ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к полупроводниковой технике на основе нитридов. В контексте данной заявке термин темплейт (template - с анг. шаблон) использован в значении - основа (квазиподложка) для формирования активных слоев полупроводниковых приборов.
2
3
Преимущественно монокристаллы нитрида галлия выращивают на подложке другого, по сравнению с нитридом галлия материала, т.е. при синтезе монокристаллов нитрида галлия используют методы гетероэпитаксии. Подложками, на которых выращивают монокристаллы нитрида галлия, например, являются подложки сапфира (AlO) или подложки карбида кремния (SiC). На поверхности, этих подложек осуществляют рост монокристалла нитрида галлия методом гидридной парофазной эпитаксии (HVPE), химического осаждения из паровой фазы (MOCVD) или молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE).
Однако монокристаллические подложки, изготовленные из сапфира, не применяются для производства светоизлучающих устройств с высокой интенсивностью излучения (мощных светодиодов) из-за низкой теплопроводности. С другой стороны, подложка SiC, которая имеет высокую теплопроводность, и потому пригодна для производства мощных светодиодов, является весьма дорогой для массового применения в производстве.
Наиболее приемлемой для производства светоизлучающих устройств на основе нитрид-галлиевых эпитаксиальных слоев является кремниевая подложка. Она имеет размеры до 12 дюймов и невысокую по сравнению с карбид-кремниевыми и сапфировыми подложками стоимость и достаточно высокую теплопроводность. Для специалистов известно, что создание приборных структур широкозонных полупроводников, к которым относится и нитрид галлия, на кремниевой подложке позволяет интегрировать данные структуры с хорошо развитой кремниевой оптоэлектроникой. Однако, постоянные кристаллической решетки и коэффициенты теплового расширения кремниевой подложки и монокристаллов GaN сильно отличаются друг от друга. Прямое осаждение слоя GaN на кремниевую подложку приводит к образованию многочисленных дефектов, дислокаций и трещин.
1-x
x
Известны устройства с эпитаксиальными слоями GaN на кремниевой подложке Si(111). Так в заявке на патент US 20080315255 [Sheng Teng Hsu, Tingkai Li, Jer-shen Maa, Gregory M. Stecker, Douglas J. Tweet Thermal Expansion Transition Buffer Layer for Gallium Nitride on Silicon заявка на патент US 20080315255], формируют темплайт, например, с буферным слоем SiGe методом ионной бомбардировки атомами германия кремниевой подложки. В Патент RU 2326993 монокристалла нитрида на кремниевой пластине выращен методом HVPE, а в качестве буферного слоя использован нитрид алюминия. В обоих описанных выше устройствах на буферных слоях выращен слой нитрида галлия в направлении C-оси кристалла.
Такая гексагональная структура нитрида галлия в направлении C-оси, как правило, обладает значительным внутренним электрическим полем из-за пьезоэлектрической и спонтанной поляризации электронов, что приводит к снижению выхода света из кристалла, особенно в мощных светодиодах при большом уровне протекания тока через устройство.
В патенте 2326993 раскрыта светодиодная структура, темплейт которой сформирован на кремниевой подложке, имеющей поверхность в кристаллографической ориентации (111). На ней методом HVPE сформированы первый и второй нитридные буферные слои (AlN), между которыми имеется аморфная оксидная пленка алюминия.
2
3
Для преодоления описанных выше недостатков, нитриды синтезируют либо в неполярных, либо в полуполярных направлениях. Так, в источнике, описывающем способ получения полуполярного нитрида галлия GaN(11-20) [T.J. Baker, B.A. Haskell, F. Wu, J.S. Speck, S. Nakamura. Characterization of Planar Semipolar Gallium Nitride Films on Sapphire Substrates," Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 45 (2006) L 154] используют сапфировую подложку ориентации m-AlO, а в способе [B.P. Wagner, Z.J. Reitmeier, J.S. Park, D. Bachelor, D.N. Zakharov, Z. Liliental-Weber, R.F. Davis, Growth and characterization of pendeo-epitaxial GaN(11-2) on 4H-SiC(11-2) substrates, Journal of Crystal Growth, 290 (2006) 504-512] методом MBE полуполярный нитрид галлия GaN(11-20) синтезируют на подложке 4H-SiC ориентации (11-20).
Известны также полупроводниковые полуполярные (10-13) GaN темплейты, [Бессолов В.Н., Жиляев Ю.В., Коненкова Е.В., Полетаев Н.К., Шарофидинов Ш., Щеглов М.П. Эпитаксия нитрида галлия в полуполярном направлении на кремнии, Письма в ЖТФ, 38 (2012), 21-26], выращенные методом HVPE на подложке Si(001). Они были изготовлены с предварительным осаждением при сравнительно низкой температуре (до 900 град C) на подложку аморфного буферного слоя AlN, на котором при сравнительно высокой температуре (1050 град. C) синтезировали полуполярный GaN(10-13), который имел угол отклонения от оси "C" около 30 градусов.
Известно устройство с полуполярным GaN на подложке Si(210). Для его получения на первом этапе методом твердофазной эпитаксии формируется тонкий слой 3C-SiC,а затем методом HVPE синтезируют слои нитридов алюминия и галлия [Бессолов В.Н., Коненкова Е.В., Кукушкин С.А., Николаев В.И., Осипов А.В., Шарофидинов Ш., Щеглов М.П., Эпитаксия GaN в полуполярном направлении на подложке Si(210), Письма в ЖТФ, 39 (2013), 1-8]. В этом способе анизотропия деформации гетероструктуры 3C-SiC/GaN используется для обеспечения синтеза в полуполярном направлении. Недостатком этого сособа из-за неравномерности деформации структуры является то, что синтез слоев происходит одновременно в нескольких полуполярных направлениях: GaN(10-14), GaN(10-13), GaN(10-12), что снижает качество получаемого слоя и невозможность использования в светоизлучающих устройствах.
2
Известен темплейт полуполярного нитрида галлия для светоизлучающего устройства [H.-Y. Lin, H.-H. Liu, Ch.-Z. Liao, J.-I. Chyi, Growth of crack-free semi-polar (1-101) GaN on а 7° - off (001) Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition, Proc. Of SPIE "Gallium Nitride Materials and Devices VI v.7939, (2011), 79392 H-1]. Для формирования темплейта на кремниевой подложке, разоориентированной на 7 град в направлении <110> от плоскости (001), при помощи метода фотолитографии, проводят маскирование поверхности слоем SiO. Затем проводят травление в химическом растворе KOH на глубину порядка 1 мкм с образованием канавок с V-образной формой сечения на поверхности кремниевой подложки и селективно обнажают грани (111) кристалла Si. На этих гранях формируют методом MOCVD структуру, содержащую в своей основе тонкий (порядка 1 мкм) полуполярный (1-101) слой нитрида галлия. В указанной публикации описана конструкция самого темплейта.
Недостатки этого устройства обусловлены ограничениями, накладываемыми применяемым методом фотолитографии для формирования наноструктур, а именно вынужденное глубокое травление "канавок" подложки кремния приводит к проявлению неоднородностей на поверхности светоизлучающего устройства. Это негативно сказывается на количестве годных устройств при серийном производстве. Кроме того, метод MOCVD не позволяет осуществить синтез толстого (20-200 мкм) полуполярного слоя, а, следовательно, не обеспечивает возможность создания светодиодного устройства без исходной подложки кремния. А, как отмечено выше, наличие кремниевой подложки приводит к поглощению в ней примерно половину излучения светодиода.
В качестве прототипа заявляемого устройства выбрана светодиодная структура [Sawaki N. and Honda Y., Semi-polar GaN LEDs on Si substrate, Science China. Technological Sciences, 54 (2011) 38-41]. Светодиодные InGaN/GaN структуры получены методом MOCVD с использованием предварительно полученного полуполярного (1-101) GaN темплейта, выращенного на разориентированной подложке Si(001) с предварительным образованием канавок с V-образной формой сечения на поверхности кремниевой подложки, полученных методом фотолитографии и химического травления. Недостатки устройства обусловлены описанными выше недостатками технологии.
В основу полезной модели поставлена задача создания и качественного темлейта на основе полуполярного нитрида галлия технологичного в изготовлении, а также создание на его базе светодиодного устройства.
Достигаемый технический результат - обеспечение возможности формирования темплейта с толстым слоем нитрида галлии (20-200 и выше мкм) полуполярной ориентации на дешевой и доступной кремниевой подложке.
Задача решается изменением конструкции, а именно структурой слоев полупроводникового устройства
Полупроводниковое светоизлучающее устройство имеет в своем составе электроды и темплейт, на со сформированными на нем активными слоями, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитриды алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.
Наилучший результат достигается, когда устройство включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия, слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой, сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированном на активном слое и электроды.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан вариант реализации применительно к темплейту нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированном на кремниевой подложке и полупроводниковому светоизлучающему устройству.
Пример реализации иллюстрируется фигурами чертежей, на которых представлено:
Фиг. 1 - схематичное изображение темплейта в процессе формирования складчатой поверхности карбида кремния.
Фиг. 2 - полученное с помощью атомно-силовой микроскопии отображение откоса поверхности SiC/Si(100) с разориентацией 7 град
Фиг. 3. изображение скола темплайта (a), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа и изображение поверхности темплейта, (b), полученное с помощью атомно-силового микроскопа.
Фиг. 4 - спектр фотолюминесценции полуполярного GaN при 77 K, выращенного на темплайте
Фиг. 5 - схематическое изображение нитридного светоизлучающего диода
3
3
3
3
Формирование устройства осуществляют следующим образом. Вначале кремниевую пластинку n-типа проводимости, имеющую поверхность в кристаллографической ориентации (100) с разориентацией 7 град в направлении <011> вдоль поверхности подложки обрабатывают в химическом травителе для удаления естественного окисла. Затем формируют "сендвич" из полученной подложки и пластинки графита, при расстоянии между ними 5 мм, помещают в реактор и нагревают до температуры 1270-1290 град.C. Нагрев в этом диапазоне температур позволяет сформировать наноступени на поверхности кремния. Экспериментально установлено, что именно этот диапазон температур является оптимальным, обеспечивающим стабильное формирование последующих слоев высокого качества. В реактор подают газ CO для осуществления твердофазной эпитаксии в результате которой на каждой ступени вдоль ее ребра формируют продольный клинообразный выступ карбида кремния, имеющий вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющий наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. После формирования складчатой поверхности SiC на Si(100), структуру помещают в HVPE-реактор и подают газ AlCl и NH при температуре 1080°C для выращивания слоя AlN толщиной 200 нм. Далее при температуре 1050°C в реактор подают газ GaCl и NH, и формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации толщиной 20-200 мкм., после чего удаляют подложку кремния методом химического травления.
3
0.25
0.75
0.1
0.9
0.1
0.9
Полученный темплейт GaN/AlN/SiC помещают в MOCVD-реактор, в него подают газ триметилгаллий и аммиак (NH) при температуре 1050°C для выращивания слоя GaN n-типа проводимости, затем триметилгаллий, триметилалюминий, триметилиндий и Mg при температуре 800°С для выращивания активной области из 5 пар слоев толщиной ~10 нм In GaN и In GaN и барьерного слоя p-AlGaN, затем триметилгаллий и аммиак и Mg для выращивания слоя p-GaN толщиной 2 мкм, формируют электроды к p-GaN и темплейту (фиг. 5)
Формирование продольного клинообразного выступа карбида кремния, имеющего вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющую наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град позволяет осуществить метод твердофазной эпитаксии. Этот метод базируется на предварительном внедрении в кристаллическую решетку матрицы кремния атомов углерода C из оксида углерода (CO). Атомы углерода на начальной стадии формирования располагаются в межузельных позициях кремниевой матрицы. При твердофазной эпитаксии активированный комплекс переходит в карбид кремния. Однако, если отклонить плоскость Si(100) на 1-10 град, от направления <100>, по направлению к <011>, а затем нагреть ее при температуре выше 600°C, то плоскость (100) кремния, согласно термодинамике, покроется ступенями. Верхнележащая и низлежащая плоскости будут являться плоскостями (100), а ступени будут ограничены плоскостями (011). Вдоль направлений <011> решетка кремния наиболее "рыхлая", что связано с особенностями кристаллографического строения решетки Si. Можно сказать, вдоль этого направления молекулы CO устремляются перпендикулярно ступеням вглубь Si. Поверхность Si насыщается CO и происходит реакция взаимодействия Si с CO с образованием диполей "кремниевая вакансия-атом углерода - матрица кремния". Поскольку притяжение между кремниевой вакансией и атомом углерода в матрице кремния максимально вдоль направления <011>, то часть ступени (011) Si и превращается в ступень (112) SiC. Как известно, угол между плоскостями (112) и (100) в кубическом кристалле с алмазной решеткой составляет ~35 град. В результате происходит формирование продольного клинообразного выступа карбида кремния, имеющего вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющего наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. На Фиг. 1 обозначено: 1 - клинообразный выступ, 2 - площадка верхней ступени, 3 - наклонная грань, 4 - площадка низлежащей ступени, 5 - кремниевая подложка, 6 - карбид-кремниевый нанослой, 30-40 град - угол откоса - внутренний угол между наклонной гранью выступа и площадкой низлежащей ступени.
Диапазон угла откоса 30-40 град обусловлен использованием кремниевой подложке с ориентацией (100) разориентированной на 1-10 град в направлении <011>. На сформированной складчатой поверхности SiC методом гидридной парофазной эпитаксии в атмосфере водорода при температурах эпитаксии слоев AlN и GaN - 1080 град.C и 1050 град.C, соответственно, синтезируют буферный слой нитрида алюминия, на котором этим же методом формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, после чего кремний удаляют методом травления.
В отличие от описанного выше аналога, в котором формирование граней откоса происходит путем удаления части подложки методом селективного травления кремниевой подложки, в заявляемом устройстве формирование граней откоса происходит путем синтеза нанослоя карбида кремния в результате твердофазной реакции карбида кремния на наноразмерных ступенях разориентированной подложки и размеры граней откоса (~100 нм=~0.1 мкм) на порядок меньше, чем в аналоге. Использование карбида кремния для формирования граней откосов существенно улучшает качество полуполярного нитридного слоя при синтезе методом гидридной парофазной эпитаксией, поскольку различие между постоянными решеток нитрида галлия и кремния составляет 16%, а между нитридом галлия и карбидом кремния только 3%. В аналоге осуществляет синтез полуполярного (1-101) GaN, угол между (1-101) и (0001) равен 62 град, а в заявляемом случае полуполярного слоя GaN, ориентации - (20-21) отличается от прототипа, поскольку угол между (20-23) и (0001) равен 51.5 град. Отметим, что наиболее предпочтительными для изготовления мощных светодиодных устройств являются полуполярные кристаллы GaN у которых угол наклона между полуполярной плоскостью и (0001) равен 45 град. Примененный метод НУРЕ позволяет выращивать достаточно толстые слои GaN и затем удалить подложку Si методом травления.
θ
Атомно-силовая микроскопия поверхности нанослоя SiC на Si(100) показывает наличие откоса в направлении вдоль ступеней поверхности разориентированной подложки (Фиг. 2). Электронная микроскопия поверхности GaN (фиг. 3a) показала, что скол и поверхность имеют характерную структуру слоя, выросшего в полуполярном направлении. Атомно силовая микроскопия показала хорошую планарность полученного темплейта (Фиг. 3b). Рентгеновская дифрактометрия слоев GaN (Таблица) однозначно указывает на то, что слой имеет монокристаллическую структуру с ориентацией (20-23) с сохранением отклонения разориентации подложки, с минимальной величиной полуширины кривой качания рентгеновской дифракции ω=24 arcmin (см. Таблицу)
Таблица
Значения параметров сое для различных плоскостей слоя GaN
(hk*1)
10<u>1</u>2
11<u>2</u>0
11<u>2</u>4
2020
0004
ω<sub>θ</sub>
24'
24'
30'
27'-30'
40'
max
В спектрах фотолюминесценции при 77 K слоев GaN наблюдаются хорошо различимые полосы люминесценции с максимумами hν=3.46 эВ, 3.27 эВ, 3.19 эВ и 3.1 эВ (Фиг. 4), что говорит о хорошем качестве полученных слоев.
Обращаясь к Фиг. 5, нитридное полупроводниковое светоизлучающее устройство по полезной модели включает в себя темплайт полуполярного нитрида галлия, имеющего кристаллографическую ориентацию поверхности (20-23). Устройство включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированном на активном слое и электроды.
Полезная модель имеет темплейт с толстым слоем нитрида галлии (20-200 мкм и выше) полуполярной ориентации на дешевой и доступной кремниевой подложке. Толщина слоя задается параметрами режимов и временем протекания реакций. Светодиодное устройство InGaN/GaN на основе темплайта GaN(20-23) с размерами 400×400 мкм при протекании тока 100 мА продемонстрировало высокую стабильность излучения: а именно сдвиг максимума спектра люминесценции всего лишь на 5 нм, что на 40% меньше, чем в аналогах на основе светодиодных устройств GaN(1-101) и в 5 раз меньше, чем аналогичный сдвиг в светодиодах на основе полярных InGaN/GaN(0001) светодиодных устройств выполненных на подложке Si(111). Устройство продемонстрировало высокие технические характеристики для светодиодных устройств: освещенность ~100 лм/Вт при протекании тока 350 мА.