СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ AlGaAs/GaAs
METHOD FOR MANUFACTURING LIGHT-EMISSIONING DIODE BASED ON AlGaAs/GaAs HETEROSTRUCTURE

Изобретение относится к электронной технике, в частности к способу изготовления светоизлучающих диодов, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования электрической энергии в световую.
Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. KR 20170023919, МПК H01L 33/46, опубл. 06.03.2017), включающий формирование на фронтальной поверхности сапфировой подложки активной области, расположенной между полупроводниковым слоем с одним типом проводимости и полупроводниковым слоем с другим типом проводимости, формирование на тыльной стороне сапфировой подложки брегговского отражателя, нанесение на слой брегговского отражателя металлического слоя из Al, Ag или Rh, нанесение защитного слоя из Ti, Cr, Ni, Та или Au, или сплава. Снижение оптических потерь достигается путем отражения излучения, прошедшего сквозь сапфировую подложку, от брегговского отражателя и дополнительно излучения, прошедшего сквозь брегговский отражатель, от металлического слоя.
Недостатком известного способа изготовления светоизлучающего диода является возрастание оптических потерь излучения, проходящего сквозь сапфировую подложку с коэффициентом пропускания порядка 85%, что ведет к существенному снижению интенсивности электролюминесценции в многопроходных структурах.
Известен способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs (см. KR 101393606, МПК H01L 33/10, опубл. 17.06.2014), включающий формирование на подложке n-GaAs первого брегговского отражателя, слоя n-типа проводимости, активного слоя, слоя р-типа проводимости, окна AlGaAs р-типа проводимости, второго брегговского отражателя на поверхности окна AlGaAs, осаждение верхнего электрода на поверхности второго брегговского отражателя, формирование нижнего электрода на тыльной поверхности подложки n-GaAs, локальное стравливание второго брегговского отражателя по маске верхнего электрода. Преимуществом известного изобретения является снижение оптических потерь генерированного излучения путем отражения излучения от второго брегговского отражателя под областью верхнего электрода.
Недостатками известного способа изготовления светоизлучающего диода являются высокие оптические потери излучения, прозрачного для брегговских отражателей и поглощающегося в подложке и в верхнем электроде.
x
y
1-x-y
1-w
w
1-w
w
x
y
1-x-y
Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. ЕР 0420691, МПК H01L 33/00, опубл. 03.04.1991), включающий формирование на подложке газофазной эпитаксией светоизлучающего слоя с р-n переходом, состоящим из множества слоев InGaAlP , барьерного слоя GaAlAs , либо формирование на подложке жидкофазной эпитаксией барьерного слоя GaAlAs , тонкого защитного слоя GaAs, отжиг защитного слоя, формирование светоизлучающего слоя с р-n переходом, состоящим из множества слоев InGaAlP , удаление подложки и создание фронтального и тыльного электродов. Для отражения излучения, направленного в сторону подложки, дополнительно может быть сформирован отражающий слой между светоизлучающим слоем и подложкой, состоящий из множества слоев различного состава.
Недостатками известного способа изготовления светоизлучающего диода являются высокие оптические потери излучения, прозрачного для отражающего слоя и поглощающегося в тыльном электроде.
Известен способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs (см. US 6784462, H01L 33/00, H01L 33/14, H01L 33/38, опубл. 31.08.2004), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает формирование слоев гетероструктуры на подложке GaAs, нанесение первого омического контакта на фронтальную поверхность гетероструктуры, монтаж временного носителя воском или другим легко удаляемым веществом над фронтальной поверхностью гетероструктуры, удаление подложки GaAs химико-механической полировкой и жидкостным химическим травлением, формирование второго омического контакта на тыльной поверхности гетероструктуры, нанесение прозрачного покрытия в местах, свободных от второго омического контакта, нанесение отражающего слоя на поверхность второго омического контакта и прозрачного покрытия, монтаж проводящей подложки-носителя на поверхности отражающего слоя с использованием токопроводящего адгезивного материала и удаление временного носителя.
Недостатком известного способа изготовления светоизлучающего диода является монтаж тонких (менее 10 мкм) слоев гетероструктуры непосредственно на проводящую подложку-носитель, что ведет к снижению эффективности преобразования электроэнергии в излучение из-за ускоренной деградации гетероструктуры. В ходе работы светоизлучающего диода происходит разогрев слоев гетероструктуры, и несоответствие коэффициентов термического расширения материалов гетероструктуры и проводящей подложки-носителя основания ведет к образованию дефектов структуры и, соответственно, каналов утечки. Также недостатком является формирование второго омического контакта, прозрачного покрытия и отражающего слоя на временном носителе, прикрепленном воском или другим легко удаляемым веществом, что ведет к снижению качества наносимых покрытий, так как нанесение покрытий требует проведения высоковакуумных процессов и термического отжига, при которых возможно расплавление и испарение воска или других легко удаляемых веществ.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, который бы обеспечивал увеличение эффективности преобразования электроэнергии в излучение за счет снижения степени деградации гетероструктуры.
2
Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs включает формирование слоев гетероструктуры AlGaAs/GaAs на подложке GaAs, нанесение первого омического контакта на фронтальную поверхность гетероструктуры, нанесение прозрачного диэлектрического покрытия в местах, свободных от первого омического контакта, нанесение металлического отражателя на поверхность первого омического контакта и прозрачного диэлектрического покрытия, нанесение слоя Au на поверхность металлического отражателя, формирование подложки-носителя GaAs, включающее нанесение омических контактов на фронтальную и тыльную поверхности подложки-носителя и нанесение слоя In на поверхность фронтального омического контакта подложки-носителя, монтаж подложки-носителя GaAs слоем In на поверхность слоя Au путем формирования соединения AuIn в результате диффузии In в Au при температуре 190-210°С в течение 20-40 минут, монтаж временного носителя воском на поверхность подложки-носителя GaAs, удаление подложки GaAs химико-механической полировкой и жидкостным химическим травлением, удаление временного носителя и формирование второго омического контакта на тыльной поверхности гетероструктуры.
Первый омический контакт может быть выполнен общей площадью менее 1.5% фронтальной поверхности гетероструктуры.
Металлический отражатель может быть выполнен на основе слоев NiCr/Ag/Au, с толщиной слоя NiCr 1-2 нм, слоя Ag 200-500 нм, слоя Au 50-100 нм.
Слой In может быть нанесен на фронтальную сторону подложки-носителя толщиной 2-4 мкм, слой Au может быть нанесен на поверхность отражателя толщиной 2-4 мкм.
2
Новизной настоящего технического решения является монтаж подложки-носителя из GaAs над поверхностью слоев гетероструктуры AlGaAs/GaAs путем нанесения слоя Au на поверхность металлического отражателя, слоя In на поверхность фронтального омического контакта подложки-носителя и формирования соединения AuIn в результате диффузии In в Au при температуре 190-210°С в течение 20-40 минут, а также формирование второго омического контакта после монтажа подложки-носителя GaAs и удаления временного носителя.
Выполнение подложки-носителя из GaAs ведет к снижению степени деградации гетероструктуры AlGaAs/GaAs при изготовлении и работе светоизлучающего диода за счет близкого коэффициента термического расширения подложки-носителя из GaAs и гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Таким, образом, при разогреве светоизлучающего диода при проведении термического отжига, а так же при его работе не происходит образования дефектов структуры и, соответственно, формирования каналов утечки.
Проведение высоковакуумных и высокотермических процессов напыления и вжигания при формировании второго омического контакта после монтажа подложки-носителя GaAs и удаления временного носителя ведет к увеличению качества второго омического контакта и к снижению омических потерь.
Формирование первого омического контакта осуществляют для обеспечения электрической проводимости при минимальной степени затенения металлического отражателя. При общей площади первого омического контакта равной или большей 1.5% фронтальной поверхности гетероструктуры происходит нежелательное увеличение оптических потерь излучения, распространяющегося в сторону подложки-носителя и отражающегося от металлического отражателя в сторону световыводящей поверхности.
Формирование металлического отражателя на основе слоев NiCr/Ag/Au между GaAs подложкой и р-n переходом гетероструктуры, отражающего часть генерированного излучения, распространяющегося от р-n перехода в сторону подложки-носителя, ведет к снижение внутренних оптических потерь генерируемого излучения на поглощение в GaAs подложке. Слой NiCr толщиной 1-2 нм обеспечивает адгезию отражателя, при толщине NiCr менее 1 нм снижается адгезия слоя, при толщине более 2 нм снижается коэффициент отражения излучения от отражателя. Слой Ag толщиной 200-500 нм обеспечивает отражение излучения, при толщине слоя менее 200 нм снижается качество и механическая прочность слоя, толщина более 500 нм технологически нецелесообразна. Слой Au обеспечивает защитную функцию, при толщине менее 50 нм снижается качество слоя, толщина более 100 нм технологически нецелесообразна. Металлический отражатель на основе слоев NiCr/Ag/Au обеспечивает отражение 92-94% падающего излучения.
В настоящем техническом решении все высокотемпературные и высоковакуумные процессы проводят либо на гетероструктуре AlGaAs/GaAs, либо на гетероструктуре AlGaAs/GaAs, смонтированной на подложку-носитель GaAs, что обеспечивает высокое качество наносимых покрытий за счет высокой чистоты процессов при отсутствии временного носителя, приклеенного воском или другим легкоудаляемым веществом.
2
2
2
2
2
Формирование подложки-носителя GaAs включает нанесение омических контактов на фронтальную и тыльную поверхности подложки-носителя, что обеспечивает электрическую проводимость подложки-носителя. Последующее нанесение слоя In на поверхность фронтального омического контакта подложки-носителя GaAs толщиной 2-4 мкм и слоя Au на слой отражателя толщиной 2-4 мкм обеспечивает возможность формирования соединения AuIn в результате диффузии In в Au при монтаже подложки-носителя на слой металлического отражателя при проведении термического отжига при температуре 190-210°С в течение 20-40 мин. При толщине слоя In и слоя Au менее 2 мкм и более 4 мкм снизится качество монтажа подложки-носителя GaAs, так как толщина соединения AuIn должна быть достаточной для сплавления подложки-носителя и гетероструктуры AlGaAs. Увеличение толщины соединения AuIn может привести к образованию дефектов структуры из-за несоответствия коэффициентов термического расширения материалов гетероструктуры AlGaAs и соединения AuIn. При температуре термического отжига менее 190°С и времени менее 20 минут не происходит полного расплавления In, что ведет к снижению толщины слоя AuIn и к снижению прочности монтажа подложки-носителя GaAs. Задание температуры термического отжига более 210°С и времени более 40 минут технологически нецелесообразно.
2
Техническое решение пояснено чертежом, где на фиг. 1 - фиг. 6 показаны: 1 - гетероструктура AlGaAs/GaAs, 2 - подложка GaAs, 3 - первый точечный омический контакт, 4 - прозрачное диэлектрическое покрытие, 5 - металлический отражатель, 6 - слой Au, 7 - подложка-носитель GaAs, 8 - тыльный омический контакт, 9 - фронтальный омический контакт, 10 - слой In, 11 - соединение AuIn, 12 - временный носитель, 13 - второй омический контакт, 14 - защитное просветляющее диэлектрическое покрытие.
2
Настоящий способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, выращенной на подложке GaAs n-типа проводимости, выполнен следующим способом. Формируют первый омический контакт р-типа проводимости на фронтальной поверхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs диаметром 8-12 мкм. В местах свободных от первого омического контакта наносят прозрачное диэлектрическое покрытие, обеспечивающее защиту металлического отражателя и препятствующее вжиганию металлического отражателя в поверхность слоев гетероструктуры (см. фиг. 1). Наносят металлический отражатель на основе слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 1-2 нм, слоя Ag 200-500 нм, слоя Au 50-100 нм на поверхность первого омического контакта и прозрачного диэлектрического покрытия. На поверхность металлического отражателя наносят слой Au толщиной 2-4 мкм (см. фиг. 2). Формируют подложку-носитель GaAs путем нанесения тыльного и фронтального омических контактов, и нанесения слоя In толщиной 2-4 мкм (см. фиг. 3). Проводят монтаж подложки-носителя GaAs слоем In на поверхность слоя Au путем формирования соединения AuIn термическим отжигом при температуре 190-210°С в течение 20-40 минут (см. фиг. 4). Для защиты смонтированной подложи-носителя монтируют временный носитель воском над поверхностью подложки-носителя GaAs. Удаляют подложку GaAs химико-механической полировкой и жидкостным химическим травлением (см. фиг. 5). Далее удаляют временный носитель. Формируют второй омический контакт на тыльной поверхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs путем высоковакуумного напыления слоев омического контакта, проводят термический отжиг при температуре 370-400°С, наносят защитное просветляющее диэлектрическое покрытие в установке высоковакуумного напыления (см. фиг. 6).
3
4
3
4
Пример 1. Был изготовлен светоизлучающий диод на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, выращенной на подложке GaAs n-типа проводимости в несколько стадий. Сформирован первый омический контакт р-типа проводимости путем напыления слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 20 нм, слоя Ag 500 нм, слоя Au 50 нм на фронтальную поверхность гетероструктуры AlGaAs/GaAs. В местах свободных от первого омического контакта нанесено прозрачное покрытие на основе диэлектрического слоя SiN толщиной 100 нм. Выполнено нанесение отражателя на основе слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 1 нм, слоя Ag 200 нм, слоя Au 50 нм на поверхность первого омического контакта и прозрачного слоя. На поверхность металлического отражателя нанесен слой Au толщиной 2 мкм. Выполнено формирование подложки-носителя GaAs р-типа проводимости, включающее нанесение тыльного и фронтального омических контактов на основе слоев NiCr/Ag/Au и нанесение слоя In толщиной 2 мкм на фронтальный омический контакт. Проведен монтаж подложки-носителя GaAs слоем In на поверхность слоя Au термическим отжигом при температуре 210°С в течение 20 минут. Для защиты смонтированной подложки-носителя GaAs выполнен монтаж временного носителя воском над поверхностью подложки-носителя GaAs. Проведено удаление подложки GaAs химико-механической полировкой и жидкостным химическим травлением и удаление временного носителя. Сформирован второй омический контакт n-типа проводимости на основе слоев Au(Ge)/NiCr/Au на тыльной поверхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs в установке высоковакуумного напыления. Проведен термический отжиг при температуре 370°С. Нанесено защитное просветляющее диэлектрическое покрытие SiN в установке высоковакуумного напыления.
x
2
x
2
Пример 2. Был изготовлен светоизлучающий диод на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Сформирован первый омический контакт р-типа проводимости путем напыления слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 15 нм, слоя Ag 400 нм, слоя Au 100 нм на фронтальную поверхность гетероструктуры AlGaAs/GaAs. В местах свободных от первого омического контакта нанесено прозрачное покрытие на основе диэлектрических слоев TiO/SiO толщиной 140 нм. Выполнено нанесение отражателя на основе слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 2 нм, слоя Ag 500 нм, слоя Au 100 нм на поверхность первого омического контакта и прозрачного слоя. На поверхность отражателя нанесен слой Au толщиной 4 мкм. Выполнено формирование подложки-носителя GaAs р-типа проводимости, включающее нанесение тыльного и фронтального омических контактов на основе слоев NiCr/Ag/Au и нанесение слоя In толщиной 4 мкм. Проведен монтаж подложки-носителя GaAs слоем In на поверхность слоя Au путем термического отжига при температуре 190°С в течение 40 минут. Сформирован второй омический контакт n-типа проводимости на основе слоев Au(Ge)/Ni/Au на тыльной поверхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs в установке высоковакуумного напыления. Проведен термический отжиг при температуре 400°С. Нанесено защитное просветляющее диэлектрическое покрытие TiO/SiO в установке высоковакуумного напыления.
x
2
3
3
Пример 3. Был изготовлен светоизлучающий диод на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Сформирован первый точечный омический контакт р-типа проводимости путем напыления слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 15 нм, слоя Ag 500 нм, слоя Au 70 нм на фронтальную поверхность гетероструктуры. В местах свободных от первого омического контакта нанесено прозрачное покрытие на основе диэлектрического слоя TiO/SiO толщиной 120 нм. Выполнено нанесение металлического отражателя на основе слоев NiCr/Ag/Au с толщиной слоя NiCr 1 нм, слоя Ag 300 нм, слоя Au 70 нм на поверхность первого омического контакта и прозрачного слоя. На поверхность металлического отражателя нанесен слой Au толщиной 3 мкм. Выполнено формирование подложки-носителя GaAs р-типа проводимости, включающее нанесение тыльного и фронтального омических контактов на основе слоев NiCr/Ag/Au и нанесение слоя In толщиной 3 мкм. Проведен монтаж подложки-носителя GaAs слоем In на поверхность слоя Au путем термического отжига при температуре 190°С в течение 30 минут. Сформирован второй омический контакт n-типа проводимости на основе слоев Au(Ge)/Ni/Au на тыльной поверхности гетероструктуры в установке высоковакуумного напыления. Проведен термический отжиг при температуре 380°С. Нанесено защитное просветляющее диэлектрическое покрытие AlO в установке высоковакуумного напыления.
Результатом настоящего технического изобретения стало увеличение эффективности преобразования электроэнергии в излучение светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, за счет снижения степени деградации гетероструктуры при монтаже слоев гетероструктуры на подложку-носитель GaAs. Отсутствие дефектов структуры и, соответственно, каналов утечки при разогреве (как в процессе изготовления, так и в процессе работы) светоизлучающего диода обеспечивается соответствием коэффициентов термического расширения гетероструктуры AlGaAs/GaAs и подложки-носителя GaAs.