из активной области работающего инжекционного полупроводникового лазерного диода © А.В. Анкудинов¶, В.П. Евтихиев, К.С. Ладутенко, А.Н. Титков, R. Laiho Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия Wihuri Physical Laboratory, Turku University, FIN 20014 Turku, Finland (Получена 22 декабря 2005 г. Принята к печати 30 декабря 2005 г.) Предложен метод на основе сканирующей кельвин-зонд-микроскопии, позволяющий прямое наблюдение и количественную характеризацию утечки носителей тока из активной области работающих полупроводниковых светодиодов и лазеров. С помощью разработанного метода на поверхности зеркал мощных InGaAs/AlGaAs/GaAs-лазерных диодов выявлены неосновные дырки, появляющиеся из активной области и растекающиеся на участки поверхности над n-эмиттером и n-подложкой. Показано, что перемещение дырок по поверхностным каналам, сформированным областями приповерхностного изгиба зон, может происходить на десятки микрон от места их первоначального появления на поверхности. Показано, что с подъемом тока инжекции величина утечки плавно нарастает, а после достижения лазерной генерации ее рост прекращается.

PACS: 07.79.-v, 42.55.Px, 73.40.Kp.

1. Введение плотности поверхностных состояний. Более благоприятная ситуация имеет место при изучении распределения Прецизионные измерения пространственных распреприложенной поперек слоев структуры внешней разноделений потенциала, возникающих в объеме приборных сти потенциалов. Если при этом не меняются величины полупроводниковых наногетероструктур при приложеприповерхностного изгиба зон, то изменение потенциала нии внешнего смещения, имеют ценность для проповерхности вдоль направления приложения напряжегнозирования рабочих характерик приборов. Удобную ния должно прямо отражать распределение внешних возможность для изучения распределений электростатипотенциалов в объеме структуры. В связи с этим удобно ческого потенциала в приборных структурах на нанометизучать поверхностное падение потенциала (SVD — ровой шкале предоставляет сканирующая кельвин-зондsurface voltage drop) поперек структуры, определяемое микроскопия (СКЗМ) [1], заключающаяся в измерении как разность профилей CPD, измеренных при приложенпространственных вариаций локальной контактной разном напряжении и без него.

ности потенциалов (СPD — contact potential difference) Приложение к приборной структуре внешнего напрямежду зондом атомно-силового микроскопа (АСМ) [2] и жения не ведет к автоматическому изменению величин поверхностью образца. Важно, что СКЗМ может примеприповерхностного изгиба зон. Для этого должны быть няться для in situ исследований работающих приборов.

конкретные механизмы, приводящие к изменению плотПроведенные исследования, например [3,4], показали, ности заряда на поверхности. Например, в полупроводчто в приборных структурах СКЗМ позволяет обнарунике, поглощающем межзонный свет, фотоносители разживать распределения электрических полей, вызванные деляются приповерхностным полем, так что на поверхгетеропереходами и изменениями в легировании, опрености оказываются неосновные носители, уменьшающие делять распределения внешних электрических полей, величину изгиба зон.

выявлять случайные потенциальные барьеры, ухудшаюВ настоящей работе было обнаружено, что при протещие характеристики приборов. В данной работе обнакании через лазерную стуруктуру инжекционных токов ружена и рассмотрена возможность применения СКЗМ также имеет место уменьшение величины изгиба зон, для изучения эффектов утечки носителей из активной что объяснено выходом на поверхность неосновных нообласти светоизлучающих приборных структур.

сителей, покидающих активную область лазерной струкВ полупроводниках потенциал поверхности отличаеттуры. Это открывает возможности прямого изучения ся от потенциала в объеме на величину приповерхностмеханизмов утечки носителей в работающих лазерных ного изгиба зон, которая в общем случае неизвестна.

структурах по локальным изменениям потенциала, возПоэтому изменения CPD на поверхности не несут пряникающим на зеркалах структур. Далее представлены мой информации о распределении встроенного потенцирезультаты СКЗМ исследования распределений потенала в объеме изучающейся слоистой структуры. Такая циалов, выявленных на зеркалах работающих мощных информация, однако, может быть все же извлечена при лазерных диодов. Выход на поверхность неосновных использовании дополнительных сведений о структуре и носителей дополнительно подтвержден исследования¶ E-mail: Alexander.Ankudinov@mail.ioffe.ru ми поверхностного фотонапряжения (SPV — surface 8 1010 А.В. Анкудинов, В.П. Евтихиев, К.С. Ладутенко, А.Н. Титков, R. Laiho photovoltage), возникающего на лазерных зеркалаx при освещении межзонным светом. По изменениям величины SPV, связанной с фотоносителями, произведена количественная оценка утечки дырок из активной области.

На основании того, что поверхностный ток неосновных дырок наблюдается на значительном удалении от области инжекции, сделан вывод, что в основном утечка распространяется по поверхностным каналам. Показано также, что с увеличением тока инжекции величина утечки сначала нарастает, а затем насыщается при значениях тока выше порогового.

2. Методика Измерения проводились на сколах-зеркалах работающих РО ДГС (двойная гетероструктура с раздельным ограничением) p-i-n-мощных лазерных диодов InGaAs/AlGaAs/GaAs. Приборные структуры выращивались методом молекулярно-пучковой эпитаксии на nGaAs (001) подложке и состоят из широкозонного эмиттера n-типа, уширенного волновода с напряженной InGaAs-квантовой ямой (КЯ) и широкозонного эмиттера p-типа с последующим p+-GaAs-контактным слоем.

Особенности конструкции, роста и работы лазерных диодов были описаны ранее [5]. Эпитаксиальные шайбы имели сплошной AuGe-омический контакт к n-стороне и AuZn-меза-контакт 3 мкм шириной или 100 мкм полосковый контакт к p-стороне. Из них выкалывались прямоугольные образцы размерами около 1 0.3 мм, которые припаивались на медные радиаторы, покрытые индием. Диоды, приготовленные таким образом, имели плотность порогового тока в диапазоне от 100 до 1000 A/см2. Путем численного решения одномерного уравнения Пуассона и уравнения непрерывности для токов [6] было проведено моделирование профилей объемного падения потенциала (BVD — bulk voltage drop) через лазерные структуры при разных напряжениях смещения.

Измерения выполнялись в воздушной среде на АСМприборе Solver P47 производства NTMDT. Регистрация сигнала CPD осуществлялась в лифт-режиме двухпроходной методики электростатической силовой микроскопии [7]. Для измерений поверхностного фотонапряжения (SPV) использовался HeNe-лазер ( 2мВт), луч которого освещал под углом 45 поверхность образца и фокусировался в области контакта образец–зонд в Рис. 1. Результаты СКЗМ-исследования распределений внешпятно около 150 мкм в диаметре. В работе применялись них напряжений, приложенных к лазерному диоду на оснопрямоугольные проводящие кантилеверы NSG11/Pt, кове InGaAs/AlGaAs/GaAs. a — зонная диаграмма лазерной торые обладали параметрами, оптимизированными для структуры; b — топография рельефа скола структуры в обСКЗМ исследований [8]: высокую добротность механиласти выхода основных слоев; c — профили сигнала SVD, ческого резонанса, небольшую ширину 35 мкм, длинные измеренные на сколе при напряжениях прямого смещения (15–20 мкм) и тонкие зондирующие иглы.

на диоде, B: 1 — 0.5, 2 — 1.0, 3 — 1.3, плотность тока 140 A · см-2; d — профили BVD, смоделированные для тех же значений прямых смещений, которые прикладывались при 3. Экспериментальная часть получении экспериментальных данных на рис. 1, c. Рис., a–d имеют одинаковый масштаб по горизонтали. e — зависимости На рис. 1 представлены результаты СКЗМ исслевысоты H ступенек потенциала для профилей SVD и BVD от дования распределений потенциала, приложенного к величины приложенного смещения.

лазерному диоду со 100 мкм контактным полоском. ИзФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Сканирующая кельвин-зонд-микроскопия утечки дырок из активной области... мерения производились на полученной сколом поверхности зеркала прибора. На рис. 1, a приведена зонная диаграмма структуры лазера. На АСМ-изображении топографии скола (рис. 1, b) видны две светлые полосы, между которыми находится более темная область волновода. Контраст полос соответствует подъему рельефа на несколько нанометров над поверхностью. Как раз в области подъема на поверхность выходят слои AlGaAsэмиттеров, на которых естественный окисел толще, чем на других слоях лазера, содержащих меньше Al. Светлая нить в середине волновода соответствует напряженной InGaAs КЯ, возвышение которой на несколько ангстрем над поверхностью обусловливается релаксацией напряжений сжатия в КЯ на открытой поверхности.

Рис. 2. Профили сигнала SVD, измеренные через Отмеченные особенности морфологии, возникающие на InGaAs/AlGaAs/GaAs-лазерный диод на расстоянии до сколах приборов, подробно изучались ранее в рабо45 мкм от места выхода на скол его i-волновода: 1 —обратное тах [9,10]. Экспериментальные профили SVD, обозначенсмещение 1 В, 2 — прямое смещение, плотность тока ные цифрами 1–3 на рис. 1, c, соответствуют различ415 A · cм-2. Горизонтальная пунктирная линия показывает ным напряжениям, приложенным к структуре в прямом потенциал на n-контакте при протекании прямого тока.

направлении, причем профиль 3 относится к случаю, Наклонные линии построены с использованием уравнения (5) когда через диод течет значительный ток. Каждый из для двух параметров диффузионной длины неосновных дырок:

профилей SVD получен из разности CPD профилей LD = 1 и 3 мкм.

SVD = CPD( ) - CPD(0), измеренных при определенном смещении ( = 0) и без смещения ( = 0) лазера.

вкладом. В СКЗМ методе регистрируется дальнодейНа рис. 1, d представлены профили BVD 1–3, смодествующее электростатическое взаимодействие зонда с лированные для тех же напряжений смещения, что и в достаточно протяженным участком поверхности образца эксперименте. Согласно моделированию, падение припод ним. Если на этом участке находятся области с ложенного напряжения при всех достигавшихся токах разным контактным потенциалом с зондом, то сигнал происходит только в нелегированной части волновода.

CPD принимает средневзвешенное значение по всем Для всех профилей BVD разница между максимальными потенциалам на поверхности [8]. При исследовании и минимальными значениями точно равняется прилолазеров на поверхности зеркала следует учитывать факженному напряжению и, следовательно, моделирование тически две области разного потенциала, разделенные не прогнозирует какого-либо падения потенциала на непроводящим волноводом. Форма сигнала для поверххорошо проводящих n- и p-областях лазера.

ности с двумя полубесконечными электродами рассмотВ целом наблюдается согласие эксперимента и модерена в работе [8]. При расстоянии зонд–поверхность лирования, но в деталях есть существенные отличия.

30 нм и симметричном относительно волновода распоНа профилях SVD разность между максимальным и ложении (+/-1мкм) точек измерения сигнала SVD из минимальным значением заметно меньше, чем на соотрезультатов этой работы следует, что высота ступеньки ветствующих профилях BVD. Также наблюдаются более потенциала в сигнале может отличаться от истинного протяженные области спада SVD на прилегающиe к волзначения почти на 20%, что примерно и наблюдается.

новоду эмиттеры. Наконец, в заземленной n+-подложке Согласно моделированию [8], при удалении от области профиль 3 SVD сдвинут вверх относительно профилей со ступенью в потенциале приборный вклад быстро и 2 (см. стрелку на рис. 1, c) и выявляет высокий спадает, и на расстояниях в несколько микрон он уже потенциал поверхности подложки (около 250 мВ).

может составлять лишь проценты от высоты измеряемой Pис. 1, e представляет изменение высот H cтупенек потенциальной ступеньки. Экспериментальные данные потенциала для профилей SVD и BVD на рис. 1, c приборного вклада в искажение ступеньки потенциаи 1, d в зависимости от величины приложенного смела, возникающей на p-i-n-переходе при приложении щения. При малых напряжениях высота ступенек к диоду напряжения 1 В в запирающем направлении, растет линейно для SVD- и BVD-профилей. Однако с представлены на рис. 2 в виде кривой 1. Измерения повышением напряжения смещения по мере усиления выполнены на участке протяженностью 45 мкм и покаинжекции носителей в волновод и активную область зывают, что в 2 мкм от i-волновода приборный вклад рост высоты ступеньки SVD-профиля замедляется и приблизительно равен 2.5% (25 мВ от высоты ступеньки наблюдается даже ее уменьшение, контрастирующее с в 1 В), а на расстоянии более 10 мкм он уже менее 1%.

продолжающимся линейным ростом высоты ступеньки Таким образом, приборный вклад не является причиной BVD-профиля.

Изначальное отличие высоты ступеньки SVD-профи- высокого потенциала n+-подложки, наблюдаемого при лей от расчетного значения на BVD-профилях прибли- больших токах через диод (см. профили 3 на рис. 1, c зительно на 25% может быть объяснено приборным и 2 на рис. 2). Приборная недооценка высоты сту8 Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1012 А.В. Анкудинов, В.П. Евтихиев, К.С. Ладутенко, А.Н. Титков, R. Laiho области указывает на место выхода носителей на поверхность. Сделанное предположение нашло подтверждение в проведенных нами параллельных исследованиях SVD и SPV на поверхности лазерного зеркала.

Роль неосновных дырок в поверхностном потенциале подложки была изучена непосредственно в исследованиях SPV на сколе лазерного диода, освещенного HeNe-лазером. Рассмотрим основные моменты измерений SPV. Свет с энергией, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, поглощается с образованием электронно-дырочных пар. В полупроводнике p-типа к поверхности электрическим полем области приповерхностного изгиба зон притягиваются фотоэлекРис. 3. Наблюдение распространения неравновесных дырок на троны. В полупроводнике n-типа ситуация обратная и сколе InGaAs/AlGaAs/GaAs-лазерного диода с 3 мкм шириной меза-контакта. Изображение SVD-сигнала наложено на топо- на поверхности оказываются фотодырки. Как следствие, графию скола и было получено при протекании порогового можно ожидать ступенчатую форму профиля SPV с тока через лазер. Обозначены основные слои лазерного диода:

изменением знака сигнала при пересечении p-i-n1 — p-эмиттер, 2 — i-волновод, 3 — n-эмиттер, 4 — n-подперехода. На рис. 4 приведены два профиля SPV ложка.

через структуру, измеренные при разных состояниях лазерного диода; положение основных слоев структуры обозначено отрезками. SPV-данные формировались вычитанием значений CPD-сигналов, измеренных при пеньки линейно зависит от амплитуды смещения, и на включенном и выключенном внешнем освещении, т. е.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.