СВЕТОДИОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
LIGHT-EMITTING DIODE AND METHOD OF MAKING SAME

Изобретения относятся к полупроводниковым приборам и могут быть использованы при разработке и изготовлении светодиодов и различных устройств на их основе.
x
1-x
Известен светодиод (патент США №6794211 на изобретение, МПК: 7 H01L 33/00), содержащий подложку, светоизлучающую структуру и первый электрод, расположенные с рабочей стороны подложки, второй электрод, контактирующий с подложкой. Второй электрод, контактирующий с подложкой, выполнен на ее тыловой стороне. На подложке последовательно выполнены буферный слой, распределенный брэгговский отражатель, светоизлучающая структура в составе первого и второго слоев-обкладок (ограничивающий, обкладочный, cladding) с расположенным между ними активным слоем, промежуточный слой из аморфноподобного материала, оконный слой, на котором выполнен первый электрод - фронтальный электрод. Подложка изготовлена из GaAs n-типа проводимости, первый слой-обкладка из AlGaInP n-типа проводимости, второй слой-обкладка из AlGaInP p-типа проводимости, а расположенный между ними активный слой - из AlGaInP. Активный слой содержит множественные квантовые ямы. Оконный слой выполнен из GaP p-типа проводимости. Буферный слой сформирован из GaAs n-типа проводимости. Распределенный брэгговский отражатель изготовлен на основе слоев AlAs/GaAs. Промежуточный слой из аморфноподобного материала сформирован с возможностью предотвращения им влияния разницы постоянных кристаллических решеток материалов оконного слоя и второго слоя-обкладки. В частности, он сформирован из того же материала, что и оконный слой.
В известном техническом решении невозможны повышение эффективности преобразования электрической энергии в световую и повышение эффективности теплоотвода, а также отсутствуют возможность снижения размеров светодиодов и возможность интеграции с другими оптоэлектронными приборами на одной подложке.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, относится следующее.
Во-первых, недостаточная эффективность распределенных брэгговских отражателей, так как они отражают свет лишь определенной длины волны и только при его распространении вблизи нормали к плоскости отражателя. Наличие эффекта поглощения света в подложке.
Во-вторых, отсутствие в конструкции средства для выполнения функции теплоотвода от активной области.
В-третьих, наличие в конструкции верхнего фронтального электрода, затеняющего излучающую область. Это особенно критично при изготовлении светодиодов малых размеров, до 10 мкм, поскольку размер подводящего контакта сравним с размером самого светодиода.
В-четвертых, сама используемая конструкция с последовательно выполненными слоями на подложке, нижним и верхним электродами, между которыми расположена подложка с последовательностью слоев. Это препятствует указанной интеграции.
x
x
1-x
y
1-y
За ближайший аналог к заявляемому устройству принят светодиод (патент США №7199390 на изобретение, МПК: 8 H01L 29/06), содержащий подложку, светоизлучающую структуру и первый электрод, расположенные с рабочей стороны подложки, второй электрод, контактирующий с подложкой. Второй электрод, контактирующий с подложкой, выполнен на ее тыловой стороне. На подложке последовательно выполнены светоизлучающая структура в составе первого и второго слоев-обкладок (ограничивающий, обкладочный, cladding) с расположенным между ними активным слоем, промежуточный слой, оконный слой, на котором выполнен первый электрод - фронтальный электрод. Подложка изготовлена из GaAs n-типа проводимости, первый слой-обкладка из AlGaInP n-типа проводимости, второй слой-обкладка из AlGaInP p-типа проводимости, а расположенный между ними активный слой - из AlGa1-xInP. Активный слой выполнен с множественными квантовыми ямами. Промежуточный слой сформирован p-типа из GaInP. Оконный слой выполнен из GaP p-типа проводимости. Буферный слой сформирован из GaAs n-типа проводимости. Дополнительно в составе светодиода может быть выполнен распределенный брэгговский отражатель на основе слоев AlGaAs/AlGaAs с составами y, x, равными от 0 до 1, с x≠y.
В техническом решении, взятом за ближайший аналог, невозможны повышение эффективности преобразования электрической энергии в световую и повышение эффективности теплоотвода, а также отсутствуют возможность снижения размеров светодиодов и возможность интеграции с другими оптоэлектронными приборами на одной подложке.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, относится следующее.
Во-первых, наличие эффекта поглощения света подложкой в случае отсутствия в конструкции распределенного брэгговского отражателя. В случае наличия последнего - недостаточная эффективность распределенных брэгговских отражателей, так как они отражают свет лишь определенной длины волны и только при его распространении вблизи нормали к плоскости отражателя. В результате эффект поглощения света в подложке присутствует и вносит негативный вклад в эффективность преобразования электрической энергии в световую.
Во-вторых, отсутствие в конструкции средства для выполнения функции теплоотвода от активной области.
В-третьих, наличие в конструкции верхнего фронтального электрода, затеняющего излучающую область. Это особенно критично при изготовлении светодиодов малых размеров, до 10 мкм, поскольку размер подводящего контакта сравним с размером самого светодиода.
В-четвертых, сама используемая конструкция с последовательно выполненными слоями на подложке, нижним и верхним электродами, между которыми расположена подложка с последовательностью слоев. Это препятствует указанной интеграции.
Известен способ изготовления светодиода (патент США №6794211 на изобретение, МПК: 7 H01L 33/00), заключающийся в том, что осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой. На подложке последовательно формируют буферный слой, распределенный брэгговский отражатель, светоизлучающую структуру в составе первого и второго слоев-обкладок с расположенным между ними активным слоем, промежуточный слой из аморфноподобного материала, оконный слой, на котором изготавливают первый электрод - фронтальный электрод, а второй электрод, контактирующий с подложкой - с тыловой стороны подложки.
В способе формируют распределенный брэгговский отражатель, первый и второй слои-обкладки с расположенным между ними активным слоем, промежуточный слой из аморфноподобного материала, оконный слой газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений.
x
1-x
В качестве подложки используют подложку GaAs n-типа проводимости. Буферный слой выполняют из GaAs n-типа проводимости. На буферном слое формируют распределенный брэгговский отражатель, содержащий чередующиеся слои AlAs/GaAs. Далее последовательно выполняют первый слой-обкладку n-типа проводимости из AlGaInP, активный слой из AlGaInP, второй слой-обкладку из AlGaInP p-типа проводимости. Толщина подложки составляет от 250 до 350 мкм. Перечисленные слои осаждают газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений с возможностью прецизионного контроля потоков газа. Состав и толщину слоев контролируют с высокой точностью. Суммарная толщина первого слоя-обкладки, активного слоя и второго слоя-обкладки - от 0,5 до 1 мкм. Для получения n-типа проводимости осуществляют легирование кремнием, для p-типа проводимости - цинком или магнием. Активный слой формируют с множественными квантовыми ямами. Слои-обкладки и активный слой формируют при температуре от 800 до 830°C.
Далее на втором слое-обкладке формируют промежуточный слой аморфнообразного материала с возможностью предотвращения им влияния разницы постоянных кристаллических решеток материалов оконного слоя и второго слоя-обкладки. На промежуточном слое аморфнообразного материала осаждают оконный слой. Эти слои также формируют газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений. Промежуточный слой осаждают при температуре от 400 до 700°C, что ниже по отношению к температуре осаждения других слоев. В процессе газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений инициируют резкое падение температуры роста, вызывающее уменьшение энергии активации атомов во время роста p-GaP, «замораживая» таким образом атомы, в результате осуществляют рост промежуточного слоя в аморфном состоянии. Промежуточный и оконный слои из GaP выращивают в едином процессе, при одних и тех же условиях, за исключением температуры роста.
Оконный слой предпочтительно выращивают более толстым. Толщина промежуточного слоя предпочтительна от 0,01 до 0, 5 мкм. Суммарная толщина оконного и промежуточного слоев - от 5 до 15 мкм.
При изготовлении известным способом светодиода невозможны повышение эффективности преобразования электрической энергии в световую и повышение эффективности теплоотвода, а также отсутствуют возможность снижения размеров светодиодов и возможность интеграции с другими оптоэлектронными приборами на одной подложке.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, относится следующее.
Во-первых, недостаточная эффективность формируемого при изготовлении светодиода распределенного брэгговского отражателя, так как он отражает свет лишь определенной длины волны и только при его распространении вблизи нормали к плоскости отражателя. Наличие эффекта поглощения света в подложке.
Во-вторых, в способе не предусмотрено изготовление средства для выполнения функции теплоотвода от активной области.
В-третьих, выполнение при изготовлении светодиода верхнего фронтального электрода, затеняющего излучающую область. Это особенно критично при изготовлении светодиодов малых размеров, до 10 мкм, поскольку размер подводящего контакта сравним с размером самого светодиода.
В-четвертых, используемая конструкция при изготовлении светодиода с последовательно выполненными слоями на подложке, нижним и верхним электродами, между которыми расположена подложка с последовательностью слоев. Использование при изготовлении светодиода данной конструкции препятствует реализации указанной интеграции.
В качестве ближайшего аналога к заявляемому способу принят способ изготовления светодиода (патент США №7683378 на изобретение, МПК: 8 H01L 33/00), заключающийся в том, что осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой. На подложке последовательно формируют распределенный брэгговский отражатель, первый и второй слои-обкладки с расположенным между ними активным слоем, токорассеивающий слой, на котором изготавливают первый электрод - фронтальный электрод, а второй электрод, контактирующий с подложкой, - с тыловой стороны подложки.
В способе формируют распределенный брэгговский отражатель, первый и второй слои-обкладки с расположенным между ними активным слоем, токорассеивающий слой газофазной эпитаксией из металлоорганических соединений.
18
-3
18
-3
18
-3
17
-3
18
-3
x
1-x
В качестве подложки используют подложку GaAs n-типа проводимости. Распределенный брэгговский отражатель n-типа проводимости выполняют в составе 20 пар из слоя n-типа проводимости AlGaAs толщиной 30,7 нм с концентрацией носителей 1×10 см и слоя n-типа проводимости AlInP толщиной 71,2 нм с концентрацией носителей 1×10 см. Далее последовательно выполняют первый слой-обкладку n-типа проводимости из AlGaInP толщиной 0,5 мкм с концентрацией носителей 1×10 см, активный слой из нелегированного AlGaInP толщиной 0,5 мкм, второй слой-обкладку из AlGaInP p-типа проводимости толщиной 0,5 мкм с концентрацией носителей 5×10 см. В финале формируют токорассеивающий слой AlGaInP p-типа проводимости толщиной 5 мкм с концентрацией носителей 1×10 см.
x
1-x
1
0
1
2
0
2
1
2
0
1
2
Конкретный состав слоя AlGaAs распределенного брэгговского отражателя n-типа проводимости - AlGaAs с х 0<x<0,6. Толщину слоев отражателя AlGaAs и AlInP выбирают в соответствии с выражениями: t={λ/(4×n)}×α, t={λ/(4×n)}×(2-α), 0,5<α<0,9, где t - толщина слоя AlGaAs, t-толщина слоя AlInP, λ-длина волны, n-показатель преломления AlGaAs, n-показатель преломления AlInP.
При изготовлении по известному способу светодиода невозможны повышение его эффективности преобразования электрической энергии в световую и повышение эффективности теплоотвода, а также при его изготовлении отсутствуют возможность снижения размеров светодиодов и возможность интеграции с другими оптоэлектронными приборами на одной подложке.
К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата, относится следующее.
Во-первых, недостаточная эффективность формируемого при изготовлении светодиода распределенного брэгговского отражателя, так как он отражает свет лишь определенной длины волны и только при его распространении вблизи нормали к плоскости отражателя. В результате проявляется эффект поглощения света в подложке.
Во-вторых, в способе не предусмотрено изготовление средства для выполнения функции теплоотвода от активной области.
В-третьих, выполнение при изготовлении светодиода верхнего фронтального электрода, затеняющего излучающую область. Это особенно критично при изготовлении светодиодов малых размеров, до 10 мкм, поскольку размер подводящего контакта сравним с размером самого светодиода.
В-четвертых, используемая конструкция при изготовлении светодиода с последовательно выполненными слоями на подложке, нижним и верхним электродами, между которыми расположена подложка с последовательностью слоев. Использование при изготовлении светодиода данной конструкции препятствует реализации указанной интеграции.
Техническим результатом предлагаемого решения является:
- повышение эффективности преобразования электрической энергии в световую;
- повышение эффективности теплоотвода;
- достижение возможности снижения размеров светодиодов;
- достижение возможности интеграции с другими оптоэлектронными приборами на одной подложке.
Технический результат достигается в светодиоде, содержащем подложку, светоизлучающую структуру и первый электрод, расположенные с рабочей стороны подложки, второй электрод, контактирующий с подложкой, при этом с рабочей стороны подложки выполнен электропроводящий, прозрачный для излучаемого света U-образный подвес для светоизлучающей структуры, лежащий на подложке одной ветвью и жестко связанный с ней, между ветвями в направлении от подложки выполнена жестко связанная с ветвями последовательность элементов, сформированная из последовательно жестко связанных изолирующего слоя, первого электрода, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, светоизлучающей структуры.
В светодиоде U-образный подвес для светоизлучающей структуры выполнен на основе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, лежащая на подложке ветвь сформирована участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связи с рабочей стороны подложки с подложкой, с другой стороны - с расположенными между ветвями изолирующим слоем и первым электродом, другая ветвь сформирована участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связи с расположенными между ветвями светоизлучающей структурой и слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, а соединяющая ветви петля, выполненная электропроводящей, сформирована за счет изгибания под действием встроенных механических напряжений участка слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, свободного от связей с элементами, удерживающими его в плоском состоянии, первый электрод выполнен в виде контактного слоя, второй электрод, контактирующий с подложкой, выполнен с тыловой стороны подложки.
В светодиоде между изолирующим слоем и ветвью U-образного подвеса, лежащей на подложке, сформированной участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связей с подложкой, изолирующим слоем и первым электродом, выполнен ансамбль слоев светоизлучающей структуры, светоизлучающая структура выполнена на основе ансамбля слоев светоизлучающей структуры, подвешена на петле с примыканием слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, которым снабжена светоизлучающая структура, к контактному слою с возможностью реализации жесткой механической и электрической связей.
В светодиоде в составе светоизлучающей структуры выполнены первый и второй слои-обкладки, соответственно, первого и второго типа проводимости и расположенный между ними активный слой, нелегированный, причем второй слой-обкладка выполнен с примыканием к слою, выполняющему функцию зеркала и теплоотвода.
В светодиоде ансамбль слоев светоизлучающей структуры выполнен в составе первого и второго слоев-обкладок, соответственно, первого и второго типа проводимости с расположенным между ними активным слоем, нелегированным.
+
+
В светодиоде подложка выполнена из GaAs p или n-типа проводимости.
+
+
В светодиоде между подложкой и лежащей на подложке ветвью, сформированной участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связей с подложкой, изолирующим слоем и первым электродом, выполнен жертвенный слой из AlAs p или n-типа проводимости, обеспечивающий жесткую связь с подложкой.
+
+
+
+
В светодиоде электропроводящий, прозрачный для излучаемого света U-образный подвес для светоизлучающей структуры, выполнен на основе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, а именно выполнен в составе механически напряженного слоя из InGaAs p или n-типа проводимости и связанного с ним слоя из GaAs p или n-типа проводимости, а петля, выполненная электропроводящей, металлизирована слоями AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоями Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
В светодтоде первый слой-обкладка первого типа проводимости выполнен из AlGaInP или AlGaInAs p или n-типа проводимости, активный слой выполнен из нелегированного AlGaInP или AlGaInAs, а второй слой-обкладка второго типа проводимости выполнен из AlGaInP или AlGaInAs n или p-типа проводимости.
+
В светодиоде между ансамблем слоев светоизлучающей структуры и изолирующим слоем, между светоизлучающей структурой и слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, выполнен защитный слой из GaAs p-типа проводимости.
2
3
4
В светодиоде изолирующий слой выполнен из SiO или SiN толщиной около 0,2 мкм. В светодиоде первый электрод выполнен в виде контактного слоя в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 40/200 нм, второй электрод, контактирующий с подложкой, выполнен в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоев Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
В светодиоде слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, сформирован в составе слоев Ag/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
Технический результат достигается в способе изготовления светодиода, заключающемся в том, что осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой, в способе сначала с рабочей стороны подложки формируют связанный с подложкой многослойный пленочный элемент с использованием материалов, геометрии его слоев и встроенных механических напряжений, обеспечивающих получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащего на подложке одной ветвью и жестко связанного с подложкой, а другой ветвью, связанного со светоизлучающей структурой с подвешиванием на петле, при этом на стадии формирования пленочного элемента изготавливают последовательно слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, ансамбль слоев светоизлучающей структуры, в отношении последнего формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле, на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем, на котором изготавливают первый электрод, на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, затем пленочный элемент частично отделяют от подложки, оставляя его связанным на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем с изготовленным на нем первым электродом, трансформируя под действием встроенных механических напряжений слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями в U-образный подвес с петлей и расположением получаемой светоизлучающей структуры из ансамбля слоев светоизлучающей структуры между ветвями, путем отделения пленочного элемента от подложки, переворота ансамбля слоев светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, и размещения последним в контакте с первым электродом с образованием жесткой связи.
В способе на стадии формирования пленочного элемента перед изготовлением слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями на подложке изготавливают жертвенный слой из AlAs толщиной от 10 до 30 нм, в качестве подложки используют подложку GaAs, пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя со стороны участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой.
+
+
+
+
+
В способе на стадии формирования пленочного элемента изготавливают слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, обеспечивающий получение электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, в составе механически напряженного слоя из InGaAs p-типа проводимости и связанного с ним слоя из GaAs p-типа проводимости, а ансамбль слоев светоизлучающей структуры изготавливают в составе первого и второго слоев-обкладок с расположенным между ними активным слоем, первый слой-обкладку выполняют из AlGaInP или AlGaInAs первого типа проводимости - p-типа, активный слой выполняют, соответственно, из нелегированного AlGaInP или AlGaInAs либо активный слой выполняют содержащим, соответственно, InGaP или GaAs квантовые ямы, а второй слой-обкладку выполняют, соответственно, из AlGaInP или AlGaInAs второго типа проводимости - n-типа, при этом первый слой-обкладку размещают на слое из GaAs p-типа проводимости слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, второй слой-обкладку снабжают защитным слоем из GaAs n-типа проводимости, на котором выполняют изолирующий слой и слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода.
-8
-5
В способе на стадии формирования пленочного элемента с изготовлением ансамбля слоев светоизлучающей структуры и в отношении последнего формированием двух участков, расположенных друг относительно друга с зазором, глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, с получением этим участков пленочного элемента - соответствующего лежащей на подложке ветви, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующего петле, с покрытием на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участка ансамбля слоев светоизлучающей структуры изолирующим слоем, на котором изготавливают первый электрод, с изготовлением на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, толщину пленочного элемента задают от 6×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем петле, до 10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, рисунки слоев пленочного элемента формируют литографически, после изготовления ансамбля слоев светоизлучающей структуры, используя литографию, изготавливают изолирующий слой на площади участка пленочного элемента, соответствующего лежащей на подложке ветви, затем выполняют зазор и получают указанные участки посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, с достижением расстояния между участками, равным πR, где R - радиус кривизны петли, или другого расстояния, обеспечивающего в дальнейшем расположение светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, в контакте с первым электродом, который получают на изолирующем слое нанесением контактного слоя из металла с использованием литографии, изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, также из металла, с использованием литографии, кроме того, после выполнения зазора и получения указанных участков посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, последний дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию.
2
В способе изолирующий слой изготавливают из SiO толщиной около 0,2 мкм.
В способе слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, изготавливают в составе слоев Ag/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
В способе слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями на участке, соответствующем петле, дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию, слоями AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоями Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
В способе первый электрод изготавливают в виде контактного слоя в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 40/200 нм, второй электрод, контактирующий с подложкой, изготавливают с тыловой стороны подложки в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоев Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
Сущность технических решений поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг.1 проиллюстрировано поглощение генерируемого активным слоем света в случаях отсутствия зеркала и его наличии - распределенного брэгговского отражателя.
На Фиг.2 проиллюстрировано затенение верхним фронтальным электродом излучающей области.
На Фиг.3 схематически показано сворачивание в рулон за счет действия встроенных механических напряжений псевдоморфной гетеропленки из двух формообразующих слоев при освобождении ее от связи с подложкой.
На Фиг.4(a), (b), (c), (d) представлены фотографии, демонстрирующие возможности метода «микро-оригами», позволяющего создавать массивы микромеханических компонентов, расположенных под различными заранее заданными углами к подложке.
На Фиг.5 схематически показана последовательность основных технологических стадий изготовления светодиода: а) формирование многослойного пленочного элемента - стадия готовности эпитаксиально сформированной гетероструктуры светодиода в составе подложки, слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, ансамбля слоев светоизлучающей структуры и осуществления литографии с нанесением изолирующего слоя из диэлектрика; б) формирование в отношении ансамбля слоев светоизлучающей структуры двух участков, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получение участков пленочного элемента - соответствующего лежащей на подложке ветви, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующего петле, с покрытием на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участка ансамбля слоев светоизлучающей структуры изолирующим слоем и изготовлением первого электрода в виде контактного слоя из металла, с формированием на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, и с дополнительной металлизацией на участке, соответствующем петле, слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями посредством осуществления литографии, вытравливания мезо-структур и нанесения слоев; в) стадия получения гибридной микроструктуры светодиода путем осуществления селективного травления жертвенного слоя с отделением от подложки мезо-структуры в составе участков пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующего петле, псевдоморфной гетеропленки из слоев со встроенными механическими напряжениями (слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями), слоев-обкладок с расположенным между ними активным слоем, защитного слоя (ансамбль слоев светоизлучающей структуры) и слоя металла, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, а также отделением от подложки с формированием петли псевдоморфной гетеропленкой из слоев со встроенными механическими напряжениями на участке пленочного элемента, соответствующем петле, на котором может быть нанесен слой металла, приводящим к перевороту указанной мезо-структуры в отношении участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой, на 180° и расположению слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, из металла между подложкой и активным слоем, при котором указанный слой из металла лежит на последовательности сформированных на подложке слоев из жертвенного слоя, слоев со встроенными механическими напряжениями (слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями) псевдоморфной гетеропленки, образующей петлю, слоев-обкладок с расположенным между ними активным слоем, защитного слоя (ансамбль слоев светоизлучающей структуры), изолирующего слоя, на котором нанесен контактный слой из металла (первый электрод), контактирующий в результате переворота мезо-структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, где 1 - подложка, 2 - жертвенный слой, 3 - механически напряженный слой, образующий петлю, 4 - слой, образующий петлю, 5 - слой-обкладка первого типа проводимости, 6 - активный слой, нелегированный, 7 - слой-обкладка второго-типа проводимости, 8 - защитный слой, 9 - изолирующий слой, 10 - слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 11 - металлизирующий петлю слой, 12 - контактный слой.
На Фиг.6 представлено фотографическое изображение гибридной микроструктуры светодиода, содержащей слои металла, расположенные между полупроводниковыми эпитаксиальными слоями за счет петли, выполненной из слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, освобожденного от связи с подложкой, в результате действия встроенных механических напряжений при освобождении их от связи с подложкой, приводящего к изгибанию и формированию петли.
Разработка группы технических решений направлена на создание высокоэффективных светодиодов с малыми латеральными размерами (от 1 мкм до 100 мкм), пригодных для интеграции с другими электронными приборами на одном чипе и использования в светоизлучающих матрицах высокого разрешения, и наносветодиодов с квантовыми точками в активном слое, а также технологии изготовления приведенных устройств.
Первый коммерческий светодиод появился более 50 лет назад. С тех пор характеристики светодиодов постоянно улучшались, в особенности ускорение прогресса наблюдалось в последние два десятилетия. К сегодняшнему дню разработаны светодиоды, излучающие свет длиной волны всего видимого диапазона, от голубого до красного, успехи в разработке светодиодов достигли впечатляющего уровня в отношении излучаемой мощности и эффективности преобразования электрической энергии в световую.
Коэффициент полезного действия светодиода равен произведению внутренней квантовой эффективности (числа фотонов, генерируемых каждым электроном, проходящим через активный слой светодиода) и эффективности экстракции света (отношения числа фотонов, покинувших прибор, к их полному числу). Внутренняя квантовая эффективность определяется качеством используемых полупроводниковых материалов и конструкцией активной области и может превышать 99% (I.Schnitzer, Е. Yablonovitch, С.Caneau, T.J. Gmitter, Ultrahigh spontaneous emission quantum efficiency, 99.7% internallyand 72% externally, from AlGaAs/GaAs/AlGaAs double heterostructures, Appl. Phys. Lett. 62 (2) 131 (1992)). Эффективность экстракции ограничена поглощением части света подложкой, а также отражением фотонов от границы раздела полупроводник/воздух и их последующим поглощением в активной области или подложке. Высокий коэффициент преломления полупроводников (n=3,54 для GaAs) приводит к тому, что лишь малая часть, около 2%, фотонов может покинуть полупроводник. Для повышения эффективности экстракции света был предложен ряд мер (K.Streubel, N. binder, R. Wirth, A. Jaeger, High brightness AlGaInP Light-Emitting Diodes, IEEE J Select. Topics Quantum Electron. 8 (2) 321 (2002)): (1) использование распределенных брэгговских отражателей между подложкой и активной областью; (2) использование прозрачной подложки; (3) перенос активной области на металлическую отражающую поверхность; (4) создание рельефа на поверхности полупроводника. Созданные с использованием этих технологий светодиоды, так называемые светодиоды высокой яркости (high-brightness LED), уже широко применяются в световых табло, светофорах, автомобильных сигнальных фонарях, для подсветки жидкокристаллических дисплеев мобильных устройств (M. Holcomb, Р. Grillot, G. Hfler, М. Krames, S. Stockman, AlGaInP LEDs break performance barriers, Compound Semiconductor, Aplil, 2001). Общий объем продаж светодиодов высокой яркости в 2000 году превысил сумму в 1 миллиард долларов США (T. Whitaker, Lighting the future with LEDs, Compound Semiconductor, Aplil, 2001). Тем не менее, до настоящего времени остается нерешенной проблема создания ярких микросветодиодов высокоэффективных светодиодов с малыми размерами (1 мкм - 100 мкм), пригодных для интеграции с другими электронными приборами на одном чипе и использования в светоизлучающих матрицах высокого разрешения (100-1000 dpi). Такие светодиоды требуются для создания цветных дисплеев высокого разрешения, дисплеев мобильных устройств, светодиодных принтеров.
Реализация указанных светодиодов разработчиками мира направлена в первую очередь на устранение таких недостатков светодиодов как поглощение генерируемого света активным слоем (см. Фиг.1), затенение верхним контактом излучающей области светодиода (см. Фиг.2).
Кроме того, в настоящее время в ряде лабораторий мира ведутся работы по созданию однофотонных эмиттеров на основе квантовых точек - наносветодиодов, каждый из которых содержит одну квантовую точку в активном слое. Для создания таких устройств необходимо решить проблему масштабирования светодиодов до наноразмеров при сохранении достаточно высокой эффективности (A. Fiore, J.X. Chenand, М. Ilegems, Scaling quantum-dot light-emitting diodes to submicrometer sizes, Appl. Phys. Lett. 81 (10) 1756(2002)).
Предлагаемый подход в настоящих технических решениях к устранению недостатков выглядит перспективным, прежде всего, с точки зрения масштабирования при сохранении высокой эффективности.
Достижение технического результата базируется на следующем.
В предлагаемой группе технических решений реализована идея размещения металлического отражающего покрытия между генерирующим излучение эпитаксиальным активным слоем светодиода и подложкой, на которой этот активный слой был изначально выращен. Такую структуру невозможно создать непосредственно в процессе эпитаксиального роста (нельзя вырастить монокристаллические полупроводниковые слои поверх золотой или серебряной пленки, обычно используемой в качестве зеркала). Поэтому в данной разработке предлагается локально отделить от подложки эпитаксиальный активный слой с нанесенным на него металлическим покрытием и перевернуть его, используя встроенные механические напряжения, с размещением относительно подложки таким образом, что между активным слоем и подложкой оказывается выполненным металлическое отражающее покрытие - слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода.
В основе реализации лежит концепция трехмерного микро- и наноструктурирования с использованием встроенных напряжений (V. Ya. Prinz, V.A. Seleznev, А.K. Gutakovsky, A.V. Chehovskiy, V.V. Preobrazenskii, M.A. Putyato, T.A. Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, p.p.828-831), которую схематически демонстрирует Фиг.3 на примере псевдоморфной гетеропленки, состоящей из слоя GaAs и слоя InGaAs, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии на GaAs подложке.
1
2
1
2
Напряженная двухслойная пленка из материалов, в частности, InGaAs и GaAs, с различными постоянными кристаллической решетки, при освобождении ее от связи с подложкой изгибается и сворачивается в рулон под действием внутренних механических напряжений (Фиг.3). Постоянная решетки InGaAs превосходит постоянную решетки GaAs (Δa/a≤7%). Слой InGaAs в исходном состоянии сжат. Упругие силы F и F в сжатом слое, расположенном на жертвенном слое, и слое, расположенном на сжатом слое, направлены в противоположные стороны и создают момент сил М, стремящийся изогнуть пленку. Пока жертвенный слой не подвергнут травлению, пленка жестко связана с подложкой посредством жертвенного слоя и удерживается в плоском состоянии. При направленном боковом травлении жертвенного слоя пленка начинает отделяться от подложки. Под действием момента сил упругих деформаций пленка изгибается, приобретая криволинейную форму, соответствующую минимуму энергии внутренних напряжений. Радиус кривизны изгиба зависит от толщины пленки и величин механических напряжений в ней. Его можно задавать с прецизионной точностью, поскольку он задается относительным рассогласованием периодов кристаллических решеток материалов, которые выбирают для формирования слоев, и толщинами последних. Выращивая на подложке исходные структуры с разной толщиной эпитаксиальных слоев и составами твердых растворов, можно очень точно получать требуемое значение радиуса кривизны. Толщина при эпитаксиальном росте задается с точностью до моноатомных слоев. В простейшем случае двухслойной гетеропленки с толщинами слоев d и d, несоответствием параметров решетки слоев Δa/a и коэффициентом Пуассона ν радиус кривизны R определяется формулой (M. Grundmann, Appl. Phys. Lett. 83, 2444 (2003)):
.
Таким образом, локальная кривизна формируемой оболочки, в частности рулона, петли задается присутствующими в ее составе слоями, изогнутыми за счет действия упругих напряжений.
Эта же концепция использована в «микро-оригами» методе микроструктурирования (P. Vaccaro, K. Kubota, Т. Aida, Appl. Phys. Lett. 78 (2001)2852). В нем свободные напряженные гетеропленки используются для подвески отделенных от подложки частей микромеханических приборов. «Микро-оригами» позволяет создавать массивы микромеханических компонентов, располагаемых под различными заранее заданными углами к подложке (A. Vorob'ev, P.O. Vaccaro, K. Kubota, S. Saravanan, Т. Aida, Jpn. J. Appl. Phys 42, Part 1 (6B) 4024 (2003)), в том числе под углом 180°, то есть полностью перевернутые (Фиг.4).
В предлагаемых технических решениях используют внутренние механические напряжения в многослойной эпитаксиальной пленке для переворота ее требуемых участков на 180° (см. Фиг.5 - Фиг.6) с возможностью получения конструкции светодиода, в которой предварительно нанесенная металлическая пленка оказывается размещенной между подложкой 1 и активным слоем 6 и играет роль зеркала, выполняя при этом еще и функцию теплоотвода от активной области (слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10). Металлическое отражающее покрытие, которое невозможно вырастить в едином процессе формирования всех эпитаксиальных слоев структуры светодиода, таким образом располагают между эпитаксиальным активным слоем 6 светодиода и подложкой 1, на которой этот активный слой был изначально выращен.
Преимущества такой конструкции следующие:
(1) высокая эффективность преобразования электрической энергии в световую, поскольку металлическое зеркало препятствует поглощению подложкой эмитируемого света (распределенные брэгговские отражатели для этой цели менее эффективны, так как отражают свет лишь определенной длины волны и только при его распространении вблизи нормали к плоскости отражателя) (см. Фиг.1);
(2) отсутствие верхнего металлического электрода, затеняющего часть излучающей области (см. Фиг.2) (это особенно ценно для светодиодов с малыми размерами (<10 мкм), когда размер подводящего контакта сравним с размером самого диода);
(3) эффективный отвод тепла от активной области вследствие ее близости к металлическому покрытию;
(4) не требуется высокотемпературного (600-750°C) бондинга (прямого сращивания пластин), применяемого в методах создания ярких светодиодов (ведь высокотемпературные процессы ухудшают качество границ раздела и размывают профиль легирования активной области, что ухудшает характеристики приборов);
(5) возможность интеграции с другими оптоэлектронными приборами на одной подложке.
Описанный подход к созданию высокоэффективных светодиодов, использующий методы микромеханики, является новым и не имеет аналогов.
Описанный подход с достижением указанного технического результата реализован в следующей конструкции светодиода (см. Фиг.5в)).
Светодиод, так же как и известные технические решения, содержит подложку 1, светоизлучающую структуру и первый электрод (контактный слой 12), расположенные с рабочей стороны подложки 1, второй электрод, контактирующий с подложкой. Новым в конструкции является выполнение с рабочей стороны подложки электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры. Этот элемент - один из важнейших элементов конструкции, поскольку обеспечивает требуемое для достижения технического результата позиционирование светоизлучающей структуры (активного слоя) и металлического слоя, играющего роль зеркала и осуществляющего теплоотвод, относительно других элементов конструкции. Он выполняется прозрачным для излучаемого света в целях беспрепятственного вывода генерируемого излучения, также выполняется электропроводящим для создания электрической цепи, в которую включена светоизлучающая структура и которая характерна для традиционной конструкции. При этом U-образный подвес лежит на подложке 1 одной ветвью и жестко связан с ней. Между ветвями U-образного подвеса в направлении от подложки 1 выполнена жестко связанная с ветвями последовательность элементов. В ней сформированы последовательно жестко связанные изолирующий слой 9, первый электрод (контактный слой 12), слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 светоизлучающая структура (защитный слой 8, слой-обкладка второго типа проводимости 7, например, p-типа проводимости, активный слой, нелегированный 6, слой-обкладка первого типа проводимости 5, например n-типа проводимости - в направлении от подложки 1) (см. Фиг.5в)). Изолирующий слой 9 предотвращает возникновение электрической цепи в обход светоизлучающей структуры, изолируя первый электрод (контактный слой 12) от проводящих слоев, выполненных на подложке.
Описанный подход с достижением указанного технического результата реализуют в вышеприведенной конструкции светодиода (см. Фиг.5в)) путем изготовления его следующим образом (см. Фиг.5а)-в)).
В способе изготовления светодиода, так же как в известных технических решениях, осуществляют получение светоизлучающей структуры (слой-обкладка первого типа проводимости 5, активный слой, нелегированный 6, слой-обкладка второго типа проводимости 7), первого электрода (контактный слой 12), расположенных с рабочей стороны подложки 1, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой 1 (не показан). Причем реализация этих действий с получением указанных элементов осуществляется известными средствами. Новым в способе является следующее.
При изготовлении сначала с рабочей стороны подложки 1 формируют связанный с подложкой многослойный пленочный элемент. При этом используют материалы, геометрию слоев пленочного элемента и встроенные механические напряжения, обеспечивающие получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащего на подложке одной ветвью и жестко связанного с подложкой 1, а другой ветвью связанного со светоизлучающей структурой с подвешиванием на петле. Формирование пленочного элемента осуществляется с использованием традиционных материалов и методов планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов.
На стадии формирования пленочного элемента изготавливают последовательно слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, ансамбль слоев светоизлучающей структуры. В отношении последнего формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями. Таким образом, получают в результате участки пленочного элемента: соответствующий лежащей на подложке ветви; соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой; соответствующий петле. На участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем 9, на котором изготавливают первый электрод. На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, на котором выполнен второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода. Затем пленочный элемент частично отделяют от подложки 1, оставляя его связанным на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем 9 с изготовленным на нем первым электродом. При частичном отделении пленочного элемента под действием встроенных механических напряжений, присутствующих в нем, слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями трансформируют в U-образный подвес с петлей и расположением получаемой светоизлучающей структуры из ансамбля слоев светоизлучающей структуры между ветвями. При этом путем отделения пленочного элемента от подложки 1, переворота ансамбля слоев светоизлучающей структуры со слоем 10, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, происходит размещение последнего в контакте с первым электродом (контактный слой 12) с образованием жесткой связи.
Исходным объектом при формировании многослойного пленочного элемента является твердая многослойная пленка или гетероструктура в составе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры, полученная на твердой подложке 1. Кроме того, в качестве исходного объекта может быть использована твердая многослойная пленка или гетероструктура в составе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры со сформированным на ней изолирующим слоем 9, либо использована твердая многослойная пленка или гетероструктура в составе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры со сформированным на ней изолирующим слоем 9, на котором получен контактный слой 12 (первый электрод), либо использована твердая многослойная пленка или гетероструктура в составе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры, на которой получен слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода. В общем случае в составе гетероструктуры выполняют совокупность слоев полупроводникового материала, металла, диэлектрика. Многослойная пленка или гетероструктура в составе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры может быть нанесена на твердую подложку 1 молекулярно-лучевой эпитаксией, осаждением из жидкой или газовой фазы. Исходный объект должен удовлетворять следующим условиям: во-первых, должен обеспечить возможность протекания процесса генерации излучения; во-вторых, должна иметься возможность локального отделения от подложки; в-третьих, должны быть встроенные механические напряжения, под действием которых при отделении от подложки многослойного пленочного элемента формируется за счет изгибания U-образный подвес с петлей для светоизлучающей структуры; в-четвертых, должна достигаться возможность замкнутой электрической цепи с включением в нее светоизлучающей структуры с приложением к ней рабочего напряжения и беспрепятственность вывода генерируемого излучения.
Изготовление многослойного пленочного элемента осуществляют с использованием материалов, геометрии и внутренних механических напряжений слоев, обеспечивающих получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры с расположением последней между ветвями подвеса, посредством имеющегося к настоящему времени арсенала средств планарной технологии. Среди методов планарной технологии используют такие, как эпитаксия, электрохимическое осаждение, вакуумное напыление и другие методы получения слоев. Методы позволяют получать требуемые слои, обеспечивают однородность толщины каждого слоя и однородность механических напряжений по слою. Отделяя от подложки пленочный элемент, производят укладку друг на друга его участков, участок пленочного элемента, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой и слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10, укладывают с его переворотом на участок пленочного элемента, соответствующий лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем 9 с изготовленным на нем первым электродом, трансформируют слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями под действием последних в U-образный подвес с петлей, кривизну которой можно варьировать в широком диапазоне. Конкретное значение кривизны петли - оболочки, обеспечивающее требуемое пространственное расположение светоизлучающей структуры, с высокой точностью задается выбором внутренних напряжений слоев слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, их толщинами и механическими свойствами.
Способ изготовления позволяет использовать широкий круг материалов для слоев с прецизионным подбором их толщин и напряжений, а также реализовать желаемую геометрию всех элементов, включая точную пространственную конфигурацию. Первая стадия способа заключается в формировании пленочного элемента, контуры которого задают литографически, при этом на подложке могут осуществлять формирование одного или более отдельных пленочных элементов в плоском состоянии, если требуется изготовить массив светодиодов. При формировании определяют форму пленочного элемента, область начала отделения его от подложки и последующего сворачивания, направление сворачивания. Используют любой тип литографии - оптическая, электронная, штамповал - для нанесения защитной маски требуемой формы на поверхность исходного объекта - исходной гетеропленки и последующего локального удаления пленки травлением (жидкостным, ионным или другим) с получением заданной геометрии многослойного пленочного элемента. В областях пленки, не защищенных маской, пленку полностью удаляют либо частично, прекращая травление на требуемой глубине (используя стоп-слои и селективность травителя по отношению к материалу). При необходимости маска подлежит удалению. При изготовлении металлических слоев с требуемым рисунком используют взрывную литографию.
В составе многослойного пленочного элемента при получении слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями выращивают не менее двух формообразующих петлю слоев, обеспечивающих встроенные механические напряжения, которые создают момент сил, стремящийся изогнуть пленку. Толщину каждого слоя можно задать от нескольких микрон до одного атомного монослоя. В частности, может быть выполнена последовательность формообразующих петлю слоев со встроенными механическими напряжениями с возможностью задания градиента продольных механических напряжений, направленного поперек пленки. Кроме того, в составе пленочного элемента выполняют ансамбль слоев светоизлучающей структуры в составе традиционной системы слоев - слои-обкладки первого и второго типа проводимости (соответственно, позиции 5 и 7 на Фиг.5) и расположенный между ними активный слой 6, нелегированный. После изготовления слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры осуществляют получение геометрии многослойного пленочного элемента, проводят мезоструктурирование по ансамблю слоев светоизлучающей структуры, изготавливают зазор, получая указанные участки, получают изолирующий слой 9, первый электрод (контактный слой 12), слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода (см. Фиг.5а), б)). При этом осуществляют определение размеров и формы зазора (участка пленочного элемента, соответствующего петле) и указанных участков, рисунков слоев светоизлучающей структуры, изолирующего слоя 9, первого электрода (контактный слой 12), слоя 10, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода. После получения слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры операции по получению зазора, изолирующего слоя 9 с покрытием его контактным слоем 12, слоя 10, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, могут быть выполнены в любом порядке, с использованием любого типа литографии - оптическая, электронная, штамповал - для нанесения защитной маски требуемой формы на поверхность исходной пленки и последующего локального удаления пленки травлением (жидкостным, ионным или другим), но с получением требуемой геометрии указанных элементов. Таким образом, на первом этапе изготавливают все конструктивные элементы светодиода, они находятся в плоском состоянии и расположены на подложке, связаны с подложкой. Мезоструктурированная гетеропленка, являющаяся многослойным пленочным элементом, связана с подложкой 1, в частности, за счет присутствующего жертвенного слоя 2, если последний выращивают в составе пленочного элемента (см. Фиг.5). Однако изготавливаемый светодиод еще не готов к функционированию. Остается придать конструктивным элементам требуемое расположение друг относительно друга, сформировав светоизлучающую структуру, расположив на первом электроде за счет формирования петли и подвешивания ее на петле (см. Фиг.5в)).
На второй стадии способа изготовления приступают непосредственно к операциям, касающимся получения U-образного подвеса с петлей, расположения светоизлучающей структуры между ветвями, с приведением ее в контакт с изготовленным на изолирующем слое 9 первым электродом слоем 10, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода. Созданный пленочный элемент/элементы освобождают частично от связи с подложкой 1 посредством удаления под ним/ними материала нижележащего элемента либо без удаления последнего, применяя воздействие, освобождающее гетероструктуру от связи с подложкой, например воздействие лазерным излучением. В первом случае травят жертвенный слой 2, предварительно выращенный на подложке 1. При этом в многослойном пленочном элементе слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями на участке, соответствующем зазору, изгибается под действием внутренних механических напряжений, образующих петлю слоев, и трансформируется в оболочку с формой, соответствующей минимуму энергии внутренних механических напряжений. На участках, соответствующих ветвям, изгибания слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями не происходит, поскольку этому препятствует связь с подложкой, с ансамблем слоев светоизлучающей структуры и с самой формируемой светоизлучающей структурой. Изгибание участка пленочного элемента, соответствующего петле, в требуемом направлении достигается применением способов направленного сворачивания (А.В. Vorob'ev, V. Ya. Prinz. Directional rolling of strained heterofilms. Semiconductor Science and Technology, 17, 2002, p.p.614-616), базирующихся на анизотропии упругих свойств слоев гетероструктуры, анизотропии травления жертвенного слоя, или посредством использования определенных конфигураций контуров пленочного элемента, которые задают требуемое направление сворачивания. При расположении между ветвями U-образного подвеса на петле светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, последний приводят в контакт с первым электродом с образованием жесткой связи. Формирование жесткой связи обусловлено эффектом слипания.
В заключение осуществляют присоединение проволок, проводов или иных электрических подводов к первому и второму электродам.
Подчеркнем, что последовательность действий - определение формы многослойного пленочного элемента, определение формы и получение изолирующего слоя, покрытие его первым электродом, определение формы и получение зазора, изготовление слоя, выполняющего функция зеркала и теплоотвода, может отличаться по последовательности выполнения, в зависимости от средств, заимствованных из арсенала планарной технологии для изготовления светодиода - материалов и технологических методов.
В частном случае реализации предлагаемого технического решения на стадии формирования пленочного элемента перед изготовлением слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями на подложке 1 изготавливают жертвенный слой 2 из AlAs толщиной от 10 до 30 нм, в качестве подложки 1 используют подложку GaAs p или n типа проводимости, пленочный элемент отделяют от подложки 1 путем селективного бокового травления жертвенного слоя 2 со стороны участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой (см. Фиг.3, Фиг.5).
+
+
+
+
+
+
+
+
На стадии формирования пленочного элемента изготавливают слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, обеспечивающий получение электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, в составе механически напряженного слоя (механически напряженный слой, образующий петлю 3) из InGaAs p или n-типа проводимости и связанного с ним слоя (слой, образующий петлю 4) из GaAs p или n-типа проводимости (см. Фиг.5). Кроме того, изготавливают ансамбль слоев светоизлучающей структуры в составе первого (слой-обкладка первого типа проводимости 5 p-типа или n-типа) и второго (слой-обкладка второго типа 7 n-типа или p-типа проводимости) слоев-обкладок с расположенным между ними активным слоем (активный слой 6, нелегированный). Первый слой-обкладку выполняют из AlGaInP или AlGaInAs. Активный слой выполняют, соответственно, из нелегированного AlGaInP или AlGaInAs либо активный слой выполняют содержащим, соответственно, InGaP или GaAs квантовые ямы. Второй слой-обкладку выполняют, соответственно, из AlGaInP или AlGaInAs. При этом первый слой обкладку размещают на слое из GaAs p или n-типа проводимости (слой, образующий петлю 4) слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями. Второй слой-обкладку (слой-обкладка второго типа проводимости 7 n-типа или p-типа проводимости) снабжают защитным слоем 8 из GaAs n или p-типа проводимости, на котором выполняют изолирующий слой 9 и слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода.
-8
-5
В частном случае реализации способа при осуществлении стадии формирования пленочного элемента, в ходе которой изготавливают ансамбль слоев светоизлучающей структуры, в отношении последнего формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором, глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле, на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем 9, на котором изготавливают первый электрод, на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, толщину пленочного элемента задают от 4×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем петле, до 10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви (см. Фиг.5). Рисунки слоев пленочного элемента формируют литографически. После изготовления ансамбля слоев светоизлучающей структуры, используя литографию, изготавливают изолирующий слой 9 на площади участка пленочного элемента, соответствующего лежащей на подложке ветви. Затем выполняют зазор и получают указанные участки. Осуществляют это посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями. Расстояние между участками задают, равным nR, где R - радиус кривизны петли. Также можно задать другое расстояние. Однако выбранное расстояние между участками должно обеспечить в дальнейшем расположение светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10 в контакте с первым электродом, который получают на диэлектрическом слое 9. То есть должна быть возможность сложить друг на друга указанные участки. Первый электрод получают нанесением контактного слоя из металла с использованием литографии, в частности взрывной литографии. Кроме того, на соответствующем участке изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, также из металла, с использованием литографии, в частности взрывной литографии. Помимо перечисленного, после выполнения зазора и получения указанных участков посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, последний дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию, в частности взрывную литографию. В результате получают металлизирующий петлю слой 11 (см. Фиг.5б), в)). Это дополнительная операция. В отсутствии металлизации протекание тока осуществляется по изготовленным из полупроводникового материала слоям слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями. Металлизация может выполняться с разрывами на краях участка пленочного элемента, соответствующего петле, на которых указанный участок примыкает к другим участкам пленочного элемента (Фиг.5б)), сплошной, что требует скошенных, не строго вертикальных границ мезо-структур.
2
3
4
В частном случае реализации способа изолирующий слой 9 изготавливают из SiO или SiN толщиной около 0,2 мкм. При изготовлении изолирующего слоя 9 осуществляют нанесение слоя диэлектрика указанной толщиной на исходный объект - твердую многослойную пленку или гетероструктуру в составе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями и ансамбля слоев светоизлучающей структуры, полученную на подложке, затем осуществляют литографию, вскрывая окна в слое диэлектрика, выполняют травление последнего.
Слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, изготавливают в составе слоев, например, Ag/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм. При изготовлении осуществляют литографию, изготавливая в слое-маске окно и определяя рисунок слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10. Затем проводят напыление слоев металла указанной толщиной и последующий «взрыв».
Слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями на участке, соответствующем петле, дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию, слоями AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоями Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм. При изготовлении осуществляют литографию, изготавливая в слое-маске окно и определяя рисунок металлизирующего петлю слоя 11. Затем проводят напыление указанных слоев указанной толщиной и последующий «взрыв».
Первый электрод изготавливают в виде контактного слоя 12 в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 40/200 нм. Проводят литографию, изготавливая в слое-маске окно и определяя рисунок контактного слоя 12. После чего осуществляют напыление слоев металла указанной толщиной и последующий «взрыв».
Второй электрод, контактирующий с подложкой, изготавливают с тыловой стороны подложки в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоев Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм в зависимости от типа проводимости подложки. При его получении осуществляют высокотемпературную обработку при температуре около 400°C, например, в течение 10 минут в атмосфере инертного газа, что является достаточным для вплавления.
2
На этапе отделения многослойного пленочного элемента в частном случае реализации способа осуществляют травление жертвенного слоя в HF или в I/KI в зависимости от состава активного слоя с последующим промыванием и высушиванием.
Отметим, что радиус кривизны получаемой петли зависит от толщины и механических свойств всех слоев, имеющихся на участке пленочного элемента, соответствующего петле. Формирование слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями с большой толщиной приведет к существенному увеличению радиуса кривизны. Наличие формообразующих слоев со встроенными механическими напряжениями в составе слоевого ансамбля толщиной от сотен микрометров до единиц нанометров, задающих локальную кривизну оболочки, обуславливает ее характерные масштабы. Варьирование локальной кривизны за счет подбора параметров формообразующих слоев и толщины ансамбля слоев светоизлучающей структуры обеспечивает возможность масштабирования изготавливаемого светодиода или массива светодиодов.
Способ изготовления обеспечивает широкий диапазон размеров элементов светодиода (от единиц нанометров до единиц миллиметров) и их пространственных конфигураций. Петли, выполненные посредством операций предлагаемого способа, базирующегося на планарной технологии и принципах трансформации пленочных элементов в оболочки, могут быть получены разнообразных размеров, с возможностью обеспечения требуемого позиционирования друг относительно друга элементов светодиода.
Диаметр петли, представляющей собой цилиндрическую оболочку, может составлять десятки микрометров и может быть масштабирован в область субмикронных и наноразмеров соответствующим выбором толщины и состава напряженной тонкой пленки, из которой формируется петля. Из литературы известно, что к настоящему времени минимальный достигнутый диаметр цилиндрических оболочек составляет 2 нм (V.Ya. Prinz, V.A. Seleznev, А.K. Gutakovsky, A.V. Chehovskiy, V.V. Preobrazenskii, M.A. Putyato, T.A. Gavrilova. Free standing and overgrown InGaAs/GaAs nanotubes, nanohelical and their arrays. Physica E, 2000, v.6, N 1-4, p.p.828-831).
В отношении материалов предлагаемый способ позволяет использовать достаточно широкий круг материалов как для конструктивных слоев петли, так и других конструктивных элементов светоизлучающей структуры с учетом желаемой длины волны эмитируемого света.
При изготовлении светодиода операции, заимствованные из арсенала планарной технологии, обеспечивают высокое структурное совершенство внутреннего строения слоев, образующих петлю, и других конструктивных слоев светодиода. Высокое внутреннее совершенство образующих петлю слоев является гарантией точности задания локальной кривизны оболочки. Фактор совершенства внутреннего строения конструктивных слоев светоизлучающей структуры предопределяет воспроизводимость характеристик светодиода.
Наличие формообразующих слоев, с высокой точностью задающих кривизну оболочки посредством соответствующего подбора их толщин и внутренних механических напряжений, а также методы планарной технологии для воспроизведения рисунков слоев пленочного элемента при мезоструктурировании гетероструктуры обеспечивают высокую воспроизводимость формы оболочки - петли.
Таким образом, выше показано как особенности конструкции и изготовления светодиода влияют на достижение технического результата.
Использование методов и материалов традиционной технологии производства интегральных схем (ИС) позволяет осуществлять интеграцию с ИС.
В общем случае выполнения светодиод содержит (см. Фиг.5) подложку 1, светоизлучающую структуру и первый электрод, расположенные с рабочей стороны подложки, второй электрод, контактирующий с подложкой. В светодиоде с рабочей стороны подложки выполнен электропроводящий, прозрачный для излучаемого света U-образный подвес для светоизлучающей структуры. U-образный подвес лежит на подложке 1 одной ветвью и жестко связан с ней. Между ветвями подвеса в направлении от подложки 1 выполнена жестко связанная с ветвями последовательность элементов. Последовательность элементов сформирована из последовательно жестко связанных изолирующего слоя 9, первого электрода, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, светоизлучающей структуры.
В частных случаях выполнения светодиод реализован с учетом следующего (Фиг.5).
U-образный подвес для светоизлучающей структуры выполнен на основе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями. Лежащая на подложке 1 ветвь сформирована участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связи с рабочей стороны подложки 1 с подложкой. С другой стороны (со стороны, обращенной в пространство между ветвями) - с расположенными между ветвями изолирующим слоем 9 и первым электродом. Другая ветвь сформирована участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связи с расположенными между ветвями светоизлучающей структурой и слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода. Соединяющая ветви петля, выполненная электропроводящей, сформирована за счет изгибания под действием встроенных механических напряжений участка слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, свободного от связей с элементами, удерживающими его в плоском состоянии. Первый электрод выполнен в виде контактного слоя 12. Второй электрод, контактирующий с подложкой 1, выполнен с тыловой стороны подложки 1.
Между изолирующим слоем 9 и ветвью U-образного подвеса, лежащей на подложке 1, сформированной участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связей с подложкой, изолирующим слоем 9 и первым электродом, выполнен ансамбль слоев светоизлучающей структуры. Светоизлучающая структура выполнена на основе ансамбля слоев светоизлучающей структуры, с подвешиванием на петле с примыканием слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10, которым снабжена светоизлучающая структура, к контактному слою 12 с возможностью реализации жесткой механической и электрической связей.
В составе светоизлучающей структуры выполнены первый (слой-обкладка первого типа проводимости 5 p или n-типа проводимости) и второй (слой-обкладка второго типа проводимости 7 n или p-типа проводимости) слои-обкладки и расположенный между ними активный слой, нелегированный, 6. Причем второй слой-обкладка выполнен с примыканием к слою, выполняющему функцию зеркала и теплоотвода, 10. Ансамбль слоев светоизлучающей структуры выполнен в составе первого и второго слоев-обкладок, соответственно, слой-обкладка первого типа проводимости 5 и слой-обкладка второго типа проводимости 7, с расположенным между ними активным слоем, нелегированным, 6.
+
+
+
+
Подложка 1 выполнена из GaAs p или n-типа проводимости. Между подложкой 1 и лежащей на подложке ветвью, сформированной участком слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, находящимся в плоском состоянии за счет связей с подложкой 1, изолирующим слоем 9 и первым электродом, выполнен жертвенный слой 2 из AlAs p или n-типа проводимости, обеспечивающий жесткую связь с подложкой 1.
+
+
+
+
Электропроводящий, прозрачный для излучаемого света U-образный подвес для светоизлучающей структуры, выполнен на основе слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями в составе механически напряженного слоя из InGaAs p или n-типа проводимости (механически напряженный слой, образующий петлю, 3) и связанного с ним слоя из GaAs p или n-типа проводимости (слой, образующий петлю, 4). В подвесе петля, выполненная электропроводящей, металлизирована слоями AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоями Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм - металлизирующий петлю слой 11.
Первый слой-обкладка первого типа проводимости 5 выполнен из AlGaInP или AlGaInAs p или n-типа проводимости, активный слой 6 выполнен из нелегированного AlGaInP или AlGaInAs, а второй слой-обкладка второго типа проводимости 7 выполнен из AlGaInP или AlGaInAs n-типа или p-типа проводимости.
+
+
Между ансамблем слоев светоизлучающей структуры и изолирующим слоем 9, между светоизлучающей структурой и слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10 выполнен защитный слой 8 из GaAs n или p-типа проводимости.
2
3
4
Изолирующий слой 9 светодиода выполнен из SiO или SiN толщиной около 0,2 мкм.
Первый электрод светодиода выполнен в виде контактного слоя 12 в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 40/200 нм, второй электрод, контактирующий с подложкой, выполнен в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм или слоев Zn/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм. Слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 сформирован в составе слоев Ag/Au толщиной, соответственно, 20/200 нм.
Светодиод работает следующим образом.
Благодаря вышеприведенной разработанной конструкции работа предлагаемого светодиода ничем не отличается от светодиодов с традиционными конструкциями. При приложении напряжения и пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда - электроны и дырки - рекомбинируют в активном слое 6 с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
При этом генерация света осуществляется в активном слое 6 светоизлучающей структуры, подвешенной на петле подвеса. Активный слой 6 в составе ансамбля слоев светоизлучающей структуры, расположенного между изолирующим слоем 9, покрытым контактным слоем 12 (первый электрод), и ветвью U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащий на подложке, (см. Фиг.5в)) в процессе генерации света не участвует, поскольку он не в электрической цепи благодаря наличию изолирующего слоя 9.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления способа изготовления светодиода с достижением указанного технического результата, приводим нижеследующие примеры его осуществления.
Пример 1.
+
При изготовлении светодиода осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой (см. Фиг.5). В качестве подложки 1 используют подложку GaAs n-типа проводимости (100).
+
19
-3
Сначала с рабочей стороны подложки 1 формируют связанный с подложкой многослойный пленочный элемент с использованием материалов, геометрии его слоев и встроенных механических напряжений, обеспечивающих получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащего на подложке одной ветвью и жестко связанного с подложкой, а другой ветвью, связанного со светоизлучающей структурой с подвешиванием на петле (см. Фиг.5а)). На стадии формирования пленочного элемента перед изготовлением слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями на подложке 1 изготавливают жертвенный слой 2 из AlAs толщиной 10 нм, n-типа проводимости, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см.
Далее на стадии формирования пленочного элемента изготавливают последовательно слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, ансамбль слоев светоизлучающей структуры. В отношении последнего формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле. На участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем 9 (см. Фиг.5а)), на котором изготавливают первый электрод (см. Фиг.5б)). На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода (см. Фиг.5б)).
+
+
+
+
+
Слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, обеспечивающий получение электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, изготавливают в составе механически напряженного слоя (механически напряженный слой, образующий петлю, 3 (см. Фиг.5)) из InGaAs n-типа проводимости и связанного с ним слоя (слой, образующий петлю, 4 (см. Фиг.5)) из GaAs n-типа проводимости. Ансамбль слоев светоизлучающей структуры изготавливают в составе первого и второго слоев-обкладок (соответственно, слой-обкладка первого типа проводимости 5 и слой-обкладка второго типа проводимости 7 (см. Фиг.5)) с расположенным между ними активным слоем (активный слой, нелегированный, 6 (см. Фиг.5)), первый слой-обкладку выполняют из AlGaInP первого типа проводимости n-типа, активный слой выполняют, соответственно, из нелегированного AlGaInP с квантовыми ямами GaInP, а второй слой-обкладку выполняют, соответственно, из AlGaInP второго типа проводимости  p-типа. Первый слой-обкладку размещают на слое из GaAs n-типа проводимости (слой, образующий петлю, 4 (см. Фиг.5)) слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, второй слой-обкладку снабжают защитным слоем 8 из GaAs p-типа проводимости, на котором на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, лежащей на подложке 1, выполняют изолирующий слой 9 и слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 - на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой (см. Фиг.5б)).
-8
-5
При формировании пленочного элемента, которое включает получение ансамбля слоев светоизлучающей структуры и в отношении последнего формирование двух участков, расположенных друг относительно друга с зазором, глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле, с покрытием на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участка ансамбля слоев светоизлучающей структуры изолирующим слоем 9 и изготовлением на последнем первого электрода, с изготовлением на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10, толщину пленочного элемента задают от 6×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем петле, до 10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви.
2
2
2
Рисунки слоев пленочного элемента формируют литографически, после изготовления ансамбля слоев светоизлучающей структуры. Используя литографию, изготавливают изолирующий слой 9 на площади участка пленочного элемента, соответствующего лежащей на подложке ветви. При формировании изолирующего слоя 9 сначала удаляют окисел с поверхности в HCl:HO в течение примерно 1 мин, затем наносят диэлектрик SiO толщиной около 0,2 мкм, проводят литографию для вскрытия окон, используя травление в HF:HO в течение примерно 1 мин. Слой диэлектрика с остальной площади пленочного элемента удаляют. Далее изготавливают первый электрод - контактный слой 12. Проводят литографию для задания рисунка контактного слоя 12 и металлизацию в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 40/200 нм. После чего осуществляют «взрыв».
3
4
2
2
2
2
Затем выполняют зазор и получают указанные участки посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, с достижением расстояния между участками, равным πR, R - радиус кривизны петли, или другого расстояния, обеспечивающего в дальнейшем расположение светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, в контакте с первым электродом, который получают на изолирующем слое нанесением контактного слоя из металла с использованием литографии. Литографией задают рисунок участка пленочного элемента, соответствующего петле. Осуществляют травление сначала в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 4 мин, затем в HF:HO (1:10) примерно в течение 1 мин.
3
4
2
2
2
После чего задают общую форму, контур, многослойного пленочного элемента. Проводят литографию для задания общей формы мезо-структуры. Осуществляют травление до подложки 1 в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 4 мин.
Затем изготавливают второй электрод, контактирующий с подложкой 1. Его изготавливают с тыловой стороны подложки 1 в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм. На нерабочую сторону подложки 1 напыляют указанные слои и проводят высокотемпературную обработку для вплавления при температуре 400***С в течение 10 минут в атмосфере инертного газа.
Далее изготавливают слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, из металла, с использованием литографии. Проводят литографию для задания рисунка и металлизацию в составе слоев Ag/Au толщиной, соответственно, 40/200 нм. После чего осуществляют «взрыв».
Затем пленочный элемент частично отделяют от подложки 1, оставляя его связанным на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем 9 с изготовленным на нем первым электродом, трансформируя под действием встроенных механических напряжений слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями в U-образный подвес с петлей и расположением получаемой светоизлучающей структуры из ансамбля слоев светоизлучающей структуры между ветвями, путем отделения пленочного элемента от подложки 1, переворота ансамбля слоев светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10 и размещения последним в контакте с первым электродом с образованием жесткой связи за счет эффекта слипания при приведении слоев в контакт. Пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя со стороны участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой. Жертвенный слой травят в HF, затем осуществляют промывание и высушивание. Таким образом, светоизлучающая структура - перевернутый относительно подложки ансамбль слоев светоизлучающей структуры.
Пример 2.
+
При изготовлении светодиода осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой (см. Фиг.5). В качестве подложки 1 используют подложку GaAs p-типа проводимости (100).
+
19
-3
Сначала с рабочей стороны подложки 1 формируют связанный с подложкой многослойный пленочный элемент с использованием материалов, геометрии его слоев и встроенных механических напряжений, обеспечивающих получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащего на подложке одной ветвью и жестко связанного с подложкой, а другой ветвью, связанного со светоизлучающей структурой с подвешиванием на петле (см. Фиг.5а)). На стадии формирования пленочного элемента перед изготовлением слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями на подложке 1 изготавливают жертвенный слой 2 из AlAs толщиной 12 нм, p-типа проводимости, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см.
Далее на стадии формирования пленочного элемента изготавливают последовательно слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, ансамбль слоев светоизлучающей структуры. В отношении последнего формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле. На участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем 9 (см. Фиг.5а)), на котором изготавливают первый электрод (см. Фиг.5б)). На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой 10, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода (см. Фиг.5б)).
0,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0,8
0,2
0,8
0,2
0,8
0,35
0,65
+
19
-3
+
19
-3
++
20
-3
18
-3
18
-3
+
19
-3
++
20
-3
Слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, обеспечивающий получение электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, изготавливают в составе механически напряженного слоя (механически напряженный слой, образующий петлю, 3 (см. Фиг.5)) из InGaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см и связанного с ним% слоя 4 (слой, образующий петлю (см. Фиг.5)) из GaAs p-типа проводимости, толщиной 20 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, на котором формируют дополнительный слой из GaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. Последний слой изготавливают для улучшения контакта при последующей металлизации петли. Ансамбль слоев светоизлучающей структуры изготавливают в составе первого и второго слоев-обкладок (соответственно, слой-обкладка первого типа проводимости 5 и слой-обкладка второго типа проводимости 7 (см. Фиг.5)) с расположенным между ними активным слоем (активный слой, нелегированный, 6.(см. Фиг.5)). Первый слой-обкладку выполняют из AlGaInAs - AlGaAs первого типа проводимости - p-типа с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, толщиной 100 нм. Активный слой выполняют, соответственно, из нелегированного AlGaInAs в составе системы слоев, содержащей квантовые ямы GaAs. Так, его выполняют в составе следующей последовательности: AlGaAs толщиной 20 нм; три пары из слоя квантовой ямы GaAs толщиной 10 нм и слоя барьера AlGaAs толщиной 6 нм; AlGaAs толщиной 14 нм. Второй слой-обкладку выполняют, соответственно, из AlGaInAs - AlGaAs второго типа проводимости - n-типа, толщиной 100 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. Первый слой-обкладку размещают на слое, образующем петлю, 4 (см. Фиг.5)) слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, выполняя на нем указанный вспомогательный слой. Второй слой-обкладку снабжают защитным слоем 8 из GaAs n-типа проводимости, толщиной 20 нм с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, на котором также дополнительно, для улучшения контакта при выполнении последующего слоя из металла (слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10), изготавливают слой из GaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, лежащей на подложке 1, выполняют изолирующий слой 9 и слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 - на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой (см. Фиг.5б)).
-8
-6
При формировании пленочного элемента, которое включает получение ансамбля слоев светоизлучающей структуры и в отношении последнего формирование двух участков, расположенных друг относительно друга с зазором, глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле, с покрытием на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участка ансамбля слоев светоизлучающей структуры изолирующим слоем 9 и изготовлением на последнем первого электрода, с изготовлением на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10, толщину пленочного элемента задают от 5,2×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем петле, до 0,675×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви.
2
2
2
Рисунки слоев пленочного элемента формируют литографически, после изготовления ансамбля слоев светоизлучающей структуры. Используя литографию, изготавливают изолирующий слой 9 на площади участка пленочного элемента, соответствующего лежащей на подложке ветви. При формировании изолирующего слоя 9 сначала удаляют окисел с поверхности в HCl:HO в течение примерно 1 мин, затем наносят диэлектрик SiO толщиной около 0,2 мкм, проводят литографию для вскрытия окон, используя травление в HF:HO в течение примерно 1 мин. Далее изготавливают первый электрод -контактный слой 12. Проводят литографию для задания рисунка контактного слоя 12 и металлизацию в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 20/100 нм. После чего осуществляют «взрыв».
3
4
2
2
2
2
Затем выполняют зазор и получают указанные участки посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, с достижением расстояния между участками, равным πR, R - радиус кривизны петли, или другого расстояния, обеспечивающего в дальнейшем расположение светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, в контакте с первым электродом, который получают на изолирующем слое нанесением контактного слоя из металла с использованием литографии. Литографией задают рисунок участка пленочного элемента, соответствующего петле. Осуществляют травление сначала в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 4 мин, затем в HF:HO (1:10) примерно в течение 1 мин для удаления стоп-слоя (в качестве стоп-слоя служит слой из AlGaAs с содержанием Al не менее 40%).
3
4
2
2
2
После чего задают общую форму, контур, многослойного пленочного элемента. Проводят литографию для задания общей формы мезо-структуры. Осуществляют травление до подложки 1 в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 6 мин.
Затем изготавливают второй электрод, контактирующий с подложкой 1. Его изготавливают с тыловой стороны подложки 1 в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм. На нерабочую сторону подложки 1 напыляют указанные слои и проводят высокотемпературную обработку для вплавления при температуре 400°C в течение 10 минут в атмосфере инертного газа.
После выполнения зазора и получения указанных участков посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, последний дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию. Проводят литографию, напыляют AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм, осуществляют «взрыв».
Далее изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 из металла, с использованием литографии. Проводят литографию для задания рисунка и металлизацию в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 20/100 нм. После чего осуществляют «взрыв».
Затем пленочный элемент частично отделяют от подложки 1, оставляя его связанным на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем 9 с изготовленным на нем первым электродом, трансформируя под действием встроенных механических напряжений слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями в U-образный подвес с петлей и расположением получаемой светоизлучающей структуры из ансамбля слоев светоизлучающей структуры между ветвями, путем отделения пленочного элемента от подложки 1, переворота ансамбля слоев светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10 и размещения последним в контакте с первым электродом с образованием жесткой связи за счет эффекта слипания при приведении слоев в контакт. Пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя со стороны участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой. Жертвенный слой травят в HF, затем осуществляют промывание и высушивание. Таким образом, светоизлучающая структура - перевернутый относительно подложки ансамбль слоев светоизлучающей структуры.
Пример 3.
+
При изготовлении светодиода осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой (см. Фиг.5). В качестве подложки 1 используют подложку GaAs p-типа проводимости (100).
+
19
-3
Сначала с рабочей стороны подложки 1 формируют связанный с подложкой многослойный пленочный элемент с использованием материалов, геометрии его слоев и встроенных механических напряжений, обеспечивающих получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащего на подложке одной ветвью и жестко связанного с подложкой, а другой ветвью, связанного со светоизлучающей структурой с подвешиванием на петле (см. Фиг.5а)). На стадии формирования пленочного элемента перед изготовлением слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями на подложке 1 изготавливают жертвенный слой 2 из AlAs толщиной 30 нм, p-типа проводимости, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см.
0,6
0,4
Далее на стадии формирования пленочного элемента изготавливают последовательно слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, ансамбль слоев светоизлучающей структуры. Кроме того, в этом же процессе, после получения последнего изготавливают нелегированные слои, сначала AlGaAs толщиной 100 нм, затем - GaAs толщиной 100 нм, их изготавливают для получения изолирующего слоя 9. В отношении ансамбля слоев светоизлучающей структуры формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле. На участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем 9 (см. Фиг.5а)), на котором изготавливают первый электрод (см. Фиг.5б)). На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 (см. Фиг.5б)).
0,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0,8
0,2
0,8
0,2
0,8
0,35
0,65
+
19
-3
+
19
-3
++
20
-3
18
-3
18
-3
+
19
-3
++
20
-3
Слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, обеспечивающий получение электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, изготавливают в составе механически напряженного слоя (механически напряженный слой, образующий петлю, 3 (см. Фиг.5)) из InGaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см и связанного с ним слоя (слой, образующий петлю, 4 (см. Фиг.5)) из GaAs p-типа проводимости, толщиной 20 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, на котором формируют дополнительный слой из GaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. Последний слой изготавливают для улучшения контакта при последующей металлизации петли. Ансамбль слоев светоизлучающей структуры изготавливают в составе первого и второго слоев-обкладок (соответственно, слой-обкладка первого типа проводимости 5 и слой-обкладка второго типа проводимости 7 (см. Фиг.5)) с расположенным между ними активным слоем (активный слой, нелегированный, 6 (см. Фиг.5)). Первый слой-обкладку выполняют из AlGaInAs - AlGaAs первого типа проводимости - p-типа с концентрацией свободных носителей заряда около 2×10 см, толщиной 100 нм. Активный слой выполняют, соответственно, из нелегированного AlGaInAs в составе системы слоев, содержащей квантовые ямы GaAs. Так, его выполняют в составе следующей последовательности: AlGaAs толщиной 20 нм; три пары из слоя квантовой ямы GaAs толщиной 10 нм и слоя барьера AlGaAs толщиной 6 нм; AlGaAs толщиной 14 нм. Второй слой-обкладку выполняют, соответственно, из AlGaInAs - AlGaAs второго типа проводимости - n-типа, толщиной 100 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 2×10 см. Первый слой-обкладку размещают на слое, образующем петлю, 4 (см. Фиг.5)) слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, выполняя на нем указанный вспомогательный слой. Второй слой-обкладку снабжают защитным слоем 8 из GaAs n-типа проводимости, толщиной 20 нм с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, на котором также дополнительно, для улучшения контакта при выполнении последующего слоя из металла (слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10), изготавливают слой из GaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, лежащей на подложке 1, выполняют изолирующий слой 9 и слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 - на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой (см. Фиг.5б)).
-8
-6
При формировании пленочного элемента, которое включает получение ансамбля слоев светоизлучающей структуры и в отношении последнего формирование двух участков, расположенных друг относительно друга с зазором, глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле, с покрытием на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участка ансамбля слоев светоизлучающей структуры изолирующим слоем 9 и изготовлением на последнем первого электрода, с изготовлением на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10, толщину пленочного элемента задают от 7,0×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем петле, до 0,604×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви.
0,6
0,4
2
2
Рисунки слоев пленочного элемента формируют литографически, после изготовления ансамбля слоев светоизлучающей структуры и формирования слоев для изготовления изолирующего слоя 9 - нелегированные слои: AlGaAs толщиной 100 нм, GaAs, толщиной 100 нм. Используя литографию, изготавливают изолирующий слой 9 на площади участка пленочного элемента, соответствующего лежащей на подложке ветви. При формировании изолирующего слоя 9 сначала литографией задают его рисунок и одновременно рисунок контактного слоя 12, затем проводят горячую обработку (при температуре 60÷70°C) в HO в течение примерно 1 мин. для окисления поверхности. Далее на полученном таким образом изолирующем слое 9 изготавливают первый электрод - контактный слой 12. Проводят металлизацию напылением слоев Ni/Al/Au толщиной, соответственно, 2/20/100 нм. После чего осуществляют «взрыв».
3
4
2
2
2
2
Затем выполняют зазор и получают указанные участки посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, с достижением расстояния между участками, равным πR, R - радиус кривизны петли, или другого расстояния, обеспечивающего в дальнейшем расположение светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, в контакте с первым электродом, который получают на изолирующем слое нанесением контактного слоя из металла с использованием литографии. Литографией задают рисунок участка пленочного элемента, соответствующего петле. Осуществляют травление сначала в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 6,5 мин., затем в HF:HO (1:10) примерно в течение 1 мин для удаления стоп-слоя (в качестве стоп-слоя служит слой из AlGaAs с содержанием Al не менее 40%).
3
4
2
2
2
После чего задают общую форму, контур, многослойного пленочного элемента. Проводят литографию для задания общей формы мезо-структуры. Осуществляют травление до подложки 1 в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 8 мин.
Затем изготавливают второй электрод, контактирующий с подложкой 1. Его изготавливают с тыловой стороны подложки 1 в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм. На нерабочую сторону подложки 1 напыляют указанные слои и проводят высокотемпературную обработку для вплавления при температуре 400°C в течение 10 минут в атмосфере инертного газа.
После выполнения зазора и получения указанных участков посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, последний дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию. Проводят литографию, напыляют AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм, осуществляют «взрыв».
0,6
0,4
3
4
2
2
2
2
Далее изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 из металла, с использованием литографии. Проводят литографию в отношении нелегированных слоев - AlGaAs толщиной 100 нм, GaAs толщиной 100 нм - для задания рисунка. Осуществляют травление в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 2 мин до стоп-слоя (в качестве стоп-слоя служит слой из AlGaAs с содержанием А1 не менее 40%). Удаляют стоп-слой в HF:HO (1:10) примерно в течение 1 мин. Осуществляют металлизацию в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 20/100 нм. После чего осуществляют «взрыв».
Затем пленочный элемент частично отделяют от подложки 1, оставляя его связанным на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем 9 с изготовленным на нем первым электродом, трансформируя под действием встроенных механических напряжений слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями в U-образный подвес с петлей и расположением получаемой светоизлучающей структуры из ансамбля слоев светоизлучающей структуры между ветвями, путем отделения пленочного элемента от подложки 1, переворота ансамбля слоев светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10 и размещения последним в контакте с первым электродом с образованием жесткой связи за счет эффекта слипания при приведении слоев в контакт. Пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя со стороны участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой. Жертвенный слой травят в HF, затем осуществляют промывание и высушивание. Таким образом, светоизлучающая структура - перевернутый относительно подложки ансамбль слоев светоизлучающей структуры.
2
В изложенном примере реализации изоляция активного слоя ансамбля слоев светоизлучающей структуры на участке пленочного элемента, соответствующей лежащей на подложке ветви, от контактных полей осуществлялась выращиванием после формирования активного слоя нелегированных слоев AlGaAs и GaAs. Металлическая пленка, образующая контактные поля, создает барьер Шоттки при напылении на нелегированный GaAs. Для локального удаления этих слоев и обнажения активного слоя выполнялись литография и травление, аналогичные по смыслу вскрытию окон в маске SiO в предыдущем примере реализации. В изложенном примере реализации все три травления производились на разную глубину от поверхности исходного объекта - гетероструктуры: для формирования участка пленочного элемента, соответствующего петле; до подложки; для обнажения сильно легированного слоя для изготовления слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода.
В следующем примере реализации - примере 4 - нелегированные слои AlGaAs и GaAs, предназначенные для получения изолирующего слоя 9, после изготовления последнего удаляются относительно всей остальной площади пленочного элемента травлением их до сильно легированного слоя GaAs, после чего выполняют два травления от поверхности сильно легированного слоя GaAs на разную глубину: для формирования участка пленочного элемента, соответствующего петле; до подложки.
Пример 4.
+
При изготовлении светодиода осуществляют получение светоизлучающей структуры, первого электрода, расположенных с рабочей стороны подложки, формируют второй электрод, контактирующий с подложкой (см. Фиг.5). В качестве подложки 1 используют подложку GaAs p-типа проводимости (100).
+
19
-3
Сначала с рабочей стороны подложки 1 формируют связанный с подложкой многослойный пленочный элемент с использованием материалов, геометрии его слоев и встроенных механических напряжений, обеспечивающих получение светоизлучающей структуры и электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, лежащего на подложке одной ветвью и жестко связанного с подложкой, а другой ветвью, связанного со светоизлучающей структурой с подвешиванием на петле (см. Фиг.5а)). На стадии формирования пленочного элемента перед изготовлением слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями на подложке 1 изготавливают жертвенный слой 2 из AlAs толщиной 30 нм, p-типа проводимости, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см.
0,6
0,4
Далее на стадии формирования пленочного элемента изготавливают последовательно слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, ансамбль слоев светоизлучающей структуры. Кроме того, в этом же процессе, после получения последнего изготавливают нелегированные слои, сначала AlGaAs толщиной 100 нм, затем - GaAs толщиной 100 нм, их изготавливают для получения изолирующего слоя 9. В отношении ансамбля слоев светоизлучающей структуры формируют два участка, расположенных друг относительно друга с зазором глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле. На участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры покрывают изолирующим слоем 9 (см. Фиг.5а)), на котором изготавливают первый электрод (см. Фиг.5б)). На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 (см. Фиг.5б)).
0,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0,8
0,2
0,8
0,2
0,8
0,35
0,65
+
19
-3
+
19
-3
++
20
-3
18
-3
18
-3
+
19
-3
++
20
-3
Слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями, обеспечивающий получение электропроводящего, прозрачного для излучаемого света U-образного подвеса для светоизлучающей структуры, изготавливают в составе механически напряженного слоя (механически напряженный слой, образующий петлю, 3 (см. Фиг.5)) из InGaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см и связанного с ним слоя (слой, образующий петлю, 4 (см. Фиг.5)) из GaAs p-типа проводимости, толщиной 20 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, на котором формируют дополнительный слой из GaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. Последний слой изготавливают для улучшения контакта при последующей металлизации петли. Ансамбль слоев светоизлучающей структуры изготавливают в составе первого и второго слоев-обкладок (соответственно, слой-обкладка первого типа проводимости 5 и слой-обкладка второго типа проводимости 7 (см. Фиг.5)) с расположенным между ними активным слоем (активный слой, нелегированный, 6 (см. Фиг.5)). Первый слой-обкладку выполняют из AlGaInAs - AlGaAs первого типа проводимости - p-типа с концентрацией свободных носителей заряда около 2×10 см, толщиной 100 нм. Активный слой выполняют, соответственно, из нелегированного AlGaInAs в составе системы слоев, содержащей квантовые ямы GaAs. Так, его выполняют в составе следующей последовательности: слой AlGaAs толщиной 20 нм; три пары из слоя квантовой ямы GaAs толщиной 10 нм и слоя барьера AlGaAs толщиной 6 нм; слой AlGaAs толщиной 14 нм. Второй слой-обкладку выполняют, соответственно, из AlGaInAs - AlGaAs второго типа проводимости - n-типа, толщиной 100 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 2×10 см. Первый слой-обкладку размещают на слое, образующем петлю, 4 (см. Фиг.5)) слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, выполняя на нем указанный вспомогательный слой. Второй слой-обкладку снабжают защитным слоем 8 из GaAs n-типа проводимости, толщиной 20 нм с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см, на котором также дополнительно, для улучшения контакта при выполнении последующего слоя из металла (слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10), изготавливают слой из GaAs p-типа проводимости, толщиной 10 нм, с концентрацией свободных носителей заряда около 10 см. На участке пленочного элемента, соответствующем ветви, лежащей на подложке 1, выполняют изолирующий слой 9 и слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 - на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой (см. Фиг.5б)).
-8
-6
При формировании пленочного элемента, которое включает получение ансамбля слоев светоизлучающей структуры и в отношении последнего формирование двух участков, расположенных друг относительно друга с зазором, глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, получая этим участки пленочного элемента - соответствующий лежащей на подложке ветви, соответствующий ветви, связанной со светоизлучающей структурой, и соответствующий петле, с покрытием на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, участка ансамбля слоев светоизлучающей структуры изолирующим слоем 9 и изготовлением на последнем первого электрода, с изготовлением на участке пленочного элемента, соответствующем ветви, связанной со светоизлучающей структурой, содержащем второй участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, слоя, выполняющего функцию зеркала и теплоотвода, 10, толщину пленочного элемента задают от 7,0×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем петле, до 0,604×10 м - на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви.
0,6
0,4
2
2
Рисунки слоев пленочного элемента формируют литографически, после изготовления ансамбля слоев светоизлучающей структуры и формирования слоев для изготовления изолирующего слоя 9 - нелегированные слои: AlGaAs толщиной 100 нм, GaAs толщиной 100 нм. Используя литографию, изготавливают изолирующий слой 9 на площади участка пленочного элемента, соответствующего лежащей на подложке ветви. При формировании изолирующего слоя 9 сначала литографией задают его рисунок и одновременно рисунок контактного слоя 12, затем проводят горячую обработку (при температуре 60÷70°C) в HO в течение примерно 1 мин для окисления поверхности. Далее на полученном таким образом изолирующем слое 9 изготавливают первый электрод - контактный слой 12. Проводят металлизацию напылением слоев Ni/Al/Au толщиной, соответственно, 2/20/100 нм. После чего осуществляют «взрыв».
0,6
0,4
3
4
2
2
2
2
Далее проводят литографию относительно нелегированных слоев: AlGaAs толщиной 100 нм, GaAs толщиной 100 нм, их стравливают. Осуществляют травление до стоп-слоя в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 2 мин, затем в HF:HO (1:10) примерно в течение 1 мин для удаления стоп-слоя (в качестве стоп-слоя служит слой из AlGaAs с содержанием Al не менее 40%).
3
4
2
2
2
2
Затем выполняют зазор и получают указанные участки посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, с достижением расстояния между участками, равным πR, R - радиус кривизны петли, или другого расстояния, обеспечивающего в дальнейшем расположение светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, в контакте с первым электродом, который получают на изолирующем слое нанесением контактного слоя из металла с использованием литографии. Литографией задают рисунок участка пленочного элемента, соответствующего петле. Осуществляют травление сначала в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 4 мин, затем в HF:HO (1:10) примерно в течение 1 мин для удаления стоп-слоя (в качестве стоп-слоя служит слой из AlGaAs с содержанием Al не менее 40%).
3
4
2
2
2
После чего задают общую форму, контур многослойного пленочного элемента. Проводят литографию для задания общей формы мезо-структуры. Осуществляют травление до подложки 1 в HPO:HO:HO (3:1:50) в течение примерно 6 мин.
Затем изготавливают второй электрод, контактирующий с подложкой 1. Его изготавливают с тыловой стороны подложки 1 в составе слоев AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм. На нерабочую сторону подложки 1 напыляют указанные слои и проводят высокотемпературную обработку для вплавления при температуре 400°C в течение 10 минут в атмосфере инертного газа.
После выполнения зазора и получения указанных участков посредством литографии и травления окна глубиной до слоевого ансамбля со встроенными механическими напряжениями, последний дополнительно металлизируют, напыляя в окна металл, используя при этом литографию. Проводят литографию, напыляют AuGe/Ni/Au толщиной, соответственно, 40/20/200 нм, осуществляют «взрыв».
2
Далее изготавливают слой, выполняющий функцию зеркала и теплоотвода, 10 из металла, с использованием литографии. Проводят литографию, задающую рисунок слоя. Удаляют с поверхности обнаженного сильно легированного слоя окисел в HCl:HO примерно в течение 1 мин. Осуществляют металлизацию в составе слоев Ti/Au толщиной, соответственно, 20/100 нм. После чего осуществляют «взрыв».
Затем пленочный элемент частично отделяют от подложки 1, оставляя его связанным на участке пленочного элемента, соответствующем лежащей на подложке ветви, на котором выполнен участок ансамбля слоев светоизлучающей структуры, покрытый изолирующим слоем 9 с изготовленным на нем первым электродом, трансформируя под действием встроенных механических напряжений слоевой ансамбль со встроенными механическими напряжениями в U-образный подвес с петлей и расположением получаемой светоизлучающей структуры из ансамбля слоев светоизлучающей структуры между ветвями, путем отделения пленочного элемента от подложки 1, переворота ансамбля слоев светоизлучающей структуры со слоем, выполняющим функцию зеркала и теплоотвода, 10 и размещения последним в контакте с первым электродом с образованием жесткой связи за счет эффекта слипания при приведении слоев в контакт. Пленочный элемент отделяют от подложки путем селективного бокового травления жертвенного слоя со стороны участка пленочного элемента, соответствующего ветви, связанной со светоизлучающей структурой. Жертвенный слой травят в HF, затем осуществляют промывание и высушивание. Таким образом, светоизлучающая структура - перевернутый относительно подложки ансамбль слоев светоизлучающей структуры.
2
3
+
+
+
Для реализации способа изготовления был изготовлен комплект из пяти фотошаблонов (масок для оптической литографии). Проектирование выполнено с помощью Программы автоматического рисования оптических масок (ПАРОМ). Шаблоны изготовлены из FeO на стеклянной основе. Был проведен расчет профилей напряженных псевдоморфных гетероструктур с GaAs квантовыми ямами (длина волны излучаемого света около 850 нм) на n-GaAs подложке и p-GaAs подложке, а также с InGaP квантовыми ямами (длина волны излучаемого света около 650 нм) n-GaAs подложке.