Способ изготовления светодиодов, излучающих в фиолетовой области спектра

Способ изготовления светодиодов, излучающих в фиолетовой области спектра

Реферат

 

Способ изготовления светодиодов, излучающих в фиолетовой области спектра. Изобретение может найти применение в оптоэлектронике, например, в качестве цифробуквенных индикаторов, эталонных источников света. Способ позволяет расширить область применения за счет возможности использования в качестве подложек любых политипов SiC. Способ включает наращивание сублимаций на подложку SiC любого политипа ориентации С с углом разориентации не более 30 , слоя n-типа проводимости политипа 4Н-SiC в присутствии паров с парциальным давлением 10³-10⁴ Па , давлением инертного газа 10²-10⁴ Па , температуре 2200 - 2400°С, последующего наращивания слоя 4Н-SiC n-типа проводимости в присутствии Ga с парциальным давлением не ниже 5 10³ Па , Sn с парциальным давлением 10²-10³ Па при температуре 2100 - 2400°С и наращивании слоя p-типа проводимости в присутствии Al и Sn с парциальным давлением 10²-10³ Па при температуре 2300 - 2500°С и нанесение омических контактов. Разработанным способом получены источники света с излучением в фиолетовой области спектра с _макс= 440 нм .

Изобретение относится к полупроводниковой технологии, в частности к изготовлению источников света с излучением в фиолетовой области спектра. Такие светодиоды характеризуются достаточно высокой эффективностью излучения с максимумом ( _макс 440 нм), отличаются высокой стабильностью при работе в широком интервале температур (-100 - +100)^оС, в условиях повышенной реализации, что делает возможным использование их в оптоэлектронике, например, в качестве индикаторов в непрерывном и импульсном режимах. Известен полупроводниковый источник света с излучением в фиолетовой области спектра ( _макс = 425 нм), включающий подложку карбида кремния (SiC) политипа 6Н n-типа проводимости и слоев SiC n-типа проводимости и р-типа, легированного алюминием, изготовленный при выращивании методом жидкостной эпитаксации из раствора углерода в расплаве кремния при 1550-1650^оС. К недостаткам данного способа относится узкая область применения вследствие невозможности использования SiC любого политипа (использование политипа 6Н). Кроме того, такие светодиоды имеют низкий квантовый выход электролюминесценции в фиолетовой области спектра. Наиболее близким техническим решением является способ изготовления светодиодов, излучающих в фиолетовой области спектра, путем эпитаксиального наращивания в среде инертного газа на подложке карбида кремния слоя SiC n-типа проводимости, легированного азотом с концентрацией (2-10) 10¹⁸ см^-3, слоя SiC р-типа проводимости, легированного алюминием, и нанесения омических контактов. Недостатком этого способа является узкая область применения вследствие использования в качестве подложки кристалла SiC политипа 4Н, так как распространенность политипа 4H-SiC не превышает 1%, поэтому он не может быть реализован в промышленном масштабе. Целью изобретения является расширение области применения способа за счет возможности использования подложки SiC любого политипа. Цель достигается тем, что в известном способе изготовления светодиода, излучающего в фиолетовой области спектра путем эпитаксиального наращивания в среде инертного газа на подложке SiC cлоя Sic n-типа проводимости, легированного азотом с концентрацией (2-10) 10¹⁸ см^-3, слоя SiC р-типа проводимости, легированного алюминием, и нанесения омических контактов, в качестве подложки выбирают пластину SiC с ориентацией (000)С с угом разориентации не более 30' , перед наращиванием слоя SiC n-типа проводимости, на подложку сублимационным "сэндвич-методом" наращивают слой SiC политипа 4Н n-типа проводимости в присутствии паров олова с парциальным давлением 10³ - 10⁴ Па, давлении инертного газа 10²-10⁴ Па, температура роста этого слоя 2200-2400^оС, толщиной не менее 10 мкм, слой n-типа проводимости также наращивают сублимационным "сэндвич-методом" при температуре 2100-2400^оС в присутствии галлия с парциальным давлением не ниже 5 10³ Па олова с парциальным давлением 10²-10³ Па, а наращивание слоя р-типа проводимости проводят сублимационным "сэндвич-методом" в присутствии алюминия с парциальным давлением 10²-10³ Па и олова с парциальным давлением 10²-10³Па при температуре 2200-2500^оС. Суть метода заключается в том, что процесс роста ведется при узком зазоре между источником и подложкой ( 1 мм). Он позволяет использовать контейнеры, в которых происходит рост эпитаксиальных слоев, с несколькими температурными зонами, выращивать слои SiC n- и р-типа проводимости. Присутствие олова в паровой фазе сдвигает стехиометрическое соотношение SiC на поверхности подложки в сторону углерода и ведет к росту редкого политипа 4Н. Выращивание слоев SiC, легированных галлием и азотом, сублимацией позволяет получить высокое совершенство слоев SiC, которое не достигается, например, при росте по способу-прототипу, так как в предлагаемом нами методе роста на поверхности подложки отсутствует другая фаза, в данном случае жидкий кремний, вызывающий деформационные напряжения и образование микротрещин, а также способствует политипной неоднородности растущего слоя (например возникновение политипа 3 С). В предлагаемом способе светодиод формируют путем последовательного наращивания люминесцирующего слоя SiC n-типа проводимости, легированного галлием и азотом, и сильнолегированного р-слоя алюминием, из которого осуществляется инжекция дырок. Такая структура позволяет обеспечить высокую эффективность излучения в фиолетовой области спектра, так как вследствие наличия неконтролируемых примесей и дефектов интенсивность люминесценции SiC р-типа проводимости обычно ниже, чем в n-SiC. Поэтому интенсивную электролюминесценцию можно получить в случае высокой концентрации дырок в р-слое при высокой концентрации активаторов люминесценции галлия и азота в n-слое. Существенным в предлагаемом способе является и введение в паровую фазу олова с давлением 10²-10³ Па. Введение олова в определенных парциальных давлениях полностью устраняет возможность возникновения на трансформированном слое 4Н-SiC других политипов. При давлении олова менее 10² Па могут возникать включения политипов 6Н, 15R, особенно на сингулярных участках растущей поверхности. При давлении выше 10³ Па олово может выделяться в виде второй фазы. При выращивании слоя р-типа проводимости в паровую фазу вводили олово с давлением 10²-10³ Па. Введение олова, как и при росте слоев n-типа проводимости, необходимой для полного исключения возможности трансформации политипа 4Н-Si, а следовательно, для достижения поставленной цели. При давлении менее 10² Па возникают включения политипов. При давлении выше 10³ Па олово может выделяться в виде второй фазы. Для роста слоя р-типа проводимости выбраны температуры 2200-2500^оС. При температуре ниже 2200^оС невозможно получить слой с высокой концентрацией инжектируемых в n-слой дырок. Кроме того, при более низкой температуре в выращенных слоях присутствуют собственные дефекты, которые являются конкурирующими центрами излучательной рекомбинации и вызывают сдвиг максимума излучения в более длинноволновую область спектра. При температуре роста выше 2500^оС рост слоев 4НН-SiC становится неуправляемым из-за диссоциативного разложения SiC. Таким образом, каждый из перечисленных признаков является необходимым, а все они достаточны для достижения поставленной цели, а именно расширения области применения способа за счет возможности использования SiC любого политипа. П р и м е р 1. Для изготовления светодиода, излучающего в фиолетовой области спектра, в качестве подложки использовали монокристаллическую пластину политипа 6Н-SiC с углом разориентации от (000)С на 20'. Подложку предварительно травили в расплаве КОН для удаления нарушенного при шлифовке и полировке поверхностного слоя SiC и определения ориентации. Промежуточный слой SiC политипа 4Н n-типа проводимости наращивали сублимацией в высокотемпературной печи с резистивным нагревом, куда помещали контейнер с подложками. Наращивание вели при 2200^оС в атмосфере аргона при давлении 10² Па. Расстояние между источником (поликристаллическая пластина SiC) и подложкой SiC равно 1 мм. В хвостовик контейнера помещали олово спектральной частоты при 1800^оС, что соответствовало давлению паров 10³ Па. В результате проведения процесса выращен эпитаксиальный слой SiC толщиной 30 мкм электронного типа проводимости с Nd-Na = 5 10¹⁸ см^-3, выход политипа 4Н составлял 90%, выход политипа 6Н 10%. Далее для наращивания слоя SiC n-типа проводимости использовали всю поверхность слоя на подложке, включая политипы 4н и 6н. Подложку с промежуточным слоем и источник располагали как и при росте вышеописанного слоя. В хвостовики помещали галлий при 1700^оС, чтобы давление его паров составляло 5 10³ МПа. В хвостовик помещали также олово, парциальное давление которого составило бы 10² Па (температура 1500^оС). Контейнер откачивали до остаточного давления 10^-2 Па. Далее печь заполнялась Аr высокой частоты с добавкой газообразного азота с парциальным давлением 1 10³ Па. Наращивание эпитаксиального слоя SiC проводили при 2100^оС. Получен слой политипа 4Н SiC толщиной 10 мкм n-типа проводимости, концентрация нескомпенсированных доноров (Nd-Na) составляла 2 х 10¹⁸ см^-3, концентрация Ga 4 х 10¹⁸ см^-3. Необходимо отметить, что после наращивания слоя n-типа проводимости на промежуточный слой выход политипа 4Н составлял 100% из-за боле высокой скорости роста политипа 4Н и по этой причине происходит зарастание политипа 6Н. Для выращивания р-слоя образец совместно с источником помещали в контейнер. В хвостовик помещали алюминий и олово. Контейнер откачивали до остаточного давления 10^-2 Па, печь заполняли Ar высокой частоты. Наращивание слоев проводили при 2200^оС. Парциальные давления паров алюминия (Т = 1200^оС) и олова (Т = =1550^oС) поддерживали на уровне 10²Па. Время ведения процесса 1 ч, после чего установка охлаждалась. Получен слой р-типа проводимости толщиной 6 мкм, концентрация нескомпенсированных акцепторов составила 5 10²⁰ см^-3. Далее на поверхность эпитаксиального слоя р-типа проводимости напыляли алюминий, потом с помощью фотолитографии создавали контакты D = 350 мм и травили в расплаве гидроокиси калия для удаления р-слоя между напыленным алюминием и получения отдельных мезаструктур. Контактом к n-слою служил напыленный Ni. Кристалл разрезался на отдельные чипы и к полученному светодиоду прикладывалось прямое смещение (плотность тока составляла 0,5-20 А/см²). Светодиод имел фиолетовый цвет излучения с максимумом ( _макс) = 440 нм. П р и м е р 2. В качестве подложки использовали кристалл SiC политипа 15R. Отклонение поверхности подложки от (000)С составило 30'. Предварительная подготовка подложки проводилась как и в примере 1. Олово помещали в хвостовик при 1950^оС, что соответствует давлению пар в 5 10³ Па. Температура роста слоя SiC политипа 4Н n-типа проводимости 2300^оС. Давление инертного газа 10³ Па. Выращенный слой политипа 4Н имел Nd-Na = 6,6x x10¹⁸ см^-3, толщину 30 мкм. Следующий слой n-типа проводимости наращивали при 2300^оС. Положение подложки, источника, давление азота и аргона такие же, как и в примере 1. В хвостовик помещали галлий при 1800^оС, олово при 1700^оС, что составляло парциальное давление 10⁴ Па и 5 10³ Па соответственно. Получены слои толщиной 10 мкм с концентрацией (Nd-Na) = 4 10¹⁸см^-3. Концентрация галлия в них находилась на уровне 5 10¹⁸ см^-3. Слой р-типа проводимости наращивали при положении подложки источника, описанных в примере 1. Парциальное давление паров алюминия (Т = 1350^oС) и олова (Т = =1700^оС) поддерживали на уровне 5 10² Па. Температура роста слоев 2400^оС. Получен слой толщиной 7 мкм, концентрация (Na-Nd) = 6 10²⁰ см^-3. Контроль выхода годных светодиодов осуществлялся аналогично примеру 1. Выход светодиодов с излучением в фиолетовой области спектра составил 100%. П р и м е р 3. В качестве подложки использовали кристалл SiC политипа 21R. Поверхность подложки не имела отклонения от (000)C. Олово находилось при 2100^оС, что соответствует давлению паров 10⁴ Па. Температура роста олова 2400^оС. Давление аргона 10⁴ Па. Выращенный слой политипа 4Н имел (Nd-Na) = 1 10¹⁹ см^-3, толщину 30 мкм. Следующий слой n-типа проводимости наращивали при температуре 2400^оС при условиях, описанных в примере 1. Галлий помещали в хвостовик при 1800^оС, что соответствует парциальному давлению 1 10⁴ Па, олово помещали в зону при 1800^оС, что соответствует давлению 10³ Па. Получен слой толщиной 10 мкм с концентрацией (Nd-Na) = 5 10¹⁸ см^-3 политипа 4Н, концентрация галлия в них находилась на уровне 6 10¹⁸ см^-3. Слой р-типа проводимости наращивался при положении подложки источника, как в примере 1. Парциальные давления паров алюминия (Т = 1400^оС) и олова (1800^оС) поддерживали на уровне 10³ Па. Температура роста слоев 2500^оС. Получен слой толщиной 10 мкм, концентрация (Na-Nd) = 7 10²⁰ см^-3. Изготовленные светодиоды имели максимум излучений в фиолетовой области спектра ( _макс = 440 нм). П р и м е р 4. Для наращивания промежуточного соя SiC использовали подложку политипа 6Н с отклонением от (000)С на 1^o. Наращивание вели при 2100^оС в атмосфере аргона при давлении 10^-1 Па. Олово находилось при температуре 1550^оС, что соответствует парциальному давлению 10² П. В результате выращен эпитаксиальный слой толщиной 10 мкм с (Nd-Na) = 2 10¹⁸ см^-3. На подложке выход политипа 4Н составил 10%, остальное - политип 6Н вследствие ориентирующего влияния поверхности подложки. Кроме того, наблюдается начало графитизации поверхности слоя. Следующий слой n-типа проводимости наращивали при 2000^оС. Положение подложки, давление азота такие, как и в примере 1. В хвостовик помещали галлий при 1500^оС, что соответствует давлению 10³ Па. Олово помещали при 1400^оС, что соответствует давлению 5 10¹ Па. Получен слой толщиной 10 мкм с (Nd-Na) = 1 10¹⁹ см^-3, концентрация гелия в слоях находилась на уровне 1 10¹⁸ см^-3. На поверхности был только политип 6н-SiC. Слой n-типа проводимости наращивали при положении подложки источника как в примере 1. Парциальные давления паров алюминия (Т 1100^оС) и олова (Т = 1400^оС) поддерживали на уровне 10 Па. Температура роста слоев 2100^оС. Получен слой толщиной 5 мкм, концентрация (Na-Nd) = 2 10²⁰ см^-3. Изготовленные светодиоды имели голубой спектр излучения _макс = 480 - отличный от описываемого способа. П р и м е р 5. Для наращивания промежуточного слоя SiC использовали подложку политипа 15R с отклонением от (000)С на 3^о. Наращивание вели при 2500^оС в атмосфере аргона при давлении 10⁵ Па. Олово находилось при 2150^оС, что соответствует парциальному давлению 5 10⁴ Па. В результате получен эпитаксиальный слой толщиной 50 мкм с (Nd-Na) = 7 10¹⁹ см^-3. На подложке выращен политип 15R n-типа проводимости. Наблюдается наличие включений второй фазы. Слой n-типа проводимости наращивали при 2500^оС. Положение подложки, давление азота такие же как в примере 1. В хвостовик помещали галлий при 1500^оС, что соответствует давлению 10³ Па. Олово помещали при 2100^оС, что соответствует давлению 10⁴ Па. Получен слой толщины 50 мкм с (Nd-Na) = 2 10¹⁸ см^-3, концентрация гелия находилась на уровне 5 10¹⁸ см^-3. Выращенный слой был политипа 15R n-типа проводимости. Слой р-типа проводимости наращивали при положении подложки источника как в примере 1. Парциальные давления алюминия (Т = 1600^оС) и олова (Т = 1950^оС) поддерживали на уровне 5 10³ Па. Температура роста 2600^оС. Получен слой толщиной 20 мкм, концентрация (Na-Nd) = 8 10²⁰см^-3. Изготовленные светодиоды имели голубой спектр излучения ( _макс = 490 нм), отличный от заявляемого способа. Таким образом, как видно из приведенных примеров, светодиоды, полученные описанным способом, обеспечивают излучение в фиолетовой области спектра с высоким выходом годных приборов, так как распространение политипа 4Н, подложки которого используются в способе-прототипе, не превышает 1%, а в предлагаемом способе составляет 100%. В предлагаемом способе возможно использование подложек любых политипов, что резко расширяет области применения способа. Дополнительным преимуществом описываемого изобретения является увеличение быстродействия - время срабатывания - достигшее 50 нс (в прототипе - 100 нс). Кроме того, возможно создание многоэлементных модулей с практически одинаковой интенсивностью излучения отдельных элементов, полученных на одной подложке. Изготовленные предлагаемым способом светодиоды могут быть использованы для создания на их основе полупроводниковых приборов, в частности, цифробуквенных индикаторов, для записи информации на фоточувствительные материалы, в качестве эталонных источников света.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОДИОДОВ, ИЗЛУЧАЮЩИХ В ФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА, включающий эпитаксиальное наращивание в среде инертного газа на подложке карбида кремния слоя SiC n-типа проводимости, легированного азотом с концентрацией (2 - 10) 10¹⁸ см^-3, слоя SiC p-типа проводимости, легированного алюминием, и нанесение омических контактов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения способа за счет возможности использования подложки карбида кремния любого политипа, в качестве подложки выбирают пластину с ориентацией (000)C с углом разориентации не более 30, перед наращиванием слоя SiC n-типа проводимости на подложке сублимационным "сэндвич-методом" наращивают слой SiC политипа 4Н n-типа проводимости в присутствии паров олова с парциальным давлением 10³ - 10⁴ Па при давлении инертного газа 10² - 10⁴Па, температуре 2200 - 2400^oС, толщиной не менее 10 мкм, слой n-типа проводимости также наращивают сублимационным "сэндвич-методом" при температуре 2100 - 2400^oС в присутствии галлия с парциальным давлением не ниже 5 10³ Па, олова с парциальным давлением 10² - 10³ Па, а наращивание слоя p-типа проводимости ведут сублимационным "сэндвич-методом" в присутствии алюминия с парциальным давлением 10² - 10³ Па и олова с парциальным давлением 10² - 10³ Па при температуре 2200 - 2500 ^oС.

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000