СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ДИОДА Российский патент 2021 года по МПК H01L33/22 H01L33/30 

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к способу изготовления светоизлучающих диодов, и может быть использовано в электронной промышленности для преобразования электрической энергии в световую.

При изготовлении светоизлучающих диодов для увеличения электролюминесценции используют технологию текстурирования фронтальной поверхности полупроводникового прибора, что может повысить эффективность электролюминесценции на 10-30%.

Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. патент RU 2504867, МПК H01L 33/40, опубл. 20.07.2013), включающий осаждение на световыводящей поверхности GaN n-типа проводимости или р-типа проводимости просветляющего оптического покрытия SiO₂ толщиной λ/4 (где λ - длина волны излучения светодиода на основе GaN - 500-570 нм), формирование в нем микрорельефа в виде наноострий с плотностью (10⁷-10⁸) шт/см² методом травления оптического покрытия SiO₂. Известный способ позволяет создавать текстурированную рассеивающую свет световыводящую поверхность как на GaN n-типа проводимости, так и на GaN р-типа проводимости без ухудшения параметров гетероструктуры, кроме того, способ предназначен для повышения внешней квантовой эффективности светодиодов на основе GaN.

Недостатком известного способа изготовления светоизлучающего диода является малая высота наноострий (менее 150 нм), что ведет к низкой степени увеличения электролюминесценции.

Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. патент US 7358537, МПК H01L 29/32, опубл. 15.04.2008), включающий формирование маски на поверхности AlGaInN с помощью фотолитографии, электронно-лучевой литографии или интерференционной литографии с использованием шаблона, содержащего отверстия в виде многоугольника, круга или эллипса меньше размера светоизлучающего диодного кристалла, например, расположенные с периодом от 1 нм до 500 мкм. Текстурирование поверхности выполняют путем травления или резки.

Недостатком известного способа изготовления светоизлучающего диода является необходимость использования фотолитографии, электронно-лучевой литографии или интерференционной литографии для создания отверстий микронного размера в маске для проведения текстурирования поверхности, что ведет к усложнению технологии изготовления светоизлучающего диода.

Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. патент US 6812161, МПК H01L 21/31, опубл. 02.11.2004), включающий формирование на поверхности А³В⁵ гетероструктуры маски, частично и неупорядоченно закрывающей по крайней мере одну сторону гетероструктуры, области, не закрытые маской, могут быть неупорядочены и иметь любую форму и конфигурацию, текстурирование поверхности через маску осуществляют травлением гетероструктуры.

Недостатком известного способа изготовления светоизлучающего диода является проведение дополнительной технологической операции по формированию сложной по структуре маски для травления и невозможность формирования шины фронтального омического контакта светоизлучающего диода с заданной топологией

Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. I. Schnitzer, Е. Yablonovitch, С. Caneau, Т.J. Gmitter, and A. Scherer «30% external quantum efficiency from surface textured, thin-film light-emitting diodes», Appl. Phys. Lett. 63, c. 2174-2176, doi.org/10.1063/1.110575, опубл. 09.08.1993), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает создание гетероструктуры AlGaAs/GaAs на подложке GaAs n-типа проводимости, формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs гетероструктуры и текстурирование по маске фронтального омического контакта световыводящей поверхности светоизлучающего диода. Маску формируют из слоя сфер полистирола диаметром 0,2 мкм в виде неупорядоченного плотноупакованного массива, полученного методом погружения или центрифугирования из водного раствора. Текстурирование световыводящей поверхности проводят через маску ионно-лучевым травлением.

Недостатками известного способа-прототипа является низкая плотность текстур, обусловленная размерами сфер полистирола, снижающая интенсивность электролюминесценции, а также высокая стоимость и длительность процесса текстурирования с использованием ионно-лучевого травления.

Задачей настоящего технического решения является увеличение интенсивности электролюминесценции при высокой технологичности процесса текстурирования и сниженной его стоимости.

Поставленная задача достигается тем, что способ изготовления светоизлучающего диода включает создание гетероструктуры AlGaAs/GaAs на подложке GaAs n-типа проводимости, формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs гетероструктуры и текстурирование по маске фронтального омического контакта световыводящей поверхности светоизлучающего диода. Новым в способе является то, что текстурирование выполняют жидкостным химическим селективным стравливанием контактного слоя GaAs гетероструктуры в травителе, содержащем гидроксид аммония (NH₄OH), перекись водорода (H₂O₂) и деионизованную воду, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 2-3 H₂O₂ 6-7 вода остальное

и последующим травлением слоя AlGaAs гетероструктуры на глубину (0,8-1,1) мкм в травителе, содержащем фторид аммония (NH₄F), фтороводород (HF), перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄F 42-44 HF 6-8 H₂O₂ 8-10 вода остальное

Текстурирование фронтальной световыводящей поверхности по маске фронтального омического контакта уменьшает число необходимых технологических операций, что ведет к увеличению технологичности процесса изготовления светоизлучающего диода.

Текстурирование поверхности с использованием жидкостного химического травления позволяет снизить стоимость процесса.

Использование сильно разбавленного травителя на основе гидроксида аммония и перекиси водорода позволяет проводить стравливание контактного слоя GaAs гетероструктуры с низкой скоростью травления (280-320 нм/мин), что увеличивает надежность и воспроизводимость процесса и обеспечивает подготовку поверхности AlGaAs для текстурирования.

Содержание в травителе NaH₄OH менее 2 мас.ч. и H₂O₂ менее 6 мас.ч. приводит к значительному снижению скорости травления контактного слоя GaAs гетероструктуры, что технологически нецелесообразно. Увеличение концентрации NaH₄OH более 3 мас.ч. и H₂O₂ более 7 мас.ч. приводит к снижению точности стравливания слоя GaAs.

Использование травителя на основе фторида аммония, фтороводорода и перекиси водорода обеспечивает высокую плотность и равномерность образования пирамид текстурирования. Низкая скорость травления таким травителем, составляющая (500-600) нм/мин, обеспечивает высокую степень контроля процесса, что увеличивает надежность и воспроизводимость текстурирования.

Содержание NH₄F менее 42 мас.ч., HF менее 6 мас.ч. и H₂O₂ менее 8 мас.ч. приводит к нежелательному снижению скорости травления и к ухудшению качества текстурирования слоя AlGaAs.

Увеличение концентрации NH₄F более 44 мас.ч., HF более 8 мас.ч. и H₂O₂ более 10 мас.ч. приводит к нежелательному увеличению скорости травления слоя AlGaAs, приводящему к снижению точности топологии текстурированной поверхности.

Текстурирование на глубину (0,8-1,1) мкм обеспечивает максимальное увеличение интенсивности электролюминесценции при работе светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, преобразующего излучение длиной волны (840-860) нм.

Настоящее техническое решение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 показано формирование фронтального омического контакта светоизлучающего диода;

на фиг. 2 показано текстурирование фронтальной поверхности светоизлучающего диода;

на фиг. 3 приведен график зависимости электролюминесценции от тока светоизлучающего диода (кривая 6 - интенсивность люминесценции без текстурированой поверхности, кривая 7 - интенсивность люминесценции с текстурированной поверхностью).

Настоящий способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры 1 AlGaAs/GaAs, выращенной на подложке 3 GaAs n-типа проводимости, выполняют следующим способом. Формируют фронтальный омический контакт 4 на поверхности контактного слоя 2 GaAs р-типа проводимости напылением слоев фронтальной металлизации (см. фиг. 1). Далее проводят текстурирование световыводящей поверхности 5 светоизлучающего диода по маске фронтального омического контакта 4 в два этапа. На первом этапе выполняют жидкостное химическое селективное стравливание контактного слоя 2 GaAs гетероструктуры 1 в травителе, содержащем гидроксид аммония (NH₄OH), перекись водорода (H₂O₂) и деионизованную воду, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 2-3 H₂O₂ 6-7 вода остальное

На втором этапе проводят травление слоя AlGaAs гетероструктуры 1 на глубину (0,8-1,1) мкм в травителе, содержащем фторид аммония (NH₄F), фтороводород (HF), перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄F 42-44 HF 6-8 H₂O₂ 8-10 вода остальное

Настоящий способ позволил увеличить интенсивность электролюминесценции светоизлучающего диода более чем на 20% после текстурирования световыводящей поверхности 5 (см. фиг. 3).

Пример 1. Был изготовлен светоизлучающий диод на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, включающей контактный слой p-GaAs, выращенной на подложке GaAs n-типа проводимости. Фронтальный омический контакт на поверхности контактного слоя GaAs был изготовлен напылением слоев Ag(Mn)/Ni/Au толщиной 0,2 мкм, который затем был отожжен при температуре 360°С в течение 60 секунд. Далее было проведено травление световыводящей поверхности AlGaAs/GaAs по маске фронтального омического контакта Ag(Mn)/Ni/Au методом жидкостного химического травления в два этапа. Вначале провели селективное травление GaAs в травителе, содержащем гидроксид аммония, перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 2 H₂O₂ 6 вода остальное

Затем слой AlGaAs гетероструктуры протравили на глубину 0,8 мкм в травителе, содержащем фторид аммония, фтороводород, перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄F 42 HF 6 H₂O₂ 8 вода остальное

Пример 2. Был изготовлен светоизлучающий диод на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, включающей контактный слой p-GaAs, выращенной на подложке GaAs n-типа проводимости способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs проводили напылением слоев Cr/Au толщиной 0,2 мкм, а вжигание контакта осуществляли при температуре 370°С в течение 30 секунд. Селективное травление GaAs проводили в травителе, содержащем гидроксид аммония, перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 3 H₂O₂ 7 вода остальное

Травление слоя AlGaAs гетероструктуры проводили на глубину 1,1 мкм в травителе, содержащем фторид аммония, фтороводород, перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄F 44 HF 8 H₂O₂ 10 вода остальное

Пример 3. Был изготовлен светоизлучающий диод на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, включающей контактный слой p-GaAs, выращенной на подложке GaAs n-типа проводимости способом, описанном в примере 1, со следующими отличиями. Формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs проводили напылением слоев Ag(Mn)/Ni/Au толщиной 0,3 мкм. Вжигание фронтального омического контакта проводили при температуре 370°С в течение 40 секунд. Селективное травление GaAs проводили в травителе, содержащем гидроксид аммония, перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 3 H₂O₂ 6 вода остальное

Травление слоя AlGaAs гетероструктуры проводили на глубину 1,0 мкм в травителе, содержащем фторид аммония, фтороводород, перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄F 42 HF 7 H₂O₂ 9 вода остальное

Изготовленные светоизлучающие диоды на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs имели интенсивность электролюминесценции, которая была на 20% больше, чем у светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, но без текстурированной световыводящей поверхности.

Способ изготовления светоизлучающего диода на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs включает формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs, травление световыводящей поверхности AlGaAs/GaAs по маске фронтального омического контакта и текстурирование по маске фронтального омического контакта световыводящей поверхности светоизлучающего диода жидкостным химическим селективным стравливанием контактного слоя GaAs гетероструктуры в травителе, содержащем гидроксид аммония (NH₄OH), перекись водорода (H₂O₂) и деионизованную воду, и последующим травлением слоя AlGaAs гетероструктуры на глубину (0,8-1,1) мкм в травителе, содержащем фторид аммония (NH₄F), фтороводород (HF), перекись водорода и деионизованную воду. Изобретение позволяет увеличить интенсивность электролюминесценции изготовленного по нему светоизлучающего диода, имеет высокую технологичность процесса текстурирования и сниженную стоимость. 3 ил., 3 пр.

Способ изготовления светоизлучающего диода, включающий создание гетероструктуры AlGaAs/GaAs на подложке GaAs n-типа проводимости, формирование фронтального омического контакта на поверхности контактного слоя GaAs гетероструктуры и текстурирование по маске фронтального омического контакта световыводящей поверхности светоизлучающего диода, отличающийся тем, что текстурирование выполняют жидкостным химическим селективным стравливанием контактного слоя GaAs гетероструктуры в травителе, содержащем гидроксид аммония (NH₄OH), перекись водорода (H₂O₂) и деионизованную воду, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄OH 2-3 H₂O₂ 6-7 вода остальное

и последующим травлением слоя AlGaAs гетероструктуры на глубину (0,8-1,1) мкм в травителе, содержащем фторид аммония (NH₄F), фтороводород (HF), перекись водорода и деионизованную воду при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

NH₄F 42-44 HF 6-8 H₂O₂ 8-10 вода остальное