ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ імені В. Є. ЛАШКАРЬОВА

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ

ВЕЛЕЩУК ВІТАЛІЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 621.383:621.381.2,

534.2, 535.376, 535.211

АКУСТИЧНА ЕМІСІЯ В СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧИХ СТРУКТУРАХ НА ОСНОВІ СПОЛУК GaP, GaAs та GaN

01.04.07 – фізика твердого тіла

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ 2008

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова Національної Академії наук України

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор

Власенко Олександр Іванович,

Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова

Національної Академії наук України,

заступник директора з наукової роботи,

завідувач відділу проблем дефектоутворення і

нерівноважних процесів в складних напівпровідниках

Науковий консультант кандидат фізико-математичних наук,

доцент, старший науковий співробітник

Ляшенко Олег Всеволодович,

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка,

старший науковий співробітник кафедри загальної фізики

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Сукач Георгій Олексійович,

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій,

завідувач кафедри фізики

доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Прокопенко Георгій Іванович,

Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова

Національної Академії наук України,

завідувач відділу акустики твердого тіла

Захист відбудеться “20” червня 2008 р. о 1415 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України за адресою: 03028, Київ-28, проспект Науки, 41

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України: 03028 Київ-28, проспект Науки, 45

Автореферат розіслано “___” ___________ 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук О.Б. Охріменко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Питання про максимальну надійність напівпровідникових приладів електронної техніки, та можливість використання їх при максимально досяжних фізико-технічних параметрах або в екстремальних умовах постійно приковує увагу як технологів так і дослідників. Саме наявність процесів деградації та дефектоутворення, різноманітних флуктуаційних процесів та невизначеність порогових параметрів при дії зовнішніх полів використовуваних структур накладає конкретні обмеження на їх практичні застосування. Вирішення даних проблем перш за все базується на дослідженні фізичних причин дефектоутворення, динаміки дефектів та трансформації функціональних параметрів напівпровідникових структур та пристроїв на їх основі.

Одним із небагатьох незалежних неруйнівних тонких експериментальних методів, що можуть не тільки виявити, але й визначити характер і напрям цих процесів в кристалах і функціональних структурах приладу є метод акустичної емісії (АЕ) [1], що базується на реєстрації акустичних імпульсів шумового характеру від внутрішніх джерел, в тому числі при зовнішньому статичному чи динамічному їх навантаженні, зокрема при зародженні та русі дислокацій, при зриві внутрішніх механічних напруг, руйнуванні кристалу тощо.

В останні роки в зв’язку з розвитком енергозберігаючих технологій та пошуком альтернативних надійних, ефективних та дешевих джерел освітлення значно зріс практичний та науковий інтерес до люмінесцентних твердотільних структур.

Проте при виготовленні діодних та лазерних гетероструктур на основі сполук А3В5 і твердих розчинів на їх основі та їх експлуатації при критичних режимах слід враховувати неоднорідність електричного струму по перерізу структури завдяки геометричній конфігурації контактів, а також різницю модулів пружних сталих, коефіцієнтів лінійного термічного розширення та сталих граток на границях гетеропереходів, теплового опору активного середовища та тепловідводу. Це призводить при протіканні струму до значних градієнтів температур і відповідно до значних термомеханічних напруг (до 107 Па) [2], що є причиною небажаної локальної мікропластичності матеріалу при критичних густинах струму в умовах джоулевого саморозігріву. Дані локальні ділянки структури, де відбувається релаксація механічних напруг при протіканні струму та нагріві є джерелами акустичної емісії [3]. Мікропластичність напівпровідникових структур також може бути зумовлена наявністю в об’ємі структури включень основних компонент [4] та домішок.

Вищесказане значно прискорює деградацію їх люмінесцентних та електричних характеристик, знижує коефіцієнт корисної дії, ефективність та тривалість функціонування. Оскільки початок деградаційних процесів виявляється та контролюється методом АЕ, то звідси випливає, що спостереження АЕ в об’єктах електронної техніки є важливою практичною задачею.

З наукової точки зору вивчення процесів АЕ і її застосування у фізичних дослідженнях може вирішити одну із фундаментальних проблем фізики твердого тіла – виявлення в режимі реального часу і встановлення домінуючих процесів природної та стимульованої зовнішніми фізичними полями трансформації системи протяжних дефектів, в тому числі пластичної деформації кристалічних матеріалів. Необхідно підкреслити, що на даний момент практично не існує інших неруйнівних експрес – методів спостереження динаміки протяжних дефектів та просторово – часової еволюції дефектної підсистеми, окрім методу АЕ.

Оскільки на сьогодні майже відсутня практично важлива інформація про процеси акустичної емісії в світловипромінюючих структурах на основі сполук А3В5, зумовленої перебудовою дефектної підсистеми в складних напівпровідниках та напівпровідникових структурах, дана проблематика є безумовно актуальною. Актуальність цієї тематики зумовлена і тим що в Україні існує потужний науково-технічний потенціал в галузях напівпровідникового матеріалознавства та приладобудування, тому використання ефективних і дешевих методів неруйнівного експрес-контролю фізичних характеристик і робочих параметрів матеріалів та структур електронної техніки є безперечно важливою науковою і практичною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно тем плану НДР ІФН імені В.Є. Лашкарьова НАНУ
по темах:

1. № IІІ-10-06 ”Розробка методів акустоемісійного контролю порогових процесів в напівпровідникових матеріалах і структурах”, державний реєстраційний номер теми 0106U000657;

2. № III-41 “Фізичні та фізико-технологічні аспекти створення і характеризації напівпровідникових матеріалів і структур сучасної електроніки”, державний реєстраційний номер теми 0107U002258;

3. № III-2-06 “Дослідження механізмів генерації і перетворення випромінювання в напівпровідникових низькорозмірних електронних і фотонних системах”, державний реєстраційний номер теми 0106U000993;

4. № І-2.1.1-08 “Розроблення і створення акустоемісійного експрес-методу контролю і прогнозування надійності напівпровідникових матеріалів і структур“, державний реєстраційний номер теми 0108U003198.

Метою роботи є виявлення особливостей виникнення АЕ в світловипромінючих структурах на основі сполук GaP, GaAs та GaN при протіканні постійного прямого струму і в процесі їх природного старіння та встановлення взаємозв'язку акустичної емісії зі змінами їх електричних та оптичних характеристик.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

1. Дослідити динаміку акустичної емісії в світловипромінюючих структурах на основі сполук GaP, GaAs та GaN при впливі постійного прямого електричного струму.

2. Встановити вплив природного старіння світловипромінюючих структур на основі сполук GaP та GaAs на динаміку АЕ.

3. Дослідити кореляцію акустичної емісії зі змінами електричних і оптичних характеристик світловипромінюючих структур.

4. Встановити зв'язок між порогом плавлення сполук GaAs і CdTe та зміною амплітуди індукованого акустичного відгуку при наносекундному лазерному опроміненні.

Об'єкт дослідження: акустична емісія в світловипромінюючих структурах на основі сполук GaP, GaAs та GaN.

Предмет дослідження: процеси акустичної емісії, викликані деградаційними та релаксаційними процесами в напівпровідникових структурах на основі GaAsP, GaAlAs та GaN при дії постійного прямого струму та в напівпровідникових сполуках GaAs і CdTe при дії імпульсного наносекундного лазерного опромінення.

Методи дослідження: основним експериментальним методом дослідження був метод акустичної емісії. Крім того використовувались інші сучасні вимірювальні методики, що включали, зокрема, визначення структурних характеристик досліджуваних об’єктів (оптична мікроскопія), електрофізичних параметрів (вольт-амперні, вольт-фарадні характеристики (ВАХ та ВФХ)) та оптичних характеристик (спектри та інтенсивність електролюмінесценції (ЕЛ)).

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше встановлено, що на динаміку спрацювання джерел АЕ в світловипромінюючих гетероструктурах на основі сполук GaAsP та GaAlAs мають значний вплив процеси природного старіння, які за час 6·108 с. зменшують сумарну АЕ та інтенсивність АЕ, підвищують у 10-20 разів максимально допустимі густини струмів, зокрема густини струмів руйнування та поріг виникнення АЕ, а також змінюють тип АЕ з неперервної на дискретну.

2. Виявлено, що на динаміку спрацювання джерел АЕ в гетероструктурах має значний вплив швидкість покрокової зміни струму – при збільшенні амплітуди струмового навантаження та зменшення часу витримки поріг виникнення АЕ зсувається в область менших струмів, сумарна емісія та інтенсивність АЕ різко зростають, а значення струмів, що відповідають руйнуванню, значно знижується.

3. Кореляція між процесами виникнення акустичної емісії та змінами люмінесцентних та електричних характеристик структур на основі сполук GaP та GaN вказує на загальний спільний механізм їхнього походження – виникнення та зміна стану протяжних структурних дефектів, що є джерелами акустичної емісії.

4. Виявлено, що спектри електролюмінесценції GaAsP структур можуть визначатись не тільки релаксованим станом точкових дефектів, але й поточним, у тому числі і нерівноважним, станом дефектної структури кристалу в цілому.

5. Встановлено, що на основі додаткових механізмів акустичного випромінювання можна визначити поріг плавлення монокристалів напівпровідникових сполук GaAs та CdTe при імпульсному лазерному опроміненні.

Практичне значення одержаних результатів.

1. Запропоновано методику одночасної реєстрації сигналів АЕ, осциляцій квантового виходу та флуктуацій струму, а також еволюції спектрів електролюмінесценції та деградації ВАХ, що дозволяє отримати набір параметрів для коректної ідентифікації джерел АЕ.

2. Вдосконалено методику покрокового підвищення електричного струму через світловипромінюючі структури при дослідженні акустичної емісії, а саме в статистично великій групі зразків кількісно встановлено оптимальні режими покрокової зміни струму для впевненого спрацювання в часі всіх потенційно активних (для даної густини струму) джерел АЕ.

3. Запропоновано неруйнівний експрес-метод контролю світловипромінюючих структур та приладів, який дозволяє в режимі реального часу по порогу виникнення АЕ зафіксувати в них деградаційні та релаксаційні процеси як в умовах тривалого зберігання, так і в умовах експлуатації при пропусканні постійного прямого струму і визначити індивідуальні максимальні параметри їх використання, зокрема максимальну густину струму, що передує руйнуванню та спрогнозувати надійність.

4. Для світловипромінюючих структур на основі сполук GaP, GaAs та GaN методом АЕ виявлено механізм деградації, пов'язаний з локальною термопластичною деформацією внаслідок нерівномірного розподілу густини струму по перерізу структури.

5. Для лазерних технологій розроблено акустоемісійний метод встановлення порогів плавлення напівпровідникових кристалів, зокрема GaAs та CdTe, по зміні амплітуди та енергії акустичного випромінювання при наносекундному імпульсному лазерному опроміненні.

Результати роботи можуть бути використані при розробці моделей та теорії АЕ, при прогнозуванні надійності світловипромінюючих структур, а також для індивідуального попереднього відбору світловипромінюючих гетероструктур та при контролі процесів їх катастрофічно-швидкої деградації при експлуатації в екстремальних умовах та критичних режимах.

Частина матеріалів дисертації була використана в лекційних курсах Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Особистий внесок здобувача. Внесок здобувача в отримання наукових результатів полягає в наступному: постановка окремих задач [1, 2, 9, 24, 28, 30, 33], вибір об’єктів досліджень [1, 2, 7, 24, 28, 31, 32], створення [1, 2, 11, 27, 28, 30, 31, 32] та вдосконалення [9, 10, 22, 23, 29, 33] експериментальних методик, зокрема комп’ютеризація [9, 23, 33], виконання експериментів та вимірювань акустичної емісії. Здобувачеві частково належать також аналіз та теоретичне узагальнення даних, накопичених в результаті проведених досліджень, в тому числі опублікованих разом із співавторами [1-33]. Постановка задач, обговорення результатів та їх аналіз були проведені спільно з науковим керівником та науковим консультантом. Більшість наукових положень та висновків сформульовані автором особисто. Здобувач брав участь в обговоренні та написанні статей [1-14], особисто представляв результати досліджень на конференціях [10, 11, 19, 25-33].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на наступних міжнародних та державних конференціях:

Int. Conf. “Spectroscopy in Special Applications” (Kyiv, 18-12 June 2003), Int. School-Seminar Spectroscopy of Molecules and Crystal, (XVI – Sevastopol, 25.05-01.06. 2003; XVII – Beregove, 20.09–26.09. 2005; XVIII – Beregove, 20.09–27.09. 2007),
Int. Conf. “Functional Materials”, (Crimea, Partenit, 6 – 11 October 2003), Міжнародна конференція СЭМСТ – 1, (Одеса, 1-5 червня 2004), 2 та 3 Українська наукова конференція з фізики напівпровідників УНКФН (2 – Чернівці-Вижниця 20-24 вересня 2004; 3 – Одеса 17 – 22 червня 2007), Int. Conf “Problems of Optics and High Technology Material Science, SPO”, Kyiv (IV conf. – 23-26 October 2003; V conf. –
28-31 October 2004; VI conf. – 27-30 October 2005; VII conf. – 26-29 October 2006; VIII conf. – 25-28 October 2007), Int. Conf. “Noise and Fluctuations”, ICNF (18th conf. – Salamanca, Spain, 19-23 September 2005; 19th conf.- Tokio, Japan, 9-14 September 2007), The international workshop “Intense Laser-Matter Interaction and Pulse Propagation” (Dresden, Germany, 15-19 August 2005), 5-а Національна науково-технічна конференція і виставка “Неруйнівний контроль та технічна діагностика” (Київ, 10-14 квітня 2006), Міжнародна науково-практична конференція “Структурна релаксація в твердих тілах” (Вінниця, 13-15 травня 2003 та 23-25 травня 2006), Конференція молодих вчених з фізики напівпровідників “Лашкарьовські читання” (Київ, 25-26 квітня 2007).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 33 роботи, в тому числі
8 статей в провідних вітчизняних та закордонних фахових журналах [1-8],
6 в збірниках наукових праць [9-14] та 18 тез доповідей конференцій [15-33].

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів та висновків, містить 149 сторінок тексту, основний текст дисертації викладено на 120 сторінках, в тому числі 34 рисунки, з них 8 на окремих аркушах, та список використаних джерел (190 найменувань).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовується актуальність теми досліджень, визначається мета і задачі роботи, формулюється наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведено огляд літератури з проблем експериментального вивчення акустичної емісії і процесів дефектоутворення та старіння в напівпровідниках та напівпровідникових структурах. Проведений аналіз показує, що на сьогодні в літературних джерелах майже відсутня інформація щодо процесів акустичної емісії та ідентифікації джерел АЕ в складних напівпровідникових матеріалах і структурах, зокрема в світловипромінюючих. Також вказується на факт неузгодження літературних даних по визначенню порогу плавлення монокристалів GaAs та CdTe при інтенсивному наносекундому лазерному опроміненні при ідентичних умовах експерименту. Відображено сучасний стан проблематики досліджень АЕ.

Другий розділ містить опис використовуваних в роботі експериментальних методик реєстрації акустичної емісії та методів, використовуваних для вивчення кореляції між АЕ та трансформацією електричних та люмінесцентних властивостей світловипромінюючих структур на основі сполук А3В5. Основним експериментальним методом дослідження таких структур був метод акустичної емісії з вдосконаленою методикою покрокового підвищення постійного прямого струму. Було використано модернізовану і комп’ютеризовану методику для одночасної реєстрації сигналів АЕ, осциляцій квантового виходу і флуктуацій струму, а також еволюції спектрів електролюмінесценції та деградації ВАХ
в світловипромінюючих структурах.

Реєстрація акустичних сигналів АЕ здійснювалась пєзодатчиками з комплекту двоканального акустоемісійного приладу АФ-15 в смугах частот 20–200 кГц,
200–500 кГц та 500–1000 кГц. При підсиленні 70...85 дБ електричні сигнали неперервної АЕ реєструвалися внутрішнім суматором приладу АФ-15 як інтенсивність, а сигнали дискретної високоенергетичної АЕ з виходу пікового детектора АФ-15 реєструвались самописцем або комп’ютером та оброблялись відповідним програмним забезпеченням.

Було запропоновано неруйнівний експрес-метод контролю світловипромінюючих структур та приладів, який дозволяє в режимі реального часу по порогу виникнення АЕ зафіксувати в них деградаційні та релаксаційні процеси як в умовах тривалого зберігання, так і в умовах експлуатації при пропусканні постійного прямого струму. Метод дозволяє визначити індивідуальні максимальні параметри їх використання, зокрема максимальну густину струму, що передує руйнуванню та спрогнозувати надійність.

Було розроблено акустоемісійний метод встановлення порогів плавлення напівпровідникових кристалів, зокрема GaAs та CdTe, по зміні амплітуди та енергії акустичного випромінювання при наносекундному імпульсному лазерному опроміненні.

Третій розділ дисертації присвячений дослідженню акустичної емісії в світловипромінюючих структурах на основі сполук GaAsP, GaP, GaAlAs, GaN при покроковому навантаженні постійним прямим струмом.

В ході досліджень було встановлено, що типова порогова густина струму Jпор, яка відповідала виникненню АЕ в досліджуваних p+-p-n-структурах на основі Ga0,7Al0,3As та Ga0,65Al0,35As, n+-n-p-структурах на основі GaAs0,15P0,85 (рис. 1. а) та в p-n-структурі GaP становить 70, 80, 60, 60 А/см2 відповідно та значно перевищує Jном та Jmax,I для цих структур (табл. 1).

Було також виявлено, що густина струму Jруйн, що відповідає руйнуванню більшості структур, перевищувала Jпор, і складала: для n+-n-p-структур GaAs0,15P0,85, p+-p-n-структур Ga0,7Al0,3As (рис. 1. б) та p-n-структур GaP – 160 А/см2, для p+-p-n-структур Ga0,65Al0,35As – 200 А/см2 (див. табл. 1).

Відмітимо, що у порівнянні з дослідженнями, проведеними раніше через проміжки часу в 2,5·108 с. (8 років) [3] виявлено суттєве збільшення порогу виникнення АЕ (Jпор) та струмів руйнування Jруйн. За час з моменту їх виготовлення – (5...6)·108 с. (16...18 років), величина Jпор змінилась від (2…20) А/см2 у [3] до (60…160) А/см2 в наших експериментах. Для деяких з структур на основі Ga0,65Al0,35As АЕ була зареєстрована тільки в момент їх руйнування.

Густини постійних струмів такої величини були технологічно важкодоступними в середині 80-х років [2], окрім того АЕ та інші порогові процеси, що її супроводжують в матеріалах досліджувались мало.

Досягнення в наших експериментах таких великих значень густини струму Ji при суттєвій зміні динаміки АЕ (відсутність її при Jном та Jmax,I) вказує на відсутність (або наявність дуже незначної кількості) джерел АЕ з відносно малою енергією активації. Оскільки існування джерела АЕ явним чином пов’язано з порушенням структури матеріалу в локальному об’ємі, це вказує на відповідне зменшення в процесі старіння порушень (дефектів), зміна стану яких з випромінюванням АЕ може відбуватися при незначному зовнішньому впливі.

Таблиця 1

Густини постійного прямого струму структур

Формула сполуки | Номінальні густини струмів, А/см2 | Поріг виникнення АЕ,

А/см2 | Густини струмів руйнування,

А/см2

Ga0,7Al0,3As | 4 | 70 | 160

Ga0,65Al0,35As | 4 | 80 | 200

GaAs0,15P0,85 | 4 | 60 | 160

GaP | 4 | 60 | 160

Як відомо, в структурах на основі сполук А3В5 при їх виготовленні утворюються такі дефекти як мікровключення іншої фази – матричного металу, металів – розчинників, окислів, а також чимало поверхневих та об’ємних дефектів, пов`язаних із їх технологічною обробкою [4]. Ці “технологічні” дво- та тримірні дефекти під впливом постійного електричного струму можуть, при зміні свого стану, ставати активними джерелами, але вже потужної, високоенергетичної дискретної АЕ (див. рис. 1).

За таких умов відносне збільшення Jпор та Jруйн, яке спостерігалось і в [3], але не аналізувалось, може бути пов’язано із процесами старіння, що призвели за додатковий час (2,5·108 с.) до значних змін внутрішньої дефектної структури матеріалу.

При цих змінах процес відносного вирівнювання по об'єму з часом локальних густин точкових та лінійних дефектів конкурує з переважаючим процесом зв’язування точкових дефектів та дислокацій у кластери. Значну роль при цьому відіграють дво- та тримірні дефекти структури. Таким чином відбувається значне зменшення кількості потенційно активних джерел неперервної АЕ з одночасним утворенням комплексів дефектів (нових джерел АЕ).

Було виявлено, що на динаміку спрацювання джерел АЕ в гетероструктурах має значний вплив швидкість зміни покрокового струмового навантаження – при збільшенні кроку струмового навантаження та зменшення часу витримки поріг виникнення АЕ зміщується в область менших струмів, сумарна емісія та інтенсивність АЕ різко зростають, а значення струмів, що відповідають руйнуванню, значно знижується, що може бути зумовлено взаємодією та розмноженням дефектів – активних джерел АЕ (рис. 1. в).

На основі аналізу ВАХ, що мають ділянку одночасного спаду струму та росту прямої напруги з виникненням АЕ (рис. 2), були визначені середні значення критичних густин струмів виникнення АЕ та значення струмів руйнування структур. Дана ділянка відповідає незворотному зростанню послідовного опору за рахунок дефектоутворення при релаксації неоднорідних термонапруг при сталому зовнішньому навантаженні. Видно, що початок даної ділянки для зістарених структур з часом старіння 6?108 с. відповідає значно вищій густині струму, ніж для свіжевиготовлених за кількома різними технологіями з часом старіння 6?106 с.

Четвертий розділ дисертації присвячений дослідженню кореляції між виникненням акустичної емісії та іншими фізичними, електронними та електронно – оптичними явищами в світловипромінюючих структурах на основі сполук GaAsP, GaP та GaN при протіканні постійного прямого струму.

Спектри ЕЛ епітаксійних n+-n-p- гетероструктур GaAs0.15P0.85: N, Zn-O/GaP представлені на рис. 3 та 4. Для послідовно встановлених значень Jі (рис. 3, спектри 1-5) з часовою затримкою 2-7 хв., характерною для виникнення АЕ, реєструвався процес нерівномірного руху дислокацій – короткочасна неперервна АЕ [1] з малою амплітудою сигналу та максимальною інтенсивністю 100–600 імп/с. При цьому вперше спостерігався тимчасовий (при незмінному зовнішньому навантаженні) зсув піків смуг ЕЛ: зеленого G від 2,19 до 2,24 еВ для спектрів 4 та 5 та червоного R від 1,75 до 1,80 еВ для спектрів 2 та 3. Через 1 хв. після завершення АЕ спектри були ідентичними початковим 2 та 4.

Було виявлено, що для високих, не нормованих для даних структур густин струму 100–130 А/см2 спостерігались (вперше) зсув піку смуги G (зеленої) до 2 еВ (рис. 4, спектри 1-6) та зменшення інтенсивності піку смуги R (червоної) майже до нуля (спектри 5-7). Збільшення густини струму до порогового значення супроводжується високоенергетичною дис-крет-ною АЕ, швидкою деградацією квантового виходу в обох максимумах – G та R, а також подальшим зсувом піку G в спектрі ЕЛ. Пари спектрів 3,4 та 5,6 (рис. 4) відповідають спектрам ЕЛ відразу після підвищення струму – 3 та 5, після закінчення АЕ – 4 та 6.

Низькоенергетична неперервна АЕ випромінюється внаслідок руху дислокацій, коли активну роль як стопори відіграють точкові дефекти – атоми N, комплекси
Zn-O та ін. Під час відриву – закріплення та руху дислокацій (випромінювання АЕ) в окремих локальних областях підсистема точкових дефектів кристалу знаходиться в нерівноважному стані, а в моделі багатократного тунелювання дислокації можуть тимчасово створювати ланцюжок нових локалізованих станів в області об'ємного заряду. Цим механізмам відповідають тимчасові зсуви спектрів ЕЛ (див. рис. 3).

Високоенергетична дискретна АЕ зазвичай пов'язується із спрацюванням
3- вимірних дефектів. В результаті цього в процесі АЕ з'являються додаткові точкові дефекти – центри безвипромінювальної рекомбінації; руйнуються донорно – акцепторні пари в смузі R (комплекси Zn-O, 1,75 еВ) виникають додаткові глибокі центри випромінювальної рекомбінації (атоми О, донорний рівень 0,895 еВ), які формують смугу IR за рахунок домішкових (з рівня О-донора в валентну зону,
1,29 еВ) та міждомішкових (О- донор та Zn- акцептор, 1,23) переходів. Це пояснює кореляцію в часі АЕ та деградацію інтенсивності ЕЛ відразу після АЕ в смугах R та G спектру, зменшення майже до нуля внеску смуги R (рис. 4 криві 5, 6) та формування домінуючої смуги ІR (крива 7), яка лишається при зниженні струму до номінального значення.

В результаті досліджень було виявлено залежність спектрального положення смуг електролюмінесценції епітаксійних світлодіодних гетероструктур GaAs0.15P0.85:N, Zn – O/GaP від густини прямого струму гетеропереходу в різні моменти часу – до акустичної емісії та після її (рис. 4). Зсуви смуг в залежності від густини струму поділяються на три типи: 1) для відносно малих струмів – короткочасні зсуви, пов’язані з релаксацією дефектної структури кристалу структури, 2) для великих струмів – величина зворотного зсуву визначається густиною струму, при якому виникає АЕ, 3) для надвисоких (100 – 200 А/см2) – формування ІЧ – смуги (1,5 – 1,1 еВ) з необоротними деградаційними змінами в червоній (1,75 еВ) та зеленій (2,19 еВ) смугах спектру електролюмінесценції.

Експериментальні значення зсувів максимумів спектрів в GaP0,85As0,15:N, Zn – О структурах (580…650 нм. при 300 К та 565…630 нм. при 77 К) вказують на механізми, пов’язані із значним градієнтом температури. Одним з таких механізмів є зміна (деформація) ширини забороненої зони. Отримана зміна ширини забороненої зони (до 0,227 еВ) відповідає 10% зміни Eg та не може розглядатись в рамках “малих” деформацій. Іншими словами, спостережувані експериментально зміни в такому підході відповідають пластичній деформації, а тому в локальних областях і виникає АЕ.

В дослідах було зареєстровано кореляцію АЕ, флуктуацій квантового виходу та струму в структурах при критичних струмових навантаженнях (рис. 5).

Це пояснюється інтенсивним в часі виникненням структурних дефектів та зміною їх енергетичного стану, що супроводжується релаксацією неоднорідних термонапруг і відповідно акустичною емісією. Інтенсивне дефектоутворення при критичних густинах струму призводить до флуктуацій струму за рахунок швидких змін опору структури, відповідно дані відхилення струму призводять до флуктуацій інжекції носіїв у гетероперехід, які випромінювально рекомбінують, і відповідно до флуктуацій квантового виходу.

На рис. 6 наведено вольт – фарадні характеристики одних і тих самих гетероструктур InGaN/GaN (а) та GaAs0,15P0,85:N, Zn-O/GaP (б) після їх навантаження постійним прямим струмом протягом 10–15 хвилин до виникнення сигналів акустичної емісії.

Із залежностей видно, що одночасно відбувається спад ємності структур та спад величини ефективної концентрацію носіїв в області просторового заряду . Це відбувається завдяки виникненню структурних дефектів – активних джерел АЕ в околі p-n- переходу. Відмітимо, що згідно літературним даним в p-n- переходах GaP з вищою густиною дислокацій на інорідній підкладці Si ефективна концентрація носіїв по вимірах ВФХ нижча, ніж в структурах на підкладці GaP, в 3 – 5 раз, що є результатом, подібним до нашого за умови дислокаційного механізму деградації; окрім того аналогічні зміни величини ємності та ефективного заряду по вимірах ВФХ зареєстровано в GaP: N структурах після їх опромінення г- квантами Со60.

В п’ятому розділі наведено результати дослідження акустичного випромінювання та порогів плавлення GaAs та CdTe при наносекундному імпульсному лазерному опроміненні, виміряних по зміні амплітуди акустичного відгуку. Проведено аналіз механізмів збудження ультразвуку при імпульсному лазерному опроміненні.

На рис. 7 наведені залежності амплітуди акустичного сигналу від інтенсивності випромінювання рубінового лазера А(І). В режимі однократного опромінення, у лінійній області залежності А(І) до 7 МВт/см2 для СdTe та 17 МВт/см2 для GaAs, при якому ще відсутнє плавлення поверхні, акустичним відгуком є фототермоакустичний сигнал. В області інтенсивності лазерного випромінювання I = 8-24 МВт/см2 для СdTe та I = 18-24 МВт/см2 для GaAs залежність А(І) стає нелінійною, причому спочатку зміна А(І) відбувається приблизно за експоненційним законом (рис. 7 криві 1-4) та обумовлена додатковими механізмами акустичного випромінювання за рахунок процесу плавлення приповерхнього шару.

Перетин лінійної апроксимації значень амплітуди при малих І (крива 5 рис. 7) з початком експонентної залежності А(І) оцінюється як поріг плавлення Ith приповерхневого шару СdTe і GaAs, що становить 8±0.4 МВт/см2 для СdTe (111) та 18±0.4 МВт/см2 для GaAs (111).

Аналогічно, на залежності A(І) при опроміненні імпульсами неодимового лазера в області прозорості матеріалу (рис. 8) перетин апроксимації (крива 5 рис. 8) з початком нелінійної залежності А(І) визначає поріг плавлення Ith приповерхневого шару СdTe і GaAs; в однократному режимі значення Ith становить 170±5 МВт/см2 для СdTe (111) (крива 2) та 310±5 МВт/см2 для GaAs (111) (крива 4).

Відмітимо, що при опроміненні кристала в багатократному режимі випромінюванням як з області фундаментального поглинання світла, так і з області прозорості, по досягненню порога плавлення I ? Ith амплітуда реєструємого акустичного сигналу сильно залежить від стану приповерхнього шару CdTe і GaAs після попереднього опромінення і є трохи більшою. Величина акустичного тиску P залежить від коефіцієнту поглинання б та термопружних величин:

,

де вt – коефіцієнт об'ємного теплового розширення, с – швидкість пружних хвиль,
Ср – теплоємність, R – коефіцієнт відбивання.

Очевидною причиною цього є зростання стаціонарного коефіцієнта поглинання за рахунок поступового накопичення дефектів.

Нелінійна залежність амплітуди акустичного відгуку від інтенсивності лазерного випромінювання при перевищенні порогу плавлення пояснюється сумуванням акустичних імпульсів, індукованих при різкій зміні об’єму при плавленні, тиском нерівноважних парів над розплавом і розширенням хмари гарячої плазми, а також акустичною емісією при зародженні дислокацій і при фазових перетвореннях тверде тіло-рідина та рідина – тверде тіло.

ВИСНОВКИ

1. Вперше встановлено, що характер АЕ в гетероструктурах на основі сполук GaAsP, GaP та GaAlAs визначається часом їх природного старіння, а саме його збільшення змінює тип АЕ з неперервної на дискретну, зменшує інтенсивність АЕ, підвищує густину струму виникнення АЕ, а також струму руйнування структури, що свідчить про перехід дефектної підсистеми гетероструктури у більш стабільний стан.

2. Встановлено, що стимульовані прямим електричним струмом процеси дефектоутворення у світловипромінюючих гетероструктурах на основі сполук GaAsP, GaAlAs та GaN, які супроводжуються АЕ, визначаються поточним станом їх системи дефектів та швидкістю покрокової зміни струму.

3. Вперше виявлено, що нестабільні тимчасові зміни спектрів ЕЛ світловипромінюючих гетероструктур на основі сполук GaAsP корелюють у часі з виникненням неперервної АЕ, пов’язаної з рухом дислокацій; це пояснюється тим, що спектри ЕЛ визначаються не тільки релаксованим станом точкових дефектів гетероструктури, але й поточним нерівноважним станом дефектної підсистеми в цілому.

4. Встановлено, що в світловипромінюючих структурах на основі сполук GaAsP та GaN при густинах струму, що перевищують поріг виникнення дискретної АЕ, одночасно мають місце: спрацювання джерел АЕ, незворотна зміна спектрів ЕЛ, деградація вольт-амперних характеристик і флуктуації квантового виходу та струму, що вказує на спільний механізм їхнього походження – процес виникнення та зміни енергетичного стану протяжних дефектів.

5. Показано, що по нелінійній залежності амплітуди акустичного відгуку від інтенсивності однократного наносекундного лазерного випромінювання в областях прозорості та фундаментального поглинання кристалів можна встановити поріг плавлення монокристалів напівпровідникових сполук GaAs та CdTe.

СПИСОК ЦИТОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Грешников В.А. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий / В.А. Грешников, Ю.Б. Дробот. – М.: Изд. Стандартов, 1976. – 272 c.

2. Воротинский В.А. Надежность оптоэлектронных полупроводниковых приборов / Воротинский В.А., Дадерко Н.К., Егоров Л.П. – М.: Радио и связь, 1983. – 136 с.

3. Lyashenko O.V. Acoustic emission for the diagnostic of semiconductor structures / O.V. Lyashenko, V.M. Perga // Diagnostic Techniques for Semiconductor Materials: MRS Processing II. – Boston, 1996. – Vol. 406. – Р. 449–456.

4. Мильвидский М.Г. Структурные дефекты в эпитаксиальных слоях полупроводников / М.Г. Мильвидский, В.Б. Освенский. – М.: Металлургия, 1984. – 159 с.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Влияние процесса плавления на акустический отклик соединений CdTe и GaAs при импульсном лазерном облучении / А. Байдулаева, В.П. Велещук, А.И. Власенко, Б.К. Даулетмуратов, О.В. Ляшенко, П.Е. Мозоль // Физика и техника полупроводников. – 2008. – Т. 42, № . – С. 286–290.

2. Визначення порогу плавлення CdTe по акустичному відгуку при лазерному імпульсному опроміненні / А. Байдулаєва, В.П. Велещук, О.І. Власенко,
О.В. Ляшенко, П.Е. Мозоль // Вісник Київського університету, сер. фіз.-мат. науки. – 2006. – № 2. – С. 355–360.

3. Lyashenko O.V. Degradation processes in heterostructures of optoelectronic sensors / O.V. Lyashenko, V.P. Veleshchuk // Fotoelectronics (Фотоэлектроника). – 2005. – № 14. – Р. 35 – 38.

4. Акустична емісія та деградаційні процеси в гетероструктурах оптоелектронних приладів / В.П. Велещук, О.І. Власенко, О.В. Ляшенко, Р.Г. Чуприна // Вісник Київського університету, сер. фіз.-мат. науки. – 2005. – № 7. – С. 4–5.

5. Эволюция спектров электролюминесценции и акустическая эмиссия эпитаксиальных структур GaAsP / В.П. Велещук, О.В. Ляшенко, Ю.О. Мягченко, Р.Г. Чуприна // Журнал Прикладной Спектроскопии. – 2004. – Т. 71, № 4. –
С. 508–511.

6. Lyashenko O.V. Acoustic emission method for investigation of functional materials / O.V. Lyashenko, M.V. Kravtsov, V.P. Veleshchuk // Functional materials. – 2004. – Vol. 11, № 3. – P. 1–4.

7. Veleshchuk V.P. Relaxation of active acoustic emission sources during the natural aging of A3B5 epitaxial structures / V.P. Veleshchuk, O.V. Lyashenko // Functional materials. – 2004. – Vol. 11, № 2. – Р. 350–352.

8. Велещук В.П. Акустична емісія світловипромінювальних структур на основі сполук А3В5 обумовлена постійним прямим струмом / В.П. Велещук, О.В. Ляшенко // Український Фізичний Журнал. – 2003. – Т. , № 9. – С. 941–945.

9. Dynamics and Time Correlation of Acoustic Emission, Electrical Noises and Quantum Yield Fluctuations in Optoelectronic Devices / O.V. ,,, // Noise and fluctuations: AIP Conference Proceedings. – 2007. – Vol. 922. – Р. 216–222.

10. Велещук В.П., Власенко О.І., Ляшенко О.В., Мягченко Ю.О., Чуприна Р.Г., Кравцов М.В., Будов О.Д. Акустична емісія неоднорідно – термонапружених A3B5 гетероструктур // Структурна релаксація в твердих тілах. Зб. наук. пр. – Вінниця: ТОВ фірма “Планер”, 2006. – С. 211–213.

11. Байдулаєва А., Велещук В.П., Власенко О.І., Ляшенко О.В., Мозоль П.О. Акустичний відгук при релаксації термомеханічних напруг на поверхні CdTe під дією імпульсного лазерного опромінення // Структурна релаксація в твердих тілах. Зб. наук. пр. – Вінниця: ТОВ фірма “Планер”, 2006. – С. 281-283.

12. O.I., V.P., O.V. Acoustic Emission, Electrical And Light Fluctuations In Optoelectronic Devices // Noise and fluctuations: AIP Conference Proceedings. – 2005. – Vol. 780, Issue 1. – Р. 389–392.

13. O.V., V.P. Change of spectrum of an electroluminiscence epitaxial lightdiode structures during an acoustic emission // Spectroscopy of molecules and crystals: Proceedings of SPIE. – 2004. – Vol. 5507 – Р. 49–52.

14. Велещук В.П., Ляшенко О.В. Релаксація джерел акустичної емісії в процесі старіння структур на основі сполук А3В5 // Структурна релаксація в твердих тілах: Зб. наук. пр. – Вінниця: ТОВ фірма “Планер”, 2003. – С. 77–79.

15. Lyashenko O.V., Vlasenko O.I., Chuprina R.G., Veleshchuk V.P., Kravtsov M.V. Acoustic emission and electroluminescence GaAsP diodes at threshold direct current density // Abstracts of XVII Int. School-Seminar Spectoscopy of Molecules and Crystals. – Beregove, 20.09 – 26.09. 2005. – Р. 128–129.

16. Veleshchuk V.P., Vlasenko O.I., Lyashenko O.V., Chuprina R.G. Acoustic emission and electroluminescence in InGaN/GaN and GaAsP:N/GaP light-emission diodes at threshold forward current density // Abstracts of XVIII Int. School-Seminar Spectoscopy of Molecules and Crystals. – Beregove, 20.09–27.09. 2007. – Р. 95.

17. Veleshchuk V.P., Lyashenko O.V., Myagchenko Yu.O., Chuprina R.G. Detrusion of spectrum of an electroluminiscence epitaxial lightdiode structures GaAsP during an acoustic emission // Book of Abstracts of International scientific and practical conference “Spectroscopy in Special Applications”. – Kyiv, 18–12 June 2003. – Р. 202.

18. Lyashenko O.V., Myagchenko Yu.O., Veleshchuk V.P. Change of spectrum of electroluminiscence epitaxial lightdiode structures during an acoustic emission // Аbstracts of XVI Int. School-Seminar Spectroscopy of Molecules and Crystals. – Sevastopol, 25.05–01.06 2003. – Р. 132.

19. Lyashenko O.V., Kravtsov M.V., Veleshchuk V.P. Acoustic Emission Method for Study of Functional Materials // Abstacts of Int. Conf. “Functional Materials”. – Crimea, Ukraine, 6–11 October 2003. – Р. 279.

20. Ляшенко О.В., Велещук В.П. Деградационные процессы в гетероструктурах оптоэлектронных сенсоров // Тези доповідей Міжнародної науково-технічної конференції СЭМСТ-1. – Одеса, 1–5 червня 2004. – С. 275.

21. Ляшенко О.В., Чуприна Р.Г., Велещук В.П., Мягченко Ю.О., Кравцов М.В. Зміщення зеленої смуги електролюмінесценції GaP та GaAsP діодів у червону область // Тези доповідей ІІ Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН-2. – Чернівці-Вижниця, 20-24 вересня 2004. – С. 224–225.

22. Ляшенко О.В., Велещук В.П. Динаміка акустичної емісії в гетероструктурах // Тези доповідей ІІІ Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН – 3. –Одеса, 17–22 червня 2007. – С. 291.

23. Ляшенко О.В., Велещук В.П., Власенко О.І., Байдулаєва А., Даулетмуратов Б.К., Чуприна Р.Г. Аналіз акустичної емісії та флуктуацій квантового виходу та струму у гетероструктурах // Тези доповідей ІІІ Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН – 3. – Одеса, 17–22 червня 2007. – С. 293.

24. Ляшенко О.В., Велещук В.П., Власенко О.І., Онанко А.П., Ляшенко І.О., Онанко Ю.А. Акустична емісія при неоднорідному термічному імпульсному впливі // Тези доповідей ІІІ Української наукової конференції з фізики напівпровідників УНКФН – 3. – Одеса, 17–22 червня 2007. – С. 292.

25. Veleshchuk V.P., Lyashenko O.V. Acoustic emission and spectrums of electroluminescence of A3B5 structures // Scientific works of International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO”. – Ukraine, Kyiv, 23–26 October 2003. – Р. 140.

26. Veleshchuk V.P., Vlasenko O.I., Lyashenko O.V., Chuprina R.G., Kravtsov M.V., Onanko A.P. Study of electroluminescence and acoustic emission epitaxial GaAsP and GaP structures at direct current // Scientific works of International Young Scientists Conference “Problems of Optics and High Technology Material Science SPO”. – Ukraine, Kyiv, 28–31 October 2004. – Р. 178.

27. Veleschuk V.P., Baidullaeva A., Vlasenko A.I., Mozol P.E. Definition of