Светоизлучающий диод на кремниевой подложке
LIGHT EMITTING DIODE ON SILICON SUBSTRATE

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно к светоизлучающим диодам, содержащим эпитаксиальные структуры на основе нитридных соединений металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева, такие соединения как: нитрид галлия (GaN), нитрид индия (InN), нитрид алюминия (AlN), трех- и четырехкомпонентные твердые растворы - нитрид индий-галлия (InGaN), нитрид алюминий-галлия (AlGaN), нитрид алюминий-галлий-индия- (AlGaInN), (далее - III-нитридные материалы). На сегодняшний день использование синих светодиодов на основе гетероструктур III-нитридных материалов совместно с люминофором является основным методом получения высокоэффективных энергосберегающих излучателей белого света. Одновременно достигнут значительный прогресс в разработке ультрафиолетовых светодиодов на основе III-нитридных материалов. Тем не менее, оптоэлектронные устройства на основе слоев III-нитридных материалов имеют ряд проблем, в том числе вывод света из объема полупроводника или его поглощение, высокая плотность дефектов объемных материалов.
Оптические характеристики светоизлучающего диода и его выходная мощность в значительной степени определяются параметрами подложки, на которой осуществляется эпитаксиальный рост светоизлучающей структуры и сформированного на ней эпитаксиального слоя светоизлучающей структуры. Для роста III-нитридных материалов с высокой эффективностью излучения требуются подложки с близкой к ним по параметрам кристаллической решеткой, поскольку рост на таких подложках будет приводить к меньшему количеству дефектов структуры светоизлучающего слоя. Оптимальным с точки зрения технологии изготовления является использование подложек карбида кремния, однако, высокая себестоимость их производства стала решающим фактором в том, что максимальную распространенность приобрели сапфировые подложки. Большинство светодиодов имеют кристаллы, выращенные именно на них, несмотря на то, что рассогласование параметров решетки у III-нитридных материалов с сапфиром больше, чем с карбидом кремния.
Вследствие высокого показателя преломления III-нитридных материалов излучение "заперто" в светоизлучающей структуре, как в волноводе, и поглощается в нем после многократного отражения от стенок светоизлучающей структуры. Для борьбы с указанным явлением и повышения эффективности светоизлучающих диодов в светодиодных кристаллах, выращенных на наиболее распространенных сапфировых подложках, подложки предварительно травят, создавая профиль, способствующий рассеянию света [S.-M. Jeong, S. Kissinger, D.-W. Kim, S. Jae Lee, J.-S. Kim, H.-K. Ahn, C.-R. Lee. J. Cryst. Growth, 312, 258, 2010]. В результате излучение рассеивается на профилированной поверхности сапфира и выходит из кристалла как это показано на Фиг. 1.
Одним из возможных способов снижения себестоимости светодиодных кристаллов на основе III-нитридных материалов является применение кремниевых подложек. Кроме того, благодаря хорошей электро- и теплопроводности, многолетней отработанной технологии производства подложек большого диаметра и способов их резки и обработки они могли бы занять лидирующую позицию на рынке. Однако, сильное рассогласование параметров кристаллической решетки кремния и III-нитридных материалов (приводящее к большому количеству дефектов и снижению эффективности генерации света), а также непрозрачная и поглощающая большую часть излучения подложка сводят на нет все преимущества кремниевой подложки. По сравнению с непоглощающей свет сапфировой подложкой ситуация усугубляется тем, что свет поглощается на границе раздела светоизлучающая структура/подложка. Большая часть излучения, захваченная в волновод светоизлучающей структуры, поглотится на этой границе уже после первого отражения.
2
Из патента US 8,686,430 известен синий светодиод, структура которого изначально формируется на кремниевой подожке. Описанный в патенте светодиод в конечном виде состоит из светоизлучающей структуры, на которую с обеих сторон нанесены n- и р- контактные металлические площадки. Указанная светоизлучающая структура, упрощенно, состоит из p-GaN слоя, активного слоя и n-GaN слоя. Светодиод получен следующим способом. Непосредственно на кремниевой подложке выращивается буферный слой теллурида цинка (ZnTe) или диоксида титана (T'iO). Дополнительно поверх первого слоя может быть выращен слой AlN как второй слой буферного слоя. Затем поверх буферного слоя формируется слой GaN, поверх которого выращивается эпитаксиальная светоизлучающая структура. Затем на полученную многослойную структуру наносится сплошной контактный слой, и структура с контактным слоем припаивается к проводящей подложке-носителю, а кремниевая подложка и буферный слой удаляются. На последнем этапе формируется контакт на освободившейся после удаления кремниевой подложки поверхности многослойной структуры. Недостатком описанного светодиода является сложность его изготовления, связанная с переносом светоизлучающей структуры с ростовой подложки на подложку-носитель, а также неизбежное возникновение дополнительных дефектов в эпитаксиальных слоях при релаксации напряжений вследствие удаления ростовой подложки, что приводит к падению эффективности и уменьшению срока службы светодиодов.
Из патента US 9,029,911 известен светоизлучающий диод, включающий кремниевую подложку, нитридный буферный слой на кремниевой подложке и эпитаксиальный слой светоизлучающей структуры на основе нитрида галлия на нитридном буферном слое. Нитридный буферный слой включает первый буферный слой, состоящий из нитрида алюминия, выращиваемого на кремниевой подложке и слоя нитрида галлия, выращиваемого на слое нитрида алюминия. В составе буферного слоя может быть несколько таких нитридных слоев, последовательно выращиваемых один на другом. Для создания светоизлучающего диода на поверхности эпитаксиального слоя светоизлучающей структуры формируется положительный контакт. Другой, отрицательный, контакт наносится на внешнюю поверхность кремниевой подложки, или для его размещения в эпитаксиальном слое светоизлучающей структуры на части поверхности вытравливается углубление таким образом, что образуется доступ к слою n-типа проводимости, и отрицательный контакт размещается на открывшейся поверхности слоя n-типа проводимости. Недостатком известного светоизлучающего диода является поглощение света на границе эпитаксиальных слоев с подложкой, что приводит к падению квантовой эффективности светодиодов.
Изготовление кремниевых подложек с поверхностным тонким слоем карбида кремния (SiC/Si) позволяет снизить дефектность светоизлучающей структуры и увеличить эффективность генерации излучения в нем, поскольку рост слоя III-нитридных материалов на таких подложках происходит на близком по структуре карбиде кремния. При этом себестоимость таких подложек значительно меньше, чем сапфировых. Однако, наличие непрозрачного и поглощающего излучение кремния в составе подложки негативно влияет на эффективность вывода света из светоизлучающей структуры, как и в случае с кремниевой подложкой.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является принятый за прототип полупроводниковый прибор (светодиодная структура), описанный в патенте RU 2446511 в примере 2 описания. Светодиодная структура включает полупроводниковую подложку n-Si(111), слой карбида кремния кубической модификации, который частично внедрен в сопрягающиеся с ним поверхностные слои кремниевой подложки имеющие микропористую структуру (как описано в патенте, слой 3С-SiC представляет собой тонкую, легко сжимаемую пластину, расположенную на кремниевой подложке подобно мосту на сваях), слой GaN гексагональной модификации, слой 4H-SiC гексагональной модификации и активную область - слой W-AlGaN, слой W-GaN, слой W-AlGaN р-типа проводимости. Прибор имеет два омических контакта - один со стороны подложки Si(111), второй - со стороны приповерхностного слоя W-AlGaN.
Данная конструкция позволяет снизить уровень дислокаций в активной области полупроводникового прибора за счет применения структуры с двумя жесткими слоями карбида кремния и мягким слоем III-нитридного материала, в примере 2, GaN между ними. Однако недостатком данной конструкции является поглощение света на границе подложки и светоизлучающей структуры при многократном отражении света в светоизлучающей структуре.
Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала средств и создание новой конструкции светодиодов на кремниевой подложке. Достигаемый технический результат - повышение квантового выхода светоизлучающих диодов за счет уменьшения поглощения и увеличения отражения и рассеяния света на границе раздела подложка/светоизлучающая гетероструктура.
Поставленная задача решается за счет формирования заданной структуры прибора.
Заявляемый светоизлучающий диод содержит подложку из кремния с нанесенным на нее слоем карбида кремния, на котором сформированы слои светоизлучающей структуры и снабжен токоподводящими контактами. От прототипа отличается тем, что на границе раздела кремния и карбида кремния в кремнии сформирован разуплотненный слой с тупиковыми порами, не содержащими внедренного материала карбида кремния и обеспечивающими увеличение отражения света от подложки и его рассеяние.
Размеры упомянутых пор составляют от 100 нм до 5 мкм.
Светоизлучающая структура, сформированная на слое карбида кремния, содержит буферный слой, слои n-типа проводимости, активную область, слои р-типа проводимости. Эти слои сформированы из III-нитридных материалов. Конкретные примеры для синего и ультрафиолетового диапазонов длин волн излучения приведены ниже.
Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации применительно к изделию, основа которого выполнена в виде пластины. Примеры реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:
Фиг. 2 - приведена схема светоизлучающего диода конструкции «face up»,
Фиг. 3 - РЭМ-изображение поперечного среза фрагмента светоизлучающей структуры на кремниевой подложке со сформированным на поверхности подложки слоем карбида кремния.
Ниже приведены примеры реализации светодиодов синего или ультрафиолетового диапазонов длин волн излучения.
Светоизлучающий полупроводниковый прибор синего диапазона длин волн излучения имеет в своем составе подложку 1 в виде объемного кристаллического кремния, с нанесенным на нее слоем 2 карбида кремния гексагональной модификации. На границе раздела кремния и карбида кремния в кремнии сформирован разуплотненный слой 3 с тупиковыми порами, не содержащими внедренного материала карбида кремния.
На слое 2 карбида кремния последовательно сформированы слои светоизлучающей структуры:
- буферный слой 4, выполненный из нелегированного нитрида алюминия или нитрида галлия,
- слой 5 n-типа проводимости нитрида галлия GaN легированного кремнием,
- один или несколько буферных слоев 6 n-типа проводимости на основе твердых растворов InGaN/GaN, легированных кремнием,
- активная область 7, состоящая из одного или нескольких слоев 6 на основе твердых растворов InGaN/GaN,
- слой 8 р-типа проводимости трехкомпонентного твердого раствора AlGaN,
- слой 9 р-типа проводимости нитрида галлия (GaN), легированного магнием.
Поверх светоизлучающей структуры сформирован электропроводящий и светопроводящий слой 10, обеспечивающий растекание тока по слою 9 р-типа проводимости структуры, в качестве которого может выступать наносимый в отдельном процессе слой прозрачного проводящего материала, например, оксида индия и олова (ITO) или оксида цинка (ZnO), легированного алюминием, или светопроводящей комбинации тонких слоев металлов, например, Ni/Au.
Позицией 11 обозначены металлические положительный и отрицательный контакты прибора.
Возможна реализация светоизлучающего полупроводникового прибора ультрафиолетового диапазона длин волн излучения, отличающаяся от описанной выше тем, что на слое 2 карбида кремния последовательно сформированы слои светоизлучающей структуры:
- буферный слой 4, выполненный из нелегированного нитрида алюминия,
- слой 5 n-типа проводимости трехкомпонентного твердого раствора AlGaN, легированного кремнием,
x
1-x
y
1-y
- один или несколько буферных слоев 6 n-типа проводимости на основе твердых растворов AlGaN/AlGaN, легированных кремнием,
x1
y1
1-x1-y1
x2
y2
1-x2-y2
- активная область 7, состоящая из одного или нескольких слоев 6 на основе твердых растворов AlInGaN/AlInGaN,
- слой 8 р-типа проводимости трехкомпонентного твердого раствора AlGaN,
- один или несколько слоев 9 р-типа проводимости трехкомпонентного твердого раствора AlGaN/GaN, легированных магнием.
4
Светоизлучающий диод может быть получен следующим способом. На границе раздела кремния и карбида кремния в кремнии формируется разуплотненный слой с тупиковыми порами, не содержащими внедренного материала карбида кремния и обеспечивающими увеличение отражения и рассеяние света, генерируемого в активной области светодиода. Данный слой может быть получен синтезом эпитаксиальных пленок карбида кремния, например, методом замещения атомов в кристаллической решетке кремния [С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, Н.А. Феоктистов. Физика твердого тела, 2014, том 56, вып. 8]. Метод заключается в замене части атомов матрицы кремния на атомы углерода с образованием молекул карбида кремния и может быть осуществлен, например, нагревом кремниевой пластины до температуры 950-1400°С в атмосфере газов СО и SiH. Конкретные технологические режимы являются ноу-хау авторов и не являются предметом настоящего изобретения. Данным методом на поверхности кремниевой подложки образуется тонкий слой карбида кремния. При согласовании параметров решеток в поверхностной части кремниевой пластины происходит формирование разуплотненного слоя, т.е. слоя пониженной плотности по сравнению с материалом исходной кремниевой пластины. Указанный слой содержит большое количество дефектов: усадочных пор различного размера, вакансий, дислокаций. В том числе на границе раздела кремния и карбида кремния в кремнии сформированы тупиковые поры, свободные от заполнения материалом карбида кремния. Размеры пор (определяющий, характерный размер), получаемых данным методом, могут составлять от 100 нм до 5 мкм, что сопоставимо с рельефом, формируемым на подложках сапфира, как описано выше.
В качестве примера на Фиг. 3 приведено изображение фрагмента светоизлучающей структуры на кремниевой подложке со сформированным на поверхности подложки слоем карбида кремния. Структура содержит тупиковые поры в приповерхностном слое кремния. Изображение получено с помощью растрового электронного микроскопа.
Слои светоизлучающей структуры формируются эпитаксиальным наращиванием по известным и традиционно используемым технологиям. Для обеспечения растекания тока по слою р-типа проводимости поверх светоизлучающей структуры может быть сформирован в отдельном процессе слой светопроводящего и электропроводящего материала. На части поверхности светоизлучающей структуры методами травления удаляются все верхние слои таким образом, чтобы получить доступ к слою 5 n-типа проводимости, расположенному в глубине структуры, а затем на открывшуюся поверхность и часть поверхности внешнего слоя полученной структуры наносятся металлические контакты, предназначенные для обеспечения повышения эффективности растекания тока и подсоединения светодиода к положительному и отрицательному выводам источника тока. На последнем этапе готовая пластина разрезается на отдельные кристаллы.
Светодиод работает следующим образом. При подсоединении светодиода к источнику питания через светодиод протекает электрический ток. В активной области светодиода в результате рекомбинации электронов и дырок генерируется излучение, часть которого не может покинуть кристалл из-за явления полного внутреннего отражения и отражается от внешней границы светоизлучающей структуры. При падении на противоположную границу светоизлучающей структуры оно не поглощается кремниевой подложкой благодаря наличию в ней открытых тупиковых пор незаполненных материалом, а отражается. При этом описанные поры рассеивают излучение в разных направлениях, в результате чего часть света возвращается к внешней границе светоизлучающей структуры под углами, меньшими, чем угол полного внутреннего отражения, и выводится из кристалла. Таким образом, достигается увеличение квантового выхода (эффективности) светодиодов, поскольку в светодиоде, не имеющем указанных пор, рассмотренная часть излучения, отраженная от внешней границы светодиодной структуры, поглотится кремниевой подложкой в большей части при первом отражении, а оставшаяся часть за несколько следующих отражений. При одних и тех же условиях светодиод с порами будет генерировать больший поток излучения.
Выше приведен пример реализации прибора конструкции «face up», в которой положительный и отрицательный контакты светодиода располагаются на одной стороне светодиода (на поверхности и в глубине светоизлучающей структуры), но возможна также реализация т.н. вертикальной конструкции, при которой положительный и отрицательный контакты светодиода располагаются на противоположных сторонах светодиода (на поверхности светоизлучающей структуры и поверхности кремниевой подложки).
Увеличение квантового выхода светодиодов на кремниевых подложках с поверхностным тонким слоем карбида кремния (SiC/Si), обеспечивается за счет того, что в кремнии сформирован разуплотненный слой с тупиковыми порами, не содержащими внедренного материала карбида кремния.
Введение в конструкцию светодиода разуплотненного слоя материала с тупиковыми порами имеет два позитивных последствия. Во-первых, на границе подложка/гетероструктура возникает среда с пониженным значением показателя преломления, поскольку показатель преломления поры, не содержащей внедренного материала, равен единице. Соответственно, коэффициент отражения света от такой границы будет выше, чем в случае плотной подложки, вследствие большего контраста показателей преломления граничащих сред. Известно, что чем больше разница (контраст) показателей преломления двух сред, тем больше интегральное отражение излучения при его падении из среды с большим показателем преломления на границу раздела этих сред. Следовательно, меньшая часть излучения поглотится кремниевой подложкой. Во-вторых, поскольку граница не идеально ровная, а содержит свободные от материала поры, упомянутого размера, в приповерхностном слое подложки происходит рассеяние отраженного света, что исключает, подобно профилированному сапфиру, возможность захвата излучения в волновод светоизлучающей структуры, и, соответственно, увеличивает вывод света из светодиода.
Настоящая заявка описана с некоторыми деталями для достижения ясности и понимания. Специалисты в данной области при прочтении описания могут понять, что возможны некоторые изменения, в частности в применении конкретных слоев III-нитридных материалов светоизлучающей структуры без выхода за пределы области применения и прилагаемой формулы.