DD262286A1

DD262286A1 - METHOD OF DETERMINING NITROGEN CONCENTRATION IN GAAS LOW 1-XPX / GAP EPITAXIAL DISCS

Info

Publication number: DD262286A1
Application number: DD30498187A
Authority: DD
Inventors: Wolfgang Kirstein; Joerg Donecker; Dirk Hesse; Juergen Kluge
Original assignee: Werk Fernsehelektronik Veb
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1988-11-23

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Stickstoffkonzentration und findet Anwendung bei der Materialkontrolle lichtelektronischer Bauelemente auf der Basis des Mischkristalls GaAs1 xPx mit x0,45. Erfindungsgemaess wird als Mass der Konzentration der Nullpunktsabstand der bei Zimmertemperatur gemessenen ersten Ableitung des Absorptionsspektrums an einem charakteristischen Punkt verwendet. Der charakteristische Punkt ist das relative Minimum der Ableitung des Absorptionsspektrums im Bereich der indirekten Absorptionskante.The invention relates to a method for the determination of the concentration of nitrogen and is used in the material control of light-electronic components based on the mixed crystal GaAs1 xPx with x0.45. According to the invention, as a measure of the concentration, the zero-point distance of the first derivative of the absorption spectrum measured at room temperature at a characteristic point is used. The characteristic point is the relative minimum of the derivative of the absorption spectrum in the region of the indirect absorption edge.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Stickstoffkonzentration, das zur Materialkontrolle bei der Fertigung von LED's des Stystems GaAsi__xP_x mit χ > 0,45 angewendet wird.The invention relates to a method for determining the nitrogen concentration, which is used for material control in the manufacture of LEDs of the StAs GaAsi_ _x P _x with χ> 0.45.

Characteristic of the known state of the art

Die Messung des Stickstoffgehaltes von Epitaxiescheiben auf GaAsP-Basis ist besonders aufschlußreich und aussagekräftig für die Beurteilung der späteren Qualität optoelektronischer Bauelemente. Stickstoff; in den genannten Scheiben als isoelektronische Störstelle wirkend, wird bei der Herstellung optoelektronischer Bauelemente, vorzugsweise während der Abscheidung des Mischkristalls in Form von Ammoniak oder andersartigen Stickstoffverbindungen über die Gasphase zugeführt.The measurement of the nitrogen content of GaAsP-based epitaxial disks is particularly informative and meaningful for the assessment of the later quality of optoelectronic devices. Nitrogen; acting in the said disks as isoelectronic impurity is supplied in the production of optoelectronic components, preferably during the deposition of the mixed crystal in the form of ammonia or other nitrogen compounds via the gas phase.

Stickstoff wirkt wie eine zusätzliche Störstelle im genannten Ausgangsmaterial, die Zahl der optischen Übergänge und somit der Wirkungsgrad, besonders die Intensität des Lichtes, das über das Stickstoffniveau durch Rekombination entsteht, wird erhöht.Nitrogen acts as an additional impurity in the mentioned starting material, the number of optical transitions and thus the efficiency, especially the intensity of the light, which is produced by recombination over the nitrogen level, is increased.

Die an sich bekannte Wirkungsweise des Stickstoffs in den genannten Bauelementen ist mit der Erkenntnis verbunden, daß es eine optimale, auch von der Zusammensetzung des Mischkristalls und dessen Herstellungsbedingungen abhängige Stickstoffkonzentration gibt, deren Größe von verschiedenen Autoren verschieden angegeben wird.The per se known mode of action of the nitrogen in the said components is associated with the knowledge that there is an optimal, also dependent on the composition of the mixed crystal and its production conditions nitrogen concentration, the size of which is stated differently by different authors.

Stringfellow, G. B., Weiner, M. E., Burmeister, R. A.; J. Electr. Mat.4 (1975), p.363. Lupal, M. W., Kloth, B., Pichtin, A. N., Richter,Stringfellow, G.B., Weiner, M.E., Burmeister, R.A .; J. Electr. Mat.4 (1975), p.363. Lupal, M.W., Kloth, B., Pichtin, A.N., Richter,

C. E., Trapp, M. Zeitschrift der Akademie der UdSSR.C. E., Trapp, M. Journal of the Academy of the USSR.

Nichtorganische Materialien Jahrg.22, Nr.2 (1986), 186-190.Non-organic materials Jahrg.22, Nr.2 (1986), 186-190.

Zusätzlich besteht die Schwierigkeit der Einstellung der optimalen Stickstoffkonzentration darin, daß der optimale Stickstoffeinbau in das Kristallgitter während der Epitaxie stark von den Züchtungsparametern abhängig ist, so daß eine Messung der eingebauten Stickstoffkonzentration notwendig erscheint.In addition, the difficulty of adjusting the optimum nitrogen concentration is that the optimum nitrogen incorporation into the crystal lattice during epitaxy is highly dependent on the growth parameters, so that measurement of the incorporated nitrogen concentration appears necessary.

Es sind Verfahren bekannt, mit deren Hilfe es möglich ist, den Stickstoffgehalt von GaAsi__xP_x-Epitaxiescheiben zu bestimmen.Methods are known by means of which it is possible to determine the nitrogen content of GaAsi_ _x P _x epitaxy disks.

(Lupal, M. B., Kloth, B., Pichtin, A.N., Richter, C. E., Trapp, M. Zeitschrift der Akademie der UdSSR: Nichtorganische Materialien Jahrg.22, Nr.2 [1986], 186-190) (Lightowlers, E.C, North, J.C, Lorimor, O.C.; J. Appl.Phys., 45, [1974], 5. p. 2191) (L Hoffmann ,,Ga[As, P]: N-LED's für monochrome Beleuchtung" Forschungsbericht BMFT-FB-T 81-198) Es ist auch bekannt, daß unter Anwendung der Sekundärionenmassenspektroskopie die Stickstoffkonzentration Nn der genannten Epitaxieschichten ermittelt werden kann.(Lupal, MB, Kloth, B., Pichtin, AN, Richter, CE, Trapp, M. Journal of the Academy of the USSR: Nonorganic Materials Jahrg.22, Nr.2 [1986], 186-190) (Lightowlers, EC, North, JC, Lorimor, OC; J. Appl. Phys., 45, [1974], pp. 2191) (L Hoffmann, "Ga [As, P]: N-LED's for monochromatic illumination" BMFT-FB research report -T 81-198) It is also known that by using secondary ion mass spectroscopy, the nitrogen concentration Nn of said epitaxial layers can be determined.

(Richter, C. E.; in „Ausgewählte Untersuchungsverfahren in der Metallkunde" H.J.Hunger, Vorl. Grundstoffindustrie, Leipzig,(Richter, C. E .; in "Selected Examination Methods in Metallurgy" H.J.Hunger, Vorl. Basic Industry, Leipzig,

Der hohe Aufwand dieses Verfahrens läßt es als Routineverfahren als ungeeignet erscheinen.The high cost of this method makes it appear as a routine method as unsuitable.

Die Stickstoffbestimmung mit Hilfe der Photostrommessung beruht auf der Messung des Spektralverlaufs des Photostroms. Die Auswertung der Maxima des phononenunterstützten Band-Band-Überganges bzw. des Stickstofftermüberganges erfordern aber die vorherige Präparation eines pn-Überganges.The nitrogen determination with the aid of the photocurrent measurement is based on the measurement of the spectral course of the photocurrent. However, the evaluation of the maxima of the phonon-assisted band-band transition or of the nitrogen intermediate transition requires the prior preparation of a pn junction.

Das macht das Verfahren zeitaufwendig.This makes the process time consuming.

Nach Messungen der Transmission T bzw. der Absorption stickstoffdotierter GaP-Kristalle bei tiefen Temperaturen ist zu erwarten, daß die Spektren indirekter GaAsP-Schichten in der Nähe der indirekten Absorptionskante sich aus vielen Anteilen zusammensetzen: der eigentlichen indirekten Absorptionskante mit ihren exzitonen- und phononenbedingten Strukturen, der Absorptionsbande des am isoliert eingebauten Stickstoff gebundenen Exzitons (Α-Linie), deren Wiederholungen bei Phononenemission und -absorption, Linien, die auf den gleichen Mechanismen an einer Vielzahl von Stickstoffpaaren auftreten, N- und mischkristallbedingte Übergänge ungebundener Exzitonen (z.B. A_x-Linie), sowie Inhomogenitätseffekte. Die Absorptionskonstanten der N-bedingten Linien, die bei tiefen Temperaturen getrennt beobachtet werden, besitzen eine unterschiedliche Temperaturabhängigkeit und sind linear oder quadratisch von der N-Konzentration abhängig.After measurements of the transmission T and the absorption of nitrogen-doped GaP crystals at low temperatures, it is to be expected that the spectra of indirect GaAsP layers in the vicinity of the indirect absorption edge are composed of many parts: the actual indirect absorption edge with its exciton and phonon-related structures , the absorption band of the isolated nitrogen bound exciton (Α-line), its repeats on phonon emission and absorption, lines that occur on the same mechanisms at a plurality of nitrogen pairs, N- and mixed crystal-related transitions unbound excitons (eg A _x - Line), as well as inhomogeneity effects. The absorption constants of the N-related lines, which are observed separately at low temperatures, have different temperature dependence and are linearly or quadratically dependent on the N concentration.

Wie erwähnt, ist die bei tiefen Temperaturen separiert gemessene Α-Linie zur Konzentrationsbestimmung als geeignet gefunden worden. Bei Zimmertemperatur sind die vielen Linien jedoch so verbreitert und einander überlagert, daß das Spektrum annähernd kontinuierlich verläuft. Mit den an sich bekannten Methoden der optoelektronischen Differentiation ist im vorliegenden Fall der GaAsP-Mischkristallschichten keine Erfassung derzur Α-Linie gehörigen Absorptionskonstanten möglich, ohne daß spezielle Auswertungsverfahren eingesetzt werden müßten, die die von der N-Konzentration abhängige Veränderung des spektralen Untergrundes der differenzierten Α-Linie zu berücksichtigen gestatten. Eine Verringerung desAs mentioned, the bei-line measured separately at low temperatures has been found to be suitable for concentration determination. At room temperature, however, the many lines are so widened and superimposed that the spectrum is approximately continuous. With the methods of optoelectronic differentiation known per se, in the present case the GaAsP mixed crystal layers can not detect the absorption constants associated with the Α-line, without the need for special evaluation methods which modify the N-concentration-dependent change in the spectral background of the differentiated Α Line to take into account. A reduction in the

Auswerteaufwandes tritt zwar beim Messen der zweiten oder dritten Ableitung der Absorption nach der Wellenlänge auf, erfordert jedoch einen höheren experimentell-technischen Aufwand und verlängert auch die Meßdauer. Folgendes oft beschriebenes und differenziert dargestelltes Verfahren ist die bekannteste Methode der Stickstoffbestimmung von GaAsT-xPx-Epitaxiescheiben. Es beruht auf der optischen Transmission T bzw. Absorption der genannten Mischkristalle und macht von der Tatsache Gebrauch, daß Stickstoff als Dotant eine zusätzliche Absorption, die durch die Stickstoffabsorptionskonstante a^ in ihrer Größe beschrieben werden kann, liefert, die sich der des nichtstickstoffdotierten Mischkristalls überlagert.Although evaluation effort occurs when measuring the second or third derivative of the absorption according to the wavelength, but requires a higher experimental and technical effort and also extends the measurement time. The following often described and differentiated method is the best known method of nitrogen determination of GaAsT-xPx epitaxial discs. It is based on the optical transmission T or absorption of the said mixed crystals and makes use of the fact that nitrogen as dopant provides an additional absorption, which can be described by the nitrogen absorption constant a ^ in their size, which is superimposed on that of the non-nitrogen-doped mixed crystal ,

Durch die Aufnahme des spektralen Verlaufs der Transmission oder Absorption und deren grafischer Auswertung wird die Stickstoffkonzentration ermittelt. Zur Erhöhung der Genauigkeit werden die Epitaxiescheiben in der Regel präpariert und bei tiefen Temperaturen gemessen (S77 K). Allen beschriebenen Verfahren ist gemeinsam, daß gewisse Probenpräparationen für die Messung unentbehrlich sind und sie deshalb für routinemäßige Stickstoffbestimmungsmethoden weniger geeignet erscheinen.By recording the spectral curve of the transmission or absorption and its graphical evaluation, the nitrogen concentration is determined. To increase the accuracy of the epitaxial discs are usually prepared and measured at low temperatures (S77 K). All the methods described have in common that certain sample preparations are indispensable for the measurement and therefore they are less suitable for routine nitrogen determination methods.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung der Stickstoffkonzentration in GaAsi__xP_x/GaP-Epitaxiescheiben anzugeben, das vom Zeitaufwand, dertechnischen Realisierung und der einheitlichen Prozeßgestaitung in der Optoelektronik-Prüftechnologie Vorteile besitzt.The object of the invention is to provide a method for the determination of the nitrogen concentration in GaAsi _x P _x / GaP epitaxial disks, which has advantages in terms of time expenditure, technical realization and uniform process design in optoelectronic test technology.

Das angegebene Verfahren soll zu einer Verbesserung der Qualität und der Reproduzierbarkeit, der Herstellung lichtelektronischer Bauelemente auf der Basis des Mischkristalls GaAsi__xP_x beitragen.The specified method should contribute to an improvement in the quality and the reproducibility, the production of light-electronic components based on the mixed crystal GaAsi_ _x P _x .

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus Transmissionsmessungen an Mischkristallen die Stickstoffkonzentration unter bisher nicht üblichen Bedingungen wie Raumtemperatur, keine Probenpräparation und unkomplizierte Auswertung zu bestimmen. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Stickstoffkonzentration der gebräuchlichen GaAsP-Epitaxieschichten in einem Bereich von 2 χ 10¹⁷cm~³ bis 6 x 10¹⁸crrr³ zu ermitteln, in dem die optimale, zur Erreichung eines hohen Wirkungsgrades optoelektronischer Bauelemente auf GaAsP/GaP-Basis notwendige, optisch wirksame Stickstoffkonzentration erfahrungsgemäß liegt.The invention has for its object to determine from transmission measurements of mixed crystals, the nitrogen concentration under previously unusual conditions such as room temperature, no sample preparation and uncomplicated evaluation. This method makes it possible to determine the nitrogen concentration of the customary GaAsP epitaxial layers in a range from 2 × 10 ¹⁷ cm ^-3 to 6 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , in which the optimum GaAsP / GaP-type optoelectronic devices achieves a high efficiency. Basis necessary, optically effective nitrogen concentration experience has shown.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Gesamtwert der bei Zimmertemperatur gemessenen Ableitung der Absorption an einem charakteristischen Punkt C als Maß der N-Konzentration Nn verwendet wird. In diesem charakteristischen Punkt werden die oben angeführten N-bedingten Absorptionsprozesse in einer solchen Weise summarisch erfaßt, daß als alleinige Meßgröße der Nullachsenabstand η ein lineares Maß der N-Konzentration darstellt. Hierbei wird auch von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß beim Scheibenprozeß weitgehend gleiche Schichtdicken vorliegen. Der charakteristische Punkt C ist das relative Minimum in der da/d\-Darstellung. Der charakteristische Punkt C verändert seine Lage bezüglich der Wellenlängenachse, wenn die Mischkristallschicht hinsichtlich ihres As/P-Verhältnisses anders zusammengesetzt ist. Der Nullachsenabstand η im charakteristischen Punkt bleibt dabei jedoch automatisch ein Maß der Stickstoffkonzentration. Sowohl die Eichung, als auch eine entsprechende mathematische Funktion kann leicht den konkreten Einsatzbedingungen, wie Mischkristallzusammensetzung, den davon beeinflußten Wirkungsquerschnitt, dessen Größe an sich bekannt ist, der mittleren Stickstoffschichtdicke und den von der Wahl der da/d\-Methode abhängigen Parametern angepaßtwerden,sodaß eine universelle Anwendbarkeit des angegebenen Meßverfahrens gegeben ist. Dabei ist hervorzuheben, daß erfindungsgemäß durch Anwendung der I.Ableitung der Absorptionskurve Unterschiede zwischen verschiedenen GaAsi__x P_x-Epitaxiescheiben im Transmissionsverhalten, herrührend von der mechanischen Oberflächenqualität und der Rückseitenbeschaffenheit auf die Konzentrationsbestimmung ohne Einfluß bleiben. Auch dieser Sachverhalt ist wichtig für die einfache Bestimmung der Stickstoffkonzentration durch Messen einer Größe.According to the invention the object is achieved in that the total value of the measured at room temperature derivative of the absorption at a characteristic point C is used as a measure of the N concentration Nn. In this characteristic point, the above-mentioned N-related absorption processes are summarily detected in such a way that the zero-axis distance η is a linear measure of the N concentration as the sole measured variable. In this case, use is also made of the fact that the slice process has substantially the same layer thicknesses. The characteristic point C is the relative minimum in the da / d \ representation. The characteristic point C changes its position with respect to the wavelength axis when the mixed crystal layer is differently composed in its As / P ratio. However, the zero axis distance η in the characteristic point automatically remains a measure of the nitrogen concentration. Both the calibration and a corresponding mathematical function can easily be adapted to the specific conditions of use, such as mixed crystal composition, the cross section influenced by it, the size of which is known per se, the average nitrogen layer thickness and the parameters dependent on the choice of da / d \ method, so that a universal applicability of the given measuring method is given. It should be emphasized that, according to the invention, differences between different GaAsi _x P _x epitaxy disks in the transmission behavior, resulting from the mechanical surface quality and the back surface properties, have no effect on the concentration determination by application of the I.sub.B derivative of the absorption curve. This fact is also important for the simple determination of the nitrogen concentration by measuring a size.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention will be explained below by way of example. In the accompanying drawings show

Fig. 1: Ableitung der Absorption nach der Wellenlänge als Funktion der Wellenlänge für GaAso.nPo.ss-Epitaxiescheiben. Fig.2: Stickstoffkonzentration als Funktion des Nullachsen; bstands η am charakteristischen Punkt C.Fig. 1: Derivation of absorbance by wavelength as a function of wavelength for GaAso.nPo.ss epitaxial disks. Fig.2: Nitrogen concentration as a function of zero axes; η at the characteristic point C.

Die nach gleichen Technologiebedingungen bei verschiedenem Ammoniakdurchsatz hergestellten GaAs_o,nPo,89-Epitaxieschichten wurden ohne jegliche Präparation bei Raumtemperatur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessen, wobei zurda/d\-Ermittlung ein elektronisches Verfahren zur Anwendung kommt.The GaAs _o , nPo, 89 epitaxial layers prepared according to the same technology conditions with different ammonia throughputs were measured without any preparation at room temperature by the method according to the invention, an electronic method being used for the detection of dia.

Zur Eichung des Verfahrens werden erfindungsgemäß die beschriebene Zuordnung durch Messung geeigneter stickstoffdotierter Proben mittels Sekundärionenmassenspektroskopie sowie durch Bestimmen des oben beschriebenen Abstandes des relativen Minimums zur Ableitungsnullachse im charakteristischen Punkt C vorgenommen, wobei als Resultat eine dem spezifischen da/d\-Meßverfahren angepaßte Eichkurve für die Stickstoffkonzentration entsteht, deren linearer Verlauf auch eine gute mathematische Erfassung des Zusammenhanges gestattet Fig. 2.In order to calibrate the method, according to the invention, the described assignment is made by measuring suitable nitrogen-doped samples by means of secondary ion mass spectroscopy and determining the above-described distance of the relative minimum to the derivative zero axis in the characteristic point C, as a result of which a calibration curve adapted to the specific da / d measurement method is used Nitrogen concentration is produced, the linear course of which also allows a good mathematical determination of the relationship. FIG. 2.

Das Ergebnis einer Messung zeigt Fig. 1. Die vorher ermittelten Stickstoffkonzentrationen (mittels Sekundärionenmassenspektroskopie) werden in Abhängigkeit von den gemessenen Nullachsenabständen η dargestellt, wobei sich der lineare Zusammenhang nach Fig. 2 zeigt.The result of a measurement is shown in FIG. 1. The previously determined nitrogen concentrations (by means of secondary ion mass spectroscopy) are shown as a function of the measured zero axis distances η, the linear relationship of FIG. 2 being shown.

Claims

1. A method for determining the concentration of nitrogen in GaAs-i-x / GaP epitaxial layers, characterized in that is used as a measure of the concentration of the zero point distance measured at room temperature first derivative of the absorption spectrum at a characteristic point.

2. The method according to claim 1, characterized in that is used as a characteristic point, the relative minimum of the derivative of the absorption spectrum in the region of the indirect absorption edge.