Способ создания светоизлучающего элемента

Изобретение относится к способам изготовления светоизлучающего элемента с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра. Диодная светоизлучающая структура формируется на монокристаллическом кремнии с ориентацией поверхности (111) или (100). Активная зона светоизлучающего элемента представляет собой наноразмерные кристаллиты (нанокристаллиты) полупроводникового дисилицида железа, упруго встроенные в монокристаллический эпитаксиальный кремний. Перед формированием активной зоны на подложку наносится слой нелегированного кремния для ее пространственного отделения от подложки (буферный слой). Нанокристаллиты образуются при эпитаксиальном заращивании, предварительно сформированном на буферном слое методом твердофазной эпитаксии наноостровков полупроводникового дисилицида железа. Применение особых режимных параметров обеспечивает высокую концентрацию нанокристаллитов в активной зоне. Цикл, включающий формирование наноостровков и их последующую агрегацию в нанокристаллиты, повторяют несколько раз, что обеспечивает формирование многослойной активной структуры. Технический результат - повышение эффективности светоотдачи светоизлучающего элемента за счет возможности уменьшения размеров кристаллитов полупроводникового дисилицида железа (до 5-40 нм) и обеспечения их высокой плотности (количества кристаллитов в единице объема кремниевой матрицы) и в силу этого упругого встраивания в кремниевую матрицу и значительной напряженности внутренней структуры кристаллитов, а также повышение интенсивности светоизлучающего элемента за счет увеличения объема активной зоны. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к способам изготовления светоизлучающего элемента с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра.

Известен способ создания светоизлучающих приборов на основе кремния, включающий формирование в непосредственной близости от p-n перехода излучающей зоны, легированной примесями редкоземельных элементов, на основе того же полупроводникового материала, что и активные слои n- и p-типа проводимости (см. US №6828598, H01S 3/16, H01S 5/30, H01S 5/32, 2004). В зависимости от уровня легирования активных слоев в приборах реализуется механизм туннельного, лавинного либо смешанного пробоев. Основным ограничивающим фактором практического применения приборов создаваемых известным способом, несмотря на их простоту и интегрируемость в схемы микроэлектроники является их низкая излучающая способность и, следовательно, низкая выходная мощность прибора.

Известен также способ создания светоизлучающего элемента, включающий формирование слоя железа осаждением в условиях сверхвысокого вакуума атомов железа на кремниевую подложку первого типа проводимости, агрегацию этого слоя в островки β-FeSi₂ и последующее осаждение эпитаксиального слоя кремния второго типа проводимости при нагреве подложки (см. US №6368889, H01L 33/26; H01L 21/00; H01L 33/00.2002).

Недостаток этого технического решения - значительный (около 100 нм) размер зерен дисилицида железа, что не позволяет обеспечить высокую эффективность светоизлучающего элемента в силу недостаточно хорошего встраивания кристаллов в кремниевую матрицу и релаксированной внутренней структуры.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в повышении эффективности светоизлучающего элемента.

Технический результат - повышение эффективности светоотдачи светоизлучающего элемента за счет возможности уменьшения размеров кристаллитов полупроводникового дисилицида железа (до 5-40 нм) и обеспечения их высокой плотности (количества кристаллитов в единице объема кремниевой матрицы) и в силу этого упругого встраивания в кремниевую матрицу и значительной напряженности внутренней структуры кристаллитов, а также повышение интенсивности светоизлучающего элемента за счет увеличения объема активной зоны.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что способ создания светоизлучающего элемента, включающий формирование слоя железа осаждением в условиях сверхвысокого вакуума атомов железа на кремниевую подложку первого типа проводимости, агрегацию этого слоя в островки β-FeSi₂ и последующее осаждение эпитаксиального слоя кремния второго типа проводимости при нагреве подложки, отличается тем, что на кремниевую подложку первого типа проводимости осаждают слой нелегированного кремния толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5×10^-2-3.3×10^-1 нм/с и нагреве подложки до 700-750°C, на поверхность которого, после охлаждения до комнатной температуры, при сохранении которой, осаждают слой железа толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с, при этом агрегацию слоя железа в наноостровки β-FeSi₂ осуществляют отжигом при температуре подложки 630°C в течение 20 минут, после чего, агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 5-40 нм, упруго встроенные в кремниевую матрицу, осуществляют осаждением нелегированного кремния толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с и нагреве подложки до 600-800°C, при этом, цикл, включающий осаждение слоя железа на поверхность слоя нелегированного кремния, его агрегацию его в наноостровки β-FeSi₂ на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующую агрегацию в нанокристаллиты β-FeSi₂; осаждением слоя нелегированного кремния повторяют с такими же режимными параметрами, по крайней мере, один раз, после чего осаждают слой кремния второго типа проводимости толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с и нагреве подложки до 700-750°C. Кроме того, в качестве подложки используют кремний с ориентацией поверхности (100) или (111).

Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «на кремниевую подложку первого типа проводимости осаждают слой нелегированного кремния толщиной 100-200 нм» отделяют нанокристаллиты β-FeSi₂ от подложки, что обеспечивает их расположение вне границы p-n перехода и эффективную инжекцию носителей заряда.

Признаки, указывающие, что осаждение слоя нелегированного кремния ведут «при скорости осаждения 5×10^-2-3.3×10^-1 нм/с и нагреве подложки до 700-750°C», обеспечивают эпитаксиальное формирование буферного слоя нелегированного кремния на подложке.

Признаки, указывающие, что после осаждения слоя нелегированного кремния его охлаждают (за счет охлаждения подожки) «до комнатной температуры» и последующее поддержание этой температуры в процессе осаждения железа, обеспечивают предотвращение формирования дисилицида железа β-FeSi₂.

Признаки, указывающие, что слой железа осаждают «толщиной 0,2-0,8 нм со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с», обеспечивают минимизацию размеров наноостровков силицида железа при агреации этого слоя.

Признаки, указывающие, что «агрегацию слоя железа в наноостровки β-FeSi₂ осуществляют отжигом при температуре подложки 630°C в течение 20 минут», обеспечивают формирование на буферном слое нелегированного кремния наноостровков β-FeSi₂, при этом заданные режимные параметры процесса обеспечивают возможность минимизировать размеры наноостровков β-FeSi₂ в необходимом количестве, что позволяют впоследствии агрегатировать их до нанокристаллитов с высокой концентрацией в объеме кремния.

Признаки, указывающие, что «агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 5-40 нм, упруго встроенные в кремниевую матрицу, осуществляют осаждением нелегированного кремния толщиной 100-200 нм», обеспечивают возможность формирования кремниевой матрицы толщиной существенно большей размеров нанокристаллитов β-FeSi₂, заключенных в ней. Кроме того, обеспечивается отделение нанокристаллитов β-FeSi₂ от верхнего слоя кремния второго типа, что обеспечивает их расположение вне границы p-n перехода и эффективную инжекцию носителей заряда. Кроме того, обеспечивается трансформация наноостровков в нанокристаллиты заданной крупности и обладающие напряженной внутренней структурой.

Признаки, указывающие, что осаждение покрывающего слоя нелегированного кремния ведут «при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с при нагреве подложки до 600-800°C», задают режимные параметры процесса осаждения нелегированного кремния, обеспечивающее «запуск» и «протекание» процесса агрегации наноостровков в нанокристаллиты β-FeSi₂.

Признаки, указывающие, что «цикл, включающий осаждение слоя железа на поверхность слоя нелегированного кремния, его агрегацию его в наноостровки β-FeSi₂ на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующую агрегацию в нанокристаллиты β-FeSi₂; осаждением слоя нелегированного кремния повторяют с такими же режимными параметрами, по крайней мере, один раз», обеспечивают формирование многослойной структуры, включающей слои нанокристаллитов β-FeSi₂, перемежающиеся со слоями нелегированного кремния.

Признаки, указывающие, что процесс формирования структуры светоизлучающего элемента завершают осаждением слоя «кремния второго типа проводимости толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с и нагреве подложки до 700-750°C», обеспечивают формирование p-n перехода в структуре светоизлучающего элемента.

Признаки, указывающие, что «в качестве подложки используют кремний с ориентацией поверхности (100) или (111)», обеспечивают возможность варьирования кристаллографической ориентации подложки и варьирования свойств формируемого полупроводникового материала на подложке кремния.

На чертежах показаны стадии формирования светоизлучающего элемента, при этом на фиг.1, схематически показан этап формирования слоя нелегированного кремния на подложке кремния первого типа проводимости для пространственного отделения сформирующихся впоследствии нанокристаллитов β-FeSi₂ и подложки; на фиг.2 схематически показан этап формирования массива наноостровков β-FeSi₂; на фиг.3 схематически показан этап агрегации наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ при осаждении на подложку нелегированного кремния; на фиг.4 показано завершение этапа осаждения нелегированного кремния; на фиг.5 показан этап формирования второго слоя массива наноостровков β-FeSi₂; на фиг.6 показан этап осаждения кремния второго типа проводимости; на фиг.7 схематически показан общий вид светоизлучающего элемента, на фиг.8 схематически показана установка, обеспечивающая реализацию способа; на фиг.9 показано изображение поверхности кремния, на которой сформированы наноостровки дисилицида железа, полученное методом сканирующей атомно-силовой микроскопии; на фиг.10 представлены спектры электролюминесценции четырехслойного образца при прямом смещении и комнатной температуре диодной структуры; на фиг.11 дано изображение поперечного среза образца, сформированного при семикратном повторении процедуры формирование наноостровков β-FeSi₂ на поверхности слоя нелегированного кремния, зарегистрированные методом просвечивающей электронной микроскопии.

На чертежах схематически показаны составные части светоизлучающего элемента, формируемого при реализации способа: подложка 1 кремния первого типа проводимости, например n-типа, слой нелегированного кремния 2 для отделения наноостровков 3 дисилицида железа (β-FeSi₂) от подложки, нанокристаллиты 4 дисилицида железа (β-FeSi₂), образующие активный слой, заращенные слоем нелегированного кремния 5, слой кремния 6 второго типа проводимости (в данном случае p-типа), положительный 7 и отрицательный 8 электроды. Кроме того, показаны узлы и оборудование установки обеспечивающей реализацию способа.

Для реализации способа используют известный комплект лабораторного оборудования (см. фиг.8), включающий в себя, кроме сверхвысоковакуумной камеры 9 (базовое давление в камере - 5×10^-10 Торр и менее), электронный спектрометр 10 (например, фирмы Percin Elmer) манипулятор 11 образца (т.е. подложки) с электрическими вводами, имеющий четыре степени свободы, соединенный с образцом-подложкой 1, обеспечивающий возможность ее удержания в заданном положении и подвод к ней электрического тока для отжига.

Кроме того, комплект включает в себя блок испарителей 12 на три источника: источник 13 атомов железа, 14 нелегированного кремния и кремния первого или второго типа проводимости (не показан), а также сверхвысоковакуумный насос (не показан), обеспечивающий необходимый вакуум в камере 9. Обычно манипулятор 11 сгруппирован на одном фланце с тепло - и электрически-изолированными вводами (на чертежах не показаны), через которые к ней подводится электрический ток для ее нагрева. Источник атомов железа 13 должен обеспечить достаточную для формирования наноостровков скорость осаждения (≥1,7×10^-3 нм/с). Источник атомов кремния (нелегированного, первого и второго типов) должен обеспечить достаточную для формирования эпитаксиального слоя скорость осаждения (≥5×10^-2 нм/с). Давление паров материала адсорбата в потоке, исходящем из блока испарителей, должно быть не менее, чем на 2-3 порядка выше остаточного давления в камере 9. Экспозицию испаряемой порции адсорбата задают путем пропускания тока соответствующей величины через электрические вводы 15 в течении нужного времени.

Заявленный способ реализуется следующим образом. Перед загрузкой в камеру выбирают подложку 1 со срезом вдоль кристаллической плоскости (100) или (111). Затем подложку очищают известным образом, например, с помощью органических растворителей (например, кипячением в толуоле). После размещения образца-подложки 1 на манипуляторе 11 сверхвысоковакуумной камеры 9 и установки в ней подготовленных источников в блок испарителей 12, камеру 9 известным образом герметично закрывают. Далее камеру вакуумируют с помощью насоса, понижая величину давления в ней до заданного значения (обычно ≤5×10^-7 Торр). Далее камеру 9 и всю ее внутреннюю оснастку обезгаживают наружным нагревом камеры до температуры 120-150°C. При этом в процессе и после нагрева камеру 9 непрерывно вакуумируют. Обезгаживание обычно проводят в течение суток, после чего камеру 9 охлаждают. Температуру обезгаживания определяют опытным путем из расчета обеспечения после охлаждения камеры заданного рабочего вакуума (≤5×10^-10 Торр).

После загрузки образца-подложки 1 и получения заданного вакуума подложку, перед напылением, очищают термическим отжигом в течение времени, достаточного для испарения окисной пленки с ее поверхности, например, для подложки из кремния - в течении 2-3 мин при температуре 1250°C.

Затем на подложке формируют эпитаксиальный слой нелегированного кремния 2 путем его осаждения при нагреве подложки до 700-750°C (путем пропускания через нее постоянного стабилизированного тока через термо- и электрически изолированные от камеры вводы), толщиной от 100 до 200 нм со скоростью осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с, что обеспечивает формирование на поверхности буферного слоя нелегированного кремния 2.

Затем подложку 1 (с нанесенным на нее слоем нелегированного кремния 2), известным образом, с использованием штатного оснащения камеры 9 охлаждают до комнатной температуры. Далее, при поддержании температуры подложки на этом уровне, на поверхность слоя нелигированного кремния осаждают слой железа толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с. В случае использования сублимационного источника атомов железа заданная скорость обеспечивается его прогревом путем пропускания через него постоянного стабилизированного тока. Величина тока подбирается экспериментально так, чтобы скорость сублимации атомов железа из него находилась в указанных пределах.

Далее осуществляют агрегацию слоя железа в наноостровки β-FeSi₂ для чего отжигают подложку при температуре 630°C в течение 20 минут. При этом, на поверхности подложки 1 со сформированным буферным слоем 2 в процессе взаимодействия атомов кремния с атомами железа образуются наноостровки 3 дисилицида железа β-FeSi₂ (см. фиг.2).

Далее осуществляют агрегацию наноостровков 3 дисилицида железа β-FeSi₂ в нанокристаллиты 4 дисилицида железа β-FeSi₂ с размерами 5-40 нм, упруго встроенные в кремниевую матрицу, для чего ведут осаждение эпитаксиального слоя нелегированного кремния 5 при нагреве подложки до 600-800°C, толщиной от 100 до 200 нм при скорости осаждения 5×10^-2-3.3×10^-1 нм/с (см. фиг.3, 4). В процессе такого заращивания нанокристаллиты распределяются в объеме кремния, двигаясь в направлении фронта эпитаксиального роста кремния.

После этого цикл, включающий осаждение слоя железа на поверхность слоя нелегированного кремния, его агрегацию в наноостровки β-FeSi₂ на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующую агрегацию в нанокристаллиты β-FeSi₂ осаждением слоя нелегированного кремния повторяют с такими же режимными параметрами, до формирования активного слоя заданной толщины (по крайней мере, один раз, см. фиг.5 и фиг.9).

По завершении процесса формирования многослойного активного слоя, на поверхности последнего (покрывающего) слоя нелегированного кремния формируют слой кремния второго типа проводимости, для чего осаждают кремний второго типа проводимости толщиной 100-200 нм при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с и при нагреве подложки до 700-750°C.

Поскольку в качестве подложки выбран кремний первого типа проводимости (в данном случае, например, n-типа), эпитаксиальный слой кремния второго типа проводимости должен быть представлен кремнием p-типа, для обеспечения возможности формирования области p-n-перехода (при использовании подложки из кремния p-типа, эпитаксиальный слой кремния должен быть n-типа, т.е. фразы «первого типа» и «второго типа» говорят только о необходимости использования кремния различных типов проводимости).

По завершении этого процесса, на внешних поверхностях кремния (соответственно, свободная поверхность эпитаксиального слоя кремния второго типа проводимости и свободная поверхность подложки) известным образом формируют положительный 7 и отрицательный 8 электроды, завершая процесс формирования светоизлучающего элемента (см. фиг.7).

Заявленный способ обеспечивает формирование эпитаксиального покрывающего слоя нелегированного кремния, изображение поверхности которого, полученное методом сканирующей атомно-силовой микроскопии, приведено на фиг.9. Этот образец был получен при семикратном повторении процедуры формирования наноостровков β-FeSi₂, на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующей агрегации в нанокристаллиты β-FeSi₂ осаждением слоя нелегированного кремния. Среднеквадратическая шероховатость поверхности не превосходит 0,7 нм, что говорит о том, что выращенные слои кремния являются монокристаллическими. На поверхности находятся дырки (ширина 63-112 нм, глубина 0,2-5 нм) с концентрацией не более 10¹⁰ см^-2, которые формируются непосредственно над движущимися к поверхности нанокристаллитами.

На фиг.10 представлены спектры электролюминесценции четырехслойного образца при прямом смещении и комнатной температуре диодной структуры при разных токах накачки. Для данного вида меза-диодных структур наблюдается широкий спектр электролюминесценции с двумя частично разделенными пиками при 0,78-0,82 эВ и 0,95-0,97 эВ. Первый пик относится к свечению встроенных нанокристаллитов дисилицида железа с размерами более 5-10 нм. В нанокристаллитах с размерами менее 5 нм может наблюдаться квантование энергетических уровней с увеличением энергии первого (основного) уровня до 0,93-0,96 эВ, и причиной электролюминесценции в этом диапазоне энергий является излучательная рекомбинация электронов кремния, находящихся в районе нанокристаллита β-FeSi2 с дырками, находящихся на основном квантовом уровне.

На фиг.11 показан поперечный срез образца, сформированного при семикратном повторении процедуры формирования наноостровков β-FeSi₂ на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующей агрегации в нанокристаллиты β-FeSi₂ осаждением слоя нелегированного кремния. Эта процедура с заявленными режимными параметрами позволяет получить равномерно распределенные в объеме кремния нанокристаллиты дисилицида железа.

1. Способ создания светоизлучающего элемента, включающий осаждение на кремниевую подложку первого типа проводимости слоя нелегированного кремния толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5·10^-2-3,3·10^-1 нм/с и нагреве подложки до 700-750°C, на поверхность которого, после охлаждения до комнатной температуры, при сохранении которой осаждают слой железа толщиной 0,2-0,8 нм со скоростью осаждения 1,7·10^-3-1,7·10^-2 нм/с, при этом агрегацию слоя железа в наноостровки β-FeSi₂ осуществляют отжигом при температуре подложки 630°C в течение 20 мин, после чего агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 5-40 нм, упруго встроенные в кремниевую матрицу, осуществляют осаждением нелегированного кремния толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5·10^-2-3,3·10^-1 нм/с и нагреве подложки до 600-800°C, при этом цикл, включающий осаждение слоя железа на поверхность слоя нелегированного кремния, агрегацию его в наноостровки β-FeSi₂ на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующую агрегацию в нанокристаллиты β-FeSi₂ осаждением слоя нелегированного кремния, повторяют с такими же режимными параметрами, по крайней мере, один раз, после чего осаждают слой кремния второго типа проводимости толщиной 100-200 нм, при скорости осаждения 5·10^-2-3,3·10^-1 нм/с и нагреве подложки до 700-750°C.

2. Способ создания светоизлучающего элемента по п.1, отличающийся тем, что в качестве подложки используют кремний с ориентацией поверхности (100) или (111).