СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАЛИЧИЯ ГЛУБОКИХ ДЕФЕКТОВ МАТРИЦЫ GaAs, СВЯЗАННЫХ С ВСТРАИВАНИЕМ В НЕЁ СЛОЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК InAs Российский патент 2017 года по МПК H01L21/66 

Изобретение относится к технологии контроля качества полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками и может быть использовано для обнаружения глубоких дефектов, создаваемых слоем квантовых точек InAs в матрице GaAs.

Известно, что наличие дефектов в окрестности слоя квантовых точек может приводить к ухудшению эксплуатационных характеристик приборов на их основе и к деградации таких устройств (см., например работу на англ. яз. авторов , M. Hopkinson, H.Y. Liu et al. «Influence of structure and defects on the performance of dot-in-well laser structures» - Proc. SPIE, Photonic Materials, Devices, and Applications. 2005, v. 5840, p. 486-496).

О наличии дефектов в слоях с квантовыми точками обычно судят по люминесцентным и фотоэлектрическим характеристикам гетероструктур с квантовыми точками (см., например статью авторов Карповича И.Α., Аншона А.В., Байдуся Н.В. и др. «Применение размерно-квантовых структур для исследования дефектообразования на поверхности полупроводников» - Физика и техника полупроводников. 1994, т. 28, вып. 1, с. 104-112). В этом случае проявляются дефекты, являющиеся центрами рекомбинации неравновесных носителей с быстрыми временами релаксации, меньшими времени излучательной рекомбинации электронно-дырочной пары в квантовых точках (10^-9 с), причем фотоэлектрическая спектроскопия выявляет дефекты, расположенные только в непосредственной близости от квантовых точек, а фотолюминесценция чувствительна также и к дефектам, расположенным в достаточно широкой приповерхностной области полупроводника (либо на характерной длине поглощения света, либо на длине диффузии).

Для исследования дефектов с медленной релаксацией может применяться метод нестационарной спектроскопии глубоких уровней (см., например статью на англ. яз. автора D.V. Lang «Deep-level transient spectroscopy: A new method to characterize traps in semiconductors» - J. Appl. Phys. 1974, v. 45, №7, p. 3023-3032), однако этим методом затруднительно определить располагается ли дефект в непосредственной близости от слоя квантовых точек.

Уровень техники в рассматриваемой области характеризуется отсутствием информационных источников, содержащих сведения о целенаправленных исследованиях глубоких уровней, типа центров прилипания, расположенных вблизи слоя квантовых точек, в связи с чем выбрана форма изложения предлагаемого изобретения в формуле и описании изобретения без прототипа.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, с помощью которого можно изучать относительно медленные процессы захвата основных носителей заряда на ловушки типа центров прилипания, расположенные в непосредственной близости от слоя квантовых точек.

В соответствии с изложенной задачей технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении технологических возможностей и повышении точности контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs в окрестности слоя квантовых точек InAs за счет надежной оценки захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи указанного слоя квантовых точек, обеспечивающей повышение технологичности указанного контроля в связи с достаточностью использования доступного (стандартного) исследовательского оборудования.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, основанный на оценке захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи слоя квантовых точек InAs, при которой измеряют кривую изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs в зависимости от напряжения импульсного поперечного монополярного электрического поля, инжектирующего носители заряда в поверхностную область указанной гетероструктуры, состоящей из полуизолирующей подложки GaAs, проводящего буферного слоя GaAs, выращенного на нем слоя квантовых точек InAs, и покровного слоя GaAs, образующего с указанным буферным слоем GaAs матрицу GaAs, затем при выявлении формы указанной кривой в виде петли гистерезиса повторяют это измерение в гетероструктурах с различной толщиной покровного слоя GaAs в пределах максимальной толщины, определяемой шириной области пространственного заряда поверхностного барьера при нулевом напряжении в данной гетероструктуре и по увеличению ширины петли гистерезиса при увеличении толщины покровного слоя GaAs судят о наличии глубоких дефектов матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs.

В частном случае осуществления предлагаемого способа при измерении кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs на указанную гетероструктуру воздействуют импульсным поперечным монополярным электрическим полем, имеющим частоту 60 Гц, а оценку захвата электронов или дырок слоем квантовых точек InAs осуществляют с помощью схемы, выполненной на основе плоского конденсатора, одной обкладкой которого является изложенная выше гетероструктура на основе матрицы GaAs, а второй - управляющий электрод.

В известной статье авторов Карповича И.А. и др. «Влияние квантово-размерных слоев In(Ga)As на эффект поля в слоях GaAs» - Физика твердого тела. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2008, №1, с. 25-29, рассматривается эффект поля в условиях захвата носителей заряда слоем квантовых точек InAs без анализа захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи указанного слоя квантовых точек, а именно в данной статье, содержащей предпосылки разработки предлагаемого способа на уровне постановки задачи с предварительным подходом к ее решению без самого обоснованного решения, делается гипотетический вывод о возможности получения информации о наличии дефектов, связанных с встраиванием слоев квантовых точек в матрицу, при этом данный вывод носит декларативный характер без раскрытия контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, в совокупности существенных признаков предлагаемого способа и основан на несоответствующем физическому механизму возникновения петли гистерезиса представлении о ее появлении в результате захвата носителей заряда слоем квантовых точек (краткое обоснование этого механизма см. ниже в настоящем описании изобретения).

В известном автореферате диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Истомина Л.А. в 2010 г. «Фотоэлектрические явления и эффект поля в квантово-размерных гетеронаноструктурах In(Ga)As/GaAs, выращенных газофазной эпитаксией» (см. на сайте в Интернет: http://www.unn.ru/pages/disser/742.pdf) раскрывается общая указанная тема без развития контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, на основе захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи слоя квантовых точек и, также без раскрытия контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, в совокупности существенных признаков предлагаемого способа.

На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема устройства для (необходимого при осуществлении предлагаемого способа) измерения кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs со слоем квантовых точек InAs в зависимости от напряжения импульсного поперечного монополярного электрического поля; на фиг. 2 - схематическое изображение гетероструктуры на основе матрицы GaAs со слоем квантовых точек InAs на фиг. 1; на фиг. 3 - набор петель гистерезиса, полученных с помощью устройства на фиг. 1 для интервала толщин покровного слоя GaAs гетероструктуры на основе матрицы GaAs от 5 до 300 нм.

Предлагаемый способ контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs со слоем квантовых точек InAs осуществляют с помощью устройства для измерения кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе указанной матрицы GaAs в зависимости от напряжения импульсного поперечного монополярного электрического поля следующим образом.

Устройство для измерения кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе указанной матрицы GaAs (см. фиг. 1) выполнено с узлом рабочей фиксации гетероструктуры 1 на основе матрицы GaAs со слоем квантовых точек InAs (см. фиг. 2), которая состоит из полуизолирующей подложки GaAs 2 (толщиной 400 мкм), проводящего буферного слоя GaAs 3 (толщиной 0.6 мкм), выращенного на нем слоя квантовых точек InAs 4, и покровного слоя GaAs 5 (с различными толщинами слоя 5 в интервале от 5 до 300 нм в изготовленных гетероструктурах 1), образующего с указанным буферным слоем GaAs 3 матрицу GaAs. При этом на верхней поверхности покровного слоя GaAs 5 последовательно размещены пластина слюды 6 и проводящая (металлическая) пластина 7, образующая с полупроводящим буферным слоем GaAs 3 плоский конденсатор.

Излагаемое устройство содержит также генератор синусоидального напряжения 8, подключенный через последовательно соединенные повышающий трансформатор 9 и высоковольтный диод 10 к затвору (3) - проводящей пластине 7, и источник постоянного напряжения 11, подключенный своим выходом к истоку (И) 12 - первому боковому омическому контакту гетероструктуры 1, причем сток (С) 13 - второй омический контакт гетероструктуры 1 присоединен к первому входу блока АЦП 14 для съема формируемого на магазине сопротивлений 15 напряжения, изменение которого пропорционально изменению продольной поверхностной проводимости гетероструктуры 1.

Для регистрации производимых измерений кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры 1 к выходу блока АЦП 14 подключен компьютер 16, а для уменьшения пульсирующего напряжения, подаваемого на блок АЦП 14 и необходимого для развертки напряжения на затворе (3) - пластине 7, выход диода 10 соединен через делитель напряжения 17 со вторым входом блока АЦП 14.

Для измерения кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs (Δσ_s) в зависимости от напряжения импульсного поперечного монополярного электрического поля, инжектирующего носители заряда в поверхностную область указанной гетероструктуры 1, выращивались и изготавливались образцы гетероструктур 1 на полуизолирующих подложках GaAs 2 размерами 7×5 мм и толщинами покровного слоя GaAs 5, составляющими 5, 20, 100 и 300 нм. Причем перед созданием слоя квантовых точек InAs 4 на подложках 2 выращивался буферный слой n-GaAs 3 с концентрацией доноров ~10¹⁶ см^-3. На образцах гетероструктур 1 формировались два планарных омических контакта - исток (И) 12 и сток (С) 13. Ширина контактов и зазор между ними были 5 мм. После чего производили измерение продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs на образце гетероструктуры 1 с максимальной толщиной (300 нм) покровного слоя GaAs 5, для чего на указанный образец гетероструктуры 1 воздействовали с помощью генератора синусоидального напряжения 8, подключенного через последовательно соединенные повышающий трансформатор 9 и высоковольтный диод 10 к затвору (3) - проводящей пластине 7, импульсным поперечным монополярным электрическим полем, имеющим выбранную частоту 60 Гц.

Затем при выявлении формы указанной кривой «а» в виде петли гистерезиса (см. фиг. 3) повторяли это измерение в образцах гетероструктур 1 с убывающей толщиной покровного слоя GaAs 5 в интервале толщин 300-5 нм, получая соответствующие кривые «а», «б»-«г» и по увеличению ширины петли гистерезиса (от 110 до 600 В) при увеличении толщины покровного слоя GaAs 5 делали вывод о наличии глубоких дефектов матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs 4.

Отсутствие петли гистерезиса при измерении кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs с максимальной толщиной ее покровного слоя GaAs 5 или ее наличие в указанном случае, но отсутствие уменьшения ее ширины при последующих измерениях кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs с уменьшаемой толщиной ее покровного слоя GaAs 5 (при повторяемых измерениях) означает отсутствие глубоких дефектов матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs 4.

Интервал выбора задаваемой частоты импульсного поперечного монополярного электрического поля преимущественно определяется удобными (доступными) для измерений частотами от 10 Гц до 1 МГц, что связано с отсутствием в широком интервале выбора указанной частоты проявления гистерезиса при комнатной температуре, связанного с захватом непосредственно слоем квантовых точек InAs 4 (квантово-размерными состояниями) носителей заряда, т.к. время выброса носителей заряда (электронов) с квантово-размерных состояний указанных квантовых точек меньше величины, составляющей 10^-9 с.

Физический механизм захвата носителей заряда глубокими дефектами матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs 4, лежащий в основе предлагаемого способа контроля (обосновывающий работоспособность предлагаемого способа), заключается в более медленном выбросе носителей заряда (электронов) с этих дефектов в сравнении с выбросом носителей заряда с квантово-размерных состояний указанных квантовых точек, и поэтому из этого физического механизма вытекает однозначная связь уширения петли гистерезиса при увеличении толщины покровного слоя GaAs 5 именно с захватом носителей заряда глубокими дефектами матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs 4 в указанном широком интервале частот импульсного поперечного монополярного электрического поля при комнатной температуре.

В указанной выше статье Карповича И.А. и др. физический механизм захвата носителей заряда глубокими дефектами матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs 4 не обоснован, поскольку уширение петли гистерезиса, указывающее на наличие глубоких дефектов, в приведенных источниках информации связывают и с захватом носителей заряда непосредственно слоем квантовых точек, что не позволяет связать уширение петли гистерезиса только с наличием глубоких дефектов в этом случае, т.к. указанное уширение может быть обусловлено захватом носителей заряда непосредственно слоем квантовых точек без наличия глубоких дефектов.

Таким образом, предлагаемый способ контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, обеспечивает высокоточный надежный контроль наличия глубоких дефектов матрицы GaAs в окрестности слоя квантовых точек InAs в широком интервале выбора задаваемой частоты импульсного поперечного монополярного электрического поля (при комнатной температуре) при повышении технологичности указанного контроля в связи достаточностью использования доступного (стандартного) исследовательского оборудования.

Изобретение относится к технологии контроля качества полупроводниковых гетероструктур с квантовыми точками и может быть использовано для обнаружения глубоких дефектов, создаваемых слоем квантовых точек InAs в матрице GaAs. Технический результат изобретения - расширение технологических возможностей и повышение точности контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs в окрестности слоя квантовых точек InAs за счет надежной оценки захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи указанного слоя квантовых точек, обеспечивающей повышение технологичности указанного контроля в связи с достаточностью использования доступного исследовательского оборудования. Способ контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, основанный на оценке захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи слоя квантовых точек InAs, в котором измеряют кривую изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs в зависимости от напряжения импульсного поперечного монополярного электрического поля, инжектирующего носители заряда в поверхностную область указанной гетероструктуры, состоящей из полуизолирующей подложки GaAs, проводящего буферного слоя GaAs, выращенного на нем слоя квантовых точек InAs, и покровного слоя GaAs, образующего с указанным буферным слоем GaAs матрицу GaAs, затем при выявлении формы указанной кривой в виде петли гистерезиса повторяют это измерение в гетероструктурах с различной толщиной покровного слоя GaAs в пределах максимальной толщины, определяемой шириной области пространственного заряда поверхностного барьера при нулевом напряжении в данной гетероструктуре, и по увеличению ширины петли гистерезиса при увеличении толщины покровного слоя GaAs судят о наличии глубоких дефектов матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ контроля наличия глубоких дефектов матрицы GaAs, связанных с встраиванием в нее слоя квантовых точек InAs, основанный на оценке захвата носителей заряда глубокими дефектами вблизи слоя квантовых точек InAs, характеризующийся тем, что измеряют кривую изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs в зависимости от напряжения импульсного поперечного монополярного электрического поля, инжектирующего носители заряда в поверхностную область указанной гетероструктуры, состоящей из полуизолирующей подложки GaAs, проводящего буферного слоя GaAs, выращенного на нем слоя квантовых точек InAs, и покровного слоя GaAs, образующего с указанным буферным слоем GaAs матрицу GaAs, затем при выявлении формы указанной кривой в виде петли гистерезиса повторяют это измерение в гетероструктурах с различной толщиной покровного слоя GaAs в пределах максимальной толщины, определяемой шириной области пространственного заряда поверхностного барьера при нулевом напряжении в данной гетероструктуре, и по увеличению ширины петли гистерезиса при увеличении толщины покровного слоя GaAs судят о наличии глубоких дефектов матрицы GaAs вблизи слоя квантовых точек InAs.

2. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что при измерении кривой изменения продольной поверхностной проводимости гетероструктуры на основе матрицы GaAs на указанную гетероструктуру воздействуют импульсным поперечным монополярным электрическим полем, имеющим частоту 60 Гц.

3. Способ контроля по п. 1, отличающийся тем, что оценку захвата электронов или дырок слоем квантовых точек InAs осуществляют с помощью схемы, выполненной на основе плоского конденсатора, одной обкладкой которого является гетероструктура на основе матрицы GaAs, указанная в п. 1, а второй - управляющий электрод.