WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 11 Синие флип-чип светодиоды на основе AlGaInN с удаленной сапфировой подложкой © И.П. Смирнова¶, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, Е.М. Аракчеева, М.Р. Рымалис Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия (Получена 15 февраля 2006 г. Принята к печати 27 февраля 2006 г.) Рассматриваются характеристики светодиодов на основе AlGaInN c удаленной сапфировой подложкой.

Для удаления подложки применялся метод лазерного отделения (lift-off). Подложка удалялась с готового светодиодного кристалла, смонтированного методом флип-чип на кремниевой плате. С целью увеличения эффективности вывода света на поверхности n-GaN был создан рассеивающий рельеф методом реактивного ионного травления в газовой смеси Cl2 : Ar. В результате этой операции было достигнуто увеличение внешней квантовой эффективности светодиодного кристалла на 25–30%. Светодиоды, изготовленные из кристаллов, полученных описанным способом, устойчиво работают в диапазоне токов накачки до 300 мА, достигая оптической мощности 110 мВт.

PACS: 85.60.Jb, 85.40.Ls 1. Введение Конструкция флип-чип светодиодного кристалла с отражающим верхним контактом и глубокой мезаВ настоящее время разработка высокоэффективных структурой (вывод света через сапфировую подложку), мощных светодиодных кристаллов, излучающих в си- предложенная и подробно рассмотренная в работе [6], является весьма эффективной с точки зрения вывода нем и ультрафиолетовом диапазонах, является одной света из кристалла. В этой конструкции оптимизация из основных задач в исследовании полупроводниковых углов наклона боковых стенок меза-структуры позволяет приборов на основе нитрида галлия и его твердых растворов. Несмотря на большое количество работ, на- добиться увеличения внешней квантовой эффективности на 10–15%. Однако эффективность вывода света падаправленных на повышение внешнего квантового выхода ет с увеличением геометрических размеров кристалла, излучения, его значение в лучших образцах светодиодов поскольку для кристаллов большого размера меньше не превышает 40–50% [1]. Наиболее эффективными удельный вклад в общий поток света, отраженного от способами преодоления этой проблемы представляются наклонных боковых стенок меза-структуры [7]. Сдругой создание рассеивающих свет поверхностей [2], микрорестороны, создание светодиодных кристаллов с большой зонатора внутри активной области [3], фотонного криоптической мощностью излучения требует использовасталла [4], а также применение флип-чип конструкции ния большой площади активной области ( 1мм2). Это светодиодного кристалла [5,6].

требование особенно жестко для квантово-размерных Внешняя квантовая эффективность светодиодного InGaN/GaN-структур, для которых, как известно, хараккристалла определяется двумя основными величинатерно быстрое падение внутреннего квантового выхода ми — внутренней эффективностью полупроводниковой излучения с ростом плотности тока. Это означает, гетероструктуры и эффективностью вывода света из что в кристаллах большой площади на первый план светодиодного кристалла. Основным физическим эфвыходит проблема повышения эффективности вывода фектом, ограничивающим эффективность вывода света, света путем создания рассеивающих поверхностей на является эффект полного внутреннего отражения на границах полупроводник/подложка и(или) полупроводгранице материала с высокой оптической плотностью ник/металл.

(полупроводника) и материала с низкой оптической Для создания рассеивающих свет поверхностей воплотностью (сапфировой подложки и(или) воздуха).

влечение в обработку p-слоя гетероструктур кажетСвет, распространяющийся в полупроводнике под угся на первый взгляд вполне обоснованным, так как лом, превосходящим угол полного внутреннего отраон расположен сверху структуры и доступен. Однако жения, оказывается захваченным в волновод, образотакой подход имеет определенные недостатки в силу ванный полупроводниковым слоем, и распространяется малой толщины p-слоя (как правило, десятые доли в нем, постепенно затухая. Для светодиодных кримкм) и, следовательно, близости p-n-перехода, а также сталлов на основе AlGaInN-гетероструктур критический нестабильности p-поверхности по отношению к различугол составляет 23 (показатели преломления GaN ным способам обработки. Указанных недостатков лишен и сапфира соответственно 2.5 и 1.6), и, следовательно, n-слой, однако для получения доступа к нему подложку вывод света с поверхности кристалла не превышанеобходимо удалить. Обычно применяется метод удалеет 5%.

ния сапфировых подложек, использующий поглощаемое ¶ E-mail: irina@quantum.ioffe.rssi.ru материалом GaN излучение мощного коротковолнового 1398 И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, Е.М. Аракчеева, М.Р. Рымалис (как правило, эксимерного) лазера (lift-off) [8–11]. Длина сенной ответной разводкой металлических контактных волны лазерного излучения подбирается таким образом, площадок. Светодиодный кристалл имел p-контакт прячтобы сапфировая подложка являлась для него про- моугольной формы с размерами 350 450 мкм, окрузрачной. Облучение со стороны сапфира обеспечивает женный „вилкой“ n-контакта. Общие размеры кристалла резкий нагрев приграничных областей GaN, приводящий составляли 650 900 мкм. Для его изготовления иск его термическому разложению на металлический Ga пользовалась AlGaInN-гетероструктура с длиной воли N2, что и обеспечивает отделение гетероструктуры ны излучения 470 нм. Более подробно процесс изгоот подложки. Рассеивающие поверхности затем могут товления кристаллов описан в [6]. Следует отметить, быть созданы фотоэлектрическим травлением [12,13] что светодиод был полностью готов перед процедурой открывшейся поверхности в растворах KOH [2] или отделения подложки (lift-off), что позволяло контроже реактивным ионным травлением в плазме газовой лировать на каждой стадии процесса обработки люсмеси BCl3/Cl2 [14]. Так, в работе [2] наблюдалось бые характеристики, как оптические, так и электрипоявление на поверхности шестиугольных пирамидок ческие.

с размерами в сотни нанометров, наличие которых Излучение эксимерного KrF-лазера с длиной волприводило к увеличению эффективности вывода света ны 248 нм и длительностью импульса 30 нс направляболее чем в 2 раза. Согласно статье [14], в результате лось на гетероструктуру через сапфировую подложку.

обработки поверхность была покрыта шарообразными В процессе разложения нитрида галлия происходит структурами с диаметром от 500 нм до 1 мкм. При резкое выделение газообразного азота и гетероструктура этом также существенно увеличивалась эффективность испытывает сильный механический удар, тем больший, вывода света.

чем больше энергии она поглощает. Поэтому для успешСветодиодная структура с удаленной сапфировой подного отделения структуры от подложки желательно, ложкой часто используется для конструирования так чтобы плотности энергии лазерного излучения были называемых „вертикальных“ чипов, геометрия которых близки к пороговым значениям. Изменение плотности предполагает расположение контактных площадок по энергии производилось перемещением кристаллов отнообе стороны от гетероструктуры. Такая возможность сительно фокуса кварцевой линзы. Найденные эксперипоявляется после удаления непроводящей сапфировой ментально оптимальные величины лежали в диапазоне подложки. Среди преимуществ „вертикального“ чипа 400-450 мДж/см2. При меньших значениях плотности можно назвать эффективное растекание тока и возэнергии оставались островки с неизмененными свойможность получения малых значений последовательных ствами, препятствующие удалению сапфира. Минимизисопротивлений. В то же время его недостатком является ровать вероятность разрушения структуры можно также, потеря части активной области из-за необходимости обеспечивая ее хороший механический контакт с носинанесения контакта на n-область. Использование полутелем, которым в нашем случае являлась кремниевая прозрачных контактов также приводит к потере части подкристальная плата. При этом, как это характерно излучения при прохождении его через контакт. Альтердля геометрии флип-чип, участки, расположенные вне нативным вариантом является перевернутая, или флипконтактных площадок, изначально были лишены поддерчип, геометрия кристалла, при которой обе контактные живающей опоры. Поэтому, для того чтобы избежать площадки вынесены на одну сторону гетероструктуры, повреждений структуры, при монтаже кристалла на а противоположная сторона используется исключительподкристальную плату наряду с пайкой контактных плоно для вывода света. Такая конструкция свободна от щадок использовалась эпоксидная смола, заполнявшая основного недостатка вертикальных чипов — потери все имеющиеся пустоты и являвшаяся дополнительной части излучающей поверхности из-за нанесенного на опорой для кристалла.

нее контакта. Кроме того, положительным моментом При проведении операции отделения подложки с является удобство монтажа кристалла, что особенно объектами, большими, чем площадь пятна лазерного существенно при производстве белых светодиодов, когда излучения, необходимо сканировать их лазерным лунеобходимо закрыть кристалл ровным слоем люминочом. При этом может возникнуть ряд технологичефорного покрытия.

ских трудностей. Так, например, в [12] предлагается обеспечивать эффективный отвод образующихся газов, 2. Изготовление экспериментальных начиная сканирование с края пластин. В нашем случае кристалл целиком попадал в зону облучения, и процесс образцов проходил под воздействием одиночного импульса. При этом часто удаление сапфировой подложки протекало В настоящей работе было осуществлено удаление сапфировой подложки с полностью сформированного под действием сил, возникающих при выделении газосветодиодного кристалла оригинальной меза-планарной образного азота. Иногда подложка удерживалась слоем конструкции, смонтированного по методу флип-чип на металлического Ga. В этом случае она легко отделялась кремниевую подкристальную плату. Последняя пред- при нагреве образца до температур выше температуры ставляла собой чипы из окисленного кремния с нане- плавления галлия (29.75C).

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Синие флип-чип светодиоды на основе AlGaInN с удаленной сапфировой подложкой 3. Характеристики экспериментальных образцов На рис. 1 показана поверхность светодиодного кристалла сразу после удаления сапфира. Снимки получены при помощи сканирующего электронного микроскопа.

На поверхности структур присутствует металлический галлий. Так как он непрозрачен в видимом диапазоне, образование его на поверхности в результате процедуры lift-off приводит к резкому ухудшению оптических характеристик кристалла. Как правило, это выражается в том, что сразу после удаления сапфировой подложки квантовая эффективность кристалла падает приблизительно вдвое: до значений 40–60% от исходного уровня.

Рис. 3. Микрофотография поверхности структуры после травНа рис. 2 приведены зависимости внешней квантовой ления в течение 1 мин в 40%-м растворе KOH при комнатной эффективности кристалла от тока накачки на разных температуре.

стадиях обработки. Как видно из рисунка, квантовый выход после облучения (кривая 2) существенно меньше, чем до удаления подложки (кривая 1). Поэтому на следующей стадии необходимо удалить образовавшийся галлий с поверхности структуры. Известно, что результат может быть достигнут несколькими способами. Галлий легко растворяется в серной или соляной кислоте, реагирует со щелочами, а также легко взаимодействует с галогенами (кроме йода). Наши эксперименты по травлению в растворах HCl и KOH подтвердили возможность эффективного удаления галлия с поверхности (структура становится прозрачной). Однако квантовая эффективность кристалла хоть и вырастала существенРис. 1. Микрофотография поверхности кристалла после удано, но не достигала значений, характерных для исходных ления сапфировой подложки.

кристаллов, оставаясь на уровне 90% от первоначальных значений (кривая 3 на рис. 2). Как правило, к указанному результату приводило травление в 40%-м водном растворе KOH. На рис. 3 изображена поверхность структуры, полученная в результате травления в течение 1 мин в 40%-м растворе KOH при комнатной температуре.

Дальнейшее увеличение времени в несколько раз не приводило к изменению квантового выхода. К сожалению, существенное изменение времени или температуры травления, при которых можно было бы рассчитывать на растрав поверхности гетероструктур, было невозможно из-за ограниченной химической стойкости механических контактов как на самом кристалле, так и на подкристальной кремниевой плате.

Как отмечалось выше, альтернативным вариантом обработки поверхности является травление в хлорсодержащей плазме. Наши эксперименты с реактивным ионным травлением показали, что этот метод позволяет Рис. 2. Зависимости внешней квантовой эффективности свенаряду с удалением галлия создать на поверхности тодиодных кристаллов от тока накачки на разных стадиях образца рассеивающую поверхность, способствующую обработки поверхности n-GaN: 1 — исходный образец до более эффективному выводу излучения из кристалла.

отделения подложки, 2 — непосредственно после отделения В нашем случае эта методика была особенно полезна, подложки, 3 — после травления в растворе KOH, 4 —после реактивного ионного травления в плазме Ar : Cl2 = 10 : 15. так как, в отличие от травления в растворах, при Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1400 И.П. Смирнова, Л.К. Марков, Д.А. Закгейм, Е.М. Аракчеева, М.Р. Рымалис кристалла. Следует отметить, что поверхность образцов, сформированная в результате отслоения подложки, не была идеально ровной. На ней, как правило, обнаруживались кратеры микрометровых размеров. При травлении поверхности наиболее активно рельеф развивался внутри кратеров, на ровных участках он был менее выражен. Так как кратеры покрывали лишь небольшую часть поверхности образца ( 20-30%), очевидно, что при получении рельефа на всей поверхности образца можно ожидать намного более существенного увеличения эффективности вывода света. К сожалению, решение этой задачи путем увеличения времени травления не представляется возможным в силу ограниченности толщины n-слоя (3–4мкм), так как фронт травления участков на дне кратеров довольно быстро подходит к области p-n-перехода и в кристаллах возникают Рис. 4. Зависимости квантовой эффективности кристалла от электрические утечки. С этой точки зрения значительно тока накачки для различного времени реактивного ионного увеличить время травления и создать более эффективтравления, мин: 1 —1, 2 —2, 3 —3, 4 —4.

ные рассеивающие поверхности можно было бы при использовании эпитаксиальных структур, выращенных на толстых (10-15 мкм) буферных слоях (templates) GaN.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.