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

Светодиодные структуры GaN на подложках из сапфира

В самом начале 90-х гг. ХХ в. японские исследователи создали первый светодиод на основе GaN-структур с р-n-переходом. Структура светодиода была выращена на сапфировой подложке. Данный светодиод излучал свет в ультрафиолетовом и синем диапазоне, его КПД составлял порядка 1%. Для того времени это была достаточно большая величина для GaN на сапфировой подложке, когда наблюдается сильное рассогласование параметров решетки.

Буквально через год сотрудники японской компании Nichia Chemical во главе с Шуджи Накамурой, разработав новую систему выращивания GaN методом металлоорганической газофазной эпитаксии и предложив более технологичный способ активации акцепторов магния путем высокотемпературного отжига, получили первые светодиоды голубого и зеленого цвета свечения.

Светодиоды эти были изготовлены на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов InGaN и AlGaN голубого и зеленого цвета свечения, КПД этих светодиодов достигал 10%. Еще через некоторое время ими были разработаны сначала первые импульсные лазеры, а затем и первые лазеры непрерывного излучения на основе GaN и его твердых растворов, работающие при комнатной температуре.

Исследователи фирмы Nichia показали также, что кристаллы на основе GaN и его твердых растворов подходят для получения светодиодов белого свечения. Был предложен метод использования люминофоров, преобразующих длину волны синего свечения кристалла в желто-зеленое свечение. Как результат сложения сигналов в указанных диапазонах получается белый цвет свечения.

Успехи технологии создания светодиодных структур на основе GaN, произошедшие в середине 90-х гг. XX в., дали определенный импульс развитию исследований данного материала во всем мире. Первые светодиодные структуры на основе GaN исследовались разными группами ученых в различных институтах, университетах и исследовательских центрах США, в странах Азии и Европы, в том числе и в России.

Были организованы специальные секции по GaN и сопутствующим материалам на различных конференциях по полупроводниковым соединениям, физике полупроводников (например, сессии на ежегодном Симпозиуме Материаловедческого Общества (MRS) в Бостоне), а также специальные семинары и конференции по GaN во всем мире (например, Европейский семинар по GaN (EGW) или Международная конференция по полупроводниковым материалам на основе нитридов (ICNS)). Начиная с 1997 г. в России усилием исследовательских групп физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова и ФТИ им. А. Ф. Иоффе стали проводиться рабочие совещания по GaN и приборам на его основе («Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы»), в которых принимали участие представители ведущих исследовательских групп России и стран СНГ, а также зарубежные исследователи.

Начиная с 2001 г. данное совещание получило статус Всероссийской конференции, которая проводится раз в полтора года поочередно в Москве на физическом факультете МГУ и в Санкт-Петербурге в ФТИ.

Первые структуры, несмотря на указанный достаточно высокий квантовый выход, содержали большое количество примесей и дефектов, что снижало их эффективность. В спектрах синих светодиодов при низких значениях прямого тока наблюдалась туннельная полоса под действием сильных электрических полей в активной области, обусловленных флуктуацией потенциала и кулоновскими полями примесей. Аналогичные туннельные составляющие обнаруживались и на вольт-амперных характеристиках.

При обратном напряжении, равном примерно 3Eg, в структурах синих светодиодов наблюдался ионизационный пробой и ударная ионизация, при которых также фиксировалось свечение. В спектрах наблюдалась широкая полоса в диапазоне энергии квантов 2,2-2,3 эВ, что соответствовало «желтой полосе» дефектов в GaN, связанной с донорно-акцепторными парами и/или двойными донорами.

Вслед за компанией Nichia, выращивающей кристаллы в основном небольших размеров (приблизительно 0,35x0,35 мм), технологию выращивания светодиодных кристаллов на подложках из сапфира (Al2O3) стали осваивать и другие компании.

Развитие шло довольно быстрыми темпами. Постепенно концентрации дефектов и дислокаций в структурах уменьшались, тем самым улучшалось их качество. На сегодня многие компании выпускают светодиодные кристаллы на основе гетероструктур GaN и его твердых растворов, выращенных на подложках Al2O3, синего цвета свечения с КПД порядка 40-45%. [5]

GaN-светодиоды на подложке из карбида кремния

Кроме технологии выращивания гетероструктур GaN и его твердых растворов на подложках Al2O3, существует альтернативная технология выращивания данных структур на основе карбида кремния (SiC). Компания Cree, основанная в 1987 г. как производитель полупроводниковых материалов на основе SiC, начала активные исследования по разработке светоизлучающих структур GaN и его твердых растворов на SiC-подложках в начале 90-х гг. прошлого века. С 2005 г. обе компании -- Nichia и Cree -- обеспечивают более 80% мирового производства кристаллов синего и зеленого излучений. При этом Cree традиционно использует технологию эпитаксиального выращивания GaN на SiC-подложках, а Nichia Corporation -- на подложках из Al2O3.

Технология выращивания GaN на SiC обладает рядом принципиальных преимуществ перед технологией GaN на сапфире.

Во-первых, SiC обладает на порядок большей теплопроводностью (3,8 Вт/см-К у SiC против 3 Вт/см-К у Al2O3). Это упрощает решение проблемы отвода тепла от активной области кристалла (р-n-перехода), являющейся ключевой для кристаллов с токами более 100 мА.

Во-вторых, кристаллическая решетка 6H-SiC обладает лучшим, по сравнению с сапфиром, сродством с GaN. Отношение постоянных решетки GaN и SiC равно 1:0,967, т. е. рассогласование составляет примерно 3,3%. Отношение постоянных решетки GaN и Al2O3 равно 1:1,148, т. е. рассогласование составляет примерно 14,8%. Схематично это представлено на рис. 1. Меньшее рассогласование постоянной решетки базовой структуры и подложки принципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуре GaN и повышает квантовый выход кристаллов.

В-третьих, SiC, являясь полупроводником, позволяет разрабатывать на своей основе кристаллы с вертикальным механизмом протекания тока, что приводит уменьшению сопротивления структур и снижению величины рабочего напряжения и, как следствие, снижению потребляемой мощности.

Но карбид кремния имеет и свои недостатки.

Во первых - это стоимость. Доступны только двух- и трех дюймовые подложки SiC, но и они слишком дороги. Второй недостаток подложек из карбида кремния - его очень трудно достать, так как его производством на мировом рынке занимается фактически одна компания «Cree ltd».

Поэтому, на данный момент, большинство светодиодов продолжает производиться на сапфировой подложке, несмотря на все её недостатки. [6]

Горизонтальная и вертикальная структуры светодиодов

Производство светодиода начинается с эпитаксиального роста GaN на сапфировой пластине. При условии горизонтальной конструкции светодиодов (рис. 3), сапфир остается частью GaN-светодиодов. Поскольку сапфир является идеальным изолятором, контакты, равно как основная структура светодиода, должны быть расположены на верхней стороне светодиодной матрицы.

В результате электроды перекрывают часть выходного излучения. Выполнив простое и быстрое вычисление поверхностных потерь для 4-дюймовой пластины светодиода, предполагая, что работаем с 300х300 мкм матрицей и 100х100 мкм проводными контактными площадками, мы видими, что каждый диодный контакт, занимает около 10 процентов поверхности пластины, что является весьма значительным показателем.

В вертикальной конструкции светодиода сапфир заменяется на токопроводящий материал. Поскольку один электрический контакт является непосредственно подложкой, в конструкции вертикальных светодиодов экономятся вышеупомянутые 10% поверхности. [7]

Рис. 3 Горизонтальная структура

Рис. 4 Вертикальная структура светодиода светодиода

Помимо экономии места и достоинств, опсаных выше, в кристалах на карбиде кремния, вертикальная конструкция имеет ещё одно важное приемущество - равномерное пространственное распределение тока внутри светодиода.

Рис. 5 Распределение тока в светодиодах с горизонтальной структурой

Так как GaN имеет достаточно большое сопротивление, ток внутри кристалла распределяется неравномерно (эффект «бутылочного горла»). На рис. 5 показано, как распределяется ток в светодиоде с горизонтальной конструкцией. Видно, что плотность тока возрастает с уменьшением расстояния между электродами.

Это приводит к тому, что некоторые части светодиода практически не излучают. Помимо этого происходит неравномерный нагрев диода, и ввиду неравномерного расширения могут образовываться новые дефекты, которые ещё снижают квантовый выход.

При замене сапфира на токопроводящую подложку можно получить равномерное распределение тока по кристаллу (рис.6). Во первых это позволит увеличить ток через диод, так как греться он будет равномерно. Увеличение тока приведёт к увеличению мощности, следовательно можно будет уменьшить количество элементов светодиодных матриц без уменьшения светового потока.

Рис.6 Протекание тока через светодиод с вертикальной структурой

Во вторых металлическая подложка будет обеспечивать лучший теплоотвод, что опять же позволит увеличить ток через светодиод, а следовательно и его мощность. [8]

Для создания светодиодов с вертикальной структурой необходимо удалить сапфировую подложку. Разделение GaN и сапфировой подложки при облучении мощным импульсом лазера с обратной стороны подложки называется «Laser lift-off process».