Неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения на подложке из lao и способ ее получения - RU2643176C1

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится к светодиодной эпитаксиальной пластине и способу ее получения и, в частности, оно относится к неполярной светодиодной эпитаксиальной пластине синего свечения на подложке из LAO и способу ее получения.

Уровень техники

В настоящее время для светодиодных эпитаксиальных пластин синего свечения в основном используются сапфиры. У технологий производства светодиодов на сапфировой подложке существует два серьезных недостатка. Во-первых, коэффициент рассогласования параметров кристаллических решеток у сапфира и GaN достигает 17%, при этом столь высокое рассогласование параметров решеток приводит к очень высокой плотности дефектов у светодиодных эпитаксиальных пластин на основе сапфира, что значительно влияет на световую эффективность светодиодных микросхем. Во-вторых, стоимость сапфировой подложки очень высокая и соответственно стоимость производства нитридных светодиодов также очень высокая.

Еще одна важная причина недостаточно высокой световой эффективности светодиодных микросхем заключается в том, что широко применяемые сегодня светодиоды на основе GaN имеют полярность. В настоящее время самый идеальный материал для изготовления высокоэффективного светодиодного устройства представляет собой GaN. GaN имеет плотно упакованную шестигранную кристаллическую структуру, кристаллические грани которой разделены на полярную грань, то есть грань с [грань (0001)], и неполярные грани, которые включают грани а [грань (11-20)] и грани m [грань (1-100)]. В настоящее время большинство светодиодов на основе GaN изготавливают на основе полярной грани GaN. На полярной грани GaN центр масс совокупности атомов Ga не совпадает с центром масс совокупности атомов N, формируя тем самым электрический диполь, а также генерируя спонтанное поляризационное поле и пьезоэлектрическое поляризационное поле, приводя в дальнейшем к квантово-размерному эффекту Штарка (Quantum-confined Starker Effect, QCSE), что приводит к отделению электронов от отверстий, а также снижает эффективность излучательной рекомбинации носителей заряда, и, наконец, влияет на световую эффективность светодиодов и приводит к нестабильной длине волны излучения светодиода.

Сущность изобретения

Техническая проблема решается с помощью настоящего изобретения, в котором предлагаются неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения на подложке из алюмината лантана (LAO) и способ ее получения, преимущества которых заключаются в низкой плотности дефектов, высоком качестве кристаллов и хороших оптических характеристиках, а также в низкой стоимости получения.

Согласно изобретению техническое решение, применяемое для решения технической проблемы, представляет собой неполярную светодиодную эпитаксиальную пластину синего свечения на подложке из LAO, содержащую подложку, при этом указанная подложка представляет собой подложку из LAO и на указанной подложке из LAO последовательно расположены буферный слой, первый нелегированный слой, первый легированный слой, слой квантовой ямы, электронный инверсионный слой и второй легированный слой.

Кроме того, в указанной выше неполярной светодиодной эпитаксиальной пластине синего свечения на подложке из LAO указанный буферный слой представляет собой буферный слой из GaN с неполярной гранью m; указанный первый нелегированный слой представляет собой неполярный нелегированный слой из u-GaN; указанный первый легированный слой представляет собой неполярную легированную пленку из GaN типа n; указанный слой квантовой ямы представляет собой неполярный слой квантовой ямы из InGaN/GaN; указанный электронный инверсионный слой представляет собой электронный инверсионный слой из AlGaN с неполярной гранью m; и указанный второй легированный слой представляет собой неполярную легированную пленку из GaN типа p.

Согласно изобретению техническое решение, применяемое для решения технической проблемы, представляет собой способ получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO, включающий следующие этапы: a) выбор ориентации кристаллов с применением подложки из LAO и очистку поверхности подложки из LAO; b) отжиг подложки из LAO и формирование на поверхности подложки из LAO слоя затравочных кристаллов из AlN; и c) последовательное формирование буферного слоя из GaN с неполярной гранью m, неполярного нелегированного слоя из u-GaN, неполярной легированной пленки из GaN типа n, неполярного слоя квантовой ямы из InGaN/GaN, электронного инверсионного слоя из AlGaN с неполярной гранью m и неполярной легированной пленки из GaN типа p на подложке из LAO химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO указанный этап b) включает следующие процессы: воздействие на подложку из LAO высокой температурой 900—1200ºС в течение 1—4 ч с последующим охлаждением воздухом до комнатной температуры; подачу ионизованного газа N₂ для сохранения тепла в течение 30—80 мин; формирование на поверхности подложки из LAO слоя затравочных кристаллов из AlN химическим осаждением металлоорганических соединений с применением ионизованного газа, полученного посредством тока высокой частоты; при этом расход ионизованного газа N составляет 40—90 см³/мин, а высокочастотная мощность для получения ионизованного газа в виде азота составляет 200—500 Вт.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO на указанном этапе c) процесс формирования буферного слоя из GaN с неполярной гранью m следующий: температуру подложки из LAO снижают до 400—800ºС; подают TMGa и ионизованный газ N; регулируют давление в реакционной камере до 400—700 Торр; при этом расход ионизованного газа N составляет 40—90 см³/мин, высокочастотная мощность для получения ионизованного газа в виде азота составляет 200—700 Вт, а отношение V/III составляет 800—1200.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO на указанном этапе c) процесс формирования неполярного нелегированного слоя из u-GaN следующий: регулируют температуру подложки из LAO до 1000—1500ºС; подают TMGa; регулируют давление в реакционной камере до 400 Торр; при этом отношение V/III составляет 180.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO на указанном этапе c) процесс формирования неполярной легированной пленки из GaN типа n следующий: регулируют температуру подложки из LAO до 1000—1300ºС; подают TMGa и SiH₄; поддерживают расход SiH₄ в диапазоне 60—100 см³/мин; регулируют давление в реакционной камере до 240 Торр; при этом отношение V/III составляет 160, а концентрация электронов при легировании составляет от 1,0×10¹⁷ до 5,3×10¹⁹см^-3.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO на указанном этапе c) процесс формирования неполярного слоя квантовой ямы из InGaN/GaN следующий:

формирование основного слоя, при этом регулируют температуру подложки из LAO до 750—950ºС; перекрывают Н₂; подают TEGa и аммиак; регулируют давление в реакционной камере до 200 Торр; при этом отношение V/III составляет 986, а толщина составляет 10—15 нм; и

формирование слоя ямы, при этом регулируют температуру подложки из LAO до 750—950ºС; перекрывают Н₂; подают TEGa, TMIn и аммиак; регулируют давление в реакционной камере до 200 Торр; при этом отношение V/III составляет 1439, а толщина составляет 2—4 нм.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO на указанном этапе c) процесс формирования электронного инверсионного слоя из AlGaN с неполярной гранью m следующий: температуру подложки из LAO повышают до 900—1050ºС; подают TMGa и аммиак; регулируют давление в реакционной камере до 200 Торр; при этом отношение V/III составляет 986.

Кроме того, в указанном выше способе получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO на указанном этапе c) процесс формирования неполярной легированной пленки из GaN типа p следующий: регулируют температуру подложки из LAO до 900—1100ºС; подают TMGa, CP2Mg и аммиак; поддерживают расход CP2Mg в диапазоне 250—450 см³/мин; регулируют давление в реакционной камере до 200 Торр; при этом отношение V/III составляет 1000—1250, а концентрация дырок при легировании составляет от 1,0×10¹⁶ до 2,2×10¹⁸см^-3.

По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение имеет следующие преимущества: в неполярной светодиодной эпитаксиальной пластине синего свечения на основе подложки из LAO и способе ее получения применяют подложку из LAO, и на подложке из LAO последовательно располагают буферный слой, первый нелегированный слой, первый легированный слой, слой квантовой ямы, электронный инверсионный слой и второй легированный слой, и они обладают преимуществами, заключающимися в низкой плотности дефектов, высоком качестве кристаллов и хороших оптических характеристиках, а также в низкой стоимости получения.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 показано схематическое изображение структуры неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 показано схематическое конструкции устройства для получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3 показана блок-схема процесса получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO согласно настоящему изобретению.

На фиг. 4 показана диаграмма рентгеновской дифракции неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения, полученной на грани (001) подложки из LAO, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 5 показана диаграмма испытания при комнатной температуре спектра фотолюминесценции светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения с неполярной гранью m, полученной на подложке из LAO, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 6 показана диаграмма испытания при комнатной температуре спектра электролюминесценции светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения с неполярной гранью m, полученной на подложке из LAO, согласно настоящему изобретению.

Конкретный способ осуществления

Ниже на основании графических материалов и вариантов осуществления представлено подробное описание изобретения.

На фиг. 1 представлено схематическое изображение структуры неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO согласно настоящему изобретению.

Как видно на фиг. 1, неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения на подложке из LAO, представленная в настоящем изобретении, содержит подложку, при этом указанная подложка представляет собой подложку из LAO; на указанной подложке из LAO последовательно расположены буферный слой, первый нелегированный слой, первый легированный слой, слой квантовой ямы, электронный инверсионный слой и второй легированный слой. В случае неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения, образованной на подложке из LAO, согласно настоящему изобретению указанная подложка из LAO также называется подложкой из продукта реакции в виде оксида лантана и алюминия, который состоит из элементов La, Al и O и имеет молекулярную формулу LaAlxOy. Как показано на фиг. 1, неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения, представленная в настоящем изобретении, содержит подложку 10 из LAO, буферный слой 11 из GaN с неполярной гранью m, неполярный нелегированный слой 12 из u-GaN, неполярную легированную пленку 13 из GaN типа n, неполярный слой 14 квантовой ямы из InGaN/GaN, электронный инверсионный слой 15 из AlGaN с неполярной гранью m и неполярную легированную пленку 16 из GaN типа p, последовательно расположенные снизу вверх.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение конструкции устройства для получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO согласно настоящему изобретению.

Со ссылкой на фиг. 2, 20 и 21 представляют собой соответственно NH₃ и SiH₄, которые используются для обеспечения N и Si; 22 представляет собой Н₂, который используют в качестве газа-носителя для транспортировки CP2Mg, TMGa и TMIn; 23, 24 и 25 представляют собой соответственно CP2Mg, то TMGa и TMIn, которые используются для обеспечения Mg, Ga и In, необходимых для получения светодиодов; 26 представляет собой манипулятор, который используется для транспортировки подложки и образца; 27 представляет собой устройство для высокочастотного нагрева, который используется для нагрева и регулирования температуры подложки; 28 представляет собой графитовую пластину, которая используется для обеспечения опоры подложке из LAO; 29 представляет собой реакционную камеру, то есть камеру, в которой разные газы-реагенты вступают в химические реакции для получения светодиодов; 30 представляет собой форсунку, которая представляет собой устройство, используемое для равномерного разбрызгивания тщательно смешанных газов-реагентов на поверхность подложки; 31 представляет собой устройство с высокочастотным источником ионизованного газа, который используется для обеспечения активного N; и 32—40 представляют собой клапаны, которые используются для управления состоянием подачи газа по разным трубопроводам. Регулятор массового расхода (MFC) представляет собой регулятор расхода, который используется для управления расходом газа для выполнения требований к выращиванию.

На фиг. 3 представлена блок-схема процесса получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO согласно настоящему изобретению.

На фиг. 3 показан способ получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины, выращиваемой синего свечения на подложке из LAO, согласно настоящему изобретению, который, в частности, включает следующие этапы:

этап S1: выбор ориентации кристаллов с применением подложки из LAO и очистка поверхности подложки из LAO;

этап S2: отжиг подложки из LAO и формирование на поверхности подложки из LAO слоя затравочных кристаллов из AlN; и

этап S3: последовательное формирование буферного слоя из GaN с неполярной гранью m, неполярного нелегированного слоя из u-GaN, неполярной легированной пленки из GaN типа n, неполярного слоя квантовой ямы из InGaN/GaN, электронного инверсионного слоя из AlGaN с неполярной гранью m и неполярной легированной пленки из GaN типа p на подложке из LAO химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы.

Ниже приводится конкретный вариант осуществления со следующими этапами подготовки и технологическими условиями:

(1) выбор ориентации кристаллов с применением подложки из LAO;

(2) очистка поверхности подложки;

(3) отжиг подложки: подложку подвергают воздействию высокой температуры 900—1200ºС в течение 1—4 ч с последующим охлаждением воздухом до комнатной температуры; затем подают ионизованный газ N₂ для сохранения тепла в течение 30—80 мин, формируют на поверхности подложки слой затравочных кристаллов из AlN, чтобы обеспечить образец роста пленки из GaN, при этом расход ионизованного газа N составляет 40—90 см³/мин, а высокочастотная мощность для получения ионизованного газа в виде азота составляет 200—500 Вт;

(4) получение буферного слоя из GaN с неполярной гранью m химическим осаждением металлоорганических соединений из паровой фазы (MOCVD) с применением ионизованного газа, полученного посредством тока высокой частоты (ВЧ), при этом технологические условия следующие: температуру подложки снижают до 400—800ºС; подают TMGa и ионизованный газ N, при этом давление в реакционной камере составляет 400—700 Торр, расход ионизованного газа N составляет 40—90 см³/мин, высокочастотная мощность для получения ионизованного газа в виде азота составляет 200—700 Вт, а отношение V/III составляет 800—1200;

(5) получение неполярного нелегированного слоя из u-GaN с применением процесса MOCVD, при этом технологические условия следующие: температура подложки составляет 1000—1500ºС, подают TMGa, при этом давление в реакционной камере составляет 400 Торр, а отношение V/III составляет 180;

(6) получение неполярной легированной пленки из GaN типа n с применением процесса MOCVD, при этом технологические условия следующие: температура подложки составляет 1000—1300 ºС, подают TMGa и SiH₄, при этом расход SiH₄ поддерживают в диапазоне 60—100 см³/мин, давление в реакционной камере составляет 200 Торр, отношение V/III составляет 160, а концентрация электронов при легировании составляет от 1,0×10¹⁷ до 5,3×10¹⁹см^-3;

(7) получение неполярного слоя квантовой ямы из InGaN/GaN с применением процесса MOCVD, при этом технологические условия следующие: формируют основной слой, при этом температура подложки составляет 750—950 ºС, перекрывают Н₂, подают TEGa и аммиак, давление в реакционной камере составляет 200 Торр, отношение V/III составляет 986, а толщина составляет 10—15 нм; формируют слой ямы, при этом температура подложки составляет 750—950ºС, перекрывают Н₂, подают TEGa, TMIn и аммиак, давление в реакционной камере составляет 200 Торр, отношение V/III составляет 1439, а толщина составляет 2—4 нм;

(8) получение электронного инверсионного слоя из AlGaN с неполярной гранью m с применением процесса MOCVD, при этом технологические условия следующие: температуру подложки повышают до 900—1050ºС, подают TMGa и аммиак, давление в реакционной камере составляет 200 Торр, а отношение V/III составляет 986; и

(9) получение неполярной легированной пленки из GaN типа p с применением процесса MOCVD, при этом технологические условия следующие: температура подложки составляет 900—1100ºС, подают TMGa, CP2Mg и аммиак, расход CP2Mg поддерживают в диапазоне 250—450 см³/мин, давление в реакционной камере составляет 200 Торр, отношение V/III составляет 1000—1250, а концентрация дырок при легировании составляет от 1,0×10¹⁶ до 2,2×10¹⁸см^-3.

На фиг. 4 представлена диаграмма рентгеновской дифракции неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения, полученной на грани (001) подложки из LAO, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 4 представлена величина полной ширины на половине максимума (FWHM) кривой обратного хода рентгеновского луча в полученной светодиодной эпитаксиальной пластине, которая проходила испытания согласно настоящему изобретению. Величина полной ширины на половине максимума (FWHM) составляет менее 0,1º, что указывает на то, что неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения, полученная согласно настоящему изобретению, обладает очень хорошими характеристиками независимо от плотности дефектов или качества кристаллов.

На фиг. 5 представлена диаграмма испытания при комнатной температуре спектра фотолюминесценции светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения с неполярной гранью m, полученной на подложке из LAO, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 5 видно, что в испытании спектра фотолюминесценции при температуре 293 K согласно настоящему изобретению получили длину волны пика излучения 460 нм и полную ширину на половине максимума 23 нм. Это указывает на то, что неполярная пленка из GaN, полученная согласно настоящему изобретению, обладает очень хорошими характеристиками.

На фиг. 6 представлена диаграмма испытания при комнатной температуре спектра электролюминесценции светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения с неполярной гранью m, полученной на подложке из LAO, согласно настоящему изобретению.

На фиг. 6 видно, что в испытании спектра электролюминесценции при температуре 293 K согласно настоящему изобретению получили длину волны пика излучения 461 нм, полную ширину на половине максимума 22 нм и выходную мощность 7,8 мВт при 20 мА. Это указывает на то, что неполярная пленка из GaN, полученная согласно настоящему изобретению, в отношении электрических свойств обладает очень хорошими характеристиками.

Таким образом, настоящее изобретение раскрывает неполярную светодиодную эпитаксиальную пластину синего свечения на основе подложки из LAO и способ ее получения, в котором применяют подложку из LAO и на подложке из LAO последовательно располагают буферный слой из GaN с неполярной гранью m, неполярный нелегированный слой из u-GaN, неполярную легированная пленку из GaN типа n, неполярный слой квантовой ямы из InGaN/GaN, электронный инверсионный слой из AlGaN с неполярной гранью m и неполярную легированную пленку из GaN типа p. По сравнению с предшествующим уровнем техники настоящее изобретение имеет преимущества, заключающиеся в простоте процесса получения и низкой стоимости изготовления, а также в том, что полученная неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения характеризуется низкой плотностью дефектов и высоким качеством кристаллов, а также обладает хорошими электрическими и оптическими характеристиками.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано выше с помощью предпочтительных вариантов осуществления изобретения, настоящее изобретение ими вовсе не ограничивается, и любой специалист в данной области техники может предложить определенные изменения и усовершенствования, которые не выходят за пределы сущности и объема настоящего изобретения, поэтому объем защиты настоящего изобретения определяется формулой изобретения.

Реферат

Изобретение относится к светодиодной эпитаксиальной пластине и способу ее получения. Предложена неполярная светодиодная эпитаксиальная пластина синего свечения на подложке из алюмината лантана (LAO), содержащая последовательно нанесенные на подложку из LAO слои: буферный слой, выполненный из GaN с неполярной гранью m; первый нелегированный слой, представляющий собой неполярный нелегированный слой из u-GaN; первый легированный слой, представляющий собой неполярную легированную пленку из GaN типа n; слой квантовой ямы, представляющий собой неполярный слой квантовой ямы из InGaN/GaN; электронный инверсионный слой, представляющий собой электронный инверсионный слой из AlGaN с неполярной гранью m; и второй легированный слой, представляющий собой неполярную легированную пленку из GaN p типа. Также предложен способ получения неполярной светодиодной эпитаксиальной пластины синего свечения на подложке из LAO. Изобретения обеспечивают низкую плотность дефектов, высокое качество и хорошие оптические характеристики при низкой стоимости получения. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула