Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СОЗДАНИЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА

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 20-40 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 островков дисилицида железа β-FeSi₂ путем осаждения в условиях сверхвысокого вакуума атомов железа на нагретую кремниевую подложку первого типа проводимости и последующее осаждение эпитаксиального слоя кремния второго типа проводимости при нагреве подложки не выше 800°C, 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 при нагреве подложки до 375°C осаждают железо в количестве, достаточном для формирования слоя толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с, после чего подложку охлаждают до комнатной температуры, при которой на слой железа осаждают слой нелегированного кремния толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с, при этом, агрегацию осажденного железа в наноостровки β-FeSi₂ осуществляют отжигом при температуре подложки 475°C в течение 2 минут, после чего осуществляют агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 20-40 нм, упруго встроенных в кремниевую матрицу, для чего осаждают слой нелегированного кремния толщиной 100-200 нм при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с при нагреве подложки до 600-800°C, при этом, цикл, включающий формирование наноостровков 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» обеспечивают отделение нанокристаллитов 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 на поверхность слоя нелегированного кремния «при нагреве подложки до 375°C осаждают железо в количестве, достаточном для формирования слоя толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с», обеспечивают формирование на буферном слое нелегированного кремния слоя моносилицида железа FeSi.

Признаки, указывающие, что "подложку охлаждают до комнатной температуры, при которой на слой железа осаждают слой нелегированного кремния толщиной 0,2-0,8 нм со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с", обеспечивают формирование слоя кремния для упрощения образования силицида нужной стехиометрии.

Признаки, указывающие, что «агрегацию осажденного железа в наноостровки β-FeSi₂ осуществляют отжигом при температуре подложки 475°C в течение 2 минут», обеспечивают формирование на буферном слое нелегированного кремния наноостровков β-FeSi₂, при этом заданные режимные параметры процесса осаждения железа и толщины его слоя обеспечивают возможность минимизировать размеры наноостровков β-FeSi₂ и получить их в необходимом количестве.

Признаки, указывающие, что «агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 20-40 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, обеспечивающие «запуск» и «протекание» процесса агрегации наноостровков в нанокристаллиты β-FeSi₂.

Признаки, указывающие, что «цикл, включающий формирование наноостровков 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 многослойного активного слоя.

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, полученные методом сканирующей атомно-силовой микроскопии; на фиг.10 представлен спектр электролюминисценции восьмислойного образца при обратном смещении и комнатной температуре диодной структуры; на фиг.11 дано изображение поперечного среза образца, сформированного при четырехкратном 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 Topp 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 течение 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 Topp). 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 Topp).

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 течение 2-3 мин при температуре 1250°C.

Затем на подложке формируют эпитаксиальный слой нелегированного кремния 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 температуру подложки устанавливают на уровне 375°C, которая обеспечивает формирование поверхности слоя нелегированного кремния слоя моносилицида железа, при этом поддерживают скорость осаждения железа на уровне 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. Осаждение железа на разогретую до 375°C подложку ведут до появления на подложке такого количества железа, которое эквивалентно объему сформированной на подложке сплошной пленки железа толщиной от 0,2 до 0,8 нм. После этого подложку охлаждают до комнатной температуры, при которой на слой железа осаждают слой нелегированного кремния толщиной 0,2-0,8 нм со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с.

Далее проводят агрегацию осажденного железа в наноостровки β-FeSi₂, для чего осуществляют отжиг при температуре подложки 475°C в течение 2 минут (см. фиг.2).

Последующую агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 20-40 нм, упруго встроенные в кремниевую матрицу, осуществляют осаждением слоя нелегированного кремния толщиной 100-200 нм (покрывающего поверхность подложки со сформированными на ней наноостровками β-FeSi₂) при скорости осаждения 5×10^-2-3,3×10^-1 нм/с и при нагреве подложки до 600-800°C (см. фиг.3, 4). В процессе такого заращивания нанокристаллиты распределяются в объеме кремния, двигаясь в направлении фронта эпитаксиального роста кремния.

Цикл, включающий формирование наноостровков 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 активной области заданной толщины.

После завершения формирования активной области 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 на поверхность последнего (покрывающего) слоя нелегированного кремния.

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 четырехкратном повторении процедуры формирование 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 0,3 нм, что говорит о том, что выращенные слои кремния являются монокристаллическими. На поверхности находятся дырки (ширина 50-100 нм, глубина 0,2-2,5 нм) с концентрацией не более 5·10⁸ см^-2, которые формируются непосредственно над движущимися к поверхности нанокристаллитами.

Заявленный способ обеспечивает формирование в составе светоизлучающего элемента активного слоя, что подтверждает фиг.10, на котором представлен спектр электролюминисценции восьмислойного образца при обратном смещении и комнатной температуре диодной структуры. Для данного вида меза-диодных структур наблюдается спектр электролюминесценции с широким пиком в области 0,8-0,85 эВ, что свидетельствует о протекании процесса излучательной рекомбинации в нанокристаллитах дисилицида железа.

На фиг.11 показан поперечный срез образца, сформированного при четырехкратном 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 распределенные в объеме кремния нанокристаллиты дисилицида железа.