СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
METHOD OF FORMING HIGH-QUALITY HETEROSTRUCTURES OF LIGHT-EMITTING DIODES

3
5
Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) и гетероструктур соединений AB.
д
ду
9
10
2
4
2
Известно, что инжекционные свойства гетероперехода зависят от совершенства границы раздела контактирующих полупроводниковых материалов, обычно содержащей плотность дислокаций N<10-10 см, большое количество дефектов упаковки N>10 см и инверсионных доменов. Степень совершенства гетерограниц принято характеризовать скоростью поверхностной рекомбинации [1. Мартынов В.Н., Кольцов Г.И. «Полупроводниковая оптоэлектроника» - М.: Изд-во МИСИС, 1999, стр.84], величина которой определяется соответствием параметров решетки, упругими и термическими коэффициентами контактирующих материалов.
Известны различные способы улучшения внешней квантовой эффективности СИД, в частности нанесением пористого оксида на поверхность гетероструктур [2. Способ изготовления светодиода, патент РФ №2485630 от 04.08.2011], формированием микровыпуклостей, бороздок, микрорельефа на поверхности излучающего слоя [3. Полупроводниковый светоизлучающий прибор и способ его изготовления, патент РФ №2436195 от 26.12.2008; 4. Полупроводниковый элемент, способ изготовления полупроводникового изделия и матрица светоизлучающих диодов, полученная с использованием этого способа изготовления, патент РФ №2416135 от 25.10.2007; 5. Светоизлучающий диод, патент РФ №2231171 от 30.04.2003], а также путем обработки полупроводниковых и диэлектрических структур, в частности облучением потоками электронов, в условиях приложенного электрического поля [6. Способ обработки алмазов, патент РФ №2293148 от 17.07.2002], в электрическом поле при высокой температуре [7. Способ формирования примесных профилей в полупроводниковых материалах, патент РФ №2197571 от 13.09.2000].
Такие способы не обеспечивают получение наилучшего качества границ раздела гетероструктур в светодиодах и соответственно высокую внешнюю квантовую эффективность излучения, поскольку способы [2. Способ изготовления светодиода, патент РФ №2485630 от 04.08.2011; 3. Полупроводниковый светоизлучающий прибор и способ его изготовления, патент РФ №2436195 от 26.12.2008; 4. Полупроводниковый элемент, способ изготовления полупроводникового изделия и матрица светоизлучающих диодов, полученная с использованием этого способа изготовления, патент РФ №2416135 от 25.10.2007; 5. Светоизлучающий диод, патент РФ №2231171 от 30.04.2003; 6. Способ обработки алмазов, патент РФ №2293148 от 17.07.2002] мало влияют на границу раздела между полупроводниковыми слоями светодиода.
14
16
2
11
-1
9
10
2
4
2
эл
cc
д
ду
Данный недостаток частично устраняется в способе обработки пластин, представленном в патенте, взятом за прототип, в котором [7. Способ формирования примесных профилей в полупроводниковых материалах, патент РФ №2197571 от 13.09.2000] используются электрическое поле величиной E=10-100 В/см и высокая температура T=600-850°C, во время облучения полупроводниковых приборов потоком электронов Ф=10-10 эл./см с энергией Е=0,3-10 МэВ, что позволяет эффективно управлять распределением примеси в полупроводнике. Однако такой способ также не обеспечивает минимальное значение плотности поверхностных состояний N<10 см, плотность дислокаций N<10-10 см и дефектов упаковки N<10 см.
Техническим результатом данного изобретения является повышение инжекционной способности и внешней квантовой эффективности гетероструктур светодиодов.
14
17
2
2
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе формирования высококачественных гетероструктур светодиодов облучение пластин с гетероструктурами светодиодов производится потоком электронов Ф=10-10 эл./см при низкой температуре, не превышающей минус 70°С, затем проводят быстрый термический отжиг потоком фотонов видимого спектра мощностью свыше 1 Вт/см с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны наиболее узкозонного полупроводникового слоя гетероперехода.
Следует отметить, что положительный эффект, но много меньшей величины (на порядок), наблюдается при «обычном» термическом отжиге в диффузионной печи при температуре 450-650°С.
0,67
0,33
14
2
2
Предлагаемый способ реализуется, например, следующим образом (чертеж 1). Алюминиевую коробку - 1 с тонкими стенками (0,3 мм), содержащую кварцевую лодочку - 2 с пластинами - 3 (не более пяти-шести штук) с гетероструктурами GaАlAs, охлаждают азотом, поступающим из сосуда Дьюара до температуры ниже минус 70°С, помещают в поток электронного излучения мощностью 10 эл./cмceк с энергией электронов 0,3-10 МэВ и облучают в течение двух часов. Затем пластины освещаются галогеновым вольфрамовым источником, обеспечивающим широкий спектр видимого и инфракрасного диапазона с интенсивностью излучения 1-10 Вт/см. Процесс формирования структуры составляет 1-2 минуты.
Физическая суть процесса заключается в образовании электронным излучением с энергией, превышающей некое пороговое значение, обычно более 150 кэВ, в полупроводниковом материале точечных дефектов типа вакансия - междоузлие. При этом облучение проводят при возможно более низкой температуре (менее минус 70°С) для того, чтобы данные дефекты не перемещались и не рекомбинировали. При последующем быстром и интенсивном нагреве (более 600°С) происходит перестройка границы раздела между полупроводниками за счет радиационно-стимулированной диффузии атомов по точечным дефектам в наиболее низкое (выгодное) энергетическое состояние.
0,67
0,33
cc
д
ду
-9
-10
-1
8
9
2
2
2
Проведенные экспериментальные исследования методом РСГУ и CV - характеристик показали, что плотность поверхностных состояний в гетероструктурах типа GaAlAs снижается до уровня N<10-10см, плотность дислокации N<10-10 см и дефектов упаковки N<10см, что приводит к повышению внешней квантовой эффективности и коэффициента инжекции на 20-30%.