Структурированные светодиодные подложки GaN/сапфир

В светодиодной промышленности широко используются пленки нитрида галлия (GaN), выращенные в специальном реакторе методами газофазной эпитаксии на подложке из сапфира. Хорошо известно, что рассогласование кристаллических решеток сапфира и GaN составляет порядка 14%, что приводит к высокой плотности линейных дефектов — дислокаций в объеме выросшей пленки. Наличие дислокаций негативно сказывается на оптоэлектрических свойствах светодиодных гетероструктур (дислокации служат центрами безызлучательной рекомбинации [1, 2]) и, в конечном счете, на качестве излучения светодиодов (СИД). Кроме того, вследствие значительного различия коэффициентов термического расширения нитрида галлия и сапфира, в процессе роста в реакторе и последующего охлаждения в пленке возникают термические напряжения, высокий уровень которых может привести к появлению трещин, что снижает выход годных.

Уменьшение термических напряжений, возникающих в структурах GaN/сапфир, является важной задачей для получения качественных подложек и последующего производства высокоэффективных светодиодов.

Существует несколько подходов к решению данной проблемы. Первый способ заключается в подборе материала подложки для уменьшения рассогласования параметров кристаллической решетки пленки GaN и подложки. Идеальным подложечным материалом является объемный (bulk) нитрид галлия, который в промышленных масштабах пока не используется из-за высокой цены. Второй способ состоит в выборе «неродной» подложки (сапфир, кремний и т. д.) и выращивании промежуточных слоев нитридов элементов III группы: AlN, InN, GaN [3, 4]. Данные слои могут влиять на плотность проникающих дислокаций, кроме того, уменьшать механические напряжения в системе пленка/подложка. Минусом метода являются сложность процесса и большие затраты времени на производство. Третье направление — формирование упорядоченной пористой структуры, когда в результате нанесения масок (паттернов) из специальных материалов последующим травлением и определенным образом организованным ростом структуры получается массив упорядоченных пор, который впоследствии заращивается.

В настоящей статье обсуждается способ уменьшения напряжений в пленках GaN на сапфире за счет образования упорядоченной пористой структуры GaN, предложенный ранее в работе [5]. Также приводится анализ зависимости термических напряжений от геометрических параметров пористой структуры и рассматривается влияние пористой структуры на возможность зарождения трещин на границе GaN/сапфир, приводящих к самоотделению пленки от подложки.

Для получения пористой структуры наиболее часто применяется метод, основанный на травлении подложки через маску и последующем эпитаксиальном латеральном заращивании полученных пор.

Для получения высококачественных подложек сотрудниками группы компаний «Оптоган» была использована технология, основанная на латеральном заращивании нитрида галлия с вытравленными отверстиями [5].

Для получения гексагональных пор на поверхности слоя GaN был применен метод фотолитографии. На начальном этапе была нанесена на исследуемую подложку GaN пленка Ni, поверх которой был осажден фоторезист в виде маски. Далее проходило травление методом индукционно связанного плазменного реактивного ионного травления (ICP-RIE) через маску. Условия травления были следующими: скорость потока хлора (Cl₂) 15 см³/c; скорость потока аргона (Ar) 2,5 см³/c; общее давление в системе 4 мТорр. Заключительным этапом получения пористой структуры подложки GaN было удаление слоя Ni с использованием газов HCl:HNO₃ (3:1) и чистка поверхности с помощью ацетона, 2-пропанола и H₂SO₄:H₂O₂(3:1).

На рис. 1 представлено изображение вытравленных пористых структур с диаметром гексагональных пор 2 и 3 мкм соответственно, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) [5].

Рис. 1. СЭМ-изображение с общим видом и сечением протравленной подложки GaN с 3,2 мкм глубиной ICP-RIE и диаметром пор:
а) 2 мкм;
б) 3 мкм

Преимуществом данного метода является возможность контроля различных геометрических параметров пор, таких как: отношение высоты к диаметру пор; шаг между порами; угол наклона стенок в процессе латерального заращивания.

Сформированная структура с открытыми гексагональными порами снова помещалась в реактор для процесса латерального заращивания, который обеспечивается соотношением молярных долей реагентов V и III группы соответственно равным 1440, при температуре +1030 °С. В зависимости от диаметра пор и шага периодичности пористой структуры после заращивания получаются поры с углом наклона стенок, варьирующимся от практически вертикального до сильно наклонного, как показано на рис. 2a–в.

Рис. 2. СЭМ-изображения поперечного сечения подложек GaN с порами различного диаметра и углами наклона стенок после латерального заращивания:
а) угол наклона стенок 85°, диаметр поры 2 мкм;
б) угол наклона 70°, диаметр поры 3 мкм;
в) угол наклона стенки 60°, диаметр поры 4,5 мкм [5]

Схема структуры СИД, полученной на основе выращенной подложки, показана на рис. 3.

Рис. 3. Трехмерное схематическое изображение структуры СИД, полученной на подложке сапфира [6]

Для оценки качества СИД были получены графики зависимости светового выхода от входного тока и нормированного внешнего квантового выхода (EQE) светодиода от плотности тока в зависимости от типа заращенных пор [6].

На рис. 4 представлены графики энергетического выхода света (LOP) подложек GaN при различных углах наклона стенок пор.

Рис. 4. Энергетический выход света (LOP) светодиодов, выращенных на подложках с углами наклона пор 85 и 60° и эталон сравнения [6]

В первую очередь стоит отметить линейный характер зависимости выхода света от подаваемого на электроды тока. При инжекционном токе 20 мА выход света увеличивается примерно на 20% при уменьшении угла наклона грани поры от 85 до 60° и составляет 6,7 и 7,2 мВт соответственно. На основе полученных данных можно утверждать, что наличие упорядоченной пористой структуры GaN улучшает энергетический выход света, что, в свою очередь, приводит к увеличению мощности светодиода.

На рис. 5 представлен график зависимости нормированного внешнего квантового выхода светодиода от типа пористой структуры (поры с вертикальными или наклонными стенками); точками показана референсная кривая для СИД, созданного на беспористой подложке.

Рис. 5. Нормированный внешний квантовый выход (EQE) светодиода GaN с углами наклона пор 85 и 60° и эталон сравнения [6]

Из полученных данных можно сделать вывод, что наличие пор в подложке приводит к увеличению внешнего квантового выхода, что приводит к увеличению интенсивности светового излучения. Данный эффект объясняется тем, что присутствие пор уменьшает средний путь лучей света в СИД-структуре и, таким образом, сокращает внутренние оптические потери. При этом структура с наклонными стенками пор приводит к усилению указанного эффекта.

В научном отделе группы компаний «Оптоган» было проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния в подложках GaN/сапфир с пористыми структурами с целью оценки степени релаксации термических напряжений открытой пористой структуры в пленке нитрида галлия. Было проведено параметрическое исследование влияния геометрических размеров открытых пор на степень релаксации. Также проводилась оценка возможности самоотделения пленки нитрида галлия от сапфировой подложки при охлаждении.

Для численного моделирования применялся программный комплекс COMSOL, использующий метод конечных элементов, при этом была выбрана линейно-упругая модель материалов, обладающая анизотропными свойствами.

На рис. 6 представлена геометрическая модель расчетной области, представляющая собой упорядоченный массив открытых пор в пленке нитрида галлия, расположенных в гексагональном порядке.

Рис. 6. Схема расчетной области для упорядоченной пористой структуры в пленке нитрида галлия на сапфировом основании с основными геометрическими параметрами

На рис. 6 помимо основных геометрических параметров пленки [7] указана и кристаллографическая ориентация слоя нитрида галлия, а также выделена исследуемая расчетная область, представляющая собой упорядоченный массив элементарных блоков в виде параллелепипедов с основаниями площадью d₁×d₂ (d₂/d₁ = √3). Для получения более гладких расчетных распределений напряжений исходная геометрическая модель была разбита на конечные элементы неструктурированной тетраэдрической сеткой, имеющей измельчение вблизи центральной поры.

Для расчетов использованы следующие геометрические параметры: А — нормированный радиус вписанной в шестиугольник поры окружности, М — нормированный шаг пористой структуры.

В качестве представительного значения для оценки степени релаксации напряжений рассматривался след тензора напряжений (гидростатическое давление), т. к. данная величина является инвариантной относительно изменения системы координат.

На рис. 7 представлены зависимости нормированного осредненного гидростатического напряжения от нормированного радиуса поры с фиксированным шагом М = 1,35.

Рис. 7. Распределение нормированного осредненного гидростатического напряжения от нормированного радиуса поры [7]

По полученным данным можно сделать вывод о том, что полученная зависимость имеет практически линейный характер: увеличение нормированного радиуса поры приводит к уменьшению нормированного осредненного гидростатического напряжения.

Были также проведены расчеты по исследованию зависимости нормированного осредненного гидростатического давления от нормированного радиуса А. На рис. 8 представлены полученные распределения.

Рис. 8. Распределение нормированного гидростатического напряжения для открытых пор с нормированной высотой А = 0,3 и А = 0,95 и шагом М = 1,35 в плоскости симметрии [7]

По полученным расчетным данным можно заключить, что открытые поры приводят к уменьшению гидростатических напряжений в своей окрестности. Также стоит отметить, что существует значительная концентрация напряжений на границе поры и слоя нитрида галлия. Эффект локализации напряжения усиливается с увеличением нормированного радиуса пор.

На рис. 9 представлено распределение компоненты растягивающих напряжений s_ZZ для открытых пор на границе GaN/сапфир. Данные напряжения могут способствовать формированию трещин нормального раскрытия в исследуемой области.

Рис. 9. Распределение компоненты напряжений sZZ для открытых пор с нормированной высотой A = 0,3 и A = 0,95 и шагом M = 1,35 в плоскости симметрии [7]

На основе полученных расчетов можно сказать, что s_ZZ на границе GaN/сапфир повышается с увеличением нормированного радиуса пор [7].

В результате проведенных исследований можно прийти к выводу, что наличие пор в пленках GaN на сапфире приводит к перераспределению напряжений в структуре, наблюдается релаксация напряжений: пористая структура приводит к более чем 20%-ному падению осредненного гидростатического напряжения в пленке нитрида галлия. Анализ термических напряжений показал зависимость напряженно-деформированного состояния от геометрических параметров пористой структуры: увеличение нормированного радиуса приводит к уменьшению осредненного гидростатического напряжения в пленке нитрида галлия. Вследствие наличия вблизи пор концентрации компоненты растягивающих напряжений s_ZZ возможно зарождение трещин на границе GaN/сапфир, с последующим отделением сапфировой подложки.