RU2731498C1 - Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора - Google Patents

Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора Download PDF

Info

Publication number
RU2731498C1
RU2731498C1 RU2019139981A RU2019139981A RU2731498C1 RU 2731498 C1 RU2731498 C1 RU 2731498C1 RU 2019139981 A RU2019139981 A RU 2019139981A RU 2019139981 A RU2019139981 A RU 2019139981A RU 2731498 C1 RU2731498 C1 RU 2731498C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
array
substrate
functional
dimensional component
nitride
Prior art date
Application number
RU2019139981A
Other languages
English (en)
Inventor
Константин Павлович Котляр
Родион Романович Резник
Игорь Викторович Штром
Тамара Нарциссовна Березовская
Алексей Дмитриевич Большаков
Дмитрий Степанович Шевчук
Георгий Эрнстович Цырлин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" (СПБАУ РАН им. Ж.И. Алферова)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" (СПБАУ РАН им. Ж.И. Алферова) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки "Санкт-Петербургский национальный исследовательский Академический университет имени Ж.И. Алферова Российской академии наук" (СПБАУ РАН им. Ж.И. Алферова)
Priority to RU2019139981A priority Critical patent/RU2731498C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2731498C1 publication Critical patent/RU2731498C1/ru

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0014—Array or network of similar nanostructural elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009—Forming specific nanostructures
    • B82B3/0033—Manufacture or treatment of substrate-free structures, i.e. not connected to any support
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/007—Growth of whiskers or needles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B23/00—Single-crystal growth by condensing evaporated or sublimed materials
    • C30B23/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B23/08—Epitaxial-layer growth by condensing ionised vapours
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/38—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
    • C30B29/403—AIII-nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/605—Products containing multiple oriented crystallites, e.g. columnar crystallites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/62—Whiskers or needles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/06—Joining of crystals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B33/00—After-treatment of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B33/08—Etching
    • C30B33/10—Etching in solutions or melts
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых приборов и может найти применение в промышленном производстве светоизлучающих устройств и фоточувствительных элементов. Способ получения функционального трехмерного компонента (ФТК) оптоэлектронного прибора характеризуется тем, что на поверхности нагретой до температуры 620-710°С кремниевой подложки 1 методом молекулярно-пучковой эпитаксии формируют массив однонаправленных нитевидных нанокристаллов (ННК) III-нитридных материалов с образованием массива нанокристаллов 2, имеющих переменное по высоте поперечное сечение с утонениями на обоих концах и частично сросшихся в серединной по высоте зоне 3, после чего осуществляют отделение полученного массива от подложки путем травления водным раствором, включающим плавиковую и азотную кислоту. Полученный отделением от подложки бесподложечный массив ННК предназначен для применения в качестве функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора. Функциональный трехмерный компонент может являться массивом нитевидных нанокристаллов нитрида индия-галлия, или нитрида индия, или нитрида галлия. Технический результат - обеспечение конструктивной прочности (целостности) ФТК, сформированного в виде массива ННК III-нитридных материалов, достаточной для его функционирования после отделения от подложки при высоком оптическом качестве материала ННК. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Группа изобретений относится к технологии получения полупроводниковых приборов, а точнее к способу получения бесподложечных массивов нитевидных нанокристаллов, а также к структуре функционального трехмерного компонента, изготовленного по заявляемому способу, и предназначенного для использования в оптоэлектронных приборах. Изобретение может найти применение, например, в промышленном производстве светоизлучающих устройств и фоточувствительных элементов.
В контексте данной заявки термин "бесподложечный массив" используется в значении "массив, не имеющий подложки", а точнее: "массив, сформированный на подложке и отделенный от нее".
За последние десятилетия активные исследования оптических свойств различных материалов привели к созданию новых оптоэлектронных устройств и источников излучения. Особый интерес представляют нитриды металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева, такие соединения как: нитрид галлия (GaN) нитрид индия (InN), трехкомпонентный твердый раствор - нитрид индий-галлия (InGaN), -(далее - III-нитридные материалы) На сегодняшний день использование синих светодиодов на основе гетероструктур III-нитридных материалов совместно с люминофором является основным методом получения высокоэффективных энергосберегающих излучателей белого света. Тем не менее, оптоэлектронные устройства на основе слоёв III-нитридных материалов имеют ряд проблем, в том числе вывод света из объёма полупроводника или его поглощение, высокая плотность дефектов объёмных материалов.
Одним из способов увеличения эффективности полупроводниковых структур и расширения их функциональных свойств, является использование трёхмерных наноструктур, таких как массивы нитевидных нанокристаллов (далее -ННК).
Уникальная геометрия ННК позволяет увеличить вывод света из объёма полупроводникового материала или увеличить его поглощение. Изменение параметров массива ННК позволяет управлять оптическими свойствами массива ННК. Основным преимуществом ННК является высокое кристаллическое совершенство материала ННК.
В статье [Shunfeng Li, Andreas Waag, GaN based nanorods for solid state lighting, Journal of Applied Physics, 111, 2012 г.] описаны способы получения массивов ННК III-нитридных материалов на подложках различными методами, в том числе методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота и варианты реализации функциональных компонентов светоизлучающих устройств на их основе. Одной из важных функций, выполняемых подложкой, на которой синтезируется массив ННК, является поддерживание и сохранение массива ННК как единой структуры. Подложка может входить в состав функционального компонента оптоэлектронного прибора. Однако для ряда применений наличие подложки весьма ограничивает функционал реализуемых устройств на основе массива ННК. В ряде случаев, например, для создания гибких прозрачных устройств, обеспечения эффективного теплоотвода от массива ННК, необходимости удаления подложки вследствие сложности или ввиду отсутствия необходимости интегрировать подложку как функциональный элемент в конечный прибор, необходимо отделение массива ННК от подложки. Однако, в способах, описанных в указанной статье, сформированный массив ННК от подложки не отделяют.
Существуют различные технологические приемы, позволяющие сохранить конструктивную целостность массива ННК, сформированного на подложке, после отделения от нее. Так в патенте US7091120B2 описан способ получения автономного композита, представляющего собой отделённую от подложки полимерную плёнку, содержащую в себе предварительно сформированный на подложке массив ННК. Этот автономный композит выступает в роли функционального компонента различных оптоэлектронных устройств, в том числе гибких источников излучения, солнечных элементов и датчиков давления. Согласно описанному в US7091120B2 способу, подложку со сформированными отдельно стоящими (никак не соединенными между собой) ННК помещают в специальный раствор полимера. После того как полимер проникает в зазоры между ННК, образец вынимают из раствора, полимер подвергают операции полимеризации. Полученный композитный материал отделяют от подложки (лезвием, стравливанием подложки, использованием разделительного слоя, также удаляемого травлением).
В полученном по патенту US 7091120B2 функциональном трехмерном компоненте оптоэлектронного прибора полимер выполняет функцию объединяющего конструктива, обеспечивающего существование массива ННК как единого целого после его отделения от подложки. Несмотря на присущие плюсы формирования композитного материала представляющего ННК в полимерной мембране (гибкость, простота формирования контактов к основаниям и вершинам ННК и т.д.), данное техническое решение обладает рядом недостатков. При последующем проектировании оптоэлектронных устройств необходимо учитывать свойства полимерного материала. Например, при использовании полимерного материала, сужается диапазон температур пригодных для работы проектируемого оптоэлектронного устройства, необходимо учитывать вывод света или его поглощение с учётом полимерного материала, влияние технологических операций инкапсуляции ННК в полимер на оптоэлектронные свойства ННК и.т.д.
Проблема необходимости удаления подложки и формирования бесподложечных ФТК присуща и для эпитаксиальных слоёв материалов.
В статье [С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, А.В. Редьков, Отделение эпитаксиальных гетероструктур III−N/SiC от подложки Si и их перенос на подложки других типов, Физика и техника полупроводников, том 51, вып. 3, с. 414-420, 2017 г.] описан метод отделения эпитаксиальных слоёв III−нитридных материалов, синтезированных на гибридной SiC/Si подложке. Как описано в статье отделение проводилось путём химического травления в водном растворе азотной и плавиковой кислот в течение 15−20 мин при температуре 20°C, после чего слой SiC вместе со слоем III−нитридного материала полностью отделился от подложки Si. При этом травящий раствор проникает через поры в кремнии, которые образовались при синтезе слоя SiC на Si подложке, травит кремний на границе со слоем SiC. Таким образом, полученная в результате отделения структура имеет в своем составе слой SiC, выполняющий функцию подложки, удерживающей от разрушений слой III−нитридного материала, который является функциональным компонентом оптоэлектронного прибора. Таким образом, в данном случае слой III−нитридного материала тоже не является автономным бесподложечным функциональным компонентом.
В качестве прототипа заявляемого способа получения функционального трехмерного компонента (далее - ФТК) оптоэлектронного прибора выбрана технология, описанная в патенте EP 1796180 A1. В данном патенте описаны способы изготовления оптоэлектронных устройств на основе массивов ННК III-нитридных материалов, синтезированных на различных подложках, в том числе на Si (111) подложке n-типа проводимости методом молекулярно-пучковой эпитаксии с плазменной активацией азота (МПЭ ПА) [метод МПЭ ПА описан в G. Koblmüller, J.R. Lang, Е.С.Young, J.S. Speck, Handbook of Crystal Growth (Second Edition), 705-754 (2015)]. Особенностью описываемых способов является управление морфологией ННК в процессе роста за счёт управления температурой подложки и соотношением потока атомов элементов III группы и потока активированного плазмой азота. Как видно из изображений, представленных в EP 1796180 A1 (Фиг. 1 и Фиг. 11) ФТК оптоэлектронного прибора представляет собой массив столбчатых ННК с вершинами в форме обратной усеченной пирамиды с плакирующим слоем, образованным сросшимися между собой вершинами ННК. Согласно описанному способу, помещённую в ростовую камеру подложку Si нагревают до температуры в диапазоне от 500°С до 600°С, после чего подложку последовательно выдерживают в потоке галлия и активированного плазмой азота. При этом на поверхности кремния происходит формирование островков GaN с заданной поверхностной плотностью, выступающих в роли зародышей для дальнейшего роста столбчатых GaN ННК. На следующем этапе синтезируют гетероструктурные ННК в азотно-обогащенных условиях роста по описанной в патенте технологической схеме. На начальном этапе синтезируют столбчатые ННК GaN n-типа проводимости при температуре около 860°С. Затем, при более низких температурах в диапазоне 680–700°С, выращивают активную область на основе InGaN и формируют вершины ННК на основе GaN p-типа проводимости. В результате уменьшения температуры диаметр ННК увеличивается при росте GaN p-типа и ННК сращиваются между собой, с образованием сплошного плакирующего слоя GaN.
Синтезированная структура представляет собой сформированный на подложке массив однонаправленных ННК (с характерным диаметром столбчатой части порядка 80-100 нм, высотой 1500 нм) со сросшимися вершинами. Сросшиеся вершины образуют плакирующий слой. Описанный в патенте EP 1796180 ФТК оптоэлектронный прибор является прототипом второго объекта изобретения. Формирование такой структуры облегчает создание верхнего контакта, вместе с этим сохраняя превосходное оптическое качество материала ННК. При этом конструктивное единство обеспечивается как наличием подложки, так и сформированным плакирующим слоем GaN. Таким образом, ФТК по прототипу обладает описанными выше недостатками, присущими структурам с подложками.
В основу изобретения поставлена техническая проблема расширения арсенала средств и создания нового способа получения и новой полученной данным способом конструкции функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора на основе нитевидных нанокристаллов III-нитридных материалов. Достигаемый технический результат - обеспечение конструктивной прочности (целостности) ФТК, сформированного в виде массива ННК III-нитридных материалов, достаточной для его функционирования после отделения от подложки одновременно при высоком оптическом качестве материала ННК.
Поставленная задача в первом объекте изобретения решается тем, что способ получения ФТК оптоэлектронного прибора характеризуется тем, что на поверхности кремниевой подложки методом молекулярно-пучковой эпитаксии формируют массив однонаправленных частично (не по всей длине ННК, а только в серединной по высоте зоне) сросшихся ННК III-нитридных материалов. ННК имеют переменное поперечное сечение с утонениями на обоих концах. После формирования массива ННК осуществляют его отделение от подложки путем травления водным раствором, включающим плавиковую и азотную кислоты. Полученный отделением от подложки бесподложечный массив ННК предназначен для применения в качестве ФТК оптоэлектронного прибора.
Поставленная задача во втором объекте изобретения решается тем, что функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора характеризуется тем, что представляет собой бесподложечный массив однонаправленных ННК III-нитридных материалов, имеющих переменное поперечное сечение с утонениями на обоих концах и частично сросшихся в серединной по высоте зоне.
В качестве III-нитридных материалов целесообразно применение нитрида галлия, или нитрида индия, или нитрида индия-галлия.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации с формированием массива ННК нитрида индий-галлия. Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:
Фиг. 1 – массив ННК нитрида индий-галлия, синтезированный на подложке (схематично);
Фиг. 2 – изображение растровой электронной микроскопии синтезированного на подложке массива ННК нитрида индий-галлия;
Фиг. 3 – изображение растровой электронной микроскопии отделённого от подложки массива ННК в результате травления в кислотном травителе;
Фиг. 4 – изображение растровой электронной микроскопии вершин ННК отделённого от подложки массива ННК;
Фиг. 5 – изображение растровой электронной микроскопии оснований ННК отделённого от подложки массива ННК;
Фиг. 6 – спектры фотолюминесценции массива ННК нитрида индий-галлия: график (а) - до отделения от подложки, график (б) - после отделения от подложки.
Фиг. 7 – зависимость интегральной интенсивности фотолюминесценции бесподложечных массивов от мощности возбуждающего излучения: график (а) - для массива ННК нитрида галлия, график (б) – для массива ННК нитрида индий-галлия.
Способ реализуется следующим образом.
На первом этапе формирования ФТК оптоэлектронного прибора на подложке кремния с кристаллографической ориентацией поверхности (111) синтезируют массив ННК нитрида индий-галлия методом МПЭ ПА, что осуществляется следующим образом: подложку кремния помещают в откаченную до сверхвысокого вакуума камеру роста установки МПЭ ПА, нагревают подложку до 950°С, и выдерживают при этой температуре в течении 30 минут. Остаточный вакуум в ростовой камере составляет не менее 3*10-6 Па. Затем температуру подложки понижают до 690°С и инициируют источник плазмы азота. После стабилизации температуры подложки одновременно открывают заслонки источников галлия и индия. Потоки атомов галлия и индия при синтезе равны и соответствуют давлению 1,3*10-5 Па. Поток активированного плазмой азота соответствуют давлению 1*10-4 Па, расход азота FN2=0,4 стандартных кубических сантиметров в минуту, мощность плазменного источника W=400 Вт. Длительность синтеза составляет 20 часов.
Полученная структура представлена схематично на Фиг. 1 и на изображении растровой электронной микроскопии на Фиг. 2. Как видно из представленных иллюстраций, сформированные на подложке 1 нитевидные нанокристаллы 2 ориентированы преимущественно в одном направлении перпендикулярно подложке 1 (возможны отклонения в пределах 5 градусов), и имеют переменное поперечное сечение с утонениями на обоих концах: как со стороны вершин, так и со стороны оснований нитевидных нанокристаллов. Характерный диаметр ННК в серединной зоне составляет примерно до 100 нм, у оснований - примерно до 10 нм, у вершин - примерно до 20 нм. Общая высота массива ННК составляет 2200 нм. При этом в серединной зоне 3 ННК срослись. Получение такой структуры массива объясняется следующим образом. На начальном этапе синтеза диаметр ННК увеличивается по мере роста ННК (в вершине), вследствие малого коэффициента миграции атомов Ga и In, что является особенностью роста III-нитридных материалов. В момент, когда соседние ННК начинают касаться друг друга, происходит эпитаксиальное сращивание ННК между собой, что отвечает серединной зоне (Фиг. 1 и Фиг. 2 позиция 3) ННК в конечном массиве. В контексте данной заявки термин "сращивание" означает механическое сцепление за счет неровностей боковых поверхностей ННК и обжатия нанокристаллов соседними нанокристаллами, что приводит к образованию химических связей между ними. Далее, поскольку эффективная температура в зоне роста ННК уменьшается с увеличением высоты синтезируемой структуры, происходит постепенное изменение условий роста. Это приводит к тому, что по мере роста ННК на определенной высоте начинается их утонение, и соответственно, отделение друг от друга. Таким образом, с одной стороны, синтезированный массив ННК представляет собой единую конструктивно целостную структуру и обладает необходимой прочностью, чтобы существовать отдельно от подложки. С другой стороны, образованные ННК являются лишь частично сросшимися, то есть сросшимися только в серединной по высоте зоне. Приведённые в примере режимы осуществления способа (температура, временные интервалы, давления, газовые потоки, мощность плазменного источника) получены экспериментальным путём и могут варьироваться в определённых пределах. Так, например, при синтезе массива ННК на кремниевой подложке методом МПЭ ПА, могут варьироваться следующие параметры: температуру подложки во время роста ННК могут задавать в диапазоне 620°С-710°С, расход азота - в пределах FN2=0,1-1 стандартных кубических сантиметров в минуту, мощность плазменного источника - W=300-500 Вт. Конкретные параметры процесса МПЭ ПА зависят от множества факторов: конструктивные и функциональные особенности установки МПЭ ПА, набор материалов источников, задаваемое время роста и проч.
Зона 3 (зона частичного сращивания ННК) составляет не менее четверти от общей высоты массива ННК. Это обеспечивает конструктивную прочность ФТК оптоэлектронного прибора после процесса отделения массива ННК от подложки. Сам процесс отделения является вторым этапом способа. Для отделения от подложки выращенную структуру помещают в водный раствор, включающий плавиковую и азотную кислоту с добавлением вязкого компонента, например, глицерина. При комнатной температуре 25°C выдерживают в течение 3-5 минут до отделения структуры от подложки, тем самым получая автономный бесподложечный массив ННК.
На Фиг. 3 представлено изображение растровой электронной микроскопии массива ННК нитрида индий-галлия, отделённого от подложки. Как можно видеть из Фиг. 4 и Фиг.5 между вершинами ННК и их основаниями есть зазоры, обеспечивающие проникновение травящего раствора к подложке по всей площади образца. В результате травления происходит отделение оснований ННК от подложки и релаксация напряжений в массиве ННК, вызванных рассогласованием постоянных решёток материала ННК и материала подложки. При этом в качестве одного из продуктов реакции образуется газ NO или NO2, наблюдаемый в виде пузырей. Создаваемое избыточное давление у оснований ННК приводит к отрыву массива от подложки. Отметим, что III-нитридные материалы обладает высокой химической стойкостью и устойчивы к данному травящему раствору. Добавка, увеличивающая вязкость водного раствора, позволяет удерживать газовые пузыри у оснований ННК, что способствуют более равномерному протеканию процесса отделения массива от подложки. Изменяя вязкость травящего раствора, возможно отделить массивы ННК площадью от 10 мкм2 до отделения всего массива целиком, что позволяет в дальнейшем использовать такие структуры как ФТК оптоэлектронного прибора. Так же варьируя соотношение плавиковой и азотной кислот можно добиться полирующего режима травления кремния, при котором возможно повторно использовать подложки кремния после отделения массива ННК для последующего роста таких же структур.
Таким образом, несмотря на то, что для отделения ННК III-нитридных материалов от кремниевой подложки в заявляемом способе используется известный травитель для отделения эпитаксиальных слоёв этих материалов [С.А. Кукушкин, А.В. Осипов, А.В. Редьков, Отделение эпитаксиальных гетероструктур III−N/SiC от подложки Si и их перенос на подложки других типов, Физика и техника полупроводников, том 51, вып. 3, с. 414-420, 2017 г.], механизм отделения существенно отличается, что обеспечивает возможность получения трехмерного объекта - бесподложечного массива ННК.
Кроме того, в отличие от прототипа, разработанный способ позволяет получить ФТК оптоэлектронного прибора без использования предростовых процедур подготовки поверхности подложки, без управления ростовыми параметрами в процессе синтеза массива ННК (а именно непосредственного управления температурой подложки на этапе формирования ННК) и без использования многоэтапных методов отделения массива ННК от подложки.
На Фиг. 6 представлены спектры фотолюминесценции массива ННК нитрида индий-галлия: график (а) - до отделения от подложки, график (б) - после отделения от подложки.
На спектрах фотолюминесценции наблюдается широкая полоса излучения в спектральном диапазоне от 450 до 650 нм, которая обусловлена излучением от массива ННК нитрида индий-галлия. После отделения массива от подложки наблюдается уменьшение интенсивности фотолюминесценции, связываемое с отсутствием переотражения от подложки.
На Фиг. 7 приведены зависимости (линейная аппроксимация полученных экспериментальных данных) интегральной интенсивности фотолюминесценции от оптической мощности возбуждения для полученных бесподложечных массивов нитрида галлия (график (а)) и нитрида индий-галлия (график (б)) ННК. Как видно из графика, зависимости описываются линейными функциями вида f=kx+b с коэффициентом k=0,98 и k=0,95 для массивов ННК нитрида галлия и нитрида индий-галлия, соответственно, что сопоставимо с зависимостями, представленными для массива ННК в патенте EP 1796180 A1. Коэффициент наклона близкий к единице свидетельствует о слабой роли безызлучательной рекомбинации в структуре. Такой характер зависимости указывает на высокое оптическое качество материала полученных структур.
В виду того, что синтез ННК III-нитридных материалов, а именно, описанного выше нитрида индий-галлия, а также нитрида галлия и нитрида индия, происходит по схожим принципам, это определяет возможность синтезировать массивы ННК всех выше упомянутых III-нитридных материалов для создания вышеописанного ФТК. Изменение температурного режима роста III-нитридных материалов позволяет переходить от анизотропных условий роста преимущественно вдоль направления перпендикулярного подложке и формирования столбчатых ННК, к изотропного режиму роста, обеспечивающему увеличение диаметра ННК, что является общим свойством упомянутых III-нитридных материалов. Конкретный подбор параметров (температуры роста, давления в камере роста, соотношения потоков атомов индия или галлия и активированного плазмой азота) для синтеза ФТК определяется экспериментально для каждого материала. Отделение синтезированного массива от подложки осуществляется с применением того же травящего раствора по аналогичному механизму, как это представлено на описанном выше примере для массива ННК нитрида индий-галлия. Сформированные бесподложечные массивы ННК GaN и InN также предназначены для применения в качестве функциональных трехмерных компонентов оптоэлектронных приборов.
Таким образом, как показали исследования, разработанный способ позволяет получать массивы ННК III-нитридных материалов и отделять их от подложки с сохранением целостности и прочностных эксплуатационных свойств массива. Полученная заявленным способом структура обладает оптическими свойствами, позволяющими использовать её в качестве ФТК оптоэлектронных приборов, например, для создания светоизлучающих устройств, фоточувствительных устройств (фотоприёмников, солнечных элементов).

Claims (9)

1. Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора, характеризующийся тем, что на поверхности нагретой до температуры 620-710°С кремниевой подложки методом молекулярно-пучковой эпитаксии формируют массив однонаправленных нитевидных нанокристаллов III-нитридных материалов с образованием массива нанокристаллов, имеющих переменное по высоте поперечное сечение с утонениями на обоих концах и частично сросшихся в серединной по высоте зоне, после чего осуществляют отделение полученного массива от подложки путем травления водным раствором, включающим плавиковую и азотную кислоту.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют массив нитевидных нанокристаллов нитрида индия-галлия.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют массив нитевидных нанокристаллов нитрида индия.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что формируют массив нитевидных нанокристаллов нитрида галлия.
5. Функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора, характеризующийся тем, что представляет собой бесподложечный массив однонаправленных нитевидных нанокристаллов III-нитридных материалов, имеющих переменное по высоте поперечное сечение с утонениями на обоих концах и частично сросшихся в серединной по высоте зоне.
6. Функциональный трехмерный компонент по п.5, отличающийся тем, что получен способом по п.1.
7. Функциональный трехмерный компонент по п.5 или 6, отличающийся тем, что упомянутый массив является массивом нитевидных нанокристаллов нитрида индия-галлия.
8. Функциональный трехмерный компонент по п.5 или 6, отличающийся тем, что упомянутый массив является массивом нитевидных нанокристаллов нитрида индия.
9. Функциональный трехмерный компонент по п.5 или 6, отличающийся тем, что упомянутый массив является массивом нитевидных нанокристаллов нитрида галлия.
RU2019139981A 2019-12-06 2019-12-06 Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора RU2731498C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139981A RU2731498C1 (ru) 2019-12-06 2019-12-06 Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019139981A RU2731498C1 (ru) 2019-12-06 2019-12-06 Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2731498C1 true RU2731498C1 (ru) 2020-09-03

Family

ID=72421804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019139981A RU2731498C1 (ru) 2019-12-06 2019-12-06 Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2731498C1 (ru)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1796180B1 (en) * 2004-08-31 2017-06-07 Sophia School Corporation Light emitting element and its manufacturing method
CN109795982A (zh) * 2018-12-30 2019-05-24 华南师范大学 一种纳米线阵列、光电子器件及其制造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1796180B1 (en) * 2004-08-31 2017-06-07 Sophia School Corporation Light emitting element and its manufacturing method
CN109795982A (zh) * 2018-12-30 2019-05-24 华南师范大学 一种纳米线阵列、光电子器件及其制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KEVIN D. GOODMAN et al., Green luminescence of InGaN nanowires grown on silicon substratesby molecular beam epitaxy, "Journal of Applied Physics", 2011,109, 084336. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9870920B2 (en) Growing III-V compound semiconductors from trenches filled with intermediate layers
KR100897589B1 (ko) 갈륨 나이트라이드층 형성방법
TWI523256B (zh) 形成一複合基板及於該複合基板上生長iii-v族發光裝置之方法
RU2315135C2 (ru) Метод выращивания неполярных эпитаксиальных гетероструктур на основе нитридов элементов iii группы
CN105821435B (zh) 用于GaN装置的基于导电性的选择性蚀刻和其应用
JP4493646B2 (ja) 後続のターゲット材堆積のためのシリコン基板を改質するバッファ構造および該バッファ構造を形成する方法
US20130200391A1 (en) Gallium nitride based structures with embedded voids and methods for their fabrication
JP6947746B2 (ja) 複合ＧａＮナノカラムの製造方法
KR20080075914A (ko) 낮은 전위 밀도를 가지는 ＧａＮ의 성장 공정
JP5916625B2 (ja) 光抽出構造を含む半導体発光装置及び方法
CN113921380A (zh) 制造纳米棒的方法以及通过该方法制造的纳米棒
JP2023519983A (ja) Ｌｅｄ前駆体
EP3942595A1 (en) Semiconductor template and fabrication method
RU197477U1 (ru) Функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора
RU2731498C1 (ru) Способ получения функционального трехмерного компонента оптоэлектронного прибора и функциональный трехмерный компонент оптоэлектронного прибора
CN108342773A (zh) 生长镓氮化物半导体层的方法
KR19990016925A (ko) ＧａＮ 단결정 제조 방법
JP2008540312A (ja) 立方晶ｉｉｉ族窒化物自立バルク基板およびその製造方法
JP5946333B2 (ja) Ｉｉｉ族窒化物半導体デバイス及びその製造方法
EP4104203A1 (fr) Procede de fabrication de nanostructures de nitrure d'aluminium et de gallium (algan)
KR100765722B1 (ko) 나노 로드를 갖는 발광 소자 및 그의 제조 방법
RU2540446C1 (ru) Способ формирования темплейта нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации на кремниевой подложке и полупроводниковое светоизлучающее устройство, изготовление с использованием способа
RU135186U1 (ru) Полупроводниковое светоизлучающее устройство
US20210320006A1 (en) Method of manufacturing a semiconductor component, and workpiece
KR100946213B1 (ko) 다공성 구조를 갖는 반도체 구조물 및 소자 그리고, 그 제조방법