СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУР СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ Российский патент 2015 года по МПК C30B33/04 C30B33/02 H01L21/263 C30B29/40 

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) и гетероструктур соединений A³B⁵.

Известно, что инжекционные свойства гетероперехода зависят от совершенства границы раздела контактирующих полупроводниковых материалов, обычно содержащей плотность дислокаций N_д<10⁹-10¹⁰ см², большое количество дефектов упаковки N_ду>10⁴ см² 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.

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=10¹⁴-10¹⁶ эл./см² с энергией Е_эл=0,3-10 МэВ, что позволяет эффективно управлять распределением примеси в полупроводнике. Однако такой способ также не обеспечивает минимальное значение плотности поверхностных состояний N_cc<10¹¹ см^-1, плотность дислокаций N_д<10⁹-10¹⁰ см² и дефектов упаковки N_ду<10⁴ см².

Техническим результатом данного изобретения является повышение инжекционной способности и внешней квантовой эффективности гетероструктур светодиодов.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе формирования высококачественных гетероструктур светодиодов облучение пластин с гетероструктурами светодиодов производится потоком электронов Ф=10¹⁴-10¹⁷ эл./см² при низкой температуре, не превышающей минус 70°С, затем проводят быстрый термический отжиг потоком фотонов видимого спектра мощностью свыше 1 Вт/см² 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.

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 Ga_0,67Аl_0,33As, охлаждают азотом, поступающим из сосуда Дьюара до температуры ниже минус 70°С, помещают в поток электронного излучения мощностью 10¹⁴ эл./cм²ceк 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/см². 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.

Проведенные экспериментальные исследования методом РСГУ и CV - характеристик показали, что плотность поверхностных состояний в гетероструктурах типа Ga_0,67Al_0,33As снижается до уровня N_cc<10^-9-10^-10 см^-1, плотность дислокации N_д<10⁸-10⁹ см² и дефектов упаковки N_ду<10² см², что приводит к повышению внешней квантовой эффективности и коэффициента инжекции на 20-30%.

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники и может быть использовано для создания высококачественных полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД) на основе гетероструктур соединений A³B⁵. Способ включает операцию облучения пластин с гетероструктурами интегральным потоком электронов величиной 10¹⁴-10¹⁷ эл/см² с энергией 0,3-10 МэВ при температуре, не превышающей минус 70°C, затем проводят быстрый термический отжиг при температуре более 600°С потоком фотонов видимого спектра интенсивностью излучения 1-10 Вт/см с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны наиболее узкозонного полупроводникового слоя гетероперехода. Технический результат заключается в повышении инжекционной способности и внешней квантовой эффективности гетероструктур светодиодов. 1 ил.

Способ формирования высококачественных гетероструктур светоизлучающих диодов, содержащий операцию облучения пластин с гетероструктурами интегральным потоком электронов величиной Ф=10¹⁴-10¹⁷ эл/см² с энергией Е_эл= 0,3-10 МэВ, отличающийся тем, что облучение пластин с гетероструктурами проводят при низкой температуре, не превышающей минус 70°C, затем проводят быстрый термический отжиг при температуре более 600°С потоком фотонов видимого спектра интенсивностью излучения 1-10 Вт/см с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны наиболее узкозонного полупроводникового слоя гетероперехода.