WO2015020558A1 - Method for forming a template on a silicon substrate, and light-radiating device - Google Patents

Method for forming a template on a silicon substrate, and light-radiating device Download PDF

Info

Publication number
WO2015020558A1
WO2015020558A1 PCT/RU2013/000844 RU2013000844W WO2015020558A1 WO 2015020558 A1 WO2015020558 A1 WO 2015020558A1 RU 2013000844 W RU2013000844 W RU 2013000844W WO 2015020558 A1 WO2015020558 A1 WO 2015020558A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
template
polar
semi
silicon substrate
orientation
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000844
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Василий Николаевич БЕССОЛОВ
Сергей Арсеньевич КУКУШКИН
Андрей Витальевич ЛУКЬЯНОВ
Андрей Викторович ОСИПОВ
Елена Васильевна КОНЕНКОВА
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии"
Publication of WO2015020558A1 publication Critical patent/WO2015020558A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • C30B29/406—Gallium nitride
    • 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
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/183—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being provided with a buffer layer, e.g. a lattice matching layer
    • 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
    • C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
    • C30B25/02—Epitaxial-layer growth
    • C30B25/18—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate
    • C30B25/186—Epitaxial-layer growth characterised by the substrate being specially pre-treated by, e.g. chemical or physical means
    • 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
    • H01L33/0093—
    • H01L33/22—

Definitions

  • a group of inventions relates to a nitride-based semiconductor technique, namely, to a method for forming a template for a light-emitting device, as well as to the design of the device itself.
  • template template - from the English template
  • - base quadsi-substrate
  • gallium nitride single crystals are grown on a substrate of a material other than gallium nitride, i.e. in the synthesis of gallium nitride single crystals, heteroepitaxy methods are used.
  • the substrates on which gallium nitride single crystals are grown for example, are sapphire substrates (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC) substrates.
  • gallium nitride single crystal is grown by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), chemical vapor deposition (MOCVD), or molecular beam epitaxy (MBE).
  • single crystal substrates made of sapphire are not used for the production of light-emitting devices with high radiation intensity (high-power LEDs) due to low thermal conductivity.
  • the SiC substrate which has high thermal conductivity and is therefore suitable for the production of high-power LEDs, is very expensive for mass application in production.
  • the most suitable for the production of light-emitting devices based on gallium nitride-epitaxial layers is a silicon substrate. It has dimensions up to 12 inches and a low cost in comparison with silicon carbide and sapphire substrates and a fairly high thermal conductivity. It is known for specialists that the creation of instrument structures of wide-gap semiconductors, which include gallium nitride, on a silicon substrate, allows these structures to be integrated with well-developed silicon optoelectronics. However, the lattice constants and thermal expansion coefficients of the silicon substrate and GaN single crystals are very different from each other. Direct deposition of a GaN layer on a silicon substrate leads to the formation of numerous defects, dislocations, and cracks.
  • Such a hexagonal structure of gallium nitride in the direction of the C axis has a significant internal electric field due to the piezoelectric and spontaneous polarization of electrons, which leads to a decrease in the light output from the crystal, especially in high-power LEDs with a high level of current flow through the device.
  • the patent RU 2326993 also discloses an LED structure, a template of which is formed on a silicon substrate having a surface in crystallographic orientation (111). On it, the first and second nitride buffer layers (A1N) are formed by HVPE, between which there is an amorphous oxide film of aluminum. Design flaws arise from the disadvantages of the method described above.
  • nitrides are synthesized in either non-polar or semi-polar directions.
  • the method for producing semi-polar gallium nitride GaN (1 1-20) [T. J. Baker, B. A. Haskell, F. Wu, JS Speck, S. Nakamura. Characterization of Planar Semipolar Gallium Nitride Films on Sapphire Substrates, "Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 45 (2006) LI 54] use a m-Al 2 O 3 orientation sapphire substrate, and in the method [B. P. Wagner, ZJ Reitmeier, JS Park, D. Bachelor, DN Zakharov, Z.
  • GaN templates are also known, [Bessolov VN, Zhilyaev Yu.V., Konenkova EV, Poletaev NK, Sharofidinov Sh., Shcheglov MP Epitaxy of gallium nitride in a semi-polar direction on silicon, Letters to ZhTF, 38 (2012), 21-26], grown by the HVPE method on a Si (001) substrate.
  • the strain anisotropy of the ZS-SiC / GaN heterostructure is used to ensure synthesis in the semi-polar direction.
  • the disadvantage of this method due to the uneven structure deformation is that the synthesis of layers occurs simultaneously in several semi-polar directions: GaN (10-14), GaN (10-13), GaN (10-12), which reduces the quality of the resulting layer and the impossibility use in light emitting devices.
  • the closest in technical essence to the claimed method, adopted as a prototype of the method is a method of obtaining a template of semi-polar gallium nitride for a light-emitting device [H.-Y. Lin, N.-N. Liu, Ch.-Z. Liao, J.-I.
  • the proposed method includes the following steps of preparing a silicon wafer for the synthesis of semi-polar GaN on it.
  • the disadvantages of the prototype method are due to the limitations imposed by the applied photolithography method for forming nanostructures, namely, the forced deep etching of the "grooves" of the silicon substrate leads to the manifestation of inhomogeneities on the surface of the light-emitting device. This negatively affects the number of suitable devices in mass production.
  • the MOCVD method does not allow the synthesis of a thick (20-200 ⁇ m) semi-polar layer, and, therefore, does not provide the possibility of creating an LED device without an initial silicon substrate.
  • the presence of a silicon substrate leads to the absorption in it of about half the radiation of the LED.
  • the LED structure was selected [Sawaki N. and Honda Y., Semi-polar GaN LEDs on Si substrate, Science China. Technological Sciences, 54 (2011) 38-41].
  • LED InGaN / GaN structures obtained by MOCVD using pre-obtained semi-polar (1-101) GaN template grown on a misoriented Si (001) substrate with the preliminary formation of grooves with a V-shaped cross-section on the surface of a silicon substrate obtained by photolithography and chemical etching.
  • the disadvantages of the device due to the above-described disadvantages of the technology.
  • the invention is based on the task of creating a simple and technologically advanced method for producing high-quality temlite based on semi-polar gallium nitride, as well as creating an LED device based on it.
  • Achievable technical result providing the possibility of forming a template with a thick layer of gallium nitride (20-200 and higher microns) of a semi-polar orientation on a cheap and affordable silicon substrate.
  • the first object of the invention is a method of forming a template of a semiconductor light-emitting device, characterized in that on a silicon substrate with a (100) orientation misoriented by 1-10 degrees in the ⁇ 011> direction, nanowires are formed on its surface by heating to a temperature of 1270-1290 hail. C. After this, a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined edge reaching the platform of the lower stage with the formation of an angle is formed by the method of carbon monoxide at each stage along its edge by solid-phase epitaxy slope 30-40 degrees.
  • a buffer layer of aluminum nitride is synthesized on the formed folded surface by the method of vapor-phase epitaxy using the same method of hydride vapor-phase epitaxy to form a layer of gallium nitride of a semi-polar (20-23) orientation, after which the silicon substrate is removed by etching.
  • the second object of the invention is a semiconductor light-emitting device, the template of which is obtained according to the claimed method.
  • the semiconductor device includes electrodes and a template on which the active layers of the device are formed, while the template is based on a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation, formed on a buffer layer of aluminum nitride deposited on the folded surface of the silicon carbide layer.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a template in the process of forming a folded surface of silicon carbide.
  • Fig.Z image of the cleaved template (a) obtained using a scanning electron microscope and the image of the surface of the template (b) obtained using an atomic force microscope.
  • FIG. 4 photoluminescence spectrum of semi-polar GaN at 77 K grown on a template
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a nitride light emitting diode
  • an ⁇ -type silicon wafer having a surface in the crystallographic orientation (100) with a 7-degree misorientation in the direction ⁇ 011> along the substrate surface is treated with a chemical etchant to remove natural oxide.
  • a “sandwich” is formed from the obtained substrate and graphite plate, with a distance between them of 5 mm, placed in a reactor and heated to a temperature of 1270-1290 degrees. FROM . Heating in this temperature range allows the formation of nanostages on the surface of silicon. It was experimentally established that this particular temperature range is optimal, providing stable formation of subsequent high-quality layers.
  • CO gas is supplied to the reactor for solid-state epitaxy, as a result of which a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed at each stage along its edge, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face extending to the site of the lower stage to form a slope angle of 30 40 deg.
  • the structure is placed in an HVPE reactor and A1C1 3 and NH 3 gas are supplied at a temperature 1080 C for growing an A1N layer 200 nm thick.
  • GaCl 3 and NH 3 gas are supplied to the reactor, and a layer of gallium nitride of a semi-polar (20-23) orientation with a thickness of 20-200 ⁇ m is formed, after which the silicon substrate is removed by chemical etching.
  • the resulting template GaN / AlN / SiC was placed in a MOCVD-reactor is supplied with trimethylgallium gas and ammonia (NH 3) n P and a temperature of 1050 ° C for growing GaN layer p-type conductivity, then trimethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, and Mg at a temperature 800 ° C for growing an active region of 5 pairs of layers with a thickness of -10 nm Gpo.25 Gao. 7 5 and In 0 .i Gao. 9 N, and the p-Al 0 .iGao barrier layer. 9 N, then trimethylgallium and ammonia and Mg to grow a p-GaN layer with a thickness of 2 ⁇ m, form electrodes to p-GaN and the template (figure 5)
  • a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the platform of the lower stage, with an angle of slope of 30-40 degrees, allows the solid-phase epitaxy method to be implemented.
  • This method is based on the preliminary introduction of carbon atoms of carbon monoxide (CO) into the silicon lattice of the silicon matrix. Carbon atoms at the initial stage of formation are located in the interstitial positions of the silicon matrix.
  • the activated complex transforms into silicon carbide.
  • the Si (100) plane is deflected by 1-10 degrees, from the ⁇ 100> direction, towards ⁇ 011>, and then heated at a temperature above 600 ° C, then the silicon plane (100), according to thermodynamics, will be covered steps.
  • the upper and lower planes will be (100) planes, and the steps will be bounded by (011) planes.
  • the silicon lattice is the most "loose", which is associated with the features of the crystallographic structure lattice Si. It can be said that along this direction CO molecules rush perpendicular to the steps deep into Si.
  • the Si surface is saturated with CO and a reaction of interaction of Si with CO occurs with the formation of dipoles "silicon vacancy-carbon atom - silicon matrix". Since the attraction between the silicon vacancy and the carbon atom in the silicon matrix is maximal along the ⁇ 011> direction, the part of the (Oi l) Si step turns into the (1 12) SiC step. As is known, the angle between the planes (1 12) and (100) in a cubic crystal with a diamond lattice is ⁇ 35 deg. As a result, a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the platform of the lower stage, with an angle of slope of 30-40 degrees.
  • Figure 1 indicates: 1 -shaped protrusion, 2- platform of the upper stage, 3- inclined face, 4- platform of the lower stage, 5-silicon substrate, 6-silicon carbide nanolayer, 30-40 degrees - slope angle - internal angle between the inclined face of the protrusion and the platform of the lower stage.
  • the slope angle range of 30-40 degrees is due to the use of a silicon substrate with an orientation of (100) misoriented by 1-10 degrees in the direction ⁇ 01 1>.
  • the proposed method offers a transfer of the method of forming the edges of the slope from the world with the dimensions of micrometers to the world with the sizes of nanometers.
  • the prototype method synthesizes semi-polar (1-101) GaN, the angle between (1-101) and (0001) is 62 degrees, and in the present case, the semi-polar GaN layer, orientation (20-21) differs from the prototype , since the angle between (20-23) and (0001) is 51.5 degrees Note that the most preferable for the manufacture of high-power LED devices are semi-polar GaN crystals in which the angle of inclination between the semi-polar plane and (0001) is 45 degrees.
  • the HVPE method allows one to grow sufficiently thick GaN layers and then remove the Si substrate by etching, and the prototype method uses the MOCVD method, which is not intended for the synthesis of thick GaN layers and the removal of Si in the structures synthesized by this method will destroy the structure.
  • Atomic force microscopy of the surface of the SiC nanolayer on Si shows the presence of slope in the direction along the steps of the surface of the disoriented substrate ( Figure 2).
  • Electron microscopy of the GaN surface (Fig. 3a) showed that the cleavage and the surface have the characteristic structure of a layer grown in a semi-polar direction.
  • Atomic force microscopy showed good planarity of the resulting template (Fig. 3b).
  • a nitride semiconductor light emitting device includes a template for a semi-polar gallium nitride having a crystallographic surface orientation (20-23).
  • the device includes layers of silicon carbide, aluminum nitride, a layer of monocrystalline semi-polar nitride a first conductivity type having a surface in crystallographic orientation (20-23), an active layer formed on a nitride semiconductor layer of a first conductivity type and a nitride semiconductor layer of a second conductivity type formed on an active layer and electrodes.
  • EFFECT makes it possible to form a template with a thick layer of gallium nitride (20-200 microns and higher) of a semi-polar orientation on a cheap and affordable silicon substrate.
  • the layer thickness is determined by the parameters of the regimes and the reaction time.
  • An InGaN / GaN LED device based on a GaN template (20-23) with dimensions of 400x400 ⁇ m with a current of 100 mA showed high radiation stability: namely, the shift of the maximum of the luminescence spectrum by only 5 nm, which is 40% less than in the method a prototype based on LED devices GaN (l-101) n is 5 times less than a similar shift in LEDs based on polar InGaN / GaN (0001) LED devices made on a Si (lll) substrate.
  • the device demonstrated high technical characteristics for LED devices: illumination - 100 lm / W with a current flow of 350 mA.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

A method for forming a template of a semiconductive light-radiating device is characterized in that, on a silicon substrate arranged in a reactor with an orientation (100) misoriented by 1 - 10 degrees in the direction <011>, nano-steps are formed on the surface of said substrate by heating to a temperature of 1270 - 1290°C. A longitudinal wedge-shaped projection of silicon carbide is then formed on each step along the rib thereof by an epitaxy method, the projection having a summit projecting above the plane of the step, and having an inclined edge with an angle of inclination of 30°-40°. On the fluted surface formed, an epitaxial buffer layer of aluminium nitride is then formed, and an epitaxial layer of gallium nitride of semi-polar (20 - 23) orientation is formed thereon, after which the silicon substrate is removed. The composition of the semiconductive light-radiating device includes electrodes and a template which is produced according to the method described and on which active layers of the device are formed.

Description

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕМПЛЕЙТА НА КРЕМНИЕВОЙ  METHOD FOR FORMING TEMPLATE ON SILICON
ПОДЛОЖКЕ И СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО  SUBSTRATE AND LIGHT-RADIATING DEVICE
Область техники Группа изобретений относится к полупроводниковой технике на основе нитридов, а именно к способу формирования темплейта для светоизлучающего устройства, а также к конструкции самого прибора. В контексте данной заявке термин темплейт (template - с анг. шаблон) использован в значении - основа (квазиподложка) для формирования активных слоев полупроводниковых приборов. FIELD OF THE INVENTION A group of inventions relates to a nitride-based semiconductor technique, namely, to a method for forming a template for a light-emitting device, as well as to the design of the device itself. In the context of this application, the term template (template - from the English template) is used in the meaning - base (quasi-substrate) for the formation of active layers of semiconductor devices.
Предшествующий уровень техники State of the art
Преимущественно монокристаллы нитрида галлия выращивают на подложке другого, по сравнению с нитридом галлия материала, т.е. при синтезе монокристаллов нитрида галлия используют методы гетероэпитаксии. Подложками, на которых выращивают монокристаллы нитрида галлия, например, являются подложки сапфира (А12О3) или подложки карбида кремния (SiC). На поверхности, этих подложек осуществляют рост монокристалла нитрида галлия методом гидридной парофазной эпитаксии (HVPE), химического осаждения из паровой фазы (MOCVD) или молекулярно-пучковой эпитаксии (МВЕ). Mostly gallium nitride single crystals are grown on a substrate of a material other than gallium nitride, i.e. in the synthesis of gallium nitride single crystals, heteroepitaxy methods are used. The substrates on which gallium nitride single crystals are grown, for example, are sapphire substrates (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC) substrates. On the surface of these substrates, gallium nitride single crystal is grown by hydride vapor phase epitaxy (HVPE), chemical vapor deposition (MOCVD), or molecular beam epitaxy (MBE).
Однако монокристаллические подложки, изготовленные из сапфира, не применяются для производства светоизлучающих устройств с высокой интенсивностью излучения (мощных светодиодов) из-за низкой теплопроводности. С другой стороны, подложка SiC, которая имеет высокую теплопроводность, и потому пригодна для производства мощных светодиодов, является весьма дорогой для массового применения в производстве. However, single crystal substrates made of sapphire are not used for the production of light-emitting devices with high radiation intensity (high-power LEDs) due to low thermal conductivity. On the other hand, the SiC substrate, which has high thermal conductivity and is therefore suitable for the production of high-power LEDs, is very expensive for mass application in production.
Наиболее приемлемой для производства светоизлучающих устройств на основе нитрид-галлиевых эпитаксиальных слоев является кремниевая подложка. Она имеет размеры до 12 дюймов и невысокую по сравнению с карбид- кремниевыми и сапфировыми подложками стоимость и достаточно высокую теплопроводность. Для специалистов известно, что создание приборных структур широкозонных полупроводников, к которым относится и нитрид галлия, на кремниевой подложке позволяет интегрировать данные структуры с хорошо развитой кремниевой оптоэлектроникой. Однако, постоянные кристаллической решетки и коэффициенты теплового расширения кремниевой подложки и монокристаллов GaN сильно отличаются друг от друга. Прямое осаждение слоя GaN на кремниевую подложку приводит к образованию многочисленных дефектов, дислокаций и трещин.  The most suitable for the production of light-emitting devices based on gallium nitride-epitaxial layers is a silicon substrate. It has dimensions up to 12 inches and a low cost in comparison with silicon carbide and sapphire substrates and a fairly high thermal conductivity. It is known for specialists that the creation of instrument structures of wide-gap semiconductors, which include gallium nitride, on a silicon substrate, allows these structures to be integrated with well-developed silicon optoelectronics. However, the lattice constants and thermal expansion coefficients of the silicon substrate and GaN single crystals are very different from each other. Direct deposition of a GaN layer on a silicon substrate leads to the formation of numerous defects, dislocations, and cracks.
Известны способы выращивания эпитаксиальных слоев GaN на кремниевой подложке Si(l l l). Так в способе [Sheng Teng Hsu, Tingkai Li. Jer-shen Maa, Gregory M. Stecker, Douglas J. Tweet Thermal Expansion Transition Buffer Layer for Gallium Nitride on Silicon заявка на патент US 20080315255 ], формируют темплайт, например, с буферным слоем Si]. xGex методом ионной бомбардировки атомами германия кремниевой подложки, а в способе выращивания монокристалла нитрида на кремниевой пластине, [Патент RU 2326993], осуществляемом методом HVPE, в качестве буферного слоя используют нитрид алюминия. В обоих способах на буферных слоях выращивают слой нитрида галлия в направлении С-оси кристалла. Known methods for growing epitaxial layers of GaN on a silicon substrate Si (lll). So in the way [Sheng Teng Hsu, Tingkai Li. Jer-shen Maa, Gregory M. Stecker, Douglas J. Tweet Thermal Expansion Transition Buffer Layer for Gallium Nitride on Silicon patent application US 20080315255], form a template, for example, with a buffer layer of Si]. x Ge x by the method of ion bombardment by germanium atoms of a silicon substrate, and in the method of growing a single crystal of nitride on a silicon wafer, [Patent RU 2326993], carried out by the HVPE method, aluminum nitride is used as a buffer layer. In both methods on the buffer layers grow a layer of gallium nitride in the direction of the C-axis of the crystal.
Такая гексагональная структура нитрида галлия в направлении С- оси, как правило, обладает значительным внутренним электрическим полем из-за пьезоэлектрической и спонтанной поляризации электронов, что приводит к снижению выхода света из кристалла, особенно в мощных светодиодах при большом уровне протекания тока через устройство.  Such a hexagonal structure of gallium nitride in the direction of the C axis, as a rule, has a significant internal electric field due to the piezoelectric and spontaneous polarization of electrons, which leads to a decrease in the light output from the crystal, especially in high-power LEDs with a high level of current flow through the device.
В патенте RU 2326993 также раскрыта светодиодная структура, темплейт которой сформирован на кремниевой подложке, имеющей поверхность в кристаллографической ориентации (111). На ней методом HVPE сформированы первый и второй нитридные буферные слои (A1N), между которыми имеется аморфная оксидная пленка алюминия. Недостатки конструкции вытекают из описанных выше недостатков способа.  The patent RU 2326993 also discloses an LED structure, a template of which is formed on a silicon substrate having a surface in crystallographic orientation (111). On it, the first and second nitride buffer layers (A1N) are formed by HVPE, between which there is an amorphous oxide film of aluminum. Design flaws arise from the disadvantages of the method described above.
Для преодоления описанных выше недостатков, нитриды синтезируют либо в неполярных, либо в полуполярных направлениях. Так, в способе получения полу полярного нитрида галлия GaN( 1 1-20) [Т. J. Baker, В. A. Haskell, F. Wu, J. S. Speck, S. Nakamura. Characterization of Planar Semipolar Gallium Nitride Films on Sapphire Substrates," Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 45 (2006) LI 54] используют сапфировую подложку ориентации m-Al2O3, а в способе [ В.Р. Wagner, Z.J. Reitmeier, J.S. Park, D. Bachelor, D.N. Zakharov, Z. Liliental- Weber, R.F. Davis, Growth and characterization of pendeo-epitaxial GaN(l l-2) on 4H-SiC(l l-2) substrates, Journal of Crystal Growth, 290 (2006) 504-512] методом MBE полуполярный нитрид галлия GaN(l 1-20) синтезируют на подложке 4H-SiC ориентации (1 1-20). Известны также полупроводниковые полуполярные (10-13) GaN темплейты, [Бессолов В.Н., Жиляев Ю.В., Коненкова Е.В., Полетаев Н.К., Шарофидинов Ш., Щеглов М.П. Эпитаксия нитрида галлия в полуполярном направлении на кремнии, Письма в ЖТФ, 38 (2012), 21-26], выращенные методом HVPE на подложке Si(001). Они были изготовлены с предварительным осаждением при сравнительно низкой температуре (до 900 град С) на подложку аморфного буферного слоя A1N, на котором при сравнительно высокой температуре (1050 град. С) синтезировали полуполярный GaN(10-13), который имел угол отклонения от оси"С" около 30 градусов. To overcome the disadvantages described above, nitrides are synthesized in either non-polar or semi-polar directions. So, in the method for producing semi-polar gallium nitride GaN (1 1-20) [T. J. Baker, B. A. Haskell, F. Wu, JS Speck, S. Nakamura. Characterization of Planar Semipolar Gallium Nitride Films on Sapphire Substrates, "Japanese Journal of Applied Physics, Part 2, 45 (2006) LI 54] use a m-Al 2 O 3 orientation sapphire substrate, and in the method [B. P. Wagner, ZJ Reitmeier, JS Park, D. Bachelor, DN Zakharov, Z. Liliental-Weber, RF Davis, Growth and characterization of pendeo-epitaxial GaN (l l-2) on 4H-SiC (l l-2) substrates, Journal of Crystal Growth, 290 (2006) 504-512] by the MBE method, semi-polar gallium nitride GaN (l 1-20) is synthesized on a 4H-SiC substrate of orientation (1 1-20). Semiconductor semiconductor (10-13) GaN templates are also known, [Bessolov VN, Zhilyaev Yu.V., Konenkova EV, Poletaev NK, Sharofidinov Sh., Shcheglov MP Epitaxy of gallium nitride in a semi-polar direction on silicon, Letters to ZhTF, 38 (2012), 21-26], grown by the HVPE method on a Si (001) substrate. They were pre-deposited at a relatively low temperature (up to 900 degrees C) onto a substrate of an amorphous A1N buffer layer, on which at a relatively high temperature (1050 degrees C) a semi-polar GaN was synthesized (10–13), which had an angle of deviation from the axis "C" is about 30 degrees.
Известен способ получения полуполярного GaN на подложке Si(210) в котором на первом этапе методом твердофазной эпитаксии формируется тонкий слой 3C-SiC,a затем методом HVPE синтезируют слои нитридов алюминия и галлия [Бессолов В.Н., Коненкова Е.В., Кукушкин С.А., Николаев В.И., Осипов А.В., Шарофидинов Ш., Щеглов М.П., Эпитаксия GaN в полуполярном направлении на подложке Si(210), Письма в ЖТФ, 39 (2013), 1-8]. В этом способе анизотропия деформации гетероструктуры ЗС- SiC/GaN используется для обеспечения синтеза в полуполярном направлении. Недостатком этого сособа из-за неравномерности деформации структуры является то, что синтез слоев происходит одновременно в нескольких полуполярных направлениях: GaN(10-14), GaN(10-13), GaN(10-12), что снижает качество получаемого слоя и невозможность использования в светоизлучающих устройствах. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, принятым за прототип способа, является способ получения темплейта полуполярного нитрида галлия для светоизлучающего устройства [H.-Y. Lin, Н.-Н. Liu, Ch.-Z. Liao, J.-I. Chyi, Growth of crack- free semi-polar (1-101) GaN on a 7°-off (001) Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition, Proc. Of SPIE "Gallium Nitride Materials and Devices VI, v.7939, (2011), 79392Н-1]. Предложенный способ включает в себя следующие этапы подготовки кремниевой пластины к синтезу на ней полуполярного GaN. На кремниевой подложке, разоориентированной на 7 град в направлении <110> от плоскости (001), при помощи метода фотолитографии, проводят маскирование поверхности слоем Si02. Затем проводят травление в химическом растворе КОН на глубину порядка 1 мкм с образованием канавок с V-образной формой сечения на поверхности кремниевой подложки и селективно обнажают грани (111) кристалла Si. На этих гранях формируют методом MOCVD структуру, содержащую в своей основе тонкий (порядка 1 мкм) полу полярный (1-101) слой нитрида галлия. В указанной публикации описана конструкция самого темплейта. There is a known method of producing semi-polar GaN on a Si (210) substrate in which at the first stage a thin 3C-SiC layer is formed by solid-phase epitaxy and then layers of aluminum and gallium nitrides are synthesized by the HVPE method [Bessolov VN, Konenkova EV, Kukushkin S.A., Nikolaev V.I., Osipov A.V., Sharofidinov Sh., Shcheglov MP, Epitaxy of GaN in the semi-polar direction on a Si (210) substrate, Letters in ZhTF, 39 (2013), 1- 8]. In this method, the strain anisotropy of the ZS-SiC / GaN heterostructure is used to ensure synthesis in the semi-polar direction. The disadvantage of this method due to the uneven structure deformation is that the synthesis of layers occurs simultaneously in several semi-polar directions: GaN (10-14), GaN (10-13), GaN (10-12), which reduces the quality of the resulting layer and the impossibility use in light emitting devices. The closest in technical essence to the claimed method, adopted as a prototype of the method, is a method of obtaining a template of semi-polar gallium nitride for a light-emitting device [H.-Y. Lin, N.-N. Liu, Ch.-Z. Liao, J.-I. Chyi, Growth of crack-free semi-polar (1-101) GaN on a 7 ° -off (001) Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition, Proc. Of SPIE "Gallium Nitride Materials and Devices VI, v.7939, (2011), 79392Н-1]. The proposed method includes the following steps of preparing a silicon wafer for the synthesis of semi-polar GaN on it. On a silicon substrate, misoriented by 7 degrees in the direction <110> from the (001) plane, using the photolithography method, the surface is masked with a Si0 2 layer, and then etched in a KOH chemical solution to a depth of about 1 μm with the formation of grooves with a V-shaped cross section on the surface of the silicon substrate and selectively expose faces (111) Si crystal. On these ranyah formed by MOCVD structure comprising basically a thin (about 1 mm) semi polar (1-101) GaN layer. This publication describes the construction of the template.
Недостатки способа по прототипу обусловлены ограничениями, накладываемыми применяемым методом фотолитографии для формирования наноструктур, а именно вынужденное глубокое травление "канавок" подложки кремния приводит к проявлению неоднородностей на поверхности светоизлучающего устройства. Это негативно сказывается на количестве годных устройств при серийном производстве. Кроме того, метод MOCVD не позволяет осуществить синтез толстого (20-200 мкм) полуполярного слоя, а, следовательно, не обеспечивает возможность создания светодиодного устройства без исходной подложки кремния. А, как отмечено выше, наличие кремниевой подложки приводит к поглощению в ней примерно половину излучения светодиода.  The disadvantages of the prototype method are due to the limitations imposed by the applied photolithography method for forming nanostructures, namely, the forced deep etching of the "grooves" of the silicon substrate leads to the manifestation of inhomogeneities on the surface of the light-emitting device. This negatively affects the number of suitable devices in mass production. In addition, the MOCVD method does not allow the synthesis of a thick (20-200 μm) semi-polar layer, and, therefore, does not provide the possibility of creating an LED device without an initial silicon substrate. And, as noted above, the presence of a silicon substrate leads to the absorption in it of about half the radiation of the LED.
В качестве прототипа заявляемого устройства выбрана светодиодная структура [Sawaki N. and Honda Y., Semi-polar GaN LEDs on Si substrate, Science China. Technological Sciences , 54 (2011) 38-41]. Светодиодные InGaN/GaN структуры получены методом MOCVD с использованием предварительно полученного полу полярного (1-101) GaN темплейта, выращенного на разориентированной подложке Si(001) с предварительным образованием канавок с V-образной формой сечения на поверхности кремниевой подложки, полученных методом фотолитографии и химического травления. Недостатки устройства обусловлены описанными выше недостатками технологии. As a prototype of the claimed device, the LED structure was selected [Sawaki N. and Honda Y., Semi-polar GaN LEDs on Si substrate, Science China. Technological Sciences, 54 (2011) 38-41]. LED InGaN / GaN structures obtained by MOCVD using pre-obtained semi-polar (1-101) GaN template grown on a misoriented Si (001) substrate with the preliminary formation of grooves with a V-shaped cross-section on the surface of a silicon substrate obtained by photolithography and chemical etching. The disadvantages of the device due to the above-described disadvantages of the technology.
Раскрытие изобретения В основу изобретения поставлена задача создания простого и технологичного способа получения качественного темлейта на основе полуполярного нитрида галлия, а также создание на его базе светодиодного устройства. SUMMARY OF THE INVENTION The invention is based on the task of creating a simple and technologically advanced method for producing high-quality temlite based on semi-polar gallium nitride, as well as creating an LED device based on it.
Достигаемый технический результат - обеспечение возможности формирования темплейта с толстым слоем нитрида галлии ( 20- 200 и выше мкм) полуполярной ориентации на дешевой и доступной кремниевой подложке.  Achievable technical result - providing the possibility of forming a template with a thick layer of gallium nitride (20-200 and higher microns) of a semi-polar orientation on a cheap and affordable silicon substrate.
Задача решается двумя объектами изобретения  The problem is solved by two objects of the invention.
Первый объект изобретения - способ формирования темплейта полупроводникового светоизлучающего устройства, характеризуется тем, что на размещенной в реакторе кремниевой подложке с ориентацией (100) разориентированной на 1- 10 град в направлении <011>, формируют наноступени на ее поверхности путем нагрева до температуры 1270-1290 град. С. После этого атмосфере оксида углерода на каждой ступени вдоль ее ребра методом твердофазной эпитаксии формируют продольный клинообразный выступ карбида кремния, имеющий вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющий наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. Затем на сформированной складчатой поверхности методом гидридной парофазной эпитаксии синтезируют буферный слой нитрида алюминия, на котором этим же методом гидридной парофазной эпитаксии формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, после чего удаляют кремниевую подложку методом травления. The first object of the invention is a method of forming a template of a semiconductor light-emitting device, characterized in that on a silicon substrate with a (100) orientation misoriented by 1-10 degrees in the <011> direction, nanowires are formed on its surface by heating to a temperature of 1270-1290 hail. C. After this, a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined edge reaching the platform of the lower stage with the formation of an angle is formed by the method of carbon monoxide at each stage along its edge by solid-phase epitaxy slope 30-40 degrees. Then, a buffer layer of aluminum nitride is synthesized on the formed folded surface by the method of vapor-phase epitaxy using the same method of hydride vapor-phase epitaxy to form a layer of gallium nitride of a semi-polar (20-23) orientation, after which the silicon substrate is removed by etching.
Второй объект изобретения полупроводниковое светоизлучающее устройство, темплейт которого получен согласно заявляемому способу. Полупроводниковое устройство имеет в своем составе электроды и темплейт, на котором сформированы активные слои устройства, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитриды алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.  The second object of the invention is a semiconductor light-emitting device, the template of which is obtained according to the claimed method. The semiconductor device includes electrodes and a template on which the active layers of the device are formed, while the template is based on a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation, formed on a buffer layer of aluminum nitride deposited on the folded surface of the silicon carbide layer.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан вариант реализации применительно к способу формирования темплейта нитрида галлия полу полярной (20-23) ориентации на кремниевой подложке и полупроводниковому светоизлучающему устройству, изготовленному с его использованием. In order to better demonstrate the distinctive features of the invention, as an example, not having any restrictive character, an embodiment is described below with reference to a method for forming a gallium nitride template of semi-polar (20-23) orientation on a silicon substrate and a semiconductor light-emitting device made using it.
Краткое описание чертежей  Brief Description of the Drawings
Пример реализации иллюстрируется фигурами чертежей, на которых представлено:  An example implementation is illustrated by the figures of the drawings, which show:
Фиг. 1 - схематичное изображение темплейта в процессе формирования складчатой поверхности карбида кремния.  FIG. 1 is a schematic illustration of a template in the process of forming a folded surface of silicon carbide.
Фиг.2 - полученное с помощью атомно-силовой микроскопии отображение откоса поверхности SiC/Si(100) с разориентацией 7 градFigure 2 - obtained using atomic force microscopy display of the slope of the surface SiC / Si (100) with a misorientation of 7 degrees
Фиг.З. изображение скола темплайта (а), полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа и изображение поверхности темплейта, (Ь), полученное с помощью атомно-силового микроскопа. Fig.Z. image of the cleaved template (a) obtained using a scanning electron microscope and the image of the surface of the template (b) obtained using an atomic force microscope.
Фиг. 4 - спектр фотолюминесценции полуполярного GaN при 77 К, выращенного на темплайте  FIG. 4 - photoluminescence spectrum of semi-polar GaN at 77 K grown on a template
Фиг. 5 - схематическое изображение нитридного светоизлучающего диода  FIG. 5 is a schematic illustration of a nitride light emitting diode
Варианты осуществления изобретения  Embodiments of the invention
Вначале кремниевую пластинку η-типа проводимости, имеющую поверхность в кристаллографической ориентации (100) с разориентацией 7 град в направлении <011> вдоль поверхности подложки обрабатывают в химическом травителе для удаления естественного окисла. Затем формируют "сендвич" из полученной подложки и пластинки графита, при расстоянии между ними 5 мм, помещают в реактор и нагревают до температуры 1270-1290 град. С . Нагрев в этом диапазоне температур позволяет сформировать наноступени на поверхности кремния. Экспериментально установлено, что именно этот диапазон температур является оптимальным, обеспечивающим стабильное формирование последующих слоев высокого качества. В реактор подают газ СО для осуществления твердофазной эпитаксии в результате которой на каждой ступени вдоль ее ребра формируют продольный клинообразный выступ карбида кремния, имеющий вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющий наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. После формирования складчатой поверхности SiC на Si(100), структуру помещают в HVPE-реактор и подают газ А1С13 и NH3 при температуре 1080 С для выращивания слоя A1N толщиной 200 нм. Далее при температуре 1050°С в реактор подают газ GaCl3 и NH3, и формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации толщиной 20-200 мкм., после чего удаляют подложку кремния методом химического травления. First, an η-type silicon wafer having a surface in the crystallographic orientation (100) with a 7-degree misorientation in the direction <011> along the substrate surface is treated with a chemical etchant to remove natural oxide. Then, a “sandwich” is formed from the obtained substrate and graphite plate, with a distance between them of 5 mm, placed in a reactor and heated to a temperature of 1270-1290 degrees. FROM . Heating in this temperature range allows the formation of nanostages on the surface of silicon. It was experimentally established that this particular temperature range is optimal, providing stable formation of subsequent high-quality layers. CO gas is supplied to the reactor for solid-state epitaxy, as a result of which a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed at each stage along its edge, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face extending to the site of the lower stage to form a slope angle of 30 40 deg. After the formation of the folded surface of SiC on Si (100), the structure is placed in an HVPE reactor and A1C1 3 and NH 3 gas are supplied at a temperature 1080 C for growing an A1N layer 200 nm thick. Then, at a temperature of 1050 ° C, GaCl 3 and NH 3 gas are supplied to the reactor, and a layer of gallium nitride of a semi-polar (20-23) orientation with a thickness of 20-200 μm is formed, after which the silicon substrate is removed by chemical etching.
Полученный темплейт GaN/AlN/SiC помещают в MOCVD-реактор, в него подают газ триметилгаллий и аммиак (NH3 ) ПРИ температуре 1050° С для выращивания слоя GaN п -типа проводимости, затем триметилгаллий, триметилалюминий, триметилиндий и Mg при температуре 800° С для выращивания активной области из 5 пар слоев толщиной -10 нм Гпо.25 Gao.75 и In0.i Gao.9 N, и барьерного слоя p-Al0.iGao.9N, затем триметилгаллий и аммиак и Mg для выращивания слоя p-GaN толщиной 2 мкм, формируют электроды к p-GaN и темплейту (фиг.5) The resulting template GaN / AlN / SiC was placed in a MOCVD-reactor is supplied with trimethylgallium gas and ammonia (NH 3) n P and a temperature of 1050 ° C for growing GaN layer p-type conductivity, then trimethylgallium, trimethylaluminum, trimethylindium, and Mg at a temperature 800 ° C for growing an active region of 5 pairs of layers with a thickness of -10 nm Gpo.25 Gao. 7 5 and In 0 .i Gao. 9 N, and the p-Al 0 .iGao barrier layer. 9 N, then trimethylgallium and ammonia and Mg to grow a p-GaN layer with a thickness of 2 μm, form electrodes to p-GaN and the template (figure 5)
Формирование продольного клинообразного выступа карбида кремния, имеющего вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющую наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град позволяет осуществить метод твердофазной эпитаксии. Этот метод базируется на предварительном внедрении в кристаллическую решетку матрицы кремния атомов углерода С из оксида углерода (СО). Атомы углерода на начальной стадии формирования располагаются в межузельных позициях кремниевой матрицы. При твердофазной эпитаксии активированный комплекс переходит в карбид кремния. Однако, если отклонить плоскость Si (100) на 1-10 град, от направления <100>, по направлению к <011>, а затем нагреть ее при температуре выше 600°С, то плоскость (100) кремния, согласно термодинамике, покроется ступенями. Верхнележащая и низлежащая плоскости будут являться плоскостями (100), а ступени будут ограничены плоскостями (011). Вдоль направлений <011> решетка кремния наиболее "рыхлая", что связано с особенностями кристаллографического строения решетки Si. Можно сказать, вдоль этого направления молекулы СО устремляются перпендикулярно ступеням вглубь Si. Поверхность Si насыщается СО и происходит реакция взаимодействия Si с СО с образованием диполей "кремниевая вакансия-атом углерода - матрица кремния". Поскольку притяжение между кремниевой вакансией и атомом углерода в матрице кремния максимально вдоль направления <011>, то часть ступени (Oi l) Si и превращается в ступень (1 12) SiC. Как известно, угол между плоскостями (1 12) и (100) в кубическом кристалле с алмазной решеткой составляет ~35 град. В результате происходит формирование продольного клинообразного выступа карбида кремния, имеющего вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющего наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град. На Фиг.1 обозначено: 1 -клинообразный выступ, 2- площадка верхней ступени, 3- наклонная грань, 4- площадка низлежащей ступени, 5-кремниевая подложка, 6-карбид-кремниевый нанослой, 30-40 град - угол откоса - внутренний угол между наклонной гранью выступа и площадкой низлежащей ступени. The formation of a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the platform of the lower stage, with an angle of slope of 30-40 degrees, allows the solid-phase epitaxy method to be implemented. This method is based on the preliminary introduction of carbon atoms of carbon monoxide (CO) into the silicon lattice of the silicon matrix. Carbon atoms at the initial stage of formation are located in the interstitial positions of the silicon matrix. In solid-state epitaxy, the activated complex transforms into silicon carbide. However, if the Si (100) plane is deflected by 1-10 degrees, from the <100> direction, towards <011>, and then heated at a temperature above 600 ° C, then the silicon plane (100), according to thermodynamics, will be covered steps. The upper and lower planes will be (100) planes, and the steps will be bounded by (011) planes. Along the directions <011>, the silicon lattice is the most "loose", which is associated with the features of the crystallographic structure lattice Si. It can be said that along this direction CO molecules rush perpendicular to the steps deep into Si. The Si surface is saturated with CO and a reaction of interaction of Si with CO occurs with the formation of dipoles "silicon vacancy-carbon atom - silicon matrix". Since the attraction between the silicon vacancy and the carbon atom in the silicon matrix is maximal along the <011> direction, the part of the (Oi l) Si step turns into the (1 12) SiC step. As is known, the angle between the planes (1 12) and (100) in a cubic crystal with a diamond lattice is ~ 35 deg. As a result, a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face reaching the platform of the lower stage, with an angle of slope of 30-40 degrees. Figure 1 indicates: 1 -shaped protrusion, 2- platform of the upper stage, 3- inclined face, 4- platform of the lower stage, 5-silicon substrate, 6-silicon carbide nanolayer, 30-40 degrees - slope angle - internal angle between the inclined face of the protrusion and the platform of the lower stage.
Диапазон угла откоса 30-40 град обусловлен использованием кремниевой подложке с ориентацией (100) разориентированной на 1- 10 град в направлении <01 1>.  The slope angle range of 30-40 degrees is due to the use of a silicon substrate with an orientation of (100) misoriented by 1-10 degrees in the direction <01 1>.
На сформированной складчатой поверхности SiC методом гидридной парофазной эпитаксии в атмосфере водорода при температурах эпитаксии слоев A1N и GaN - 1080град. С и 1050 град. С, соответственно, синтезируют буферный слой нитрида алюминия, на котором этим же методом формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, после чего кремний удаляют методом травления.  On the formed fold surface of SiC by hydride vapor-phase epitaxy in a hydrogen atmosphere at an epitaxy temperature of the A1N and GaN layers - 1080 deg. C and 1050 degrees. With, respectively, a buffer layer of aluminum nitride is synthesized, on which a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation is formed by the same method, after which silicon is removed by etching.
Заявленный способ существенно отличается от прототипа. Во-первых, в отличие от способа прототипа, в котором формирование граней откоса происходит путем удаления части подложки методом селективного травления кремниевой подложки, в заявляемом способе формирование граней откоса происходит путем синтеза нанослоя карбида кремния. Во- вторых, формирование граней откоса в способе-прототипе обусловлено ограничениями, присущими методу фотолитографии, а именно порядка 1 мкм размеры канавок, в заявляемом способе формирование граней откоса происходит в результате твердофазной реакции карбида кремния на наноразмерных ступенях разориентированной подложки и размеры граней откоса (~ 100 нм = ~ 0.1 мкм) на порядок меньше, чем в способе- прототипе. Таким образом, предлагаемый способ предлагает перенос способа формирования граней откоса из мира с размерами микрометров в мир с размерами нанометров. В третьих, использование карбида кремния для формирования граней откосов существенно улучшает качество полуполярного нитридного слоя при синтезе методом гидридной парофазной эпитаксией, поскольку различие между постоянными решеток нитрида галлия и кремния составляет 16%, а между нитридом галлия и карбидом кремния только 3%. В четвертых, способ-прототип осуществляет синтез полу полярного (1-101) GaN, угол между (1-101) и (0001) равен 62 град, а в заявляемом случае полуполярного слоя GaN, ориентации - (20-21) отличается от прототипа, поскольку угол между (20-23) и (0001) равен 51.5 град Отметим, что наиболее предпочтительными для изготовления мощных светодиодных устройств являются полуполярные кристаллы GaN у которых угол наклона между полуполярной плоскостью и (0001) равен 45 град. В пятых, метод HVPE позволяет выращивать достаточно толстые слои GaN и затем удалить подложку Si методом травления, а способ прототип использует метод MOCVD, который не предназначен для синтеза толстых слоев GaN и удаление Si в структурах, синтезированных этим методом приведет к разрушению структуры. Атомно-силовая микроскопия поверхности нанослоя SiC на Si(100) показывает наличие откоса в направлении вдоль ступеней поверхности разориентированной подложки ( Фиг.2). Электронная микроскопия поверхности GaN (фиг.За) показала, что скол и поверхность имеют характерную структуру слоя, выросшего в полу полярном направлении. Атомно силовая микроскопия показала хорошую планарность полученного темплейта (Фиг.ЗЬ). Рентгеновская дифрактометрия слоев GaN ( Таблица) однозначно указывает на то, что слой имеет монокристаллическую структуру с ориентацией (20-23) с сохранением отклонения разориентации подложки, с минимальной величиной полуширины кривой качания рентгеновской дифракции сое = 24 arcmin. (Таблица ) The claimed method is significantly different from the prototype. Firstly, in contrast to the prototype method, in which the formation of the edges of the slope occurs by removing part of the substrate by selective etching of the silicon substrate, in the present method, the formation of the slope faces occurs by synthesis of a nanolayer of silicon carbide. Secondly, the formation of the slope faces in the prototype method is due to the limitations inherent in the photolithography method, namely, about 1 μm groove sizes, in the claimed method, the formation of slope faces occurs as a result of the solid-phase reaction of silicon carbide on nanoscale steps of a misoriented substrate and the dimensions of the slope faces (~ 100 nm = ~ 0.1 μm) is an order of magnitude smaller than in the prototype method. Thus, the proposed method offers a transfer of the method of forming the edges of the slope from the world with the dimensions of micrometers to the world with the sizes of nanometers. Third, the use of silicon carbide for forming slope faces significantly improves the quality of the semi-polar nitride layer during synthesis by hydride vapor-phase epitaxy, since the difference between the lattice constants of gallium nitride and silicon is 16%, and between gallium nitride and silicon carbide only 3%. Fourthly, the prototype method synthesizes semi-polar (1-101) GaN, the angle between (1-101) and (0001) is 62 degrees, and in the present case, the semi-polar GaN layer, orientation (20-21) differs from the prototype , since the angle between (20-23) and (0001) is 51.5 degrees Note that the most preferable for the manufacture of high-power LED devices are semi-polar GaN crystals in which the angle of inclination between the semi-polar plane and (0001) is 45 degrees. Fifth, the HVPE method allows one to grow sufficiently thick GaN layers and then remove the Si substrate by etching, and the prototype method uses the MOCVD method, which is not intended for the synthesis of thick GaN layers and the removal of Si in the structures synthesized by this method will destroy the structure. Atomic force microscopy of the surface of the SiC nanolayer on Si (100) shows the presence of slope in the direction along the steps of the surface of the disoriented substrate (Figure 2). Electron microscopy of the GaN surface (Fig. 3a) showed that the cleavage and the surface have the characteristic structure of a layer grown in a semi-polar direction. Atomic force microscopy showed good planarity of the resulting template (Fig. 3b). X-ray diffractometry of GaN layers (Table) unambiguously indicates that the layer has a single-crystal structure with an orientation of (20-23) with preservation of the misorientation of the substrate, with a minimum half-width of the X-ray diffraction swing curve сё = 24 arcmin. (Table)
Таблица . Значения параметров ωθ для различных плоскостей слоя GaN Table. The values of the parameters ω θ for different planes of the GaN layer
Figure imgf000014_0001
Figure imgf000014_0001
В спектрах фотолюминесценции при 77 К слоев GaN наблюдаются хорошо различимые полосы люминесценции с максимумами hvmax = 3.46 эВ, 3.27 эВ, 3.19 эВ и 3.1 эВ (Фиг.4), что говорит о хорошем качестве полученных слоев. In the photoluminescence spectra at 77 K of GaN layers, distinct luminescence bands with maxima hv max = 3.46 eV, 3.27 eV, 3.19 eV and 3.1 eV are observed (Figure 4), which indicates good quality of the obtained layers.
Обращаясь к Фиг. 5, нитридное полупроводниковое светоизлучающее устройство по изобретению включает в себя темплайт полуполярного нитрида галлия, имеющего кристаллографическую ориентацию поверхности (20-23). Устройство включает в себя слои карбида кремния, нитрида алюминия слой монокристаллического полуполярного нитрида первого типа проводимости, имеющего поверхность в кристаллографической ориентации (20-23), активный слой сформированный на нитридном полупроводниковом слое первого типа проводимости и нитридный полупроводниковый слой второго типа проводимости, сформированном на активном слое и электроды. Turning to FIG. 5, a nitride semiconductor light emitting device according to the invention includes a template for a semi-polar gallium nitride having a crystallographic surface orientation (20-23). The device includes layers of silicon carbide, aluminum nitride, a layer of monocrystalline semi-polar nitride a first conductivity type having a surface in crystallographic orientation (20-23), an active layer formed on a nitride semiconductor layer of a first conductivity type and a nitride semiconductor layer of a second conductivity type formed on an active layer and electrodes.
Промышленная применимость Industrial applicability
Изобретение позволяет формировать темплейт с толстым слоем нитрида галлии ( 20- 200 мкм и выше) полуполярной ориентации на дешевой и доступной кремниевой подложке. Толщина слоя задается параметрами режимов и временем протекания реакций. Светодиодное устройство InGaN/GaN на основе темплайта GaN(20-23) с размерами 400x400 мкм при протекании тока 100 мА продемонстрировало высокую стабильность излучения: а именно сдвиг максимума спектра люминесценции всего лишь на 5 нм, что на 40% меньше, чем в способе- прототипе на основе светодиодных устройств GaN(l-101)n в 5 раз меньше, чем аналогичный сдвиг в светодиодах на основе полярных InGaN/GaN(0001) светодиодных устройств выполненных на подложке Si(l l l). Устройство продемонстрировало высокие технические характеристики для светодиодных устройств: освещенность - 100 лм/Вт при протекании тока 350 мА. EFFECT: invention makes it possible to form a template with a thick layer of gallium nitride (20-200 microns and higher) of a semi-polar orientation on a cheap and affordable silicon substrate. The layer thickness is determined by the parameters of the regimes and the reaction time. An InGaN / GaN LED device based on a GaN template (20-23) with dimensions of 400x400 μm with a current of 100 mA showed high radiation stability: namely, the shift of the maximum of the luminescence spectrum by only 5 nm, which is 40% less than in the method a prototype based on LED devices GaN (l-101) n is 5 times less than a similar shift in LEDs based on polar InGaN / GaN (0001) LED devices made on a Si (lll) substrate. The device demonstrated high technical characteristics for LED devices: illumination - 100 lm / W with a current flow of 350 mA.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Способ формирования темплейта полупроводникового светоизлучающего устройства, характеризующийся тем, что на размещенной в реакторе кремниевой подложке с ориентацией (100) разориентированной на 1- 10 град в направлении <01 1>, формируют наноступени на ее поверхности путем нагрева до температуры 1270- 1290 град. С, после чего атмосфере оксида углерода на каждой ступени вдоль ее ребра методом твердофазной эпитаксии формируют продольный клинообразный выступ карбида кремния, имеющий вершину, выступающую над площадкой ступени, и имеющий наклонную грань, доходящую до площадки низлежащей ступени, с образованием угла откоса 30-40 град., и на сформированной складчатой поверхности методом гидридной парофазной эпитаксии синтезируют буферный слой нитрида алюминия, на котором этим же методом формируют слой нитрида галлия полуполярной (20-23) ориентации, после чего удаляют кремниевую подложку методом травления.  1. The method of forming the template of a semiconductor light-emitting device, characterized in that on the silicon substrate in the reactor with an orientation of (100) misoriented by 1-10 degrees in the direction <01 1>, nanowires are formed on its surface by heating to a temperature of 1270-1290 degrees . C, after which a longitudinal wedge-shaped protrusion of silicon carbide is formed at each step along the edge of the atmosphere of carbon monoxide along its edge by solid-phase epitaxy, having a vertex protruding above the stage platform and having an inclined face extending to the site of the lower stage to form a slope angle of 30-40 degrees ., and on the formed pleated surface by the method of vapor-phase epitaxy hydride, a buffer layer of aluminum nitride is synthesized, on which the gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation is formed using the same method, after which removes the silicon substrate by etching.
2. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, характеризующееся тем, что имеет в своем составе электроды и темплейт, на котором сформированы активные слои устройства, при этом темплейт имеет в своей основе слой нитрида галлия полу поляр ной (20-23) ориентации, сформированный на буферном слое нитриды алюминия, нанесенного на складчатую поверхность слоя карбида кремния.  2. A semiconductor light-emitting device, characterized in that it includes electrodes and a template on which the active layers of the device are formed, while the template is based on a gallium nitride layer of a semi-polar (20-23) orientation formed on a nitride buffer layer aluminum deposited on the folded surface of a silicon carbide layer.
3. Полупроводниковое светоизлучающее устройство по п. 2, отличающееся тем, что темплейт сформирован согласно способу по п. 1.  3. The semiconductor light emitting device according to claim 2, characterized in that the template is formed according to the method according to claim 1.
PCT/RU2013/000844 2013-08-09 2013-09-27 Method for forming a template on a silicon substrate, and light-radiating device WO2015020558A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013137514 2013-08-09
RU2013137514/28A RU2540446C1 (en) 2013-08-09 2013-08-09 Method of forming gallium nitride template with semipolar (20-23) orientation on silicon substrate and semiconductor light-emitting device made using said method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015020558A1 true WO2015020558A1 (en) 2015-02-12

Family

ID=52461747

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000844 WO2015020558A1 (en) 2013-08-09 2013-09-27 Method for forming a template on a silicon substrate, and light-radiating device

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2540446C1 (en)
WO (1) WO2015020558A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110089399A1 (en) * 2009-10-09 2011-04-21 The Regents Of The University Of California Light emitting device with a stair quantum well structure
US20120091467A1 (en) * 2006-05-09 2012-04-19 The Regents Of The University Of California IN-SITU DEFECT REDUCTION TECHNIQUES FOR NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al, Ga, In)N
US20120104360A1 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 The Regents Of The University Of California Strain compensated short-period superlattices on semipolar or nonpolar gan for defect reduction and stress engineering
RU2452061C2 (en) * 2009-10-16 2012-05-27 Общество с ограниченной ответственностью "Нитридные кристаллы" Semiconductor element emitting light in ultraviolet band
US8203159B2 (en) * 2006-02-17 2012-06-19 The Regents Of The University Of California Method for growth of semipolar (Al,In,Ga,B)N optoelectronic devices

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2326993C2 (en) * 2006-07-25 2008-06-20 Самсунг Электро-Меканикс Ко., Лтд. Method of nitride monocrystal growth on silicon plate, nitride semi-conductor light emitting diode, which is produced with its utilisation, and method of such production

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8203159B2 (en) * 2006-02-17 2012-06-19 The Regents Of The University Of California Method for growth of semipolar (Al,In,Ga,B)N optoelectronic devices
US20120091467A1 (en) * 2006-05-09 2012-04-19 The Regents Of The University Of California IN-SITU DEFECT REDUCTION TECHNIQUES FOR NONPOLAR AND SEMIPOLAR (Al, Ga, In)N
US20110089399A1 (en) * 2009-10-09 2011-04-21 The Regents Of The University Of California Light emitting device with a stair quantum well structure
RU2452061C2 (en) * 2009-10-16 2012-05-27 Общество с ограниченной ответственностью "Нитридные кристаллы" Semiconductor element emitting light in ultraviolet band
US20120104360A1 (en) * 2010-10-29 2012-05-03 The Regents Of The University Of California Strain compensated short-period superlattices on semipolar or nonpolar gan for defect reduction and stress engineering

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHIU CHING-HSUEH ET AL.: "Growth of semi-polar GaN-based light-emitting dodes grown on an patterned Si substrate.", PROC. SPIE 7939, GALLIUM NITRIDE MATERIALS AND DEVICES VI, 79391X, 3 March 2011 (2011-03-03) *
LIN HSIEN-YU ET AL.: "Growth of crack-free semi-polar (1-101) GaN on a 7°-off(001) Si substrate by metal-organic chemical vapor deposition.", PROC. SPIE 7939, GALLIUM NITRIDE MATERIALS AND DEVICES VI, 79392H, 3 March 2011 (2011-03-03) *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013137514A (en) 2015-02-20
RU2540446C1 (en) 2015-02-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI453813B (en) Technique for the growth of planar semi-polar gallium nitride
JP5461773B2 (en) Growth of flat and low dislocation density m-plane gallium nitride by hydride vapor deposition
US11664221B2 (en) Forming a planar surface of a III-nitride material
KR102317363B1 (en) Formation of Planar Surfaces of Group III-Nitride Materials
JP5908853B2 (en) III-N substrate manufacturing method
US20100065854A1 (en) Growth and manufacture of reduced dislocation density and free-standing aluminum nitride films by hydride vapor phase epitaxy
US9752254B2 (en) Method for manufacturing a single-crystal 4H—SiC substrate
TWI404122B (en) Method for enhancing growth of semi-polar (a1,in,ga,b)n via metalorganic chemical vapor deposition
WO2006130622A2 (en) Growth of planar non-polar{1-1 0 0} m-plane gallium nitride with metalorganic chemical vapor deposition (mocvd)
JP2009524251A (en) Method for promoting the growth of semipolar (Al, In, Ga, B) N via metalorganic chemical vapor deposition
JP6947746B2 (en) Manufacturing method of composite GaN nanocolumn
JP2005343713A (en) Group iii-v nitride-based semiconductor self-standing substrate, its producing method, and group iii-v nitride-based semiconductor
KR102520379B1 (en) Semiconductor device having a planar III-N semiconductor layer and fabrication method
WO2017134708A1 (en) Epitaxial substrate
JPH11233391A (en) Crystalline substrate, semiconductor device using the same and manufacture of the semiconductor device
Tang et al. Nitride nanocolumns for the development of light-emitting diode
JP6693618B2 (en) Epitaxial substrate manufacturing method
JP2004119423A (en) Gallium nitride crystal substrate, its producing process, gallium nitride based semiconductor device, and light emitting diode
An et al. Heteroepitaxial Growth of High‐Quality GaN Thin Films on Si Substrates Coated with Self‐Assembled Sub‐micrometer‐sized Silica Balls
Khan et al. Selective-area growth of GaN and AlGaN nanowires on N-polar GaN templates with 4° miscut by plasma-assisted molecular beam epitaxy
JP2004307253A (en) Method for manufacturing semiconductor substrate
RU2540446C1 (en) Method of forming gallium nitride template with semipolar (20-23) orientation on silicon substrate and semiconductor light-emitting device made using said method
RU135186U1 (en) SEMICONDUCTOR LIGHT-RADIATING DEVICE
Ryou Gallium nitride (GaN) on sapphire substrates for visible LEDs
Krylyuk et al. Faceting control in core-shell GaN micropillars using selective epitaxy

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13891189

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 01/07/2016)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13891189

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1