способ изготовления нитридного светоизлучающего диода

Формула изобретения

Способ изготовления нитридного светоизлучающего диода, включающий последовательное формирование на диэлектрической подложке слоя нитридного полупроводника n-типа проводимости, активного слоя нитридного полупроводника, слоя нитридного полупроводника р-типа проводимости, первого прозрачного электропроводящего слоя оксида индия олова (ITO) толщиной 5-15 нм электронно-лучевым напылением с промежуточным отжигом в атмосфере газа при давлении, близком к атмосферному, второго прозрачного электропроводящего слоя ITO существенно большей толщины, с последующим отжигом полученной структуры при давлении газа, близком к атмосферному, и нанесение металлических контактов соответственно на второй прозрачный электропроводящий слой ITO и на слой нитридного полупроводника n-типа проводимости, при этом второй прозрачный электропроводящий слой оксидов металлов наносят магнетронным распылением мишени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронике, а более конкретно к способам изготовления светоизлучающих диодов синего и ближнего ультрафиолетового диапазонов.

В последнее время при производстве светодиодов на основе AIGalnN в качестве прозрачного контактного материала все шире применяют слои оксида индия олова (ГГО). Высокое значение работы выхода материала ГТО (~4,6 эВ) и, как следствие, приемлемые значения контактного сопротивления к слоям p-GaN, в сочетании с хорошей электропроводностью и высокой прозрачностью в синей области спектра, существенно увеличивают внешний квантовый выход светодиодов с контактами на основе пленок ITO.

Известен способ изготовления светоизлучающего диода (см. заявка EP 1489196, МПК C23C 14/08; C23C 14/34; H01B 13/00, опубликована 22.12.2004), включающий нанесение магнетронным распылением на стеклянную подложку первого слоя оксида индия олова толщиной менее 70 нм при температуре ниже 150°C, нагрев стеклянной подложки с нанесенным первым слоем до температуры выше температуры 150°C, нанесение магнетронным распылением второго слоя оксида индия олова и последующее формирование органической светоизлучающей структуры.

Известный способ позволяет получить гладкую поверхность прозрачного контактного слоя оксида индия олова, что необходимо для дальнейшего формирования очень тонких слоев (порядка 10 нм) органической светоизлучающей структуры. Однако используемое в известном способе магнетронное напыление первого слоя оксида индия олова не может быть применено при нанесении прозрачного контактного слоя оксида индия олова на светоизлучающую структуру на основе нитрида галлия, так как при магнетронном распылении происходит разрушение р-типа проводимости, что обусловлено возникновением дефектов, а также вакансий азота, которые являются донорами в GaN.

Известен способ изготовления светоизлучающего диода на основе полупроводника A³B⁵ (см. заявка US 20130075779, МПК H01L 33/00, H01L 33/42, опубликована 28.03.2013), включающий последовательное формирование на диэлектрической подложке слоя n-типа проводимости полупроводника A³ B⁵, активного слоя, слоя р-типа проводимости, первого прозрачного электропроводящего слоя оксида индия олова толщиной менее 500 Å с напуском кислорода массовым потоком менее 7 см³/мин и второго прозрачного электропроводящего слоя оксида индия олова толщиной 1000-5000 Å с напуском кислорода массовым потоком более 7 см³/мин.

Недостатками известного способа является то, что в нем предлагается наносить пленки ГТО методом газофазной эпитаксии из паров металлорганических соединений (MOCVD), что является необоснованно дорогостоящим методом по сравнению с обычно используемыми для нанесения таких пленок методами электронно-лучевого испарения и магнетронного напыления.

Известен способ изготовления нитридного светоизлучающего диода (см. заявка US 2009315065, МПК H01L 33/00, опубликована 24.12.2009), совпадающий с настоящим изобретением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Способ-прототип включает последовательное формирование на диэлектрической подложке слоя нитридного полупроводника n-типа проводимости, активного слоя нитридного полупроводника, слоя нитридного полупроводника р-типа проводимости, первого прозрачного электропроводящего слоя ITO толщиной не более 40 нм, получаемого электронно-лучевым испарением и нагреванием первого прозрачного электропроводящего слоя ITO в атмосфере газа при температуре по меньшей мере 200°C, и второго прозрачного электропроводящего слоя оксида олова, получаемого электронно-лучевым испарением при температуре по меньшей мере 300°C толщиной, большей толщины первого прозрачного электропроводящего слоя ITO.

Недостатками известного способа является использование электронно-лучевого испарения для нанесения второго слоя контакта, поскольку пленки, получаемые данным методом, имеют меньший показатель преломления, более низкую подвижность носителей заряда и обладают худшей электропроводностью.

Задачей, которую решает настоящее техническое решение, является разработка такого способа изготовления нитридного светоизлучающего диода, который бы позволил получать нитридный светоизлучающий диод с контактными слоями, имеющими максимальную прозрачность, более высокий коэффициент преломления, большую подвижность носителей заряда и лучшую электрическую проводимость.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления нитридного светоизлучающего диода включает последовательное формирование на диэлектрической подложке слоя нитридного полупроводника n-типа проводимости, активного слоя нитридного полупроводника, слоя нитридного полупроводника р-типа проводимости, первого прозрачного электропроводящего слоя ITO толщиной 5-15 нм электронно-лучевым испарением, промежуточный отжиг в атмосфере газа при давлении, близком к атмосферному, второго прозрачного электропроводящего слоя ITO магнетронным напылением, последующий отжиг полученной структуры в атмосфере газа при давлении, близком к атмосферному, и нанесение металлических контактов соответственно на второй прозрачный электропроводящий слой ITO и на слой нитридного полупроводника n-типа проводимости. Новым в настоящем способе является нанесение второго прозрачного электропроводящего слоя ITO магнетронным распылением мишени ITO на предварительно нанесенный электронно-лучевым испарением первый электропроводящий слой ITO толщиной 5-15 нм, который обеспечивает защиту поверхности p-GaN от негативного влияния плазмы разряда магнетрона в процессе напыления второго прозрачного проводящего слоя оксидов металлов.

При нанесении первого прозрачного электропроводящего слоя ITO его толщина должна быть минимальной, но позволяющей обеспечивать надежную защиту p-GaN поверхности от негативного воздействия плазмы. При толщине первого электропроводящего слоя ITO меньшей 5 нм происходит разрушение р-типа проводимости нижележащего слоя нитридного полупроводника, обусловленное возникновением дефектов, а также вакансий азота, которые являются донорами в GaN. При толщине первого электропроводящего слоя ITO большей 15 нм снижаются прозрачность контакта, коэффициент преломления, уменьшается подвижность носителей заряда и ухудшается электрическая проводимость прозрачного проводящего контакта.

Настоящий способ позволяет получать контактные слои к р-поверхности GaN светодиодов синего и ближнего ультрафиолетового диапазонов более высокого качества, характерного для магнетронного распыления, без опасности деградации светодиодной структуры. Преимущество пленок оксидов металлов, полученных методом магнетронного напыления, заключается в более высоком коэффициенте преломления и большей подвижности носителей заряда и лучшей электрической проводимости по сравнению с пленками, полученными электронно-лучевым испарением.

Температура отжига структуры при формировании первого и второго прозрачных электропроводящих слоев должна превышать температуру кристаллизации оксидов металлов, используемых для их создания (как правило, не менее 300°C). В качестве газов, в которых осуществляется отжиг, могут выступать, например, азот, аргон, их смеси с кислородом и др.

При нанесении второго прозрачного электропроводящего слоя ITO толщина слоя выбирается, исходя из требования обеспечения эффективного растекания тока в активной области светоизлучающего кристалла и получения прозрачного проводящего контакта с более высоким коэффициентом преломления, большей подвижностью носителей заряда и лучшей электрической проводимости. Как правило, толщина второго прозрачного электропроводящего слоя ITO должна составлять не менее 150 нм. При выборе толщины второго прозрачного электропроводящего слоя также следует учитывать интерференционные эффекты, определяющие положение максимума пропускания контакта в зависимости от длины волны излучения светодиода.

Настоящий способ изготовления нитридного светоизлучающего диода поясняется чертежом, на котором схематически изображен в поперечном разрезе нитридный светоизлучающий диод, содержащий диэлектрическую подложку 1, например, из сапфира, слой 2 нитридного полупроводника n-типа проводимости, активный слой 3 нитридного полупроводника, например, содержащий пять квантовых ям In _i-xGa_xN, разделенных барьерами GaN, слой 4 нитридного полупроводника р-типа проводимости, первый прозрачный электропроводящий слой 5 ITO, второй прозрачный электропроводящий слой 6 ITO и металлические контакты 7.

Способ изготовления нитридного светоизлучающего диода осуществляют следующим образом. На диэлектрической подложке 1, например сапфировой (Al₂ O₃), последовательно выращивают, например методом газофазной эпитаксии из паров металлорганических соединений, слой 2 нитридного полупроводника n-типа проводимости, например, GaN:Si толщиной 3500-6000 нм, активный слой 3 нитридного полупроводника, например, толщиной 5-50 нм с одной или несколькими ямами In _xGa_1-xN, разделенных барьерами GaN, и слой 4 нитридного полупроводника р-типа проводимости, например, GaN:Mg толщиной 100-200 нм. Методом реактивного ионного травления (RIE) или травлением в индуктивно-связанной плазме (ICP) вытравливают участки активного слоя 3 и слоя 4 для получения доступа к слою 2 нитридного полупроводника n-типа проводимости. Электронно-лучевым испарением на нагретую, например, до 500°C подложку 1 наносят первый прозрачный электропроводящий слой 5 ITO (In₂ O₃ 90 мас.% +SnO₂ 10 мас.%) толщиной 5-15 нм. Затем в вакуумную камеру напускают азот без выключения нагрева до давления, близкого к атмосферному, и подготовленную структуру выдерживают в атмосфере газа для получения максимальной прозрачности слоя. После охлаждения структуры до комнатной температуры в вакууме, без вскрытия рабочей камеры, наносят методом магнетронного распыления на первый прозрачный электропроводящий слой 5 ITO второй прозрачный электропроводящий слой 6 ITO, заметно превышающий по толщине первый прозрачный проводящий слой 5. Как правило, толщина второго прозрачного проводящего слоя 6 составляет не менее 150 нм. Последующий отжиг производят без вскрытия вакуумной камеры в атмосфере газа при температуре, например, 500°C для получения максимальной прозрачности контакта. Затем наносят металлические контакты 7 (например, Ti/Au или Ti/Ag, или Ti/Al минимальной площади для улучшения растекания тока и присоединения токовых электродов) в виде контактных площадок толщиной 1500-3000 нм соответственно на второй прозрачный электропроводящий слой 6 и на слой 2 нитридного полупроводника n-типа проводимости.

Пример 1. На сапфировой (Al₂O₃) подложке последовательно методом MOCVD были выращены слой нитридного полупроводника n-типа проводимости GaN:Si толщиной 5000 нм, активный слой нитридного полупроводника толщиной 20 нм с пятью ямами In_xGa _1-xN, разделенных барьерами GaN, и слой нитридного полупроводника р-типа проводимости GaN:Mg толщиной 100 нм. Методом реактивного ионного травления были вытравлены участки активного слоя и слоя нитридного полупроводника р-типа проводимости для получения доступа к слою нитридного полупроводника n-типа проводимости. Электронно-лучевым испарением на полученную структуру, нагретую до 500°C, был нанесен первый прозрачный электропроводящий слой ITO (In ₂O₃ 90 мас.% +SnO₂ 10 мас.%) толщиной 5 нм. Затем в вакуумную камеру был напущен азот без выключения нагрева до давления, близкого к атмосферному, и структура выдерживалась в атмосфере азота 10 минут. После охлаждения структуры до комнатной температуры в вакууме, без вскрытия рабочей камеры, был нанесен на первый прозрачный электропроводящий слой ITO второй прозрачный электропроводящий слой ITO толщиной 190 нм методом магнетронного распыления мишени ITO при постоянном токе в атмосфере аргона. Последующий отжиг производился без вскрытия вакуумной камеры в атмосфере азота при температуре 500°C в течение 10 минут. Полученные двухслойные прозрачные электропроводящие контакты имели прозрачность в синей области спектра 95,5%, коэффициент преломления - 2,05 на длине волны 450 нм, удельное сопротивление - 6,9^·10^-4 Ом*см, подвижность носителей заряда -27,4 см²/(В^·с). Затем были нанесены металлические контакты Ti/Au для улучшения растекания тока и присоединения токовых электродов в виде контактных площадок толщиной 3000 нм соответственно на второй прозрачный электропроводящий слой ITO и на слой нитридного полупроводника n-типа проводимости.

Пример 2. На сапфировой (Al₂O₃ ) подложке последовательно методом MOCVD были выращены слой нитридного полупроводника n-типа проводимости GaN:Si толщиной 3500 нм, активный слой нитридного полупроводника, например, толщиной 20 нм с пятью ямами In_xGa_1-xN, разделенных барьерами GaN, и слой нитридного полупроводника р-типа проводимости GaN:Mg толщиной 200 нм. Методом реактивного ионного травления были вытравлены участки активного слоя и слоя нитридного полупроводника р-типа проводимости для получения доступа к слою нитридного полупроводника n-типа проводимости. Электронно-лучевым испарением на полученную структуру, нагретую до 500°C, был нанесен первый прозрачный электропроводящий слой ITO (In₂O₃ 90 мас.% +SnO₂ 10 мас.%) толщиной 15 нм. Затем в вакуумную камеру был напущен азот без выключения нагрева до давления, близкого к атмосферному, и структура выдерживалась в атмосфере азота 10 минут. После охлаждения структуры до комнатной температуры в вакууме, без вскрытия рабочей камеры, был нанесен на первый прозрачный электропроводящий слой ITO второй прозрачный электропроводящий слой ITO толщиной 200 нм методом магнетронного распыления мишени ITO при постоянном токе в атмосфере аргона. Последующий отжиг производился без вскрытия вакуумной камеры в атмосфере азота при температуре 500°C в течение 10 минут. Полученные двухслойные прозрачные электропроводящие контакты имели прозрачность в синей области спектра 95,1%, коэффициент преломления - 2,01 на длине волны 450 нм, удельное сопротивление - 7,5^·10 ^-4 Ом^·см, подвижность носителей заряда - 29,5 см²/(В·с). Затем были нанесены металлические контакты Ti/Au для улучшения растекания тока и присоединения токовых электродов в виде контактных площадок толщиной 2500 нм соответственно на второй прозрачный электропроводящий слой ITO и на слой нитридного полупроводника n-типа проводимости.