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 1550-1650оС. 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 2200-2400оС, толщиной не менее 10 мкм, слой n-типа проводимости также наращивают сублимационным "сэндвич-методом" при температуре 2100-2400оС 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 2200-2500оС. 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 2200-2500оС. При температуре ниже 2200оС 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 2500оС 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 2200оС 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 1800оС, 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 1700оС, чтобы давление его паров составляло 5 103 МПа. В хвостовик помещали также олово, парциальное давление которого составило бы 102 Па (температура 1500оС). 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 2100оС. 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 2200оС. Парциальные давления паров алюминия (Т = 1200оС) и олова (Т = =1550oС) 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 1950оС, что соответствует давлению пар в 5 103 Па. Температура роста слоя SiC политипа 4Н n-типа проводимости 2300оС. 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 2300оС. Положение подложки, источника, давление азота и аргона такие же, как и в примере 1. В хвостовик помещали галлий при 1800оС, олово при 1700оС, 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 = 1350oС) и олова (Т = =1700оС) поддерживали на уровне 5 102 Па. Температура роста слоев 2400оС. 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 2100оС, что соответствует давлению паров 104 Па. Температура роста олова 2400оС. 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 2400оС при условиях, описанных в примере 1. Галлий помещали в хвостовик при 1800оС, что соответствует парциальному давлению 1 104 Па, олово помещали в зону при 1800оС, 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 = 1400оС) и олова (1800оС) поддерживали на уровне 103 Па. Температура роста слоев 2500оС. 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 1o. Наращивание вели при 2100оС в атмосфере аргона при давлении 10-1 Па. Олово находилось при температуре 1550оС, 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 2000оС. Положение подложки, давление азота такие, как и в примере 1. В хвостовик помещали галлий при 1500оС, что соответствует давлению 103 Па. Олово помещали при 1400оС, 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 1100оС) и олова (Т = 1400оС) поддерживали на уровне 10 Па. Температура роста слоев 2100оС. 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 3о. Наращивание вели при 2500оС в атмосфере аргона при давлении 105 Па. Олово находилось при 2150оС, 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 2500оС. Положение подложки, давление азота такие же как в примере 1. В хвостовик помещали галлий при 1500оС, что соответствует давлению 103 Па. Олово помещали при 2100оС, 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 = 1600оС) и олова (Т = 1950оС) поддерживали на уровне 5 103 Па. Температура роста 2600оС. 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 - 2400oС, толщиной не менее 10 мкм, слой n-типа проводимости также наращивают сублимационным "сэндвич-методом" при температуре 2100 - 2400oС 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