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 сформированных на буферном слое методом молекулярно-лучевой эпитаксии наноостровков полупроводникового дисилицида железа. Применение режимных параметров согласно изобретению обеспечивает высокую концентрацию нанокристаллитов в активной зоне. Изобретение обеспечивает 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. 2 н.п. ф-лы, 9 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 наноостровков дисилицида железа β-FeSi₂ путем осаждения в условиях сверхвысокого вакуума атомов железа на кремниевую подложку первого типа проводимости, нагретую до температуры около 470°C и последующее осаждение эпитаксиального слоя кремния второго типа проводимости при нагреве подложки до 600-800°C, (см. US №6368889, H01L 33/26; H01L 21/00; H01L 33/00, 2002).

Недостаток этого технического решения - значительный (около 100 нм) размер кристаллов 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.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что способ создания светоизлучающего элемента, включающий формирование наноостровков дисилицида железа β-FeSi₂ путем осаждения в условиях сверхвысокого вакуума атомов железа на кремниевую подложку первого типа проводимости, нагретую до температуры около 470°C 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 который при нагреве подложки около 470°C осаждают железо в количестве, достаточном для формирования на нем слоя толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с, при этом агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 20-40 нм, упруго встроенных в кремниевую матрицу, осуществляют осаждением 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, 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 на слой нелегированного кремния «при нагреве около 470°C, осаждают железо в количестве, достаточном для формирования на нем слоя толщиной 0,2-0,8 нм», обеспечивают формирование на буферном слое нелегированного кремния наноостровков β-FeSi₂, при этом заданные режимные параметры процесса осаждения железа обеспечивают возможность минимизировать размеры наноостровков β-FeSi₂.

Признаки, указывающие, что наноостровки β-FeSi₂ формируют при скорости осаждения «1,7×10^-3-1,7×10^-2 нм/с», обеспечивают формирование необходимого количества наноостровков β-FeSi₂ на поверхности, 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 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, обеспечивающего «запуск» и «протекание» процесса агрегации наноостровков в нанокристаллиты β-FeSi₂.

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 осаждения кремния второго типа проводимости; на фиг.6 схематически показан общий вид светоизлучающего элемента, на фиг.7 схематически показана установка, обеспечивающая реализацию способа; на фиг.8 показано изображение поверхности кремния, на которой сформированы наноостровки дисилицида железа, полученное методом сканирующей атомно-силовой микроскопии; на фиг.9 приведен спектр фотолюминесценции для полученного образца светоизлучающего элемента.

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 кремния путем осаждения 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 около 470°C которая обеспечивает формирование на ее поверхности наноостровков дисилицида железа в процессе осаждения железа (см. фиг..2), 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 подложку выполняют до появления на подложке такого количества железа, которое эквивалентно объему сформированной на подложке сплошной пленки железа толщиной от 0,2 до 0,8 нм. При этом, в заданных режимных условиях, 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 20-40 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). После этого 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 завершению 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.6).

Заявленный способ обеспечивает формирование на поверхности кремния наноостровков дисилицида железа, изображение которых, полученное методом сканирующей атомно-силовой микроскопии приведено на фиг.8. Этот образец был получен осаждением 0,8 нм железа со скоростью 7×10^-2 нм/с. Видно, что поверхность оказалась равномерно заполненной небольшими островками округлой формы со средними латеральными размерами 76 нм и высотами 3 нм, часть из которых проявляет тенденцию к прямоугольной огранке. Островки расположены очень плотно (концентрация - 1,1×10¹⁰ см^-2) и зачастую соприкасаются друг с другом, образуя небольшие цепочки длиной до 5 островков.

Заявленный способ обеспечивает формирование в составе светоизлучающего элемента активного слоя. Результаты изучения характеристик материала этого слоя приведены на фиг.9, где показан его спектр фотолюминесценции (ФЛ), полученный при Т=5 K и возбуждении лазером 632,8 нм (He-Ne). Широкий пик в области 0,80-0,85 эВ свидетельствует о протекании процесса излучательной рекомбинации в нанокристаллитах 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 который при нагреве подложки около 470°C осаждают железо в количестве, достаточном для формирования на нем слоя толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7·10^-3-1,7·10^-2 нм/с, при этом агрегацию наноостровков β-FeSi₂ в нанокристаллиты β-FeSi₂ с размерами 20-40 нм, упруго встроенных в кремниевую матрицу, осуществляют осаждением 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, 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).