Материал: Процесс Lift-off в светодиодах на основе нитрида галлия

Влияние ориентации подложки существенно лишь в случае роста, лимитируемого поверхностными кинетическими явлениями.

Рост многослойных структур в методе MOCVD осуществляется путем изменения газовой атмосферы в реакторе. Скорость, с которой осуществляется такое изменение, зависит от величины потока и геометрии реактора. Метод MOCVD позволяет при больших потоках производить замену газа достаточно быстро и получать при этом резкие гетеропереходы. Так как время, необходимое для замены, определяется величиной потока, то резкость границ оказывается связанной со скоростью роста и зависит от концентрации реагентов в газовом потоке через реактор. Для получения минимальной толщины переходных слоев в эпитаксиальных структурах при MOCVD состав газовой фазы вблизи подложки должен меняться максимально быстро. Однако даже идеально резкое изменение газового состава перед реакционной камерой не позволяет получить резкого скачка состава вблизи подложки из-за размытия состава газовой смеси в процессе подхода к поверхности подложки. Это ведет к плавному изменению состава слоистой эпитаксиальной структуры. Для преодоления этой проблемы была создана наиболее оптимальная конструкция реактора (рис.2) и предпринят ряд технологических мер, позволяющих свести к минимуму влияние факторов, размывающих скачок концентрации.

Конденсация из паровой фазы

Выше нами были рассмотрены некоторые методы газовой эпитаксии, использующие обратимые химические реакции. Следующая группа методов эпитаксии основана на кристаллизации пленок из паровой фазы.

Выращивание пленок из паровой фазы, образованной из атомов и молекул выращиваемого материала, производится преимущественно в откачанных вакуумных камерах (рис. 3).

Процесс сводится к созданию потока паров, испускаемых источником, нагретым до выбранной температуры возгонки или испарения. Пары, пройдя некоторый путь, конденсируются на подложке. Давление насыщенного пара элементарного вещества, образующего одноатомные молекулы, как функция температуры описывается уравнением Клаузиуса-Клапейрона.

Однако поскольку процесс проводится в динамическом режиме, реальное давление паров над поверхностью источника несколько ниже и описывается выражением

P = a0Ps, (1)

где Ps -- давление насыщенных паров при температуре источника Тист, ао -- коэффициент обратной аккомодации, равный отношению числа атомов, которые реконденсировали с поверхности источника, к числу атомов, столкнувшихся с поверхностью источника.

В случае двухкомпонентного пара (А и В) его давление Р0бщ. над источником, содержащим оба компонента, (в соответствии с законом Рауля, который выполняется для идеальных газов) равно

Р = Р(А) + Р(В) = а0(А) Ps(A)N(A) + а0(В) Ps(B)N(B)9 (2)

где Р(А) и Р(В) -- давления паров компонентов А и В; ао(А) и ао(Б) -- коэффициенты обратной аккомодации компонентов А и В, Ps(A) и Ps(B) -- давление насыщенных паров компонентов А и В при Тист, а N(A) и N(B) -- мольные доли компонентов А и В (N(A) + N(B) = 1). Приведенные формулы могут быть обобщены и на случай многокомпонентного пара.

В процессе кристаллизации из двух- или многокомпонентного пара принимаются специальные меры к сохранению его постоянного состава. Следует отметить, что создание многокомпонентной паровой фазы заданного состава сопряжено со значительными трудностями. Чем больше различие в давлении насыщенных паров компонентов соединения, тем труднее оказывается управлять составом паровой фазы и возникает необходимость использовать раздельное испарение компонентов кристаллизуемого вещества. При этом давление паров компонентов регулируется температурами источников.

Другой, не менее трудной, задачей при конденсации из паровой фазы является управление составом пленки, которая образуется при конденсации паров нескольких элементов. Коэффициент конденсации зависит от природы конденсирующихся атомов, материала и состояния подложки, а значит и состав образующейся пленки может быть не идентичен составу паровой фазы.

При проведении процессов роста эпитаксиальных пленок в вакууме, а особенно в непрерывно откачиваемых вакуумных системах, наименее контролируемым и наименее изученным является влияние присутствующих в рабочей камере остаточных газов и паров. При давлении остаточных газов 106-10~4 мм рт. ст. поток газовых молекул, бомбардирующих поверхность роста, часто сравним с потоком атомов конденсируемого пара (1014-1015 атомов/см2*c).

Остаточные газы, способные вступать в химические реакции с веществом подложки и входить в решетку кристалла, оказывают, как правило, вредное влияние на скорость роста, структуру и электрофизические параметры пленок. Влияние же инертных газов, по-видимому, незначительно, а иногда даже может способствовать улучшению характеристик эпитаксиальной пленки.

Поэтому выращивание эпитаксиальных пленок из паровой фазы проводится в тщательно дегазированных герметичных системах с остаточным давлением химически активных газов (кислород, углеводороды и др.) не более 108-10~10 мм рт. ст.; остаточное давление инертных газов может быть порядка 10~6 мм рт. ст.

Если эпитаксиальные пленки выращиваются в вакууме в режиме молекулярных (атомных) пучков, то вакуум в камере, где происходит конденсация, поддерживается таким, чтобы длина свободного пробега молекул (атомов) превышала расстояние от источника до подложки. Пересыщение над подложкой определяется потоком пара кристаллизуемого компонента и температурой подложки. Регулируя температуру источника и подложки, можно управлять давлением паров над источником, пересыщением, а следовательно, и скоростью роста пленки. [2]

История развития GaN-светодиодов

Максимумы спектров первых светодиодов на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов InGaN и AlGaN лежали в интервале энергии = 2,55-2,75 эВ в синей, hн = 2,38-2,45 эВ в зеленой и hн= 2,48-2,60 эВ в сине-зеленой областях. Полученные результаты открыли для полупроводниковых светодиодов дорогу в коротковолновую часть видимого спектра -- в диапазон длин волн 400-550 нм. Это позволило светодиодам перекрыть полностью весь видимый диапазон и сделало возможным применение их в полноцветных устройствах: индикаторах, экранах и т.д.

Транзисторы на основе GaN-гетероструктур перспективны для применения в передающих СВЧ-устройствах. Обусловлено это рядом преимуществ широкозонных структур на основе GaN перед структурами на основе узкозонных полупроводниковых материалов. Основное преимущество транзисторов на основе GaN -- высокая удельная мощность, что позволяет существенно упростить топологию интегральных схем усилителя мощности, повысить эффективность, уменьшить массу и улучшить габаритные параметры. Развитие данной технологии на основе GaN в последние несколько лет привело к существенным практическим результатам и освоению мощных СВЧ-транзисторов и монолитных интегральных схем в промышленном производстве.

Новыми перспективными оптоэлектронными материалами с широким спектром практических применений в качестве активных сред в лазерных диодах и светодиодах в области коротких длин волн являются структуры на основе полупроводниковых нитридов (GaN, AlN и некоторые соединения типа AlGaN и InGaN). Одним из направлений является создание ярких источников света в коротковолновой (сине-зеленой) области видимого спектра и ближней ультрафиолетовой области спектра, а также создание источников белого цвета на основе системы кристалл-люминофор: полупроводниковый кристалл, покрытый люминофором.

Первые работы по исследованию GaN проводились в Принстонском университете США в 30-40-х гг. ХХ в. Когда GaN стал рассматриваться как самый перспективный материал для создания полупроводниковых светодиодов в коротковолновой области спектра, исследования были продолжены в лаборатории компании Radio Corporation of America (RCA). Для получения данного материала использовали реакцию аммиака с жидким галлием, протекающую при повышенной температуре. В качестве подложки для выращивания структур GaN выбрали сапфир. Исследование выращенных пленок показало, что без легирования они обладают проводимостью n-типа, а для получения р-п-перехода требовалось подобрать соответствующую примесь, позволяющую получить материал р-типа. В качестве такой примеси использовали цинк, но технологическая сложность состояла в том, что при высоких концентрациях цинка пленки GaN становились диэлектриками.

В начале семидесятых годов в лаборатории RCA были получены структуры металл- диэлектрик-полупроводник (МДП), в которых наблюдалась электролюминесценция голубого (с длиной волны 475 нм) и зеленого цвета свечения. Эти МДП-структуры стали первыми светодиодами на основе GaN.

В дальнейшем технологи заменили цинк магнием. В результате удалось получить структуру, излучающую свет в голубом и фиолетовом (с длиной волны 430 нм) диапазонах. Следует, правда, отметить, что полученные исследователями в 70-х годах пленки GaN, легированные магнием, не обладали проводимостью р-типа, а также являлись диэлектриками, поэтому люминесценция в них протекала либо за счет инжекции неосновных носителей, либо за счет ударной ионизации диэлектрических слоев структуры в сильном электрическом поле. Исследователями группы Жака Панкова даже была предложена модель, описывающая принцип действия такого МДП-светодиода, которая основана на ударной ионизации и туннельном эффекте Фаулера-Нордхейма и параметры которой практически не зависят от температуры. К сожалению, такие светодиоды обладали очень низким квантовым выходом и эффективностью, поэтому работы по GaN были приостановлены почти на десять лет. [3]

В 80-х годах XX в. работ по GaN в Европе и США практически не было. Но их продолжали вести исследователи в Советском Союзе и Японии. В начале 80-х приоритетными были работы исследователей МГУ им. М. В. Ломоносова Г. В. Сапарина и М. В. Чукичева по активации люминесценции в GaN, проводившиеся на физическом факультете, и работы исследовательской группы В. Г. Сидорова в Ленинградском политехническом институте (ныне Санкт-Петербургский технический университет).

Японским исследователям из университета Нагойи под руководством профессора Исаму Акасаки в конце 80-х гг. удалось получить светодиод на основе GaN со слоем p-типа. Стойкие акцепторы магния активировались при облучении структур GaN электронным пучком; возможность этого в GaN-структурах с акцепторами цинка показали в своих работах исследователи из МГУ в начале десятилетия. Дополнительное легирование p-слоя GaN позволяет улучшать эффективность активации глубоких акцепторов. Этот прорыв открыл дорогу к использованию GaN- структур с р-n-переходом в оптоэлектронике, да и в электронике в целом. В настоящее время на основе GaN-структур, легированных магнием, изготавливают полупроводниковые светодиоды и лазерные диоды, излучающие сигнал в коротковолновой области видимого спектра. [4]