CC BY
47
УДК 535.211:535.214
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ РАССЕИВАЮЩИХ РЕЛЬЕФОВ НА ПОВЕРХНОСТЯХ ТУГОПЛАВКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: denlnsk@mail.ru
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru
Валерий Андреевич Райхерт
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ведущий инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru
Сергей Леонидович Шергин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: serkron@mail.ru
Представлены результаты экспериментальных исследований процессов сублимационного лазерного формирования неупорядоченных рельефных структур с аспектным отношением (0,5-1) на поверхностях тугоплавких диэлектриков (например, лейкосапфир). Показана возможность создания технологии одностадийного «сухого» (без использования травителей) формирования микролинзовых поверхностных структур на лейкосапфире.
Ключевые слова: лазерная сублимация, рельеф на поверхности, полное внутреннее отражение, светодиод, тугоплавкие диэлектрики, лейкосапфир.
THE EXPERIMENTAL STUDIES LASER PROCESS OF SCATTERING RELIEFS FORMING ON THE SURFACES OF THE HIGH-MELTING DIELECTRICS
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: garlic@ngs.ru Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo St., engineer of department of physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: denlnsk@mail.ru
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: say1945@mail.ru
Valery A. Raykhert
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., leading engineer of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: vreichert@yandex.ru
Sergey L. Shergin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: serkron@mail.ru
The results of experimental studies sublimation laser process of unregulated relief structures with high aspect ratio (0,5-1) forming on the surfaces of the high-melting dielectrics (for example, leucosapphire) are present. The possibility of creation of one-stage "dry" (without etchants) technology of microlens surface structures forming on leucosapphire are shown.
Key words: laser sublimation, relief on surface, total internal reflection, LED, high-melting dielectrics, leucosapphire.
Проблемой при создании светодиодов является увеличение эффективности вывода излучения из кристалла светодиода в связи с большим значением показателя преломления используемых материалов [30]; используют преимущественно монокристаллические карбид кремния и лейкосапфир. Для увеличения внешнего квантового выхода светодиодов используются технологии создания рассеивающего рельефа в виде микролинзовых структур на излучающей или выходной поверхности светодиода и нанесения просветляюще-рассеивающих покрытий, подбирают форму светоизлучающего кристалла с отражающими гранями (фирма Сгее Inc., [24,25]). Достигнутый в промышленных образцах светодиодов уровень эффективности не превышает 50 %. Подробный обзор светодиодной продукции компании CREE представлен в статье [9].
В работе [2] с целью увеличения эффективности вывода света на поверхности w-GaN был создан рассеивающий рельеф методом реактивного ионного травления в газовой смеси Cl2:Ar, внешняя квантовая эффективность выросла на (25-30) %. При ионной обработке на указанной поверхности
возникал неупорядоченный рельеф в виде столбиков и вертикальных пирамидок с характерными размерами в сотни нанометров.
В работе [3] развит метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25 %.
Разработка отечественного мощного светодиодного кристалла представлена в работе [10]. Разработан светодиодный кристалл большой мощности с размером 1 мм , излучающий на длине волны 460 нм. Применение двухуровневой разводки «-контакта позволило получить рекордно низкое значение последовательного сопротивления.
В работе [11] рассматриваются вопросы повышения светоотдачи светодиодов за счёт увеличения эффективности выхода излучения из объёма кристалла. Широко применяются технологии случайного текстурирования (верхнего слоя ^-GaN) и технологии профилированной сапфировой подложки. В последнем случае выращивание эпитаксиальных слоёв GaN производится не на гладкой, а на подвергнутой микрообработке подложке, что даёт два преимущества. Во-первых, благодаря более низкой плотности винтообразных изменений в пространственной решётке (threading dislocation) эпитаксиальных слоёв, выращенных по технологии ОСП, повышается внутренняя квантовая эффективность. Во-вторых, формы границы «эпитаксия - сапфир» работают в качестве центров рассеивания или преломления, что снижает общее внутреннее отражение, а следовательно, повышается эффективность светоотдачи.
Для повышения эффективности светодиодов прибегают к нанопрофилированию сапфира. Предпринимаются усилия по разработке технологии фотонных кристаллов - использовании периодических или квазипериодических структур с размерами, сравнимыми с длиной волны света, в качестве дифракционных решёток.
В работе [12] предложен усовершенствованный процесс, основанный на использовании наборов самоорганизующихся на поверхности фоточувствительного слоя полимерных наносфер, играющих роль наноразмерных сферических линз.
Таким образом, актуальными являются разработка и исследования технологий создания рельефов на поверхностях полного внутреннего отражения. Нами проведена разработка лабораторной технологии лазерного формирования рельефов на поверхностях кремния, карбида кремния, лейкосапфира. В настоящем сообщении приводится описание методик одностадийного (без использования фотолитографии и химических
технологий) создания микролинзовых и различного характера неупорядоченных рельефов на поверхностях тугоплавких монокристаллов из лейкосапфира с использованием разработанной лазерной сублимационной технологии, представлены результаты экспериментов по созданию рельефов.
Лейкосапфир - искусственно выращенный монокристалл А1203, теплопроводность которого равна (23,1-25,2) Вт/(м°С), теплоёмкость равна 925 Дж/(кгК) (при 27 °С) и 1436 Дж/(кгК) (при 2223 °С) [9].
В качестве базовой для исследований используется экспериментальная установка, оптическая схема и внешний вид которой приведены на рис. 1.
Рис. 1. Упрощённая оптическая схема и внешний вид лазерной установки микрообработки поверхностных структур тугоплавких полупроводников
При подготовке экспериментов в качестве излучателя выбран наносекундный твердотельный Nd:YAG лазер «Бриллиант» фирмы QUANTEL, имеющий параметры: длины волн генерации 1064, 532, 355, 266
нм; длительность импульса (4-6) нс; Энергия импульса - до 360 мДж на длине волны 1064 нм; средняя мощность лазера 3,6 Вт на длине волны 1064 нм; расходимость пучка - менее 0,5 мрад.
Лабораторная установка включает следующие элементы: 1 -обрабатываемая подложка; 2 - двухкоординатный микроскопный столик с ручным управлением; 3 - объектив для ультрафиолетового излучения; 4 -твердотельный лазер; 5 и 6 - источники подсветки подложки, использующие галогенные лампы накаливания; 7 - галогенный излучатель устройства формирования на подложке световой цветной метки; 8 - окулярная часть микроскопа наблюдения поверхности обрабатываемой подложки; 9 -сменная маска, окно которой формирует поперечное сечение лазерного пучка, отображается объективом 3 на поверхность подложки; 10 -коллиматор (расширитель) лазерного пучка; (11-16) - зеркала, 17 -наблюдатель; 18 - калориметрический измеритель мощности/энергии лазерного импульса.
В ряде случаев линзовые микроструктуры на поверхностях подложек из лейкосапфира образовывались воздействием на подложку лазерным пучком кольцевого сечения. На рис. 2 показано продольное сечение лазерного пучка (а) и вид на фокальное пятно на подложке (б).
Под воздействием лазерного излучения сублимируется материал подложки вне поля выступов, оставшийся материал выступов может служить микролинзой; может быть сформирован массив микролинз на поверхности подложки из лейкосапфира или карбида кремния.
Рис. 2. Лазерное формирование микролинзовых структур:
а - продольное сечение лазерного пучка; б - фокальное пятно на подложке; в, г, д - СЭМ фотографии микролинзовых образований на поверхности лйкосапфировых подложек. Диаметр образований 3, 5, 6 мкм при высоте 8 мкм. Наклон столика 35°, ускоряющее напряжение 10 кВ, на образец нанесена проводящая плёнка А1
На рис. 2, а, б: 1 - подложка, 2 - лазерный пучок, 3 - каналы в лазерном световом потоке, 4 - кольцевые канавки в подложке вокруг выступов 5, являющихся микролинзами.
Для формирования излучений в виде пучков с кольцевым поперечным сечением использована проекционная оптическая схема с формированием изображения маски на поверхности обрабатываемой подложки.
Маска помещается в лабораторную установку в позиции 4 (см. рис. 1), её изображение на поверхности подложки, формируемое при использовании объектива с фокусным расстоянием 16 мм с уменьшением 30*, получается в виде рисунка с диаметрами островков d = 1,7 мкм при шаге их расположения 17 мкм; лазерное излучение, таким образом, должно попадать на поверхность подложки в областях между островками. Вследствие дифракции на объективе изображение островков получится не резким, что создаёт
полутоновый эффект на краях островков и сглаживание вертикальных рельефов при сублимации.
При сублимационных воздействиях использовалось излучение с длиной волны X = 355 нм, частота следования импульсов 50 Гц, длительность импульсов 5 нс; размер облучаемой области подложки приблизительно d = 50 мкм, средняя мощность излучения Рср = 4,5 мВт; мощность в импульсе Рим = 450 МВт; импульсная плотность мощности падающего излучения 6,71018 Вт/м2.
Образцы подложек с рельефом исследовались с помощью оптического микроскопа и растрового электронного микроскопа Биомед-4 и РЭМ Philips SEM-505, а также с помощью оригинальной приставки к оптическому микроскопу, позволяющей выявлять эффекты нарушения полного внутреннего отражения поверхностей, обусловленные рельефом на пооверхности.
На рис. 2, в-д показаны СЭМ фотографии микролинзовых образований на поверхности лйкосапфировых подложек. На рис. 2, д глубина ямы 29,5 мкм диаметр 50 мкм, высота и диаметр внутреннего выступа 19 мкм и
16 мкм; структура получена воздействием полого луча с интенсивностью
18 2
6,110° Вт/м , время импульсно-периодического облучения 10 с.
На рис. 2, г глубина кратера 6,5 мкм. Столбики имеют диаметр 8 мкм,
18 2
получены при интенсивности 6-101в Вт/м за время экспозиции 3 с. Структура рис. 2, в получена многократным дублированием облучения со смещением по одной координате с шагом 34 мкм.
Для лазерного формирования рассеивающего рельефа в виде массива кольцевых дорожек на поверхности лейкосапфира или карбида кремния разработан «моторизованный» предметный столик к лазерной установке, позволяющий с помощью шагового двигателя вращать подложку вокруг оси вращения, параллельной оптической оси объектива установки и возможностью изменять расстояние между осями. Лазерный луч при вращении столика описывает на поверхности фигуры в виде массива соосных окружностей, по каждой окружности сублимируется массив микроструктур фокального пятна, то есть структур, образующихся во время лазерного импульса. Окружность содержит приблизительно 700 дискретных позиций экспонирования, размер облучаемого за импульс участка 25*25 мкм.
На рис. 3 показаны оптические фотографии участков массива колец, полученные с рельефной поверхности лейкосапфировой подложки с различными увеличениями; подложка подсвечивалась светом светодиода снизу под углом, большим угла полного внутреннего отражения.
Рис. 3. Оптическая фотография массива колец, полученная с рельефной поверхности лейкосапфировой подложки, подсвечиваемой снизу под углом, большим угла полного внутреннего отражения (ширина колец и промежутков между ними 25 мкм)
Свет изнутри подложки при отсутствии рельефа в виде колец не проходит через поверхность подложки наружу; образованный лазерным воздействием рельеф на поверхности позволяет излучению пройти поверхность. Диаметр области подложки, заполненной массивом колец, порядка миллиметра.
На рис. 4 показаны оптические микрофотографии участков поверхности подложки с лазерным сублимационным рельефом, полученные в отражённом свете, также с различными увеличениями.
Рис. 4. Оптическая микрофотография системы колец в отражённом свете На фотографиях на внутренних кольцах видны почти квадратные участки лазерной сублимационной обработки, стыкующиеся друг с другом своими краями; на внешних кольцах участки лазерного воздействия расположены с неоднократным перекрытием, накладываются друг на друга.
На рис. 5 показаны СЭМ фотографии массива колец на поверхности лейкосапфировой подложки. Фотографии получены под различными ракурсами и с разным увеличением. Рельеф поверхности сапфира на рисунке в сублимированных облучаемых лазером областях неупорядоченный, содержит выступы и впадины величиной (1-3) мкм со средней периодичностью их расположения порядка (2-3) мкм (аспектное отношение (0,5-1).
Рис. 5. СЭМ фотографии массива колец на поверхности лейкосапфировой подложки
Таким образом, разработаны экспериментальные методики лазерного получения поверхностных неупорядоченных рельефных структур с аспектным отношением порядка (0,5-1) на тугоплавких диэлектриках, в частности, на лейкосапфире, получены положительные результаты по направлению создания технологии одностадийного «сухого» (без использования травителей) получения микролинзовых поверхностных структур на лейкосапфире.
Результаты данных исследований применены при создании светодиодов с увеличенным внешним квантовым выходом.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках ГК № 14.513.11.0101.
БИБЛИГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Берг А., Дин П. Светодиоды. - М.: Мир, 1979.
2. Полищук А.Г., Туркин А.Н. Новое поколение светодиодов компании Cree для освещения // Автоматизация в промышленности. - 2008. - № 7. - С.20-23.
3. Туркин А.Н. Мощные светодиоды Cree для освещения: основные преимущества и перспективы применения // Полупроводниковая светотехника - 2009. - №2. - С.14-17.
4. Елисеев И. Обзор светодиодной продукции компании CREE // Новости электроники. - 2009. - № 9. - С. 5-12.
5. Синие флип-чип светодиоды на основе AlGaInN с удалённой сапфировой подложкой / И.П. Смирнова и др. // ФТП. - 2006. - Т. 40, Вып. 111. - С. 1397-1401.
6. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC / И.П. Смирнова и др. // ФТП. - 2010. - Т. 44, Вып. 5. - С. 684-687.
7. Высокомощные синие флип-чип светодиоды на основе AlGaInN / Д.А. Закгейм и др. // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39, вып. 7. - С. 885-889.
8. Ки Донг Ли, Сжодин Р., Эрикссон Т. Наноформовка увеличивает эффективность светодиодов // Полупроводниковая светотехника. - 2010. - №5. - С.22-24.
9. Selectively grown photonic crystal structures for high efficiency InGaN emitting diodes using nanospherical-lens lithography / Wei T. B. et al. // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 101, N. 21. - P. 211111 - 211111-5.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. В. Кочкарев, М. В. Кузнецов,
В. А. Райхерт, С. Л. Шергин, 2014
