Способ получения рельефа на поверхности

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике. Cпособ получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, при этом в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл, с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла. Изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности излучения светодиодов. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к нелитографическим лазерным микротехнологиям формирования на подложках тонкопленочных структур.

При изготовлении полупроводниковых светодиодов имеется проблема эффективного выхода излучения из объема светоизлучающего кристалла в окружающую среду. Эффективность невысока в связи со значительным отражением света от поверхности кристалла, обычно изготовленного из полупроводника с высоким значением показателя преломления. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения лучи, падающие на поверхность изнутри кристалла под углами больше критического угла полного отражения возвращаются в кристалл; через гладкую поверхность кристалла выходит менее 5% возникшего в кристалле излучения. Предложено несколько способов создания рельефа на выходной поверхности излучающего полупроводникового кристалла.

В работе [И.П. Смирнова и др. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC // ФТП. - 2010. - Т.44, вып.5. - С.684-687], выбранной в качестве аналога представленного изобретения, развит метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%.

Недостатком аналога является сложность технологии и необходимость значительного времени для проведения реактивного ионного процесса.

В качестве прототипа выбрана работа [В.А. Карачинов, Д.В. Карачинов, М.В. Казакова. Теплофизические и оптические свойства микросистем с луночным рельефом на основе карбида кремния. ЖТФ, 2012, том 82, вып.8], в которой предложен электроэрозионный метод в варианте с жидким диэлектриком создания на поверхности тугоплавкого полупроводникового материала луночного рельефа. Поверхность подвергается воздействию электрических разрядов в жидкой диэлектрической среде, возникающие поверхностные эрозионные лунки распределены на поверхности беспорядочно. Метод создания рельефа является более производительным, технологическое оборудование дешевле.

Недостатком прототипа является невозможность управления соотношениями размеров в возникающей поверхностной лунке (отношением глубины лунки к диаметру), что может не позволить создавать высокоэффективные с точки зрения прохождения излучения рельефы.

Задачами, решаемыми в данном изобретении, являются:

- создание способа создания рельефной поверхности кристалла светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения,

- создание одностадийного способа создания рельефа, не требующего проведения некоторой последовательности технологических операций с переносами образцов из одной технологической установки в другую.

Задача решается тем, что в способе получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, в соответствии с изобретением, эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла.

Предложено также, что лазерное облучение производят в импульсно-периодическом режиме.

В соответствии с изобретением, подложка облучается лазерным пучком локальными участками таким образом, что на поверхности возникают отдельные участки эрозии материала подложки вследствие оптико-термического воздействия излучения; облучение должно вестись импульсно, сфокусированным пучком, который может от импульса к импульсу перемещаться относительно подложки, или широким лазерным пучком, преобразованным в многолучевой при прохождении через специальную маску с несколькими отверстиями.

При фокусировании излучения на поверхность кремниевой подложки световая волна проникает в ее внутренние области; в начальный момент распределение интенсивности в подложке определяется формулой:

I(z,t=0)=I_pexp(-αz),

где z - координата точки в подложке, отсчитываемая от поверхности; α - коэффициент поглощения излучения; I_p - интенсивность поглощенного поверхностью излучения. Интенсивность мощного излучения может быть достаточной для нагревания облучаемой области за импульс до температуры плавления и испарения вещества подложки. Выделившаяся теплота внутри подложки распространяется за счет теплопроводности подложки

$$l_T=\sqrt{{\chi }^t}$$ ,

где χ - теипературопроводность материала, l_T - длина тепловой волны в материале, расстояние, которое пройдет температурный фронт за время лазерного импульса t. Температура в центре фокального пятна при гауссовском распределении интенсивности излучения по пятну определялась формулой:

$$\Delta T=\frac{\left(1-R\right)I_0{t}^{1/2}}{{\left(\sqrt{2}{k}_T\rho c\right)}^{1/2}}$$

где ρ - плотность подложки, k_T - теплопроводность, c - удельная теплоемкость, R - коэффициент отражения кремния, I₀, Вт/м² - интенсивность падающего на поверхность излучения.

При воздействии мощного импульсного лазерного излучения на поверхности полупроводников вследствие лучевого нагревания происходят фазовые переходы состояния поверхности - плавление и парообразование, возникают механические усилия, обусловленные изменениями объемов микрообластей материала и градиентами температур. Вопросы определения закономерностей процессов, происходящих при мощном облучении поверхностей, широко обсуждаются в известной научной литературе, но общепризнанной модели, определяющей связь между параметрами облучения и параметрами возникающей на поверхности подложки структуры, по нашим сведениям, нет. По оценкам, при использовании наносекундного импульсного излучения с интенсивностью порядка 10¹² Вт/м² за время импульса подложка может в области фокального пятна и в толще подложки под ним плавиться и испаряться, что приводит к термогидромеханическим эффектам самопроизвольного формирования объемных структур на поверхности подложки. Наши эксперименты показали, что лазерное импульсно-периодическое облучение кремния, карбида кремния и сапфира импульсами длительностью 6 нс позволяет получать на их поверхности в области фокального пятна неупорядоченные рельефы высотой несколько мкм при расстоянии между элементами рельефа от 0,1 до 5 мкм.

Как следует из общефизических соображений, характерные размеры элементов структурирования поверхности, возникающего в результате мощного облучения, должны уменьшаться по мере укорочения длительности импульсов облучения в связи с уменьшением области в облучаемой среде, в которой успевает распространяться выделившаяся тепловая энергия. Важным является также учет глубины поглощения излучения в материале.

В таблице приведены значения температуропроводности и глубины поглощения излучения на нескольких длинах волн для монокристаллических кремния, двуокиси алюминия (лейкосапфира) и карбида кремния.

Таблица
Температуропроводность и коэффициент поглощения излучения беспримесными монокристаллами при комнатной температуре
Материал	χ, см2/с	α, см-1, длина волны λ=355 нм
Кремний	0,0747	4·103 λ=530 нм
Карбид кремния	2,3	<10 (легированный 2000)
Лейкосапфир	0,02	2,5

Оценки показывают, что для формирования поверхностных структур в приповерхностной области толщиной 10 мкм подложки при помощи лазерного облучения коэффициент поглощения должен быть равен α=10³ см^-1, длина тепловой волны в карбиде кремния при длительности лазерного импульса 10 нс равна l_T=1,5 мкм; полученные значения удовлетворяют условию н.п.1 формулы изобретения при использовании кремния или карбида кремния. Для получения лазерным излучением рельефа на сапфире необходимо использовать лазерное излучение, поглощаемое в нем, например, в УФ-диапазоне спектра.

На фигуре 1 показана схема способа лазерного получения зоны эрозии на поверхности подложки. Здесь 1 - подложка светоизлучающего кристалла светодиода, 2 - образующийся рельефный слой, 3 - лазерный пучок, Λ, h, H - характерное значение расстояний между случайно раположенными элементами неупорядоченного рельефа, высота поверхностного рельефа, толщина преобразованного излучением слоя подложки, соответственно, L - ширина облученной зоны подложки.

При падении импульсного излучения 3 на поверхность подложки 1 в области с поперечником L возникает вследствие оптотермического выделения энергии зона эрозии поверхности глубиной H. Глубина зоны поглощения лазерного излучения равна H≈α^-1 и регулируется путем подбора длины волны излучения, от которой зависит поглощение излучения в данном материале. Величина перепада высот рельефа 2 меньше глубины H преобразованного слоя. Энергию E импульса падающего лазерного излучения находим из условия, что поглощенная подложкой доля энергии лазерного импульса расходуется на нагревание объема подложки V≈L²H до температуры кипения Т_кип, и в связи с малой длительностью импульса прилежащие к этому объему области подложки не успевают заметно нагреваться:

$$E_0=E/L^2\approx \frac{\rho cH{T}_{кип}}{A}$$ , где ρ, c - плотность и теплоемкость подложки, A - коэффициент поглощения излучения поверхностным слоем подложки, E₀ - поверхностная плотность энергии падающего излучения. Формула носит оценочный характер, при выводе не учитывалась теплота плавления, опто-теплофизические константы считались не зависящими от температуры.

В случае облучения сапфировой подложки при значениях H=10 мкм, Т_кип=3500°C, A=0,05 имеем E₀=1,4·10⁵ Дж/м². Интенсивность излучения при длительности импульса 10 не равна 1,4·10⁹ Вт/см². Полученные значения параметров лазерного облучения достигаются в промышленных лазерных установках. Таким образом, условия облучения н.п.1 формулы изобретения могут быть реализованы.

При многократном повторении лазерных импульсов, что реализуется импульсно-периодическим режимом работы лазерного излучателя (п.2 формулы), эффекты эрозии в облучаемой зоне суммируются, что упрощает требования к мощности лазерного излучения и позволяет также управлять параметрами рельефа на эрозионной поверхности. Например, при увеличении числа импульсов и уменьшении импульсной лазерной мощности высота рельефа может быть уменьшена, а число элементов рельефа на участке облучения может быть увеличено.

Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.

Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления эффективных светодиодов, возможно использование при создании оптических устройств с антибликовыми покрытиями.

Техническим результатом изобретения является способ повышения эффективности излучения светодиодов.

1. Способ получения рельефа на поверхности светоизлучающих кристаллов полупроводниковых светодиодов локальными эрозионными воздействиями на поверхность, отличающийся тем, что эрозия производится оптико-термическим действием импульсного лазерного излучения, проникающего в кристалл с глубиной поглощения в кристалле, близкой к глубине эрозии, и длительностью лазерных импульсов, меньшей времени распространения тепловой волны нагревания кристалла на глубину эрозии, причем энергия импульса лазерного излучения не менее приводящей к процессу поверхностного испарения кристалла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерное облучение производят в импульсно-периодическом режиме.