Электро-, термо- и фотоактивирующие процессы при прогнозировании и обеспечении требуемых энергочастотных и деградационных параметров светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N Евсеенков Антон Сергеевич

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В современной электронной промышленности активно используются твердые растворы полупроводниковых соединений A^IIIB^V. Особое место данная материальная база заняла в создании светодиодов (СД) и HEMT (High Electron Mobility Transistor) транзисторов. При росте генерируемой световой и СВЧ (сверхвысокие частоты) мощности на первое место в таких приборах выходит проблема влияния процессов самонагрева в результате токопереноса, а также изменения температур внешней среды и рабочей области гетероструктуры на характеристики прибора. При длительной эксплуатации прибора существенным является вопрос деградации и надежности. Характеристики прибора в этом случае могут выйти за пределы технического задания, в результате чего возможен отказ всей функциональной системы, что является недопустимым для данного класса приборов.

Одним из наиболее важных преимуществ твердых растворов AlxGa1-xN при создании светоизлучающих приборов является возможность управления шириной запрещенной зоны в широком диапазоне – от 3,4 до 6,2 эВ за счет регулирования в твердом растворе доли нитрида алюминия (при увеличении его доли ширина запрещенной зоны растет, что позволяет уменьшить длину волны излучения). Это позволяет создавать светодиоды и ультрафиолетового, и видимого диапазона. Кроме того, этот диапазон можно расширить, используя квантовые ямы и другие конструктивные особенности гетероструктур. Это дает существенные преимущества по сравнению со светодиодами на основе арсенидов, на основе которых невозможно получить коротковолновые излучатели, в связи со слишком малой шириной запрещенной зоны.

СВЧ-генерирующие гетероструктуры на основе нитридов системы AlxGa1-xN также
актуальны для применения в СВЧ усилительных устройствах. Это объясняется
совокупностью достоинств гетероструктур на основе нитридов перед

гетероструктурами на основе более узкозонных материалов, к примеру арсенидами.
Высокие концентрации электронов канале в сочетании с большой удельной
мощностью и повышенными пробивными напряжениями позволяют обеспечить в
СВЧ-генерирующих гетероструктурах на основе GaN на порядок раз большую
плотность мощности, чем с применением ближайших аналогах внутри той же группы
материалов A^IIIB^V - гетероструктурах на основе арсенидов. Благодаря этому
представляется возможным упрощение топологии интегральных микросхем
усилителей мощности, повышение мощности, эффективности, а также

миниатюризация конечных устройств. На сегодняшний день технологии создания устройств на основе нитридов развились достаточно для широкого практического применения мощных СВЧ-генерирующих гетероструктур и монолитных интегральных схем в промышленном производстве.

И в светоизлучающих, и в СВЧ-генерирующих приборах на основе нитридов одним из важнейших вопросов является их деградация при длительной эксплуатации. В этом случае характеристики устройства могут выйти за пределы допустимых значений, а в худшем случае произойдет отказ прибора в целом. Таким образом, оперативная оценка качества и стабильности устройства является приоритетной задачей при создании нитридных транзисторов и светодиодов.

Целью исследования являлась разработка методов оценки и прогнозирование качества и управления энергетическими характеристиками мощных светоизлучающих и СВЧ приборов на основе твердых растворов системы (AlGaIn)N.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка метода прогнозирования качества светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов системы (AlGaIn)N за счет применения многоступенчатой электротренировки (электростимуляции)

2. Разработка метода прогнозирования и обеспечения требуемых энергочастотных параметров светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов системы (AlGaIn)N за счет применения термотренировки (термостимуляции)

3. Разработка метода прогнозирования качества светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов системы (AlGaIn)N за счет применения фотоактивации (фотостимуляции).

4. Уменьшение степени деградации светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гете-роструктур на основе твердых растворов системы (AlGaIn)N и определение основных причин деградации устройств.

Объектом исследования являлись светоизлучающие и СВЧ-генерирующие гетероструктуры на основе твердых растворов (AlGaIn)N.

Предметом исследования являлись свойства и характеристики созданных светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N.

Методы исследования. При выполнении работы использовались

экспериментальные методы исследований, в том числе измерение и анализ
электрических, температурных, фотоэлектрических и иных характеристик

светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N, а также сопоставление полученных результатов с литературными либо расчетными данными.

Основные положения, выносимые на защиту направленны на системное взаимодополняющее исследование процессов термической, электрической и фотостимуляции в качестве эффективных технолого-диагностических факторов для прогнозирования и обеспечения требуемых энергочастотных и деградационных параметров приборов на постростовом этапе технологии создания гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N:

5. Экспериментально установлено, что при создании мощных светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N многоступенчатая электротренировка (электростимуляция) является эффективным методом прогнозирования качества гетероструктуры на постростовом этапе технологии за счет контроля интенсивности возникающих процессов ускоренной деградации.

6. Экспериментально установлено, что при создании мощных светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N предварительная термотренировка (термостимуляция) значительно снижает проявление эффекта саморазогрева активных областей приборов и, как следствие, улучшает их энергочастотные характеристики, а также обеспечивает увеличение сроков эксплуатации при минимизации деградационных процессов.

7. Экспериментально установлено, что при создании мощных СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N фотостимуляция границы раздела AlGaN/Si3N4 в диапазоне от 280 до 600 нм, обеспечивающая контролируемую оптическую активацию поверхностных ловушек, является эффективным методом

прогнозирования качества гетероструктуры на постростовом этапе технологии,
определяя необходимость дополнительного использования процедуры

термостимуляции с целью обеспечения требуемых энергочастотных и деградационных характеристик приборов.

Научная новизна работы определяется следующими положениями:

8. Проведен комплексный анализ факторов, влияющих на энергочастотные и деградационные параметры мощных светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N, что позволило разработать методы создания данного класса приборов с заданными характеристиками.

9. Разработаны методики быстрого анализа энергочастотных и деградационных параметров светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N и методики контроля их качества на основе анализа отклика на стимуляционные воздействия.

10. Разработан метод повышения равномерности распределения энергочастотных параметров светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N внутри производственных партий приборов.

11. Разработаны стимуляционные методики контроля светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N, позволяющие совершать их отбраковку на постростовом технологическом этапе производства.

Обоснованность и достоверность полученных научных результатов

подтверждается сопоставлением полученных экспериментально данных с

результатами измерений независимыми методами и современными литературными данными.

Научная и практическая значимость работы сводится к следующему:

12. Разработан метод оценки качества и деградационной устойчивости светоизлуча-ющих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N через оценку температуры рабочей области.

13. Разработаны методы управления энергочастотными характеристиками мощных светоизлучающих и СВЧ- генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N.

14. Разработаны методики ускоренных испытаний светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N, которые имитировали деградацию устройств в рабочем режиме эксплуатации в течение длительного времени и способные выявить основные причины деградации гетероструктур.

15. Разработан метод уменьшения степени деградации светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N за счет применения методики термостимуляции.

16. Разработан метод диагностики качества структур посредством фотостимуляции, позволяющий оценить необходимость использования дополнительных технологических операций, оказывающих термостимуляционный эффект

17. Созданы светоизлучающие и СВЧ-генерирующие гетероструктуры на основе твердых растворов (AlGaIn)N с улучшенными энергочастотными и деградационными характеристиками

18. Повышена однородность распределения энергочастотных параметров СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N, созданных на подложках Al2O3 или SiC внутри одной партии приборов, а также повышен выход годных устройств

8. Создана тест-система для измерения основных энергочастотных и деградацион-ных параметров светоизлучающих и СВЧ-генерирующих гетероструктур на основе твердых растворов (AlGaIn)N, и диагностики их качества.

Внедрение результатов исследования

Результаты работы используются при производстве светодиодов и транзисторов, и их диагностики в АО «Светлана-Электронприбор», чтении лекций, проведении практических занятий и включены в цикл лабораторных работ по дисциплинам «Квантовая и оптическая электроника», «Полупроводниковые оптоэлектронные приборы» и «Фотоника» бакалаврской и магистерской подготовок по направлению «Электроника и наноэлектроника» на кафедре Микро- и наноэлектроники СПбГЭТУ «ЛЭТИ».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

5th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-5) (Saint-Petersburg, 2012 г.);

14-ая Международная научная конференция Физика Диэлектриков, С.-Петербург, Россия, РГПУ им. А.И. Герцена

International Conference on Optoelectronics, Photonics, Engineering and Nanostruc-tures «Saint-Petersburg OPEN 2015-2017» (Saint-Petersburg, 2015-2017 гг.);

IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW) 2014, 2015, 2016, 2017

Международная Зимняя Школа по физике полупроводников. (Санкт-Петербург-Зеленогорск, 2015 г.)

— Конференции по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга
и Северо-Запада «Физика.СПб» (Санкт-Петербург, 2014-2017 гг.);

I-ый Всероссийский научный форум «Наука будущего - наука молодых», ПРО-РЕГИОН (г. Севастополь, 2015 г.)

14-я, 15-я, 16-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и нано-систем» (Санкт-Петербург, 2012 - 2015 гг.);

67-я, 68-я, 69-я, 70-я, 71-ая Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 20 научных статьях, 12 из которых зарубежные, индексируемые в базах данных Web of Science и Scopus, 6 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в перечне ВАК, 2 статьи в других журналах.

В список работ также входит 2 объекта интеллектуальной собственности.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка используемой литературы, включающего 75 наименований. Общий объем работы составляет 93 страницы машинописного текста. Работа содержит 76 рисунков и 5 таблиц.