Функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора

Полезная модель относится к  полупроводниковым приборам, а точнее к структуре бесподложечного массива полупроводниковых нитевидных нанокристаллов - функционального трехмерного компонента (детали), предназначенного для использования в оптоэлектронных приборах. Полезная модель может найти применение, например, в промышленном производстве светоизлучающих устройств и фоточувствительных элементов.
В контексте данной заявки термин "бесподложечный массив нитевидных нанокристаллов " используется в значении "массив нитевидных нанокристаллов, не имеющий подложки", а точнее: "массив нитевидных нанокристаллов, сформированный на подложке и отделенный от нее".
За последние десятилетия активные исследования оптических свойств различных материалов привели к созданию новых оптоэлектронных устройств и источников излучения. Особый интерес представляют нитриды металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева, такие соединения как: нитрид галлия (GaN) нитрид индия (InN),  трехкомпонентный твердый раствор - нитрид индий-галлия (InGaN), -(далее - III-нитридные материалы. На сегодняшний день использование синих светодиодов на основе гетероструктур III-нитридных материалов совместно с люминофором является основным методом получения высокоэффективных энергосберегающих излучателей белого света. Тем не менее, оптоэлектронные устройства на основе слоёв III-нитридных материалов имеют ряд проблем, в том числе вывод света из объёма полупроводника или его поглощение, высокая плотность дефектов объёмных материалов.
Одним из способов увеличения эффективности полупроводниковых структур и расширения их функциональных свойств, является использование трёхмерных наноструктур, таких как массивы нитевидных нанокристаллов (далее -ННК).
Уникальная геометрия ННК позволяет увеличить вывод света из объёма полупроводникового материала или увеличить его поглощение. Изменение параметров массива ННК позволяет управлять оптическими свойствами массива ННК. Основным преимуществом ННК является высокое кристаллическое совершенство материала ННК.
Подложка может входить в состав функционального компонента оптоэлектронного прибора. Однако для ряда применений наличие подложки весьма ограничивает функционал реализуемых устройств на основе массива ННК. В ряде случаев, например, для создания гибких прозрачных устройств, обеспечения эффективного теплоотвода от массива ННК, необходимости удаления подложки вследствие сложности или ввиду отсутствия необходимости интегрировать подложку как функциональный элемент в конечный прибор, необходимо отделение массива ННК от подложки.
Существуют различные технологические приемы, позволяющие сохранить конструктивную целостность массива ННК, сформированного на подложке, после отделения от нее. Так в патенте US7091120B2 описан автономный композит, представляющий собой отделённую от подложки полимерную плёнку, содержащую в себе предварительно сформированный на подложке массив ННК. Этот автономный композит выступает в роли функционального компонента различных оптоэлектронных устройств, в том числе гибких источников излучения, солнечных элементов и датчиков давления. В полученном по патенту US 7091120B2 функциональном трехмерном компоненте оптоэлектронного прибора полимер выполняет функцию объединяющего конструктива, обеспечивающего существование массива ННК как единого целого после его отделения от подложки. Несмотря на присущие плюсы формирования композитного материала, представляющего ННК в полимерной мембране (гибкость, простота формирования контактов к основаниям и вершинам ННК и т.д.), данное техническое решение обладает рядом недостатков. При последующем проектировании оптоэлектронных устройств необходимо учитывать свойства полимерного материала. Например, при использовании полимерного материала сужается диапазон температур, пригодных для работы проектируемого оптоэлектронного устройства, необходимо учитывать вывод света или его поглощение с учётом полимерного материала, влияние технологических операций инкапсуляции ННК в полимер на оптоэлектронные свойства ННК и.т.д.
В качестве прототипа заявляемого функционального трехмерного компонента (далее - ФТК) оптоэлектронного прибора выбрана структура, описанная в патенте EP 1796180 A1 и представленная  на Фиг. 1 и Фиг. 11 этого патента. Синтезированная структура представляет собой сформированный на подложке массив однонаправленных ННК с характерным диаметром столбчатой части порядка 80-100 нм,  высотой 1500 нм  и со сросшимися вершинами. Сросшиеся вершины образуют плакирующий слой. Формирование такой структуры облегчает создание верхнего контакта, вместе с этим сохраняя превосходное оптическое качество материала ННК. При этом конструктивное единство обеспечивается как наличием подложки, так и сформированным плакирующим слоем GaN. Таким образом, ФТК по прототипу обладает описанными выше недостатками, присущими структурам с подложками.
В основу полезной модели поставлена техническая проблема расширения арсенала средств и создания новой структуры, являющейся функциональным трехмерным компонентом (деталью) оптоэлектронного прибора, на основе нитевидных нанокристаллов нитрида индий-галлия (InGaN). Достигаемый технический результат - обеспечение конструктивной прочности (целостности) ФТК, сформированного в виде  массива ННК нитрида индий-галлия, достаточной для  его функционирования после отделения от подложки одновременно  при высоком оптическом качестве  материала ННК.
Поставленная задача решается тем, что функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора характеризуется тем, что представляет собой бесподложечный массив однонаправленных ННК нитрида индий-галлия, имеющих переменное поперечное сечение с утонениями на обоих концах и частично сросшихся в серединной по высоте зоне.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант. Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:
Фиг. 1 – массив ННК нитрида индий-галлия, синтезированный на подложке (схематично);
Фиг. 2 – изображение растровой электронной микроскопии синтезированного на подложке массива ННК нитрида индий-галлия;
Фиг. 3 – изображение растровой электронной микроскопии отделённого от подложки массива ННК в результате травления в кислотном травителе;
Фиг. 4 – изображение растровой электронной микроскопии вершин ННК отделённого от подложки массива ННК;
Фиг. 5 – изображение растровой электронной микроскопии оснований ННК отделённого от подложки массива ННК;
Фиг. 6 – спектры фотолюминесценции массива ННК нитрида индий-галлия: график (а) - до отделения от подложки,  график (б) - после отделения  от подложки.
Фиг. 7 – зависимость интегральной интенсивности фотолюминесценции бесподложечных массивов от мощности возбуждающего излучения для массива ННК нитрида индий-галлия.
Заявленный функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора  получают следующим образом.
-6
-5
-4
N2
На первом этапе формирования ФТК на подложке кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (111) синтезируют массив ННК нитрида индий-галлия методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота (МПЭ ПА), что осуществляется следующим образом: подложку кремния помещают в откаченную до сверхвысокого вакуума камеру роста установки МПЭ ПА, нагревают подложку до 950°С, и выдерживают при этой температуре в течении 30 минут. Остаточный вакуум в ростовой камере составляет не менее 3*10 Па. Затем температуру подложки понижают до 690°С и инициируют источник плазмы азота. После стабилизации температуры подложки одновременно открывают заслонки источников галлия и индия. Потоки атомов галлия и индия при синтезе равны и соответствуют давлению 1,3*10 Па. Поток активированного плазмой азота соответствуют давлению 1*10 Па, расход азота F=0,4 стандартных кубических сантиметров в минуту, мощность плазменного источника W=400 Вт. Длительность синтеза составляет 20 часов.
Полученная структура представлена схематично на Фиг. 1 и на изображении растровой электронной микроскопии на Фиг. 2. Как видно из представленных иллюстраций, сформированные на подложке 1 нитевидные нанокристаллы 2  ориентированы преимущественно в одном направлении перпендикулярно подложке 1 (возможны отклонения в пределах 5 градусов), и имеют переменное поперечное сечение с утонениями на обоих концах: как со стороны вершин, так и со стороны оснований нитевидных нанокристаллов. Характерный диаметр ННК в серединной зоне составляет примерно до 100 нм, у оснований - примерно до 10 нм, у вершин - примерно до 20 нм. Общая высота массива ННК составляет 2200 нм. При этом в серединной зоне 3 ННК  срослись. Получение такой структуры массива объясняется следующим образом. На начальном этапе синтеза диаметр ННК увеличивается по мере роста ННК (в вершине), вследствие малого коэффициента миграции атомов Ga и In, что является особенностью роста III-нитридных материалов. В момент, когда соседние ННК начинают касаться друг друга, происходит эпитаксиальное сращивание ННК между собой, что отвечает серединной зоне (Фиг. 1 и Фиг. 2 позиция 3) ННК в конечном массиве. В контексте данной заявки термин "сращивание" означает механическое сцепление за счет неровностей боковых поверхностей ННК и обжатия нанокристаллов соседними нанокристаллами, что приводит к образованию химических связей между ними.  Далее, поскольку эффективная температура в зоне роста ННК уменьшается с увеличением высоты синтезируемой структуры, происходит постепенное изменение условий роста. Это приводит к тому, что по мере роста ННК на определенной высоте начинается их утонение, и соответственно, отделение друг от друга. Таким образом, с одной стороны, синтезированный массив ННК представляет собой единую конструктивно целостную структуру и обладает необходимой прочностью, чтобы существовать отдельно от подложки. С другой стороны, образованные ННК являются лишь частично сросшимися, то есть сросшимися только в серединной по высоте зоне сформированного массива. Приведённые в примере режимы осуществления способа (температура, временные интервалы, давления, газовые потоки, мощность плазменного источника) получены экспериментальным путём и могут варьироваться в определённых пределах.
Зона 3 (зона частичного сращивания ННК) составляет не менее четверти от общей высоты массива ННК. Это обеспечивает конструктивную прочность ФТК оптоэлектронного прибора после процесса отделения массива ННК от подложки. Для отделения от подложки выращенную структуру помещают в водный раствор, включающий плавиковую и азотную кислоту с добавлением вязкого компонента, например, глицерина. При комнатной температуре 25°C выдерживают в течение 3-5 минут до отделения структуры от подложки, тем самым получая автономный бесподложечный массив ННК.
2
На Фиг. 3 представлено изображение растровой электронной микроскопии массива нитрида индий-галлиевых ННК, отделённого от подложки. Как можно видеть из Фиг. 4 и Фиг.5  между вершинами ННК и их основаниями  есть зазоры, обеспечивающие  проникновение травящего раствора к подложке по всей площади образца. В результате травления происходит отделение оснований ННК от подложки и релаксация напряжений в массиве ННК, вызванных рассогласованием постоянных решёток материала ННК и материала подложки. Изменяя вязкость травящего раствора, возможно отделить массивы ННК площадью от 10 мкм до отделения всего массива целиком, что позволяет в дальнейшем использовать такие структуры как ФТК оптоэлектронного прибора.
На Фиг. 6 представлены спектры фотолюминесценции массива ННК нитрида индий-галлия: график  (а) -  до отделения от подложки,  график (б) -  после отделения от подложки.
На спектрах фотолюминесценции наблюдается широкая полоса излучения в спектральном диапазоне от 450 до 650 нм, которая обусловлена излучением от массива ННК нитрида индий-галлия. После отделения массива от подложки наблюдается  уменьшение интенсивности фотолюминесценции, связываемое с отсутствием переотражения от подложки.
На Фиг. 7 приведены зависимости (линейная аппроксимация полученных экспериментальных данных) интегральной интенсивности фотолюминесценции от оптической мощности возбуждения для полученного бесподложечного массива  ННК нитрида индий-галлия. Как видно из графика, зависимости описываются линейными функциями вида f=kx+b с коэффициентом  k=0,95, что сопоставимо с зависимостями, представленными для массива ННК в патенте EP 1796180 A1.  Коэффициент наклона близкий к единице свидетельствует о слабой роли безызлучательной рекомбинации в структуре. Такой характер зависимости указывает на высокое оптическое качество материала полученной структуры.
Таким образом, функциональный трехмерный компонент (бесподложечный массив ННК InGaN) оптоэлектронного прибора обладает оптическими свойствами, позволяющими использовать его в качестве ФТК оптоэлектронных приборов, например, для создания светоизлучающих устройств, фоточувствительных устройств (фотоприёмников, солнечных элементов),  при этом  массив ННК обладает достаточной прочностью для  его функционирования после отделения от подложки.