MATERIAŁY ELEKTRONICZNE

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH MATERIAŁY ELEKTRONICZNE ELECTRONIC MATERIALS KWARTALNIK T. 40-2012 nr 1 Wydanie publikacji dofinansowane przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego WARSZAWA ITME 2012 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 1

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... KOLEGIUM REDAKCYJNE: prof. dr hab. inż. Andrzej JELEŃSKI (redaktor naczelny) dr hab. inż. Paweł KAMIŃSKI (z-ca redaktora naczelnego) prof. dr hab. inż. Zdzisław JANKIEWICZ dr hab. inż. Jan KOWALCZYK dr Zdzisław LIBRANT dr Zygmunt ŁUCZYŃSKI prof. dr hab. inż. Tadeusz ŁUKASIEWICZ prof. dr hab. inż. Wiesław MARCINIAK prof. dr hab. Anna PAJĄCZKOWSKA prof. dr hab. inż. Władysław K. WŁOSIŃSKI mgr Anna WAGA (sekretarz redakcji) Adres Redakcji: INSTYTUT TECHNOLOGII MATERIAŁÓW ELEKTRONICZNYCH ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa, e-mail: ointe@itme.edu.pl; http://www.itme.edu.pl tel. (22) 835 44 16 lub 835 30 41 w. 454 - redaktor naczelny (22) 835 30 41 w. 426 - z-ca redaktora naczelnego (22) 835 30 41 w. 129 - sekretarz redakcji PL ISSN 0209-0058 Kwartalnik notowany na liście czasopism naukowych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (6 pkt.) SPIS TREŚCI BADANIA DEGRADACJI DIOD LASEROWYCH EMITUJĄCYCH PROMIENIOWANIE O DŁUGOŚCI FALI 880 nm Elżbieta Dąbrowska, Magdalena Nakielska, Marian Teodorczyk, Grzegorz Sobczyk, Magdalena Romaniec, Andrzej Maląg... 3 POMIARY ROZKŁADU AMPLITUDY I FAZY AKUSTYCZNEJ FALI POWIERZCHNIOWEJ W KRYSZTALE NdCa 4 O(BO 3 ) 3 Z WYKORZYSTANIEM SONDY ELEKTRYCZNEJ Ernest Brzozowski... 14 WYZNACZANIE KONCENTRACJI CENTRÓW DEFEKTOWYCH W PÓŁPRZEWODNIKACH WYSOKOREZYSTYWNYCH NA PODSTAWIE PRĄŻKÓW WIDMOWYCH LAPLACE A OTRZYMYWANYCH W WYNIKU ANALIZY RELAKSACYJNYCH PRZEBIEGÓW FOTOPRĄDU Roman Kozłowski, Paweł Kamiński, Jarosław Żelazko... 19 STRESZCZENIA WYBRANYCH ARTYKUŁÓW PRACOWNIKÓW ITME... 34 nakład 200 egz. MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 2

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... BADANIA DEGRADACJI DIOD LASEROWYCH NA PASMO 880 nm Elżbieta Dąbrowska, Magdalena Nakielska, Marian Teodorczyk, Grzegorz Sobczak, Magdalena Romaniec, Andrzej Maląg Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: elzbieta.dabrowska@itme.edu.pl Streszczenie: Celem pracy było zbadanie przyczyn degradacji laserów mocy i ich związku z wykonywaniem poszczególnych operacji technologicznych (processing, montaż, napylanie luster) na degradację diod na pasmo 880 nm. Dla badanych diod o długości ich życia decydowały przede wszystkim poprawność wykonania luster oraz wprowadzający naprężenia montaż. Praca posłużyła do modernizacji technologii wytwarzania diod laserowych celem zwiększenia zysku. Słowa kluczowe: dioda laserowa, heterostruktura, badania starzeniowe, niezawodność diody laserowej The investigation of degradation of laser diodes emitting at 880 nm band Abstract: The influence of following technology processes (such as: wafer processing, montage, mirror deposition) on degradation of laser diodes emitting at 880 nm band was studied. Those investigations helped to improve technology of laser diode production. Key words: laser diode, heterostructure, burn-in tests, degradation 1. WPROWADZENIE Podczas długotrwałego działania diody laserowej (DL) jej moc wyjściowa przy stałym dostarczanym prądzie, albo płynący prąd przy stałej wyjściowej mocy zmieniają się. W pierwszym przypadku moc wyjściowa ma tendencję do zmniejszania się, w drugim przypadku płynący prąd zwiększa się podczas pracy. W obu przypadkach ma miejsce tzw. degradacja przyrządu. Niezawodność DL dużej mocy - zdefiniowana jako zdolność przyrządu do pracy w sposób zadowalający w zdefiniowanym środowisku dla określonego przedziału czasu - jest kluczowym parametrem przy praktycznym jej zastosowaniu. Koniec życia lasera określa się, gdy jego moc optyczna spadnie o 20% [1]. Rodzaj i szybkość degradacji DL zależy od wielu czynników: konstrukcji lasera, jakości podłoża, dokładności wykonania poszczególnych warstw heterostruktury, procesu technologicznego m.in. napylania kontaktów i luster oraz operacji montażu. Zrozumienie mechanizmów zjawisk degradacyjnych w DL jest niezbędne dla wydłużenia jej czasu życia. Wyróżnia się kilka rodzajów degradacji w zależności od jej szybkości i stopnia. Mówi się więc o degradacji stopniowej, gwałtownej i katastroficznej. Degradacja gwałtowna obserwowana jest w pierwszych 100 godzinach pracy DL. Degradacja stopniowa następuje przy pracy rzędu kilku tysięcy godzin i objawia się stopniowym zmniejszeniem wydajności kwantowej. Katastroficzne uszkodzenie ma miejsce, kiedy przyrząd nagle przestaje działać po wcześniejszej regularnej, stabilnej pracy. Katastroficzne uszkodzenie zachodzi nagle, bez wcześniejszych, wyraźnych znaków. Do identyfikacji rodzajów degradacji potrzebne są badania zależności wyjściowej mocy optycznej P (I = const) lub prądu zasilającego I (P = const) w funkcji czasu, czyli tzw. badania starzeniowe. Degradacja może być również klasyfikowana przez miejsce jej zainicjowania. Wewnętrzna degradacja ma miejsce wewnątrz obszaru aktywnego lub w przejściach międzyzłączowych. Zewnętrzna ma miejsce poza obszarem aktywnym i może być spowodowana błędami montażowymi (lutowaniem, ultrakompresją), uszkodzeniem luster lub kontaktów. Celem pracy było rozpoznanie niektórych przyczyn degradacji DL dużej mocy na pasmo 880 nm, a następnie zoptymalizowanie technologii wytwarzania DL pod kątem zniwelowania wykrytych wad i tym samym wydłużenie czasu ich życia. MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 3

Badania degradacji diod laserowych na pasmo 880 nm 2. HETEROSTRUKTURA NA PASMO 880 nm Heterostruktura DBSCH-SQW (double-barrier separate-confinement-heterostructure single quantum well) diody laserowej na pasmo 880 nm została wykonana techniką MOVPE w firmie FBH. Projekt heterostruktury w wersji symetrycznej powstały w ITME zakładał szeroki rozkład pola optycznego (w płaszczyźnie prostopadłej do złącza), co pociągało za sobą zastosowanie stosunkowo grubych warstw ograniczających dla uniknięcia penetracji fali prowadzonej do obszarów o wysokiej absorpcji (warstwa podkontaktowa GaAs i podłoże GaAs). Centralną częścią heterostruktury jest falowód AlGaAs zawierający naprężoną ściskająco studnię kwantową InGaAs o grubości ~ 7 nm. Analizy literaturowe i konsultacje ze specjalistami w dziedzinie epitaksji wskazywały na duże prawdopodobieństwo istnienia głębokich defektów, jakim jest złącze InGaAs AlGaAs. Rozwiązaniem problemu było zastosowanie cienkich warstw GaAsP (3 nm) na tym złączu, o zawartości P zapewniającej dostateczne poszerzenie przerwy energetycznej. Na Rys. 1 pokazano profil współczynnika załamania wynikającego z zawartości Al (x) w warstwach heterostruktury, profil domieszkowania Zn i Si oraz znormalizowany rozkład intensywności pola optycznego podstawowego modu poprzecznego. Rys. 1. Profil współczynnika załamania warstw heterostruktury na pasmo 880 nm, profil domieszkowania Zn i Si oraz znormalizowany rozkład intensywności pola optycznego podstawowego modu poprzecznego. Na Rys. zaznaczono 3 wartości x odpowiadające kolejno: x = 0.3 falowodowi, x = 0,4 warstwie okładkowej (cladding), x = 0,6 warstwie barierowej. Fig. 1. Refractive index profile of layers of heterostructure designed for 880 nm band, Si and Zn doping profiles and normalized intensity distribution of fundamental transverse optical filed mode. Centralną część światłowodu stanowi ściskająco naprężona studnia InGaAs. Pomiędzy falowodem a warstwami okładkowymi umieszczone są szerokopasmowe (z małym współczynnikiem załamania) cienkie warstwy barierowe AlGaAs (30 nm) domieszkowane Zn lub Si, dające dodatkowy stopień swobody przy projektowaniu ograniczenia optycznego. Tak zaprojektowany, nie- -gausowski, miękki profil rozkładu intensywności pola powinien zwiększyć odporność lustra na katastroficzne uszkodzenie (COD). Odległość studni kwantowej od powierzchni heterostruktury wynosi ~ 4 μm. 3. WSTĘPNE POMIARY DIOD LASEROWYCH Dla badanych diod na każdym etapie montażu wykonywano pomiary charakterystyk mocowo- -prądowych, napięciowo-prądowych, spektralnych, oraz rozkład promieniowania w polu bliskim (NF). Na bieżąco modyfikowano procesy technologiczne, eliminując niekorzystne zjawiska mające wpływ na obniżanie jakości otrzymywanych diod. Na koniec przeprowadzono badania starzeniowe. Po wstępnej selekcji do dalszych badań wybierano chipy, które przy zasilaniu impulsem długości 0,4 μs i repetycji 0,19 ms miały poprawne charakterystyki mocowo-prądowe (P-I) (prąd progowy ~ 0,4 A, nachylenie P-I ~ 1 W/A). Dla znanej, sprawdzonej heterostruktury nachylenie charakterystyki P-I zależy m.in. od poprawności przebiegu processingu, od montażu i przede wszystkim od jakości luster. Na Rys. 2 pokazano przykłady chipów laserowych (odrzuconych na etapie badań wstępnych) z różnymi nachyleniami charakterystyki P-I spowodowanymi wadami luster. Dla tych chipów przedstawiono rozkład promieniowania w polu bliskim od strony przedniego lustra (PL) i tylniego lustra (TL). Moc diody laserowej spada, gdy tylne lustro nie jest szczelne z powodu niepoprawnego wykonania przełomu lub wadliwego pokrycia luster warstwami odbiciowymi. Dla diody nr 2 z charakterystyką mocowo-prądową o najmniejszym nachyleniu oprócz wadliwego tylnego lustra zaobserwowano wadę na przednim lustrze. 4 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... LD 3 od strony tylnego lustra widać jedynie rozświetlone końce chipa w obu przypadkach tylne lustro nie jest szczelne LD 2 tylne lustro nie jest szczelne, na przednim widoczne jest uszkodzenie Rys. 2. Wyniki pomiarów diod laserowych LD1, LD2, LD3 i LD4. a) charakterystyki mocowo-prądowe; b) rozkład promieniowania w polu bliskim (NF) z przedniego (PL) i tylnego (TL) lustra (od strony tylnego lustra widać jedynie rozświetlone końce chipa); c) d) NF dla przedniego i tylnego lustra przy nieszczelnym tylnym lustrze; e) NF dla diody z nieszczelnym tylnym lustrem i wadą na przednim lustrze. Fig. 2. Measurement results for LD1, LD2, LD3 and LD4 laser diodes. a) current-voltage characteristics; b) near field distribution from the face mirror (PL) and the back mirror (TL) (on the side of the back mirror only illuminated ends of the chip are visible); c) and d) near field (NF) for the face mirror and the back mirror when the back mirror is leaky e) near field (NF) for a diode with a leaky back mirror and a face mirror defect. Na skutek złej adhezji pokrycia lustra, pod wpływem zwiększonej temperatury w czasie pracy diody warstwa na lustrze może popękać i zaczyna odpadać. Moc takiej diody w czasie pracy gwałtownie spada (Rys. 3). MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 5

Badania degradacji diod laserowych na pasmo 880 nm Na podstawie wcześniejszych prac dotyczących poznania przyczyn degradacji przy wytwarzaniu diod laserowych dla zdefiniowania paska aktywnego zrezygnowano z bariery Schottky ego, a warstwę izolującą uzyskuje się w procesie implantacji jonów helu [2]. W ten sposób unika się przypadkowych wyłupań GaAs/AlGaAs na krawędzi lustrzanej na górze mes i u ich podstawy, minimalizując wpływ jakości powierzchni czołowej na czas życia lasera. Jednak źle dobrane warunki implantacji jonów helu powodują, że pasek aktywny nie jest dobrze zdefiniowany i jego szerokość zmienia się przy różnych wartościach prądu (Rys. 5). Dioda taka bardzo szybko przestaje pracować w warunkach pracy ciągłej (cw). Rys. 3. Charakterystyki mocowo-prądowe i napięciowo- -prądowe oraz zdjęcie SEM dla diody laserowej ze złą adhezją pokrycia przedniego lustra. Fig. 3. Light vs. Current and Voltage vs. Current characteristics and SEM photographs of laser diode (LD) taken for a LD with wrong adhesion of deposited face mirror. Bardzo ważne są metaliczne kontakty na chipach laserowych. Dla diody z Rys. 4 również następował w czasie pracy szybki spadek mocy diody na skutek odwarstwienia warstwy kontaktowej. Błędy takie występują rzadko, ale potrafią zdyskwalifikować całą partię laserów. Rys. 5. Rozkład promieniowania w polu bliskim przy 1 A i przy 2 A dla diody ze źle zdefiniowanym paskiem aktywnym. Fig. 5. Near field distribution at 1 A and 2 A drive current for a laser diode with incorrect active stripe definition. Rys. 4. Dioda z odwarstwioną warstwą metaliczną. Fig. 4. Detachment of metallic layer on laser diode. Stwierdzono, że korzystne jest trawienie krawędzi bocznych chipów laserowych w roztworze do trawienia GaAs. Przykładowe pomiary dla diody na pasmo 880 nm przedstawione są na Rys. 6. Właściwie wykonane trawienie powoduje usunięcie mikrouszko- 6 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... dzeń z powierzchni bocznych chipa i widać wyraźną poprawę charakterystyk w części odpowiadającej za prądy generacyjno-rekombinacyjne. Diody takie mają większe szanse na dłuższy czas życia. Rys. 6. Charakterystyki V-I niskoprądowe dla chipów z trawionymi i nietrawionymi krawędziami bocznymi. Fig. 6. Low-current vs. Voltage characteristics for a laser diode chips with and without side edges passivation by wet etching. 4. WYNIKI BADAŃ STARZENIOWYCH Podczas gdy czas życia prawidłowo zmontowanej diody laserowej jest ograniczony przez stopniową degradację, maksymalna moc optyczna diod laserowych wysokiej mocy jest ograniczona przez Rys. 7. Charakterystyka mocowo-prądowa i napięciowo- -prądowa dla typowej diody na pasmo 880 nm z paskiem aktywnym o szerokości 90 μm montowanej na chłodnicy Cu w kształcie prostopadłościanu o wymiarach 4 mm x 7 mm x 2 mm. Fig. 7. Light vs. Current and Voltage vs. Current characteristics taken for typical laser diode emitting on 880 nm band with 90 um active stripe width mounted on rectangular Cu heat sink with dimension 4 mm x 7 mm x 2 mm. katastroficzne uszkodzenie lustra (COD). Poniżej, na Rys. 7 przedstawiono charakterystykę mocowo- -prądową i napięciowo-prądową typowej diody na pasmo 880 nm. Najlepsze diody tego typu w reżimie cw pracowały do ~ 3,5 A, a dalsze zwiększanie prądu kończyło się katastroficznym uszkodzeniem. Dlatego diody w badaniach starzeniowych pracowały przy prądzie ~ dwa razy mniejszym tj. przy 1,5 A. W badaniach trwałości diod laserowych prowadzonych w ITME stosuje się poniższy cykl zasilania: pierwsze 24 h podprogowo ( dla badanych diod przy I = 0,2 A), następne 24 h przy I ~ 2 x prąd progowy (u nas I = 0,8 A), po dwóch dobach przykładano prąd I = 1,5 A. Na kolejnych Rys. 8 11 pokazano przykładowe wyniki przeprowadzonych pomiarów dla diod, które różniły się jakością montażu. Dla diody A z Rys. 8 po przylutowaniu chipa do chłodnicy nastąpiło nieznaczne zmniejszenie nachylenia charakterystyki mocowo-prądowej, prąd progowy pozostał bez zmian, również charakterystyka spektralna przesunięta w kierunku krótszych fal nie uległa poszerzeniu. Wszystko to świadczy o prawidłowym montażu, jak również o wprowadzeniu nieuniknionego naprężenia w czasie lutowania chipu do chłodnicy [3]. W przypadku tej diody mamy niewątpliwie do czynienia z gwałtowną degradacją, która jest związana z obecnością defektów niszczących aktywny obszar lasera (QW i warstwy ograniczające). Punkty defektowe lub dyslokacje mogą być zapoczątkowane w obszarze aktywnym podczas procesu wzrostu kryształu lub procedury montażu [4]. Defekty na przednim lustrze, spowodowane uszkodzeniem sieci krystalicznej wskutek zerwania połączeń atomowych, działają jako centra rekombinacji niepromienistej [5]. W lustrach laserowych uzyskiwanych przez przełamywanie wraz z powstawaniem tlenków na ściankach luster mogą powstawać dodatkowe efekty powierzchniowe. Składowe warstwy aktywnej i warstw ograniczających bazujących na Al zwykle ulegają utlenianiu, warstwy wolne od Al cechują się lepszą stabilnością. Rekombinacja niepromienista powoduje wzrost temperatury na lustrach i w związku z tym zmniejsza się przerwa energetyczna, wzrasta absorpcja promieniowania laserowego, powodująca dalsze podwyższenie temperatury. Konsekwentnie w następstwie wzrasta absorpcja i ostatecznie prowadzi to do nieodwracalnego uszkodzenia [6]. Badania dla diody A przerwano, gdy jej moc spadła o ponad 20%. Po badaniach starzeniowych, wskutek MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 7

Badania degradacji diod laserowych na pasmo 880 nm (a) (b) (d) (c) (e) (f) Rys. 8. Wyniki badań starzeniowych diody laserowej LD A: a) charakterystyki mocowo-prądowe; b) charakterystyki spektralne; c) obraz i d) intensywność rozkładu promieniowania w polu bliskim na różnych etapach badań; e) zależności mocy promieniowania (P) oraz napięcia (U) od czasu starzenia; f) obraz SEM lustra po pomiarach starzeniowych. Fig. 8. Results of the ageing tests for the laser diode A: a) current-voltage characteristics b) spectral characteristics c) image and d) intensity of the near field distribution investigated at various stages; e) correlation between the radiant power (P), voltage (U) and ageing time; f) SEM image after the ageing tests. 8 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rys. 9. Wyniki badań starzeniowych diody laserowej LD B: a) charakterystyki mocowo-prądowe; b) charakterystyki spektralne; c) obraz i d) intensywność rozkładu promieniowania w polu bliskim na różnych etapach badań; e) zależności mocy promieniowania (P) oraz napięcia (U) od czasu starzenia; f) obraz SEM lustra po pomiarach starzeniowych. Fig. 9. Results of the ageing tests for the laser diode B: a) current-voltage characteristics b) spectral characteristics c) image and d) intensity of the near field distribution investigated at various stages; e) correlation between the radiant power (P), voltage (U) and ageing time; f) SEM image after the ageing tests.. MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 9

Badania degradacji diod laserowych na pasmo 880 nm (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rys. 10. Wyniki badań starzeniowych diody laserowej LD C: a) charakterystyki mocowo-prądowe; b) charakterystyki spektralne; c) obraz i d) intensywność rozkładu promieniowania w polu bliskim na różnych etapach badań; e) zależności mocy promieniowania (P) oraz napięcia (U) od czasu starzenia; f) obraz SEM lustra po pomiarach starzeniowych. Fig. 10. Results of the ageing tests for the laser diode C: a) current-voltage characteristics b) spectral characteristics c) image and d) intensity of the near field distribution investigated at various stages; e) correlation between the radiant power (P), voltage (U) and ageing time; f) SEM image after the ageing tests. 10 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

Badania degradacji diod laserowych na pasmo 880 nm (a) (b) (c) (d) (e) (f) Rys. 11. Wyniki badań starzeniowych diody laserowej LD D: a) charakterystyki mocowo-prądowe; b) charakterystyki spektralne; c) obraz i d) intensywność rozkładu promieniowania w polu bliskim na różnych etapach badań; e) zależności mocy promieniowania (P) oraz napięcia (U) od czasu starzenia; f) obraz SEM lustra po pomiarach starzeniowych. Fig. 11. Results of the ageing tests for the laser diode D: a) current-voltage characteristics b) spectral characteristics c) image and d) intensity of the near field distribution investigated at various stages; e) correlation between the radiant power (P), voltage (U) and ageing time; f) SEM image after the ageing tests. 11 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

Badania degradacji diod laserowych na pasmo 880 nm defektów powstałych w warstwie aktywnej, znacznemu rozszerzeniu i przesunięciu o ponad 1 nm w kierunku fal dłuższych uległa charakterystyka spektralna, natomiast rozkład promieniowania w polu bliskim wskazywał na defekty na lustrze. Dioda B z Rys. 9 była poprawnie zmontowana, o czym świadczą charakterystyki mocowo-prądowe i spektralne przed i po montażu. Dla diody tej mamy typowe katastroficzne zakończenie życia już po 150 godzinach regularnej pracy. Katastroficzna degradacja zwykle kojarzona jest z lustrami, ale może przebiegać w innej części obszaru aktywnego. Fizyczny mechanizm tej degradacji jest podobny do degradacji gwałtownej, ale różni się czasem wystąpienia i gwałtownością procesu. Głównym powodem degradacji lustra jest anormalnie wysoka temperatura spowodowana niepromienistą rekombinacją i absorpcją światła laserowego. Parametrami, które określają COD są [7]: szybkość powierzchniowej rekombinacji, gęstość defektów na ściance, obróbka krawędzi chipów i ich pokrycie, zależność temperaturowa przerwy energetycznej materiału tworzącego obszar aktywny, moc optyczna i dostarczony prąd, przewodność termiczna różnych warstw tworzących strukturę laserową. Katastroficzne uszkodzenie lustra zachodzi najczęściej na przednim lustrze, ponieważ moc optyczna na tym lustrze jest większa niż moc optyczna na tylnym lustrze [6]. W przypadku diody B na przednim lustrze widoczne są pęcherze potwierdzające katastroficzne uszkodzenie lustra. Intensywność NF maleje w miejscach degradacji [8]. Dla większości diod rejestrowana była degradacja stopniowa. Testy starzeniowe, w zależności od jakości montażu, kończyły się w różnym czasie. Dla diody C z Rys. 10 po przylutowaniu chipa do chłodnicy nastąpił wzrost prądu progowego i zmniejszenie nachylenia charakterystyki mocowo-prądowej, jak również nieznacznemu poszerzeniu uległa charakterystyka spektralna. Wszystko to świadczy o niepoprawnym montażu poprzez wprowadzenie dużego naprężenia. Dioda taka charakteryzuje się dużą rezystancją termiczną, a wysoka rezystancja termiczna prowadzi do generacji wysokiej temperatury w obszarze aktywnym diody laserowej [9]. Dioda ta od początku trwania testu starzeniowego (~ 130 h) systematycznie traciła moc. Na lustrze po badaniach nie stwierdzono żadnych zmian. Dla diody D z Rys. 11 również obserwuje się degradację stopniową. Dioda była dobrze zmontowana, o czym świadczą jej charakterystyki mocowo-prądowe (bez zmiany prądu progowego i bez rozszerzenia charakterystyki spektralnej po montażu). Testowana dioda pracowała ponad 600 godzin, co przy niezoptymalizowanych w tym momencie pokryciach luster jest wynikiem zadowalającym. Jak dla wszystkich diod charakterystyka spektralna przy degradacji przesuwa się w kierunku fal dłuższych. Przy stopniowej degradacji dioda może pracować tysiące godzin. Z degradacją tego typu mamy do czynienia w przyrządach pozbawionych defektów w obszarze aktywnym lub pracujących przy niskiej mocy. Badania elektroluminescencyjne [7] pokazują jednorodne ciemnienie obszaru aktywnego. Efekt ten jest spowodowany formowaniem się punktów defektowych przez niepromienistą rekombinację. Punkty te działają dalej jako centra rekombinacji, zmniejszając wydajność generowanego światła i wspomagając tworzenie się nowych defektów. Powyższy mechanizm prowadzi do migracji i skupiania się defektów punktowych tworząc ciemne plamki powodujące wzrost prądu progowego. Nagłe uszkodzenie po stopniowej degradacji jest powiązane z ciemnymi liniami powstającymi po wzroście i połączeniu się ciemnych plamek. PODSUMOWANIE Procesy degradacji diod laserowych są wynikiem oddziaływania różnych czynników wewnętrznych (własności materiału, defektów kryształu, jakości międzyzłaczy, itp.) i czynników zewnętrznych technologicznych i eksploatacyjnych (montaż, bonding, temperatura pracy, wstrzykiwany prąd, pokrycie luster, itp.), które wprowadzają głębokie zmiany w materiale tworzącym część aktywną przyrządu i wpływają na zmniejszenie wydajności kwantowej. Dla badanych diod na pasmo 880 nm o długości ich życia decydują przede wszystkim poprawność wykonania luster oraz wprowadzający naprężenia montaż. Naprężenia powodują, że wzrasta liczba centrów niepromienistej rekombinacji, prowadząc do wzrostu absorpcji na defektach, wzrostu prądu progowego i zmniejszenia wydajności kwantowej [10]. Również przesunięciu w kierunku długofalowym ulega charakterystyka spektralna. Podczas pracy diody temperatura jej lustra wzrasta o ~ 200 o C, podczas gdy temperatura objętościowa o ~ 15 o C [11]. Na przegrzanie lustra mocno wpływa absorpcja promieniowania przez defekty 12 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

E. Dąbrowska, M. Nakielska, M. Teodorczyk,... i znaczne powiększenie prędkości powierzchniowej rekombinacji zależnej od materiału tworzącego część aktywną i pokrycia luster. Z drugiej strony rekombinacja niepromienista może przenosić ciepło do sieci krystalicznej lub wspomagać formowanie się defektów i ruch przez podniesienie rekombinacji defektów. Dlatego też potrzebne jest efektywne chłodzenie lasera [12]. W efekcie prowadzonych prac, w procesie wytwarzania diod wprowadzono trawienie krawędzi bocznych chipów, zmodyfikowano procesy mycia płytek oraz nakładania i wtapiania kontaktów. Zakończono opracowanie i wprowadzono nową technologię pokryć luster diod laserowych. Trwają prace nad modyfikacją konstrukcji chłodnic laserowych z przeznaczeniem dla laserów dużej mocy optycznej. PODZIĘKOWANIE Praca była częściowo finansowana przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju (projekt N N515 3420 36) oraz z tematu statutowego ITME nr 07-10-1007-11 LITERATURA [1] Häusler K., Zeimer U., Sumpf B., Erbert G., Tränkle G.: Degradation model analysis of laser diodes, J. Mater. Sci: Mater. Electron, 19:S160-S164, (2008) [2] Zynek J., Maląg A.: Mechanizmy degradacji półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych, sprawozdanie ITME, (1999) [3] Dąbrowska E., Teodorczyk M., Sobczak G., Maląg A.: Badanie naprężeń wprowadzonych do diod laserowych podczas montażu za pomocą In oraz stopu eutektycznego AuSn, Materiały Elektroniczne, 4, 37, (2009) [4] Xia R., Larkins E.C., Harrison I., Dods S. R. A., Andrianov A., Morgan J., Landesman P.: Mountinginduced strain threshold for the degradation of highpower AlGaAs laser bars, IEEE Photonics Technology Letters, 14, 7, (2002) [5] Martin M., Avella M., Iňiguez M.P., Jimenez J., Oudart M., Nagle J., A physical model for the rapid degradation of semiconductor laser diodes, Applied Physics Letters, 93, 171106, (2008) [6] Sanayeh M. B., Jaeger A., Schmid W., Tautz S., Brick P., Streubel K., Bacher G.: Investigation of dark line defects induced by catastrophic optical damage in broad-area AlGaInP laser diodes, Applied Physics Letters, 89, 101111, (2006) [7] Jimenez J.: Laser diode reliability: crystal defects and degradation modes, C.R. Physique, 4, 663-673, (2003) [8] Ziegler M., Tomm J. W., Reeber D., Elsaesser T., Zeimer U., Larsen H. E., Petersen P. M., Andersen P. E.: Catastrophic optical mirror damage in diode lasers monitored during single-pulse operation, Applied Physics Letters, 94, 191101, (2009) [9] C. Chen, G. Xin, R. Qu, Z. Fang: Measurement of thermal rise-time of a laser diode based on spectrally resolved waveforms, Optics Communications, 260, 223-226, (2006) [10] Xia R., Larkins E. C., Harrison I., Dods S. R. A., Andrianov A., Morgan J., Landesman J.P.: Mounting-induced strain threshold for the degradation of high-power AlGaAs laser bars, IEEE Photonics Technology Letters, 14, 7, (2002) [11] Tomm J. W., Thamm E., Bärwolff A., Elsaesser T., Luft J., Baeumler M., Mueller S., Jantz W., Rechenberg I.: Facet degradation of high-power dioide laser arrays, Applied Physics A, Materials Science & Processing, 70, 377-381, (2000) [12] Martin A. M., Avella M., Iňiguez M. P., Jimenez J., Oudart M., Nagle J.: A physical model for the rapid degradation of semiconductor laser diodes, Applied Physics Letters, 93, 171106, (2008) MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 13

Pomiary rozkładu amplitudy i fazy akustycznej fali powierzchniowej... POMIARY ROZKŁADU AMPLITUDY I FAZY AKUSTYCZNEJ FALI POWIERZCHNIOWEJ W KRYSZTALE NdCa 4 O(BO 3 ) 3 Z WYKORZYSTANIEM SONDY ELEKTRYCZNEJ Ernest Brzozowski Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: ernest.brzozowski@itme.edu.pl Streszczenie: Skonstruowano sondę do pomiaru rozkładu amplitudy i fazy akustycznej fali powierzchniowej (AFP) w płaszczyźnie propagacji. Elektrodę sondującą wykonano w postaci wolframowej igły przesuwanej po polerowanej powierzchni kryształu piezoelektrycznego. Do odczytu wzmocnionego sygnału z elektrody sondującej wykorzystano analizator sieci. Za pomocą sondy zbadano rozkłady amplitudy i fazy w wiązce AFP dla wybranych orientacji kryształu NdCa 4 O(BO 3 ) 3. Słowa kluczowe: sonda, sonda elektryczna, kryształ piezoelektryczny, AFP Measurement of amplitude and phase dis tribution of surface acoustic wave in NdCa 4 O(BO 3 ) 3 crystal using electric probe sprzężenia elektromechanicznego. Do pomiaru tych rozkładów na powierzchni kryształu piezoelektrycznego można wykorzystać metalową igłę (elektrodę sondującą) przesuwaną po powierzchni [1]. Pole elektryczne towarzyszące AFP wzbudza w obwodzie elektrycznym igły prąd, którego natężenie i faza zależą od amplitudy i fazy AFP (Rys. 1). Na podstawie zmierzonego rozkładu amplitudy można wyznaczyć kierunek rozchodzenia się wiązki AFP oraz kąt przepływu mocy (KPM, Rys. 2). Pomiary fazy pozwalają natomiast na precyzyjne wyznaczenie prędkości fazowej przy swobodnej ścieżce propagacji AFP. Abstract: An electric probe for measurement of amplitude and phase distribution of surface acoustic wave (SAW) in propagation plane was developed. The probing electrode was formed as tungsten pin sliding on polished surface of piezoelectric crystal. For reading of electric signal from the electrode a network analyser was used. Amplitude and phase distributions in AFP beam were measured for chosen orientations of NdCa 4 O(BO 3 ) 3 crystal. Key words: electric probe, piezoelectric crystal, surface acoustic wave 1. WSTĘP Rozkłady amplitudy i fazy akustycznej fali powierzchniowej (AFP) w płaszczyźnie propagacji mają istotne znaczenie w projektowaniu podzespołów, ponieważ wpływają na parametry przetworników międzypalczastych (PM). W badaniach własności nowych kryształów piezoelektrycznych z wykorzystaniem AFP znajomość rozkładu amplitudy jest konieczna do poprawnego wyznaczenia współczynnika Rys. 1. Zasada działania sondy [1]. Fig. 1. Principle of electric probe [1]. Rys. 2. Wiązka AFP z niezerowym kątem przepływu mocy. Fig. 2. Non-zero power flow angle SAW beam. 14 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

E. Brzozowski 2. WYKONANIE SONDY ELEKTRYCZNEJ Elektrodę sondującą wykonano z zaostrzonego drutu wolframowego o długości 10 mm i średnicy 1 mm. Ostrzenie drutu przeprowadzono za pomocą drobnoziarnistej, diamentowej tarczy szlifierskiej wprawiając ją w ruch obrotowy z prędkością kątową ω, zarówno tarczę jak i drut (Rys. 3a). Ostrze elektrody sondującej już po zmontowaniu stanowiska pomiarowego uformowano tak, żeby średnica styku z powierzchnią kryształu była w przybliżeniu równa długości AFP. Średnica taka zapewnia maksymalnie efektywną zamianę mocy akustycznej na sygnał elektryczny [1]. (a) Elektrodę sondującą zamocowano do złącza SMA i usztywniono zalewając ją żywicą epoksydową (Rys. 3b), a następnie połączono z wejściem wzmacniacza za pomocą stalowego zacisku. Wzmacniacz, pracujący w układzie wtórnika emiterowego transformuje impedancję elektrody wynoszącą kilkaset kω na mniejszą, bliższą impedancji portu 50 Ω. Rys. 4. Schemat stanowiska do pomiarów sondą elektryczną. Fig. 4. Schematic illustration of instrumentation for electric probe measurements. (b) Rys. 3. Konstrukcja elektrody sondującej (a) oraz jej zamocowanie (b). Fig. 3. Electric probe fabrication (a) and handling (b). Stanowisko do pomiarów sondą elektryczną (Rys. 4) zostało wyposażone w stolik obrotowy z przesuwem X-Y regulowanym śrubami mikrometrycznymi, opuszczane ramię z regulacją siły nacisku, wzmacniacz, podświetlany mikroskop optyczny, czwórnik pomiarowy oraz analizator sieci (Agilent Technologies 8753ET). Wykorzystanie analizatora z funkcją szybkiej transformaty Fouriera i bramkowaniem sygnału w dziedzinie czasu pozwala usunąć zakłóceniowy sygnał bezpośredni. Elektrodę sondującą wraz ze wzmacniaczem zamocowano do ramienia z regulacją siły nacisku. Badane podłoża zmontowano do przepustów PCZ - 24. Połączenia doprowadzające sygnał elektryczny z analizatora do czwórnika wykonano z kabli RG174 i złączy lutowanych w standardzie SMA. Położenie w kierunku osi X kontrolowano z dokładnością 0,1 μm za pomocą mikrometrycznego czujnika odległości. AFP w badanych podłożach wzbudzano za pomocą przetworników międzypalczastych (PM) z dzielonymi elektrodami o konstrukcji przedstawionej na Rys. 5, na którym s jest szerokością elektrody; p jest okresem elektrod; N jest liczbą elektrod; w jest aperturą przetwornika; λ jest długością AFP. Dane przetwornika zebrano w Tab. 1. Elektrody wykona- MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 15

Pomiary rozkładu amplitudy i fazy akustycznej fali powierzchniowej... Rys. 5. Przetwornik międzypalczasty (PM). Fig. 5. Interdigital transducer (IDT). Tabela 1. Dane PM. Table 1. IDT data. λ [μm] 32 p [μm] 8 s [μm] 4 h Al [μm] 0,1 w [μm] 1600 N 254 Do badań wybrano płaszczyzny X i Y kryształu NdCa 4 O(BO 3 ) 3 (NdCOB) [2], na których wykonano przetworniki o orientacjach: XY20, XY30, YX10, YX20, YX40. Z rozważań teoretycznych wynika, że w orientacjach tych występuje niezerowy KPM. W zapisie orientacji pierwsza litera oznacza oś kryształu prostopadłą do płaszczyzny, druga litera oznacza drugą oś kryształu, a cyfra to kąt między osią PM, a drugą osią kryształu (Rys. 8c). Charakterystykę amplitudową dla przykładowej orientacji YX40 o w sytuacji kiedy sonda znajduje się w aperturze wiązki AFP i poza nią przedstawiono na Rys. 7. Różnica tłumienności ΔIL 1 wynosi ponad 25dB. Prezentowane przebiegi uzyskano po odcięciu zakłócającego sygnału bezpośredniego. no w procesie fotolitografii odwrotnej z aluminium o grubości h Al napylonego próżniowo. 3. POMIARY Średnica powierzchni, na której elektroda sondująca styka się z podłożem powinna być w przybliżeniu równa długości AFP [1]. Średnicę tę modyfikowano poprzez dociskanie elektrody sondującej do podłoża za pomocą ramienia z regulowaną siłą docisku. Najmniejszą tłumienność wtrącenia uzyskano przy spłaszczeniu ostrza elektrody dociskiem wynoszącym 150 N. Sondę justowano tak aby ruch elektrody odbywał się równolegle lub prostopadle do osi PM (Rys. 6). (a) (b) Rys. 6. Kierunek ruchu sondy nie justowanej (a) i justowanej (b). Fig. 6. Trace of unjustified (a) and justified (b) probe. Rys. 7. Charakterystyka amplitudowa sondy w aperturze wiązki AFP (a) i poza aperturą (b). Fig. 7. Amplitude response of electric probe immersed in SAW beam (a) and outside the beam (b) 16 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

E. Brzozowski (a) Rozkład amplitudy AFP wyznaczono poprzez pomiar tłumienności wtrąceniowej sondy w różnych punktach powierzchni kryształu. Otrzymany rozkład amplitud AFP przedstawiono na Rys. 8a. Na Rys. 8b przedstawiono ten sam rozkład, ale w perspektywie, z której widoczne jest odchylenie kierunku propagacji wiązki AFP od osi PM. Oś X pomiarowego układu odniesienia wybrano tak aby była równoległa do osi PM (Rys. 8d). Kierunek rozchodzenia się wiązki AFP wyznaczono obliczając położenie średniej ważonej : (1) (b) gdzie: n = 1,2,...,60; ΔIL n = IL n IL min. Przykładowy wykres = f(x) zamieszczono na Rys. 9. Rys. 9. Średnia ważona położenia amplitudy AFP w funkcji odległości na osi X. Fig. 9. Mean value of SAW amplitude versus distance at X axis. (c) (d) KPM obliczony z aproksymacji liniowej wynosi w tym przypadku arctg( 0,23 )= 13,1. Wyniki pomiarów KPM badanych orientacji zamieszczono w Tab. 2. Niepewność pomiaru określono na podstawie rozrzutów występujących w pięciokrotnym pomiarze próbki. Dla porównania zamieszczono wyniki Tabela 2. Wyniki pomiarów i obliczeń KPM. Table 2. PFA measurements and calculations results. Rys. 8. Rozkład amplitud AFP w płaszczyźnie Y przy wzbudzaniu PM o orientacji YX40 (a) i (b); położenie osi PM o orientacji YX40 względem kryształu (c); osie X, Y pomiarowego układu odniesienia (d). Fig. 8. SAW amplitude distribution in plane Y when excited by YX40 oriented IDT (a) and (b); relation between YX40 oriented IDT and crystal (c); X, Y coordinates used in the measurements (d). Kierunek orientacji Obliczenia stałe mat. [2] Obliczenia stałe mat. [3] Pomiar sondą igłową XY20 23 22 25 ±5 XY30 2,2 3,2 3,0 ±1,5 YX10-7,0-6,1-7,0 ±1,5 YX20-7,7-9,3-8,2 ±1,5 YX40-10,9-10,8-13,1 ±1,5 Niepewność pomiaru sondą igłową MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 17

Pomiary rozkładu amplitudy i fazy akustycznej fali powierzchniowej... obliczeń KPM na podstawie stałych materiałowych z [2] i stałych wyznaczonych w ITME [3]. Prędkość AFP przy powierzchni swobodnej wyznaczono z pomiaru zmian fazy w funkcji odległości od przetwornika w kierunku osi X. Przykładowe zmiany fazy przedstawiono na Rys. 10. Przy danej częstotliwości f 0 wyznaczano długość λ z pomiarów na drodze n λ, gdzie n = 100. Następnie korzystano ze wzoru: Rys. 10. Zmiany fazy w kierunku osi X. Fig. 10. Phase changes versus X direction. Zmierzone prędkości fazowe AFP zamieszczono w Tab. 3 wraz z prędkościami zmierzonymi w ITME [3]. Niepewność pomiaru Δv oszacowano na podstawie wzoru: Tabela 3. Wyniki pomiarów prędkości fazowej. Tabela 3. Phase velocity measurements results. (2) (3) 4. WNIOSKI Skonstruowana sonda elektryczna umożliwia pomiar rozkładu amplitudy i fazy AFP w płaszczyźnie propagacji. Na podstawie wyników pomiarów rozkładów można wyznaczyć prędkości fazowe i kąty przepływu mocy AFP. Wyznaczone w ten sposób parametry AFP pozostają w dobrej zgodności z obliczeniami teoretycznymi na podstawie znanych, wyznaczonych lub pochodzących z literatury stałych materiałowych. Zgodność ta potwierdza prawidłowość wyznaczenia stałych. Wyniki pomiarów swobodnej prędkości fazowej AFP również pozostają w dobrej zgodności z wynikami uzyskanymi na podstawie badań z wykorzystaniem linii opóźniających na krysztale NdCOB. Sonda elektryczna może zostać wykorzystana do badań kryształów, których stałe materiałowe nie są znane oraz do analizy pracy podzespołów z AFP. LITERATURA [1] Williamson R.C.: Improved electrostatic probe for measurement of elastic surface waves, IEEE Trans. Sonics Ultrason., SU-19, 4, 436-441, (1972) [2] Karaki T., Adachi M., Kuniyoshi Y.: Evaluation of material constants in NdCa 4 O(BO 3 ) 3 piezoelectric single crystal, J. Electroceram., 21, 1-4, 823-826, (2008) [3] Brzozowski E.: A method for correction of elastic and piezoelectric constants of crystals using measured surface acoustic wave parameters, Materiały Elektroniczne, 39, 2, 8-13, (2011) Kierunek w krysztale Pomiar [3] Pomiar sondą igłową Niepewność pomiaru sondą igłową [m/s] XY20 3160 3163,1 ±3 XY30 3334 3335,4 ±1,5 YX10 3483 3482,8 ±1,0 YX20 3377 3376,3 ±1,0 YX40 3180 3179,2 ±1,0 18 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012

R. Kozłowski, P. Kamiński, J. Żelazko WYZNACZANIE KONCENTRACJI CENTRÓW DEFEKTOWYCH W PÓŁPRZEWODNIKACH WYSOKOREZYSTYWNYCH NA PODSTAWIE PRĄŻKÓW WIDMOWYCH LAPLACE A OTRZYMYWANYCH W WYNIKU ANALIZY RELAKSACYJNYCH PRZEBIEGÓW FOTOPRĄDU Roman Kozłowski, Paweł Kamiński, Jarosław Żelazko Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych ul. Wólczyńska 133, 01-919 Warszawa; e-mail: roman.kozlowski@itme.edu.pl Streszczenie: Przedstawiono procedurę wyznaczania koncentracji centrów defektowych w półprzewodnikach wysokorezystywnych na podstawie prążków widmowych Laplace a otrzymywanych w wyniku analizy relaksacyjnych przebiegów fotoprądu. Stwierdzono, że intensywność prążka Laplace a jest proporcjonalna do amplitudy składowej wykładniczej przebiegu relaksacyjnego związanej z termiczną emisją nośników ładunku z centrów defektowych o określonych właściwościach. Nową procedurę wykorzystano do określenia koncentracji wybranych radiacyjnych centrów defektowych w krzemowej warstwie epitaksjalnej napromieniowanej dawką protonów równą 1,7 x 10 16 cm -2, a także w objętościowym monokrysztale krzemu, otrzymanym metodą Czochralskiego w polu magnetycznym (MCz Si), napromieniowanym różnymi dawkami wysokoenergetycznych neutronów. Stwierdzono, że koncentracja radiacyjnych pułapek TX1 (69 mev), identyfikowanych z kompleksami C i C s w krzemowej warstwie epitaksjalnej wynosi 2,5 x 10 15 cm -3. Koncentracja pułapek TA6 (410 mev) identyfikowanych z lukami podwójnymi V 2 (-/0) w MCz Si napromieniowanym dawkami neutronów 3 x 10 15 cm -2 i 1 x 10 16 cm -2 wynosi odpowiednio 4,0 x 10 14 cm -2 i 5,5 x 10 14 cm -3. Słowa kluczowe: HRPITS, radiacyjne centra defektowe, Si, procedura Laplace a Determining defect center concentration in high-resistivity semiconductors from the Laplace spectral fringes obtained by the analysis of the photocurrent relaxation waveforms A new procedure for determining the defect center concentration from the Laplace spectral fringes, obtained as a result of analysis of the photocurrent waveforms, has been developed. It was found that the intensity of a Laplace spectral fringe is proportional to the amplitude of the exponential component of the relaxation waveform related to the thermal emission of charge carriers from a defect center with the given properties. The procedure is exemplified by the determination of the concentrations of selected radiation defect centers in an epitaxial layer of Si irradiated with a proton fluence of 1.7 x 10 16 cm -2, as well as in samples of MCz Si irradiated with high energy neutrons. It was found that in the epitaxial layer, the concentration of the TX1 (69 mev) trap attributed to the C i C s complex is 2.5 x 10 15 cm -3. In the latter material, the concentrations of the TA6 (410 mev) trap, identified with divacancies V 2 (-/0), were found to be 4 x 10 14 and 5.5 x 10 14 cm -3 for the fluences of 3 x 10 15 and 1 x 10 16 cm -2, respectively. Key words: HRPITS, radiation defect centres, Si, Laplace procedure 1. WPROWADZENIE Niestacjonarna spektroskopia fotoprądowa o wysokiej rozdzielczości (High-Resolution Photoinduced Transient Spectroscopy - HRPITS) jest efektywną metodą określania parametrów centrów defektowych w półprzewodnikach wysokorezystywnych. Opracowany i wdrożony w ITME system pomiarowy umożliwia uzyskiwanie wyników na najwyższym poziomie światowym [1-2]. Nieprzerwanie prowadzone są również prace badawcze w kierunku zwiększenia rozdzielczości metody oraz opracowania algorytmu wyznaczania koncentracji centrów defektowych. W artykule przedstawiono sposób określania koncentracji centrów defektowych wykrywanych metodą HRPITS w półprzewodnikach wysokorezystywnych w oparciu o intensywność prążków Laplace a otrzymywanych w wyniku analizy relaksacyjnych przebiegów fotoprądu zmierzonych w zadanym zakresie temperatur. Dla zilustrowania tego sposobu MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012 19

Wyznaczanie koncentracji centrów defektowych w półprzewodnikach wysokorezystywnych... wyznaczono koncentrację wybranych radiacyjnych centrów defektowych w krzemowej warstwie epitaksjalnej napromieniowanej protonami oraz w objętościowym monokrysztale Si napromieniowanym neutronami. Nowy sposób określania koncentracji centrów defektowych znacznie rozszerza możliwości badawcze metody HRPITS. W szczególności pozwala na badanie procesów anihilacji i transformacji defektów obserwowanych poprzez zmiany ilościowe w strukturze defektowej materiału. do stałej sieci krystalicznej, charakteryzujących się funkcjami falowymi krótkiego zasięgu. 2. MODEL Wyznaczanie parametrów centrów defektowych metodą HRPITS dokonywane jest na podstawie relaksacyjnych przebiegów fotoprądu wywołanych termiczną emisją nośników ładunku, które rejestrowane są w szerokim zakresie temperatur. Zapełnianie tych centrów nadmiarowymi nośnikami ładunku zachodzi poprzez impulsowe oświetlanie próbki promieniowaniem o określonej długości fali. Na Rys. 1 przedstawiono model pasmowy półprzewodnika z uwzględnieniem związanego z pułapkami elektronowymi poziomu pułapkowego E T, położonego w górnej części przerwy energetycznej, oraz poziomu rekombinacyjnego E R, położonego w pobliżu środka przerwy zabronionej. W modelu tym założono, że poziomy E T i E R są reprezentatywne dla defektów punktowych, których wielkość jest porównywalna Rys. 1. Model pasmowy półprzewodnika przyjęty do określenia wyrażenia opisującego relaksacyjny przebieg fotoprądu związany z termiczną emisją elektronów z pułapek E T zapełnianych w wyniku optycznej generacji par elektron-dziura z szybkością G. Poziom E R jest poziomem rekombinacyjnym, determinującym czas życia nadmiarowych nośników ładunku. Fig. 1. Model of a semiconductor bandgap assumed for determining the photocurrent relaxation waveform related to the thermal emission of electrons from traps E T filled due to optical generation of electron-hole pares. G denotes the rate of the excess carrier concentration and E R is the level related to a recombination center controlling the lifetime of the carriers. Rys. 2. Przekrój poprzeczny próbki stosowanej do badania centrów defektowych metodą HRPITS. Widoczny jest obszar, w którym następuje zmiana obsadzenia centrów defektowych w wyniku generacji nadmiarowych nośników ładunku wskutek działania strumienia fotonów Φ o energii h > E g. Głębokość tego obszaru równa jest sumie odwrotności współczynnika absorpcji α i długości drogi dyfuzji L D. Fig. 2. Cross section of a sample used for investigation of defect centers by HRPITS technique. The region in which the occupation of defect centers changes due to the generation of excess charge carriers by the flux Φ of photons with the energy h > E g is visualized. The depth of region is equal to the sum of the reciprocal of the absorption coefficient α and the diffusion length L D. Na Rys. 2 pokazano przekrój poprzeczny próbki półprzewodnika o wysokiej rezystywności z dwoma planarnymi kontaktami omowymi. Po włączeniu impulsu oświetlającego na obszar pomiędzy kontaktami omowymi pada strumień fotonów Φ o energii hν > E g i można przyjąć, że w obszarze o objętości określonej szerokością kontaktów, odległością pomiędzy kontaktami oraz głębokością w= 1/α, gdzie α jest współczynnikiem absorpcji materiału, generowane są pary elektron-dziura ze średnią szybkością G m. Należy dodać, że szybkość generacji nadmiarowych nośników ładunku jest funkcją odległości od powierzchni próbki, którą można opisać równaniem [3-4]: G(y) = G 0 e -ay (1) gdzie G 0 jest szybkością generacji w obszarze przypowierzchniowym próbki. Parametr G 0 zależny jest od właściwości materiału oraz od energii i strumienia 20 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE (Electronic Materials), T. 40, Nr 1/2012