ГЕТЕРОСТРУКТУРА GaPAsN СВЕТОДИОДА И ФОТОПРИЕМНИКА НА ПОДЛОЖКЕ Si И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HETEROSTRUCTURE OF GaPAsN LED AND PHOTODETECTOR ON Si SUBSTRATE AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым гетероструктурам для изготовления светоизлучающих диодов и фотоэлектрических преобразователей на основе твердых растворов GaPAsN на подложках кремния.
Применение кремниевой подложки для изготовления оптоэлектронных приборов позволяет продвинуться к созданию монолитных оптоэлектронных интегральных схем на основе кремния.
Система материалов (InGaNAsP)/GaP с постоянной решеткой, близкой к постоянной решетке кремния, является перспективной для создания лазеров, светоизлучающих диодов, солнечных элементов, модуляторов и детекторов для дальнейшей интеграции их на пластинах кремния.
На основе системы материалов Ga(NAsP)/GaP был реализован инжекционный лазер с электрической накачкой, который работает как при пониженной температуре [B. Kunert, S. Reinhard, J. Koch, M. Lampalzer, K. Volz, and W. Stolz, phys. stat. sol. (c) 3, 614-618 (2006)], так и при комнатной [В. Kunert, A. Klehr, S. Reinhard, K. Volz and W. Stolz, Electron. Lett. 42, 601 (2006)].
Были продемонстрированы желто-оранжевые светоизлучающие диоды на основе гетероструктур GaP/GaPN. По сравнению с коммерческими светодиодами на основе квантовых ям AlInGaP эти светодиоды отличаются повышенной стабильностью длины волны излучения при увеличении инжекционного тока [M. Kaneko, T. Hashizume, V.A. Odnoblyudov, C.W. Tu. J. Appl. Phys., 101, 103 707 (2007)] и низким удельным тепловым сопротивлением [S. Adachi, J. Appl. Phys. 54, 1844 (1983)].
Твердые растворы InGaAsPN перспективны для создания солнечных элементов. На основе такого нового материала можно создавать многозонные трехпереходные солнечные элементы с простой конструкцией. Предсказанный теоретический предел коэффициента полезного действия таких солнечных элементов составляет 50,9%. В США подобные исследования проводятся Lawrence Berkeley National Laboratory совместно с Applied Materials. С другой стороны, применение этого нового класса твердых растворов открывает перспективу для реализации многокаскадных солнечных элементов на подложках кремния [J.F. Geisz, Semicond. Sci. Technol. 17, 769-777 (2002)].
У слоев GaPAsN и InGaPN высокий коэффициент поглощения вблизи запрещенной зоны по сравнению с непрямозонными материалами GaPAs и InGaP благодаря крутому краю спектра поглощения. Таким образом, на основе материалов GaPAsN и InGaPN могут быть реализованы эффективные солнечные элементы. Также возможно создание многопереходных солнечных элементов, состоящих из переходов GaPAsN или InGaPN и Si или Ge. Использование кремниевых подложек позволит добиться существенного уменьшения стоимости и улучшения механических качеств таких солнечных элементов.
3
5
Таким образом, на основе системы материалов InGaNAsP на подложках GaP были успешно реализованы светодиоды, инжекционные лазеры и солнечные элементы. Однако рост материалов AB на кремниевой подложке приводит к возникновению дефектов на гетерогранице и невозможности прямого переноса технологии изготовления оптоэлектронных приборов с GaP на кремниевую подложку.
Практическая реализация эпитаксиальных слоев GaPN, не содержащих заметной плотности дислокаций на поверхности кремния и покрытых впоследствии слоем кремния, продемонстрирована группой Технологического университета Toyohashi (Япония) [H. Yonezu, Semicond. Sci. Technol. 17, 762 (2002)]. В 2007 году группа Технологического университета Toyohashi сообщила о реализации монолитно-интегрированного светоизлучающего диода и кремниевого транзистора [Yuzo Furukawa, HirooYonezu and Akihiro Wakahara, Monolithic integration of light-emitting devices and silicon transistors, 19 November 2007, SPIE News room].
На основе GaPN структуры на кремнии были созданы светоизлучающие диоды и полевые транзисторы для дальнейшего создания монолитных оптоэлектронных интегральных схем [Y.Furukawa еt al. / Journal of Crystal Growth 300, 172-176 (2007)]. Также в работе [H. Yonezu et al. / Journal of Crystal Growth 310, 4757-4762 (2008)] продемонстрировано получение на одном чипе InGaPN/GaPN светодиода и кремниевого транзистора.
Элементы монолитных оптоэлектронных интегральных схем, такие как светоизлучающие диоды, фотоэлектрические преобразователи и полевые транзисторы, изготавливают на основе гетероструктур GaPAsN на кремнии с использованием методов молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) и металлоорганической газофазной эпитаксии [JP 2003234294, US 006448584 B1].
В настоящее время имеется две основные конструкции расположения металических контактов к светоизлучающим диодам. Первый способ, наиболее распространенный, заключается в размещении одного металического контакта к верхнему контактному слою гетероструктуры, а другого - к проводящей подложке [US 5226053, US 6395572]. Второй способ заключается в использовании точного прецизионного травления гетероструктуры и размещении одного металического контакта к верхнему контактному слою гетероструктуры, а другого - к высоколегированному слою внутри гетероструктуры. Однако второй способ используется или для светодиодов на основе GaN [US 2002/0173062], или для получения белого светодиода при использовании трех светодиодов с разными длинами волн [US 2004/0061123].
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является патент RU 2548610 «Светодиод белого свечения и светодиодная гетероструктура на основе полупроводниковых твердых растворов GaPAsN на подложках GaP и Si». Недостатком данного прототипа является следующее обстоятельство. В качестве активной области используется слой GaPAsN с изменяющимся составом материала для получения варизонности для получения широкого спектра излучения (белого свечения). Такая активная область приводит к накоплению напряжения в слоях из-за рассогласования постоянной решетки и появлению дефектов и прорастающих дислокаций. Предлагаемый в данном изобретении подход к формированию активной области снижает напряжения в слоях и способствует снижению дефектов. Другим недостатком представленного прототипа является использование проводящей подложки и формирование тыльного n-контакта к подложке. При использовании данной топологии контактов ток протекает через зародышевый слой и гетерограницу Si/GaP, содержащие высокую плотность дефектов, что приводит к существенному снижению мощности прибора.
3
5
Задачей заявляемого изобретения является изготовление гетероструктуры GaPAsN светодиода и фотоприемника на подложке Si (далее - гетероструктура), которая позволяет уменьшить плотности дислокаций и кристаллических дефектов в активных слоях подобных гетероструктур, улучшает излучательную эффективность и электронную проводимость, позволяет подавить безызлучательную рекомбинацию, избежать протекания тока через высокодислокационный зародышевый слой и гетерограницу кремний-полупроводник типа AB и уменьшить приборные потери.
1-x
x
1-x-y
y
x
Достигается за счет использования оригинальной конструкции активной области Гетероструктуры с собственным типом проводимости, состоящей из короткопериодной сверхрешетки GaPN/GaPAsN, жидкостного травления и формирования мезы для создания металлических контактов к первому контактному слою.
Техническим результатом является создание на основе гетероструктуры светоизлучающих диодов и фотоэлектрических преобразователей с меньшими приборными потерями и повышенной излучательной эффективностью по сравнению с аналогами.
1-x
x
1-x-y
y
x
Сущность изобретения заключается в использовании решеточно-согласованной с кремниевой подложкой короткопериодной сверхрешетки GaPN/GaPAsN и металлических контактов, выполненных к первому и второму контактным слоям, непосредственно примыкающим к активной области с собственным типом проводимости.
1-x
x
1-x
x
1-x-y
y
x
1-x
x
1-x-y
y
x
В предлагаемом изобретении гетероструктура содержит в качестве первого контактного слоя слой n- или р-типа, сформированный из короткопериодной сверхрешетки GaP/GaPN, сформированную поверх первого контактного слоя активную область с собственным типом проводимости, сформированную из короткопериодной сверхрешетки GaPN/GaPAsN, второй контактный слой, состоящий из слоя GaP, легированного примесью противоположного типа по сравнению с первым контактным слоем, сформированный на активной области с собственным типом проводимости. Изменяя значение мольных долей азота, x, и мышьяка, y, для короткопериодной сверхрешетки GaPN/GaPAsN в указанных пределах, можно получать излучение светодиода от 610 нм до 670 нм. При выращивании короткопериодной сверхрешетки со значениями мольных долей азота, , и мышьяка, , возможно иметь средний параметр решетки, близкий к параметру решетки кремния, соответственно возможно получение на кремниевой подложке светоизлучающих приборов.
Способ изготовления гетероструктуры (далее - способ) включает выращивание зародышевого слоя GaP, первого контактного слоя, активной области с собственным типом проводимости и второго контактного слоя с помощью МЛЭ; фотолитографию и травление для удаления второго контактного слоя и активной области с собственным типом проводимости; фотолитографию и вакуумное напыление для формирования металлических электродов к первому и второму контактным слоям; металлизацию путем плазмо-химического травления для формирования глубокой мезоструктуры круглой или прямоугольной формы; отличается тем, что используют жидкостное травление и формируют мезу для создания металлических контактов к первому контактному слою, при этом металлические контакты формируют к первому и второму контактным слоям, непосредственно примыкающим к активной области с собственным типом проводимости.
Изобретение поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.
На Фиг. 1 представлены схемы двух вариантов реализации гетероструктуры, где: 1 - вицинальная нелигированная кремниевая подложка (100), разориентированная на 4° по направлению <011>; 2 - зародышевый слой GaP, сформированный последовательным осаждением монослоев галлия, Ga, и фосфора, Р, на (1); 3 - первый контактный слой n- или p-типа, состоящий из короткопериодной сверхрешетки GaP/GaPN; 4 - активная область с собственным типом проводимости, состоящая из сверхрешетки GaPN/GaPAsN; 5 - второй контактный слой GaP, легированный примесью противоположного типа по сравнению с первым контактным слоем.
На Фиг. 2 представлен пример реализации светодиода на основе гетероструктуры, изготовленной предлагаемым способом.
На Фиг. 3 представлен спектр электролюминесценции при комнатной температуре светодиода.
В качестве сведений, подтверждающих возможность осуществления изобретения с достижением технического результата, приводим нижеследующий пример реализации.
Для выращивания слоев гетероструктуры (1), (2), (3), (4), (5) (Фиг. 1), спектр электролюминесценции которой приведен на фиг.3, применяют метод МЛЭ с твердотельными источниками галлия, фосфора и мышьяка. Для создания потока атомарного азота применяют источник азота с радиочастотным газовым разрядом. Для создания первого и второго слоев с проводимостью n-типа применяют легирование кремнием (Si), для создания слоев с проводимостью р-типа применяют легирование бериллием (Be). В качестве подложки, для выращивания эпитаксиальных гетероструктур используют вицинальные нелигированные кремниевые подложки (100), разориентированные на 4° по направлению <011>. Характерные температуры МЛЭ лежат в диапазоне 490-580 градусов Цельсия.
Последовательность слоев гетероструктуры представлена на фиг.1.
1-x
x
1-x
x
1-x
x
1-x-y
y
x
1-x
x
1-x-y
y
x
Зародышевый слой GaP (2) формируют последовательным осаждением монослоев галлия (Ga) и фосфора (Р) на подложку кремния (1) с помощью МЛЭ при температуре подложки 490°C. Поверх зародышевого слоя путем МЛЭ осаждают первый контактный слой (3), состоящий из короткопериодной сверхрешетки GaP/GaPN, содержащей по меньшей мере один слой GaP и по меньшей мере один слой GaPN. Первый контактный слой (3) легируют примесью n- или p-типа. Поверх первого контактного слоя (3) осаждают путем МЛЭ активную область с собственным типом проводимости (4), состоящую из сверхрешетки GaPN/GaPAsN, содержащей по меньшей мере один слой GaPN и по меньшей мере один слой GaPAsN. Поверх активной области (4) осаждают второй контактный слой (5), состоящий из слоя GaP, легированного примесью противоположного типа по сравнению с первым контактным слоем (3).
Характерные толщины слоев гетероструктуры:
- зародышевый слой GaP, формируемый последовательным осаждением от 25 до 40 периодов монослоев Ga и Р, при характерных толщинах монослоев (0,13±0,02) и (0,19±0,02) нм соответственно;
1-x
x
- первый контактный слой, сформированный последовательным выращиванием 1 и до 5 пар чередующихся слоев GaP и GaPN, при характерных толщинах слоев (3±1) и (7±1) нм соответственно;
1-x
x
1-x-y
y
x
- активная область, сформированная последовательным выращиванием 1 и до 5 пар чередующихся слоев GaPN и GaPAsN, при характерных толщинах слоев (7±1) нм;
- второй контактный слой GaP с характерной толщиной слоя от 5 до 30 нм.
После выращивания всех слоев гетероструктуры осуществляют фотолитографию и жидкостное травление слоев (5, Фиг. 1) и (4, Фиг. 1) и формируют мезу круглой или прямоугольной формы для создания металлических контактов к первому контактному слою (3, Фиг. 1). Методом фотолитографии и вакуумного напыления формируют металлические электроды к первому (3, Фиг. 1) и второму контактным слоям (5, Фиг. 1). Для уменьшения растекания тока после металлизации методом плазмо-химического травления формируют глубокую меза-структуру круглой или прямоугольной формы (Фиг. 2).