СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2015 года по МПК H01L21/268 H01L21/428 

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к нелитографическим лазерным микротехнологиям формирования на подложках тонкопленочных структур.

При изготовлении полупроводниковых светодиодов имеется проблема эффективного выхода излучения из объема светоизлучающего кристалла в окружающую среду. Эффективность невысока в связи со значительным отражением света от поверхности кристалла, обычно изготовленного из полупроводника с высоким значением показателя преломления. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения лучи, падающие на поверхность изнутри кристалла под углами больше критического угла полного отражения возвращаются в кристалл; через гладкую поверхность кристалла выходит менее 5% возникшего в кристалле излучения. Предложено несколько способов создания рельефа на выходной поверхности излучающего полупроводникового кристалла.

В работе [И.П. Смирнова и др. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC // ФТП. - 2010. - Т.44, вып.5. - С.684-687], выбранной в качестве аналога представленного изобретения, развит метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%.

Недостатком аналога является сложность технологии и необходимость значительного времени для проведения реактивного ионного процесса.

В качестве прототипа выбрана работа [В.А. Карачинов, Д.В. Карачинов, М.В. Казакова. Теплофизические и оптические свойства микросистем с луночным рельефом на основе карбида кремния. ЖТФ, 2012, том 82, вып.8], в которой предложен электроэрозионный метод в варианте с жидким диэлектриком создания на поверхности тугоплавкого полупроводникового материала луночного рельефа. Поверхность подвергается воздействию электрических разрядов в жидкой диэлектрической среде, возникающие поверхностные эрозионные лунки распределены на поверхности беспорядочно. Метод создания рельефа является более производительным, технологическое оборудование дешевле.

Недостатком прототипа является невозможность управления соотношениями размеров в возникающей поверхностной лунке (отношением глубины лунки к диаметру), что может не позволить создавать высокоэффективные с точки зрения прохождения излучения рельефы.

Задачами, решаемыми в данном изобретении, являются:

- создание способа создания рельефной поверхности кристалла светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения,

- создание одностадийного способа создания рельефа, не требующего проведения некоторой последовательности технологических операций с переносами образцов из одной технологической установки в другую.

Задача решается тем, что в способе получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла.

Предложено также, что лазерное облучение производят в импульсно-периодическом режиме.

В соответствии с изобретением, подложка облучается лазерным пучком локальными участками таким образом, что на поверхности возникают отдельные участки эрозии материала подложки вследствие оптико-термического воздействия излучения; облучение должно вестись импульсно, сфокусированным пучком, который может от импульса к импульсу перемещаться относительно подложки, или широким лазерным пучком, преобразованным в многолучевой при прохождении через специальную маску с несколькими отверстиями.

При фокусировании излучения на поверхность кремниевой подложки световая волна проникает в ее внутренние области; в начальный момент распределение интенсивности в подложке определяется формулой:

I(z,t=0)=I_pexp(-αz),

где z - координата точки в подложке, отсчитываемая от поверхности; α - коэффициент поглощения излучения; I_p - интенсивность поглощенного поверхностью излучения. Интенсивность мощного излучения может быть достаточной для нагревания облучаемой области за импульс до температуры плавления и испарения вещества подложки. Выделившаяся теплота внутри подложки распространяется за счет теплопроводности подложки

$$l_T=\sqrt{{\chi }^t}$$ ,

где χ - теипературопроводность материала, l_T - длина тепловой волны в материале, расстояние, которое пройдет температурный фронт за время лазерного импульса t. Температура в центре фокального пятна при гауссовском распределении интенсивности излучения по пятну определялась формулой:

$$\Delta T=\frac{\left(1-R\right)I_0{t}^{1/2}}{{\left(\sqrt{2}{k}_T\rho c\right)}^{1/2}}$$

где ρ - плотность подложки, k_T - теплопроводность, c - удельная теплоемкость, R - коэффициент отражения кремния, I₀, Вт/м² - интенсивность падающего на поверхность излучения.

При воздействии мощного импульсного лазерного излучения на поверхности полупроводников вследствие лучевого нагревания происходят фазовые переходы состояния поверхности - плавление и парообразование, возникают механические усилия, обусловленные изменениями объемов микрообластей материала и градиентами температур. Вопросы определения закономерностей процессов, происходящих при мощном облучении поверхностей, широко обсуждаются в известной научной литературе, но общепризнанной модели, определяющей связь между параметрами облучения и параметрами возникающей на поверхности подложки структуры, по нашим сведениям, нет. По оценкам, при использовании наносекундного импульсного излучения с интенсивностью порядка 10¹² Вт/м² за время импульса подложка может в области фокального пятна и в толще подложки под ним плавиться и испаряться, что приводит к термогидромеханическим эффектам самопроизвольного формирования объемных структур на поверхности подложки. Наши эксперименты показали, что лазерное импульсно-периодическое облучение кремния, карбида кремния и сапфира импульсами длительностью 6 нс позволяет получать на их поверхности в области фокального пятна неупорядоченные рельефы высотой несколько мкм при расстоянии между элементами рельефа от 0,1 до 5 мкм.

Как следует из общефизических соображений, характерные размеры элементов структурирования поверхности, возникающего в результате мощного облучения, должны уменьшаться по мере укорочения длительности импульсов облучения в связи с уменьшением области в облучаемой среде, в которой успевает распространяться выделившаяся тепловая энергия. Важным является также учет глубины поглощения излучения в материале.

В таблице приведены значения температуропроводности и глубины поглощения излучения на нескольких длинах волн для монокристаллических кремния, двуокиси алюминия (лейкосапфира) и карбида кремния.

Таблица Температуропроводность и коэффициент поглощения излучения беспримесными монокристаллами при комнатной температуре Материал χ, см²/с α, см^-1, длина волны λ=355 нм Кремний 0,0747 4·10³ λ=530 нм Карбид кремния 2,3 <10 (легированный 2000) Лейкосапфир 0,02 2,5

Оценки показывают, что для формирования поверхностных структур в приповерхностной области толщиной 10 мкм подложки при помощи лазерного облучения коэффициент поглощения должен быть равен α=10³ см^-1, длина тепловой волны в карбиде кремния при длительности лазерного импульса 10 нс равна l_T=1,5 мкм; полученные значения удовлетворяют условию н.п.1 формулы изобретения при использовании кремния или карбида кремния. Для получения лазерным излучением рельефа на сапфире необходимо использовать лазерное излучение, поглощаемое в нем, например, в УФ-диапазоне спектра.

На фигуре 1 показана схема способа лазерного получения зоны эрозии на поверхности подложки. Здесь 1 - подложка светоизлучающего кристалла светодиода, 2 - образующийся рельефный слой, 3 - лазерный пучок, Λ, h, H - характерное значение расстояний между случайно раположенными элементами неупорядоченного рельефа, высота поверхностного рельефа, толщина преобразованного излучением слоя подложки, соответственно, L - ширина облученной зоны подложки.

При падении импульсного излучения 3 на поверхность подложки 1 в области с поперечником L возникает вследствие оптотермического выделения энергии зона эрозии поверхности глубиной H. Глубина зоны поглощения лазерного излучения равна H≈α^-1 и регулируется путем подбора длины волны излучения, от которой зависит поглощение излучения в данном материале. Величина перепада высот рельефа 2 меньше глубины H преобразованного слоя. Энергию E импульса падающего лазерного излучения находим из условия, что поглощенная подложкой доля энергии лазерного импульса расходуется на нагревание объема подложки V≈L²H до температуры кипения Т_кип, и в связи с малой длительностью импульса прилежащие к этому объему области подложки не успевают заметно нагреваться:

$$E_0=E/L^2\approx \frac{\rho cH{T}_{кип}}{A}$$ , где ρ, c - плотность и теплоемкость подложки, A - коэффициент поглощения излучения поверхностным слоем подложки, E₀ - поверхностная плотность энергии падающего излучения. Формула носит оценочный характер, при выводе не учитывалась теплота плавления, опто-теплофизические константы считались не зависящими от температуры.

В случае облучения сапфировой подложки при значениях H=10 мкм, Т_кип=3500°C, A=0,05 имеем E₀=1,4·10⁵ Дж/м². Интенсивность излучения при длительности импульса 10 не равна 1,4·10⁹ Вт/см². Полученные значения параметров лазерного облучения достигаются в промышленных лазерных установках. Таким образом, условия облучения н.п.1 формулы изобретения могут быть реализованы.

При многократном повторении лазерных импульсов, что реализуется импульсно-периодическим режимом работы лазерного излучателя (п.2 формулы), эффекты эрозии в облучаемой зоне суммируются, что упрощает требования к мощности лазерного излучения и позволяет также управлять параметрами рельефа на эрозионной поверхности. Например, при увеличении числа импульсов и уменьшении импульсной лазерной мощности высота рельефа может быть уменьшена, а число элементов рельефа на участке облучения может быть увеличено.

Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.

Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления эффективных светодиодов, возможно использование при создании оптических устройств с антибликовыми покрытиями.

Техническим результатом изобретения является способ повышения эффективности излучения светодиодов.

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике. Cпособ получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, при этом в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл, с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла. Изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности излучения светодиодов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, отличающийся тем, что эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерное облучение производят в импульсно-периодическом режиме.