RU135186U1 - SEMICONDUCTOR LIGHT-RADIATING DEVICE - Google Patents

Abstract

1. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, характеризующееся тем, что имеет в своем составе электроды и темплейт со сформированными на нем активными слоями, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитрида алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.2. Полупроводниковое светоизлучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия, слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой, сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированный на активном слое, и электроды.1. A semiconductor light-emitting device, characterized in that it includes electrodes and a template with active layers formed on it, while the template is based on a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation, formed on a buffer layer of aluminum nitride deposited onto the folded surface of a silicon carbide layer. 2. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, characterized in that it includes layers of silicon carbide, aluminum nitride, a layer of single-crystal semi-polar nitride of the first conductivity type having a surface in crystallographic orientation (20-23), an active layer formed on a nitride semiconductor layer of the first conductivity type and a nitride semiconductor layer of the second conductivity type formed on the active layer, and electrodes.

Description

Полезная модель относится к полупроводниковой технике на основе нитридов. В контексте данной заявке термин темплейт (template - с анг. шаблон) использован в значении - основа (квазиподложка) для формирования активных слоев полупроводниковых приборов.The utility model relates to a nitride-based semiconductor technique. In the context of this application, the term template (template - from the English template) is used in the meaning - base (quasi-substrate) for the formation of active layers of semiconductor devices.

Преимущественно монокристаллы нитрида галлия выращивают на подложке другого, по сравнению с нитридом галлия материала, т.е. при синтезе монокристаллов нитрида галлия используют методы гетероэпитаксии. Подложками, на которых выращивают монокристаллы нитрида галлия, например, являются подложки сапфира (Al₂O₃) или подложки карбида кремния (SiC). На поверхности, этих подложек осуществляют рост монокристалла нитрида галлия методом гидридной парофазной эпитаксии (HVPE), химического осаждения из паровой фазы (MOCVD) или молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE).Mostly gallium nitride single crystals are grown on a substrate of a material other than gallium nitride, i.e. In the synthesis of gallium nitride single crystals, heteroepitaxy methods are used. The substrates on which gallium nitride single crystals are grown, for example, are sapphire (Al ₂ O ₃ ) substrates or silicon carbide (SiC) substrates. On the surface of these substrates, a gallium nitride single crystal is grown by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), chemical vapor deposition (MOCVD), or molecular beam epitaxy (MBE).

Однако монокристаллические подложки, изготовленные из сапфира, не применяются для производства светоизлучающих устройств с высокой интенсивностью излучения (мощных светодиодов) из-за низкой теплопроводности. С другой стороны, подложка SiC, которая имеет высокую теплопроводность, и потому пригодна для производства мощных светодиодов, является весьма дорогой для массового применения в производстве.However, single-crystal substrates made of sapphire are not used for the production of light-emitting devices with high radiation intensity (high-power LEDs) due to low thermal conductivity. On the other hand, the SiC substrate, which has high thermal conductivity and is therefore suitable for the production of high-power LEDs, is very expensive for mass application in production.

Наиболее приемлемой для производства светоизлучающих устройств на основе нитрид-галлиевых эпитаксиальных слоев является кремниевая подложка. Она имеет размеры до 12 дюймов и невысокую по сравнению с карбид-кремниевыми и сапфировыми подложками стоимость и достаточно высокую теплопроводность. Для специалистов известно, что создание приборных структур широкозонных полупроводников, к которым относится и нитрид галлия, на кремниевой подложке позволяет интегрировать данные структуры с хорошо развитой кремниевой оптоэлектроникой. Однако, постоянные кристаллической решетки и коэффициенты теплового расширения кремниевой подложки и монокристаллов GaN сильно отличаются друг от друга. Прямое осаждение слоя GaN на кремниевую подложку приводит к образованию многочисленных дефектов, дислокаций и трещин.The most suitable for the production of light-emitting devices based on gallium nitride-epitaxial layers is a silicon substrate. It has dimensions up to 12 inches and a low cost in comparison with silicon carbide and sapphire substrates and a fairly high thermal conductivity. It is known for specialists that the creation of instrument structures of wide-gap semiconductors, which include gallium nitride, on a silicon substrate, allows these structures to be integrated with well-developed silicon optoelectronics. However, the lattice constants and thermal expansion coefficients of the silicon substrate and GaN single crystals are very different from each other. Direct deposition of a GaN layer on a silicon substrate leads to the formation of numerous defects, dislocations, and cracks.

Известны устройства с эпитаксиальными слоями GaN на кремниевой подложке Si(111). Так в заявке на патент US 20080315255 [Sheng Teng Hsu, Tingkai Li, Jer-shen Maa, Gregory M. Stecker, Douglas J. Tweet Thermal Expansion Transition Buffer Layer for Gallium Nitride on Silicon заявка на патент US 20080315255], формируют темплайт, например, с буферным слоем Si_1-xGe_x методом ионной бомбардировки атомами германия кремниевой подложки. В Патент RU 2326993 монокристалла нитрида на кремниевой пластине выращен методом HVPE, а в качестве буферного слоя использован нитрид алюминия. В обоих описанных выше устройствах на буферных слоях выращен слой нитрида галлия в направлении C-оси кристалла.Known devices with GaN epitaxial layers on a silicon substrate Si (111). So in the patent application US 20080315255 [Sheng Teng Hsu, Tingkai Li, Jer-shen Maa, Gregory M. Stecker, Douglas J. Tweet Thermal Expansion Transition Buffer Layer for Gallium Nitride on Silicon patent application US 20080315255], form a template, for example , with a buffer layer of Si _1-x Ge _x by the method of ion bombardment by germanium atoms of a silicon substrate. In Patent RU 2326993 a single crystal of nitride on a silicon wafer is grown by the HVPE method, and aluminum nitride is used as a buffer layer. In both devices described above, a layer of gallium nitride is grown on the buffer layers in the direction of the C axis of the crystal.

Такая гексагональная структура нитрида галлия в направлении C-оси, как правило, обладает значительным внутренним электрическим полем из-за пьезоэлектрической и спонтанной поляризации электронов, что приводит к снижению выхода света из кристалла, особенно в мощных светодиодах при большом уровне протекания тока через устройство.Such a hexagonal structure of gallium nitride in the direction of the C axis, as a rule, has a significant internal electric field due to the piezoelectric and spontaneous polarization of electrons, which leads to a decrease in the light output from the crystal, especially in high-power LEDs with a high level of current flow through the device.

В патенте 2326993 раскрыта светодиодная структура, темплейт которой сформирован на кремниевой подложке, имеющей поверхность в кристаллографической ориентации (111). На ней методом HVPE сформированы первый и второй нитридные буферные слои (AlN), между которыми имеется аморфная оксидная пленка алюминия.Patent 2326993 discloses an LED structure, a template of which is formed on a silicon substrate having a surface in the crystallographic orientation (111). On it, the first and second nitride buffer layers (AlN) are formed by the HVPE method, between which there is an amorphous oxide film of aluminum.

Для преодоления описанных выше недостатков, нитриды синтезируют либо в неполярных, либо в полуполярных направлениях. Так, в источнике, описывающем способ получения полуполярного нитрида галлия GaN(11-20) [T.J. Baker, B.A. Haskell, F. Wu, J.S. Speck, S. Nakamura. Characterization of Planar Semipolar Gallium Nitride Films on Sapphire Substrates," Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 45 (2006) L 154] используют сапфировую подложку ориентации m-Al₂O₃, а в способе [B.P. Wagner, Z.J. Reitmeier, J.S. Park, D. Bachelor, D.N. Zakharov, Z. Liliental-Weber, R.F. Davis, Growth and characterization of pendeo-epitaxial GaN(11-2) on 4H-SiC(11-2) substrates, Journal of Crystal Growth, 290 (2006) 504-512] методом MBE полуполярный нитрид галлия GaN(11-20) синтезируют на подложке 4H-SiC ориентации (11-20).To overcome the disadvantages described above, nitrides are synthesized in either non-polar or semi-polar directions. So, in the source describing the method of producing semi-polar gallium nitride GaN (11-20) [TJ Baker, BA Haskell, F. Wu, JS Speck, S. Nakamura. Characterization of Planar Semipolar Gallium Nitride Films on Sapphire Substrates, "Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 45 (2006) L 154] use an m-Al ₂ O ₃ orientation sapphire substrate, and in the method [BP Wagner, ZJ Reitmeier, JS Park, D. Bachelor, DN Zakharov, Z. Liliental-Weber, RF Davis, Growth and characterization of pendeo-epitaxial GaN (11-2) on 4H-SiC (11-2) substrates, Journal of Crystal Growth, 290 (2006 ) 504-512] by the MBE method, semipolar gallium nitride GaN (11-20) is synthesized on a 4H-SiC substrate of orientation (11-20).

Известны также полупроводниковые полуполярные (10-13) GaN темплейты, [Бессолов В.Н., Жиляев Ю.В., Коненкова Е.В., Полетаев Н.К., Шарофидинов Ш., Щеглов М.П. Эпитаксия нитрида галлия в полуполярном направлении на кремнии, Письма в ЖТФ, 38 (2012), 21-26], выращенные методом HVPE на подложке Si(001). Они были изготовлены с предварительным осаждением при сравнительно низкой температуре (до 900 град C) на подложку аморфного буферного слоя AlN, на котором при сравнительно высокой температуре (1050 град. C) синтезировали полуполярный GaN(10-13), который имел угол отклонения от оси "C" около 30 градусов.Semiconductor semiconductor (10-13) GaN templates are also known, [Bessolov VN, Zhilyaev Yu.V., Konenkova EV, Poletaev NK, Sharofidinov Sh., Shcheglov MP Epitaxy of gallium nitride in a semi-polar direction on silicon, Letters to ZhTF, 38 (2012), 21-26], grown by the HVPE method on a Si (001) substrate. They were made with preliminary deposition at a relatively low temperature (up to 900 degrees C) on a substrate of an amorphous AlN buffer layer, on which, at a relatively high temperature (1050 degrees C), semi-polar GaN (10–13) was synthesized, which had an angle of deviation from the axis "C" is about 30 degrees.

Известно устройство с полуполярным GaN на подложке Si(210). Для его получения на первом этапе методом твердофазной эпитаксии формируется тонкий слой 3C-SiC,а затем методом HVPE синтезируют слои нитридов алюминия и галлия [Бессолов В.Н., Коненкова Е.В., Кукушкин С.А., Николаев В.И., Осипов А.В., Шарофидинов Ш., Щеглов М.П., Эпитаксия GaN в полуполярном направлении на подложке Si(210), Письма в ЖТФ, 39 (2013), 1-8]. В этом способе анизотропия деформации гетероструктуры 3C-SiC/GaN используется для обеспечения синтеза в полуполярном направлении. Недостатком этого сособа из-за неравномерности деформации структуры является то, что синтез слоев происходит одновременно в нескольких полуполярных направлениях: GaN(10-14), GaN(10-13), GaN(10-12), что снижает качество получаемого слоя и невозможность использования в светоизлучающих устройствах.A device with a semi-polar GaN on a Si (210) substrate is known. To obtain it, at the first stage, a solid 3C-SiC layer is formed by solid-phase epitaxy, and then layers of aluminum and gallium nitrides are synthesized by the HVPE method [Bessolov VN, Konenkova EV, Kukushkin SA, Nikolaev VI , Osipov A.V., Sharofidinov Sh., Shcheglov MP, Epitaxy of GaN in the semi-polar direction on a Si (210) substrate, Letters in ZhTF, 39 (2013), 1-8]. In this method, the strain anisotropy of the 3C-SiC / GaN heterostructure is used to provide synthesis in the semi-polar direction. The disadvantage of this method due to the uneven structure deformation is that the synthesis of layers occurs simultaneously in several semi-polar directions: GaN (10-14), GaN (10-13), GaN (10-12), which reduces the quality of the resulting layer and the impossibility use in light emitting devices.

Известен темплейт полуполярного нитрида галлия для светоизлучающего устройства [H.-Y. Lin, H.-H. Liu, Ch.-Z. Liao, J.-I. Chyi, Growth of crack-free semi-polar (1-101) GaN on а 7° - off (001) Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition, Proc. Of SPIE "Gallium Nitride Materials and Devices VI v.7939, (2011), 79392 H-1]. Для формирования темплейта на кремниевой подложке, разоориентированной на 7 град в направлении <110> от плоскости (001), при помощи метода фотолитографии, проводят маскирование поверхности слоем SiO₂. Затем проводят травление в химическом растворе KOH на глубину порядка 1 мкм с образованием канавок с V-образной формой сечения на поверхности кремниевой подложки и селективно обнажают грани (111) кристалла Si. На этих гранях формируют методом MOCVD структуру, содержащую в своей основе тонкий (порядка 1 мкм) полуполярный (1-101) слой нитрида галлия. В указанной публикации описана конструкция самого темплейта.Known template of semipolar gallium nitride for a light-emitting device [H.-Y. Lin, H.-H. Liu, Ch.-Z. Liao, J.-I. Chyi, Growth of crack-free semi-polar (1-101) GaN on а 7 ° - off (001) Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition, Proc. Of SPIE "Gallium Nitride Materials and Devices VI v. 7939, (2011), 79392 H-1]. To form a template on a silicon substrate misaligned by 7 degrees in the direction <110> from the (001) plane, using the photolithography method, masking the surface with a layer of SiO _2. Then etching in a chemical solution of KOH to a depth of about 1 μm is carried out with the formation of grooves with a V-shaped cross-section on the surface of the silicon substrate and selectively expose the (111) faces of the Si crystal. containing basically a thin (of the order of 1 μm) semi The gallium nitride (1–101) layer is in. This publication describes the design of the template itself.

Недостатки этого устройства обусловлены ограничениями, накладываемыми применяемым методом фотолитографии для формирования наноструктур, а именно вынужденное глубокое травление "канавок" подложки кремния приводит к проявлению неоднородностей на поверхности светоизлучающего устройства. Это негативно сказывается на количестве годных устройств при серийном производстве. Кроме того, метод MOCVD не позволяет осуществить синтез толстого (20-200 мкм) полуполярного слоя, а, следовательно, не обеспечивает возможность создания светодиодного устройства без исходной подложки кремния. А, как отмечено выше, наличие кремниевой подложки приводит к поглощению в ней примерно половину излучения светодиода.The disadvantages of this device are due to the limitations imposed by the applied photolithography method for the formation of nanostructures, namely, the forced deep etching of the "grooves" of the silicon substrate leads to the manifestation of inhomogeneities on the surface of the light-emitting device. This negatively affects the number of suitable devices in mass production. In addition, the MOCVD method does not allow the synthesis of a thick (20-200 μm) semi-polar layer, and, therefore, does not provide the possibility of creating an LED device without an initial silicon substrate. And, as noted above, the presence of a silicon substrate leads to the absorption in it of about half the radiation of the LED.

В качестве прототипа заявляемого устройства выбрана светодиодная структура [Sawaki N. and Honda Y., Semi-polar GaN LEDs on Si substrate, Science China. Technological Sciences, 54 (2011) 38-41]. Светодиодные InGaN/GaN структуры получены методом MOCVD с использованием предварительно полученного полуполярного (1-101) GaN темплейта, выращенного на разориентированной подложке Si(001) с предварительным образованием канавок с V-образной формой сечения на поверхности кремниевой подложки, полученных методом фотолитографии и химического травления. Недостатки устройства обусловлены описанными выше недостатками технологии.As a prototype of the claimed device, the LED structure was selected [Sawaki N. and Honda Y., Semi-polar GaN LEDs on Si substrate, Science China. Technological Sciences, 54 (2011) 38-41]. LED InGaN / GaN structures were obtained by MOCVD using a pre-prepared semi-polar (1-101) GaN template grown on a misoriented Si (001) substrate with the preliminary formation of grooves with a V-shaped cross section on the surface of a silicon substrate obtained by photolithography and chemical etching . The disadvantages of the device are due to the above-described disadvantages of the technology.

В основу полезной модели поставлена задача создания и качественного темлейта на основе полуполярного нитрида галлия технологичного в изготовлении, а также создание на его базе светодиодного устройства.The utility model is based on the task of creating and high-quality temlate based on semi-polar gallium nitride technologically advanced in manufacturing, as well as creating an LED device based on it.

Достигаемый технический результат - обеспечение возможности формирования темплейта с толстым слоем нитрида галлии (20-200 и выше мкм) полуполярной ориентации на дешевой и доступной кремниевой подложке.Achievable technical result - providing the possibility of forming a template with a thick layer of gallium nitride (20-200 and higher microns) of a semi-polar orientation on a cheap and affordable silicon substrate.

Задача решается изменением конструкции, а именно структурой слоев полупроводникового устройстваThe problem is solved by changing the design, namely the structure of the layers of the semiconductor device

Полупроводниковое светоизлучающее устройство имеет в своем составе электроды и темплейт, на со сформированными на нем активными слоями, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитриды алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.The semiconductor light-emitting device includes electrodes and a template, with active layers formed on it, and the template is based on a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation, formed on a buffer layer of aluminum nitride deposited on the folded surface of the carbide layer silicon.

Наилучший результат достигается, когда устройство включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия, слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой, сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированном на активном слое и электроды.The best result is achieved when the device includes layers of silicon carbide, aluminum nitride, a layer of monocrystalline semi-polar nitride of the first conductivity type having a surface in crystallographic orientation (20-23), an active layer formed on a nitride semiconductor layer of the first conductivity type and a nitride semiconductor layer the second type of conductivity formed on the active layer and electrodes.

Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан вариант реализации применительно к темплейту нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированном на кремниевой подложке и полупроводниковому светоизлучающему устройству.In order to better demonstrate the distinctive features of the utility model, as an example, not having any restrictive character, an implementation option is described below for a gallium nitride template of a semicolar (20-23) orientation formed on a silicon substrate and a semiconductor light-emitting device.

Пример реализации иллюстрируется фигурами чертежей, на которых представлено:An example implementation is illustrated by the figures of the drawings, which show:

Фиг. 1 - схематичное изображение темплейта в процессе формирования складчатой поверхности карбида кремния.FIG. 1 is a schematic illustration of a template in the process of forming a folded surface of silicon carbide.

Фиг. 2 - полученное с помощью атомно-силовой микроскопии отображение откоса поверхности SiC/Si(100) с разориентацией 7 градFIG. 2 - image of the slope of the SiC / Si (100) surface obtained using atomic force microscopy with a disorientation of 7 degrees

Фиг. 3. изображение скола темплайта (a), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа и изображение поверхности темплейта, (b), полученное с помощью атомно-силового микроскопа.FIG. 3. image of a cleaved template (a) obtained using a scanning electron microscope and an image of the template surface, (b) obtained using an atomic force microscope.

Фиг. 4 - спектр фотолюминесценции полуполярного GaN при 77 K, выращенного на темплайтеFIG. 4 - photoluminescence spectrum of semi-polar GaN at 77 K grown on a template

Фиг. 5 - схематическое изображение нитридного светоизлучающего диодаFIG. 5 is a schematic illustration of a nitride light emitting diode

Формирование устройства осуществляют следующим образом. Вначале кремниевую пластинку n-типа проводимости, имеющую поверхность в кристаллографической ориентации (100) с разориентацией 7 град в направлении <011> вдоль поверхности подложки обрабатывают в химическом травителе для удаления естественного окисла. Затем формируют "сендвич" из полученной подложки и пластинки графита, при расстоянии между ними 5 мм, помещают в реактор и нагревают до температуры 1270-1290 град.C. Нагрев в этом диапазоне температур позволяет сформировать наноступени на поверхности кремния. Экспериментально установлено, что именно этот диапазон температур является оптимальным, обеспечивающим стабильное формирование последующих слоев высокого качества. В реактор подают газ CO для осуществления твердофазной эпитаксии в результате которой на каждой ступени вдоль ее ребра формируют продольный клинообразный выступ карбида кремния, имеющий вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющий наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. После формирования складчатой поверхности SiC на Si(100), структуру помещают в HVPE-реактор и подают газ AlCl₃ и NH₃ при температуре 1080°C для выращивания слоя AlN толщиной 200 нм. Далее при температуре 1050°C в реактор подают газ GaCl₃ и NH₃, и формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации толщиной 20-200 мкм., после чего удаляют подложку кремния методом химического травления.The formation of the device is as follows. Initially, an n-type silicon wafer having a surface in the crystallographic orientation (100) with a 7-degree misorientation in the direction <011> along the surface of the substrate is processed in a chemical etchant to remove natural oxide. Then, a “sandwich” is formed from the obtained substrate and graphite plate, with a distance between them of 5 mm, placed in a reactor and heated to a temperature of 1270-1290 degrees C. Heating in this temperature range allows the formation of nanostages on the surface of silicon. It was experimentally established that this particular temperature range is optimal, providing stable formation of subsequent high-quality layers. CO gas is supplied to the reactor for the implementation of solid-phase epitaxy, as a result of which a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed at each stage along its edge, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the lower stage platform with a slope angle of 30 40 deg. After the formation of the folded surface of SiC on Si (100), the structure is placed in an HVPE reactor and AlCl ₃ and NH ₃ gas are fed at a temperature of 1080 ° C to grow a 200 nm thick AlN layer. Then, at a temperature of 1050 ° C, GaCl ₃ and NH ₃ gas are supplied to the reactor, and a layer of gallium nitride of a semi-polar (20-23) orientation with a thickness of 20-200 μm is formed, after which the silicon substrate is removed by chemical etching.

Полученный темплейт GaN/AlN/SiC помещают в MOCVD-реактор, в него подают газ триметилгаллий и аммиак (NH₃) при температуре 1050°C для выращивания слоя GaN n-типа проводимости, затем триметилгаллий, триметилалюминий, триметилиндий и Mg при температуре 800°С для выращивания активной области из 5 пар слоев толщиной ~10 нм In_0.25 Ga_0.75N и In_0.1 Ga_0.9N и барьерного слоя p-Al_0.1Ga_0.9N, затем триметилгаллий и аммиак и Mg для выращивания слоя p-GaN толщиной 2 мкм, формируют электроды к p-GaN и темплейту (фиг. 5)The resulting GaN / AlN / SiC template is placed in a MOCVD reactor, trimethylgallium gas and ammonia (NH ₃ ) are fed into it at a temperature of 1050 ° C to grow an n-type GaN layer, then trimethylgallium, trimethylaluminium, trimethylindium, and Mg at 800 ° C for growing an active region of 5 pairs of layers ~ 10 nm thick In _0.25 Ga _0.75 N and In _0.1 Ga _0.9 N and a p-Al _0.1 Ga _0.9 N barrier layer, then trimethylgallium and ammonia and Mg to grow a p-GaN layer 2 μm thick form electrodes to p-GaN and template (Fig. 5)

Формирование продольного клинообразного выступа карбида кремния, имеющего вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющую наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град позволяет осуществить метод твердофазной эпитаксии. Этот метод базируется на предварительном внедрении в кристаллическую решетку матрицы кремния атомов углерода C из оксида углерода (CO). Атомы углерода на начальной стадии формирования располагаются в межузельных позициях кремниевой матрицы. При твердофазной эпитаксии активированный комплекс переходит в карбид кремния. Однако, если отклонить плоскость Si(100) на 1-10 град, от направления <100>, по направлению к <011>, а затем нагреть ее при температуре выше 600°C, то плоскость (100) кремния, согласно термодинамике, покроется ступенями. Верхнележащая и низлежащая плоскости будут являться плоскостями (100), а ступени будут ограничены плоскостями (011). Вдоль направлений <011> решетка кремния наиболее "рыхлая", что связано с особенностями кристаллографического строения решетки Si. Можно сказать, вдоль этого направления молекулы CO устремляются перпендикулярно ступеням вглубь Si. Поверхность Si насыщается CO и происходит реакция взаимодействия Si с CO с образованием диполей "кремниевая вакансия-атом углерода - матрица кремния". Поскольку притяжение между кремниевой вакансией и атомом углерода в матрице кремния максимально вдоль направления <011>, то часть ступени (011) Si и превращается в ступень (112) SiC. Как известно, угол между плоскостями (112) и (100) в кубическом кристалле с алмазной решеткой составляет ~35 град. В результате происходит формирование продольного клинообразного выступа карбида кремния, имеющего вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющего наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. На Фиг. 1 обозначено: 1 - клинообразный выступ, 2 - площадка верхней ступени, 3 - наклонная грань, 4 - площадка низлежащей ступени, 5 - кремниевая подложка, 6 - карбид-кремниевый нанослой, 30-40 град - угол откоса - внутренний угол между наклонной гранью выступа и площадкой низлежащей ступени.The formation of a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the platform of the lower stage, with an angle of slope of 30-40 degrees, allows the solid-phase epitaxy method to be implemented. This method is based on the preliminary introduction of carbon atoms C of carbon monoxide (CO) into the crystal lattice of a silicon matrix. Carbon atoms at the initial stage of formation are located in the interstitial positions of the silicon matrix. In solid-state epitaxy, the activated complex transforms into silicon carbide. However, if the Si (100) plane is deflected by 1-10 degrees, from the <100> direction, towards <011>, and then heated at a temperature above 600 ° C, then the silicon (100) plane, according to thermodynamics, will be covered steps. The upper and lower planes will be (100) planes, and the steps will be bounded by (011) planes. Along the <011> directions, the silicon lattice is the most "loose", which is associated with the specific features of the crystallographic structure of the Si lattice. It can be said that along this direction, CO molecules rush perpendicular to the steps deep into Si. The Si surface is saturated with CO and a reaction of interaction of Si with CO occurs with the formation of dipoles "silicon vacancy-carbon atom - silicon matrix". Since the attraction between the silicon vacancy and the carbon atom in the silicon matrix is maximum along the <011> direction, the part of the (011) Si step turns into the (112) SiC step. As is known, the angle between the (112) and (100) planes in a cubic crystal with a diamond lattice is ~ 35 deg. As a result, a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the platform of the lower stage, with an angle of slope of 30-40 degrees. In FIG. 1 is indicated: 1 - wedge-shaped protrusion, 2 - platform of the upper stage, 3 - inclined face, 4 - platform of the lower stage, 5 - silicon substrate, 6 - silicon carbide nanolayer, 30-40 degrees - slope angle - internal angle between the inclined face ledge and platform of the lower level.

Диапазон угла откоса 30-40 град обусловлен использованием кремниевой подложке с ориентацией (100) разориентированной на 1-10 град в направлении <011>. На сформированной складчатой поверхности SiC методом гидридной парофазной эпитаксии в атмосфере водорода при температурах эпитаксии слоев AlN и GaN - 1080 град.C и 1050 град.C, соответственно, синтезируют буферный слой нитрида алюминия, на котором этим же методом формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, после чего кремний удаляют методом травления.The slope angle range of 30–40 degrees is due to the use of a silicon substrate with a (100) orientation misoriented by 1–10 degrees in the <011> direction. On a formed fold surface of SiC by hydride vapor-phase epitaxy in a hydrogen atmosphere at an epitaxy temperature of AlN and GaN layers of 1080 degrees C and 1050 degrees C, respectively, a buffer layer of aluminum nitride is synthesized, on which the gallium nitride layer is formed using the same method (20 -23) orientation, after which silicon is removed by etching.

В отличие от описанного выше аналога, в котором формирование граней откоса происходит путем удаления части подложки методом селективного травления кремниевой подложки, в заявляемом устройстве формирование граней откоса происходит путем синтеза нанослоя карбида кремния в результате твердофазной реакции карбида кремния на наноразмерных ступенях разориентированной подложки и размеры граней откоса (~100 нм=~0.1 мкм) на порядок меньше, чем в аналоге. Использование карбида кремния для формирования граней откосов существенно улучшает качество полуполярного нитридного слоя при синтезе методом гидридной парофазной эпитаксией, поскольку различие между постоянными решеток нитрида галлия и кремния составляет 16%, а между нитридом галлия и карбидом кремния только 3%. В аналоге осуществляет синтез полуполярного (1-101) GaN, угол между (1-101) и (0001) равен 62 град, а в заявляемом случае полуполярного слоя GaN, ориентации - (20-21) отличается от прототипа, поскольку угол между (20-23) и (0001) равен 51.5 град. Отметим, что наиболее предпочтительными для изготовления мощных светодиодных устройств являются полуполярные кристаллы GaN у которых угол наклона между полуполярной плоскостью и (0001) равен 45 град. Примененный метод НУРЕ позволяет выращивать достаточно толстые слои GaN и затем удалить подложку Si методом травления.In contrast to the analogue described above, in which the slope faces are formed by removing part of the substrate by selective etching of the silicon substrate, in the inventive device, the slope faces are formed by synthesizing a silicon carbide nanolayer as a result of the solid-phase reaction of silicon carbide at nanoscale steps of a misoriented substrate and the dimensions of the slope faces (~ 100 nm = ~ 0.1 μm) is an order of magnitude smaller than in the analogue. The use of silicon carbide for the formation of slope faces significantly improves the quality of the semi-polar nitride layer during synthesis by hydride vapor-phase epitaxy, since the difference between the lattice constants of gallium nitride and silicon is 16%, and between gallium nitride and silicon carbide only 3%. In the analogue, it synthesizes a semi-polar (1-101) GaN, the angle between (1-101) and (0001) is 62 degrees, and in the present case, the semi-polar GaN layer, orientation (20-21) differs from the prototype, since the angle between ( 20-23) and (0001) is equal to 51.5 degrees. Note that the most preferred for the manufacture of high-power LED devices are semi-polar GaN crystals in which the angle of inclination between the half-polar plane and (0001) is 45 degrees. The applied NURE method allows one to grow sufficiently thick GaN layers and then remove the Si substrate by etching.

Атомно-силовая микроскопия поверхности нанослоя SiC на Si(100) показывает наличие откоса в направлении вдоль ступеней поверхности разориентированной подложки (Фиг. 2). Электронная микроскопия поверхности GaN (фиг. 3a) показала, что скол и поверхность имеют характерную структуру слоя, выросшего в полуполярном направлении. Атомно силовая микроскопия показала хорошую планарность полученного темплейта (Фиг. 3b). Рентгеновская дифрактометрия слоев GaN (Таблица) однозначно указывает на то, что слой имеет монокристаллическую структуру с ориентацией (20-23) с сохранением отклонения разориентации подложки, с минимальной величиной полуширины кривой качания рентгеновской дифракции ω_θ=24 arcmin (см. Таблицу)Atomic force microscopy of the surface of a SiC nanolayer on Si (100) shows a slope in the direction along the steps of the surface of the disoriented substrate (Fig. 2). Electron microscopy of the GaN surface (Fig. 3a) showed that the cleaved surface and the surface have the characteristic structure of a layer that grew in the semi-polar direction. Atomic force microscopy showed good planarity of the resulting template (Fig. 3b). X-ray diffractometry of GaN layers (Table) unambiguously indicates that the layer has a single-crystal structure with an orientation of (20-23) while maintaining the misorientation of the substrate, with a minimum half-width of the X-ray diffraction rocking curve ω _θ = 24 arcmin (see Table)

ТаблицаTable Значения параметров сое для различных плоскостей слоя GaNSoy parameter values for different planes of the GaN layer (hk*1)(hk * 1) 101210 1 2 112011 2 0 112411 2 4 20202020 00040004 ω_θ ω _θ 24'24 ' 24'24 ' 30'thirty' 27'-30'27'-30 ' 40'40 '

В спектрах фотолюминесценции при 77 K слоев GaN наблюдаются хорошо различимые полосы люминесценции с максимумами hν_max=3.46 эВ, 3.27 эВ, 3.19 эВ и 3.1 эВ (Фиг. 4), что говорит о хорошем качестве полученных слоев.In the photoluminescence spectra at 77 K of GaN layers, distinct luminescence bands with maxima hν _max = 3.46 eV, 3.27 eV, 3.19 eV and 3.1 eV are observed (Fig. 4), which indicates good quality of the obtained layers.

Обращаясь к Фиг. 5, нитридное полупроводниковое светоизлучающее устройство по полезной модели включает в себя темплайт полуполярного нитрида галлия, имеющего кристаллографическую ориентацию поверхности (20-23). Устройство включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированном на активном слое и электроды.Turning to FIG. 5, according to a useful model, a nitride semiconductor light-emitting device includes a template for a semicolar gallium nitride having a crystallographic surface orientation (20-23). The device includes layers of silicon carbide, aluminum nitride, a layer of monocrystalline semipolar nitride of the first conductivity type having a surface in crystallographic orientation (20-23), an active layer formed on a nitride semiconductor layer of the first conductivity type, and a nitride semiconductor layer of the second conductivity type formed on the active layer and electrodes.

Полезная модель имеет темплейт с толстым слоем нитрида галлии (20-200 мкм и выше) полуполярной ориентации на дешевой и доступной кремниевой подложке. Толщина слоя задается параметрами режимов и временем протекания реакций. Светодиодное устройство InGaN/GaN на основе темплайта GaN(20-23) с размерами 400×400 мкм при протекании тока 100 мА продемонстрировало высокую стабильность излучения: а именно сдвиг максимума спектра люминесценции всего лишь на 5 нм, что на 40% меньше, чем в аналогах на основе светодиодных устройств GaN(1-101) и в 5 раз меньше, чем аналогичный сдвиг в светодиодах на основе полярных InGaN/GaN(0001) светодиодных устройств выполненных на подложке Si(111). Устройство продемонстрировало высокие технические характеристики для светодиодных устройств: освещенность ~100 лм/Вт при протекании тока 350 мА.The utility model has a template with a thick layer of gallium nitride (20-200 μm and above) of a semi-polar orientation on a cheap and affordable silicon substrate. The layer thickness is determined by the parameters of the regimes and the reaction time. An InGaN / GaN LED device based on a GaN template (20-23) with dimensions of 400 × 400 μm and a current of 100 mA showed high radiation stability: namely, the shift in the maximum of the luminescence spectrum by only 5 nm, which is 40% less than in analogues based on LED devices GaN (1-101) and 5 times less than a similar shift in LEDs based on polar InGaN / GaN (0001) LED devices made on a Si (111) substrate. The device demonstrated high technical characteristics for LED devices: illumination ~ 100 lm / W with a current flow of 350 mA.

Claims (2)

1. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, характеризующееся тем, что имеет в своем составе электроды и темплейт со сформированными на нем активными слоями, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитрида алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.1. A semiconductor light-emitting device, characterized in that it comprises electrodes and a template with active layers formed on it, while the template is based on a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation formed on a buffer layer of aluminum nitride deposited on the folded surface of a silicon carbide layer. 2. Полупроводниковое светоизлучающее устройство по п.1, отличающееся тем, что включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия, слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой, сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированный на активном слое, и электроды.

2. The semiconductor light-emitting device according to claim 1, characterized in that it includes layers of silicon carbide, aluminum nitride, a layer of single-crystal semi-polar nitride of the first conductivity type having a surface in crystallographic orientation (20-23), an active layer formed on a nitride semiconductor a layer of the first conductivity type and a nitride semiconductor layer of the second conductivity type formed on the active layer, and electrodes.

Images