Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне

Изобретение относится к области полупроводниковых излучающих приборов, конкретнее к светодиодам на основе широкозонных нитридных соединений типа А^IIIB^V. В полупроводниковом элементе, излучающем свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_X1In_X2Ga_1-X1-X2N, легированного Si, активный слой, выполненный из нитридного материала Al_Y1In_Y2Ga_1-Y1-Y2-N, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_Z1In_Z2Ga_1-Z1-Z2N, легированного Mg, активный слой разделен на две области, при этом прилегающая к контактному слою область легирована Si и имеет проводимость n-типа, а другая область активного слоя легирована Mg и имеет проводимость р-типа, мольная доля Al (Y1) в области активного слоя с проводимостью n-типа непрерывно и монотонно уменьшается от границы с n-контактным слоем до границы с областью активного слоя, имеющей проводимость р-типа и находится в пределах 0,1≤Y1≤1, причем разница значений Y1 на границах области активного слоя с проводимостью n-типа составляет не менее 0,04, а ширина запрещенной зоны в области активного слоя с проводимостью р-типа на ее границе с областью с проводимостью n-типа не менее чем на 0,1 эВ превышает максимальную ширину запрещенной зоны области с проводимостью n-типа. Технический результат изобретения: расширение диапазона ультрафиолетового излучения до 240-300 нм, повышение внутренней эффективности излучения при одновременном упрощении конструкции светоизлучающего элемента. 1 табл., 1 ил.

 

Изобретение относится к области полупроводниковых излучающих приборов, конкретнее к светодиодам на основе широкозонных нитридных соединений типа A^IIIB^V.

Известен полупроводниковый светоизлучающий элемент, содержащий подложку, буферный слой, n-контактный слой, выполненный из GaN и легированный Si, р-контактный слой, выполненный из GaN и легированный Mg, F.Calle et al., MRS J.Nitride Semicond. Res. 3 (1998) 24.

Это техническое решение обеспечивает максимальную простоту конструкции прибора, однако не позволяет получить высокую внутреннюю эффективность излучения и длину волны излучения менее 365 нм.

Известен также полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N, легированного Si, активный слой, выполненный из нитридного материала Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N, легированный одновременно донорами и акцепторами, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_x3In_y3Ga_1-x3-y3N, легированного Mg, где вышеупомянутые слои образуют либо одностороннюю, либо двухстороннюю гетероструктуру, US 6005258.

В данной конструкции для повышения внутренней квантовой эффективности светоизлучающего элемента используется либо солегирование донорами и акцепторами активного слоя гетероструктуры, либо замена односторонней структуры двухсторонней.

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа настоящего изобретения.

Однако этот полупроводниковый светоизлучающий элемент пригоден, в первую очередь, для генерации излучения с длиной волны 350 нм и более. В более коротковолновом диапазоне внутренняя эффективность излучения устройства-прототипа резко деградирует.

Это объясняется тем, что для работы элемента в ультрафиолетовом спектральном диапазоне (с длиной волны излучения 300 нм и менее) требуется использование нитридных соединений с высоким содержанием AlN. В этом случае наиболее существенными факторами, определяющими эффективность излучения, являются ограничение носителей в активном слое и подавление потенциальных барьеров, связанных с поляризационными зарядами, возникающими на интерфейсах со скачкообразным изменением состава. В устройстве-прототипе ограничение носителей в пределах активного слоя недостаточно. В результате инжектируемые дырки могут свободно проникать в n-контактный слой, а электроны - в р-контактный слой, где они рекомбинируют преимущественно безызлучательно, приводя к резкому снижению внутренней эффективности.

В основу данного изобретения положено решение задачи расширения диапазона ультрафиолетового излучения до 240-300 нм, повышения внутренней эффективности излучения при одновременном упрощении конструкции светоизлучающего элемента.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полупроводниковом элементе, излучающем свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_X1In_X2Ga_1-X1-X2N, легированного Si, активный слой, выполненный из нитридного материала Al_Y1In_Y2Ga_1-Y1-Y2N, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_Z1In_Z2Ga_1-Z1-Z2N, легированного Mg, активный слой разделен на две области, при этом прилегающая к контактному слою область легирована Si и имеет проводимость n-типа, а другая область активного слоя легирована Mg и имеет проводимость р-типа, мольная доля Al (Y1) в области активного слоя с проводимостью n-типа непрерывно и монотонно уменьшается от границы с n-контактным слоем до границы с областью активного слоя, имеющей проводимость р-типа, и находится в пределах 0,1≤Y1≤1, причем разница значений Y1 на границах области активного слоя с проводимостью n-типа составляет не менее 0,04, а ширина запрещенной зоны в области активного слоя с проводимостью р-типа на ее границе с областью с проводимостью n-типа не менее чем на 0,1 эВ превышает максимальную ширину запрещенной зоны области с проводимостью n-типа.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».

Реализация отличительных признаков изобретения обеспечивает повышение эффективности излучения за счет расширения активного слоя по сравнению с традиционными двухсторонними структурами на основе квантовых ям, где критичным фактором является качество интерфейсов и профиль легирования вблизи них. Кроме того, широкая активная область снижает тепловую нагрузку на активный слой, что дополнительно благоприятствует повышению эффективности прибора.

Использование содержания InN в слоях гетероструктуры с указанными мольными долями In, с одной стороны, способствует уменьшению концентрации собственных точечных дефектов в материале, что благоприятно для повышения внутренней эффективности излучения, а с другой стороны, не приводит к распаду на фазы твердых растворов Al_xIn_yGa_1-x-yN, сопровождающемуся генерацией протяженных дефектов, резко снижающему квантовый выход излучения.

Для подавления проникновения дырок в n-контактный слой в предлагаемой конструкции применяется плавное изменение ширины запрещенной зоны в n-области активного слоя за счет вариации его состава. Это создает для дырок встроенное электрическое поле, оттягивающее их от n-контактного слоя по направлению к границе р-n перехода. Величина тянущего поля контролируется разницей значений у, на границах области активного слоя с проводимостью n-типа в пределах 0,04.

Для предотвращения проникновения электронов в р-контактный слой формируется скачок состава (и, следовательно, ширины запрещенной зоны) на границе областей активного слоя с проводимостью n- и р-типа (n- и р-областей). Чтобы потенциальный барьер для электронов, созданный этим скачком, был эффективен и при больших уровнях инжекции, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны в р-области активного слоя на ее границе с n-областью была на 0.1 эВ больше, чем максимальная ширина запрещенной зоны в n-области активного слоя.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемые вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».

Полупроводниковый элемент в конкретном исполнении во всех примерах имеет структуру, которая включает последовательно:

- подложку 1, выполненную из сапфира, толщиной 500 мкм;

- буферный слой 2 из AlN толщиной 20 нм;

- n-контактный слой 3, выполненный из AL_X1IN_X2GA_1-X1-X2N, в данном примере X₁=0,52; X₁ может варьироваться от 0,1 до 1,0; Х₂ может варьироваться от 0 до 0,05. Слой 3 легирован кремнием с концентрацией 5·10¹⁸ см^-3, толщиной 1,5 мкм;

- активный слой, выполненный из Al_Y1In_Y2Ga_1-Y1-Y2N, где Y₁=0,52, может лежать в пределах от 0,1 до 1, Y₂=0 и может быть в пределах от 0 до 0,05; активный слой включает область 4, легированную Si с концентрацией 5·10¹⁸ см^-3 с проводимостью n-типа, и область 5, легированную Mg с концентрацией 5·10¹⁹ см^-3, имеющую проводимость р-типа;

- р-контактный слой 6, выполненный из Al_Z1In_Z2Ga_1-Z1-Z2N, в котором величина Z₁=0,52; Z₁ может варьироваться в пределах от 0,1 до 1,0; Z₂ может быть в пределах от 0 до 0,05. Слой G легирован магнием с концентрацией 5·10¹⁹ см^-3, толщиной 100 нм.

Полупроводниковый элемент представляет собой одностороннюю светодиодную гетероструктуру с переменным составом активного слоя, которая позволяет получить внутреннюю эффективность на уровне 15-35% при плотностях тока, изменяющихся в диапазоне от 1 А/см² до 100 А/см² и плотности проникающих дислокаций ˜10⁹ см^-2. Следует при этом отметить, что уменьшение плотности дислокации в светодиоде приводит к резкому повышению его внутренней эффективности. При плотности дислокации ˜10⁷ см^-2 возможно получить внутренний квантовый выход, превышающий 90%.

Для испытаний гетероструктуры выращивались на сапфировой подложке методом МОС-гидридной эпитаксии при субатмосферном давлении и температурах от 1000°С до 1100°С, n-контактные слои и n-области активных слоев легировались Si до концентрации 5·10¹⁸ см^-3, что было установлено с помощью ВИМС (вторичная ионная масс-спектрометрия). р-области активных слоев и р-контактные слои легировались Mg до концентрации 5·10¹⁹ см^-3.

После процесса роста структура подвергалась сухому (ионному) травлению с целью формирования мезы до глубины, соответствующей уровню n-контактного слоя. Далее на вытравленную и оставшуюся части структуры наносились соответственно n- и р-контакты, представляющие собой многослойные металлические композиции, соответственно Ti/Al/Pt/Au и Ni/Au. Контакты вжигались в атмосфере азота при температуре 850°С в течение 30 секунд.

Далее из структуры вырезались отдельные светодиоды, которые монтировались на теплоотводе р-контактом вниз, и к ним припаивались золотые электроды для подвода электрического тока.

Для исследования люминесцентных характеристик светодиодов использовался спектрометр КСВУ-12 со специально подобранной дифракционной решеткой, позволяющей осуществлять измерения в ультрафиолетовом спектральном диапазоне. В качестве детектора использовался фотоумножитель ФЭУ-100. Сигнал с фотоумножителя через цифровой вольтметр Щ1413 передавался на компьютер для окончательной обработки данных измерений.

Точность измерений интенсивности излучения была не хуже, чем 0,02%.

Для измерения внешней эффективности светодиода использовался калиброванный фотодетектор на основе аморфного Si:H (кремния, легированного водородом). Измерения проводились при фиксированной геометрии эксперимента, что позволяло количественно сравнивать излучение различных образцов.

Электролюминесценция светодиодов измерялась при выводе излучения через сапфировую подложку.

Полученные в результате испытаний характеристики полупроводниковых светоизлучающих элементов приведены в таблице 1.

Таблица 1
Номер примера	Параметры полупроводникового элемента	Внутренняя квантовая эффективность при плотности тока от 1 до 102 А/см2	Диапазон длин волн (нм)
1	Доля Al Y1=0,42 в n-области (50 нм), и Y1=0,62 в р-области (50 нм); доля Al в р-контактном слое Z1=0.62	0,14-0,11	250-290
2	Доля Al Y1=0,42 в n-области (50 нм), и Y1=0,70 (10 нм) вблизи границы с n-областью и Y1=0,52; доля Al в р-контактном слое Z1=0.52	0,13-0,14	250-290
3	Доля Al уменьшается от Y1=0,52 до 0,42 на толщине 10 нм в n-области, а затем увеличивается от Y1=0,42 до Y1=0,62 на толщине 10 нм в р-области; доля Al в р-контактном слое Z1=0.62	0,15-0,23	250-290
4	Доля Al уменьшается от Y1=0,52 до 0,42 на толщине 20 нм в n-области, а затем увеличивается от Y1=0,52 до Y1=0,70 на толщине 10 нм в р-области; доля Al в р-контактном слое Z1=0.52	0,17-0,32	250-290
5	Доля Al уменьшается от Y1=0,52 до 0,42 на толщине 50 нм в n-области, а затем составляет Y1=0,62 на толщине 20 нм в р-области; доля Al в р-контактном слое Z1=0.62	0,15-0,34	250-290
6	Доля Al уменьшается от Y1=0,52 до 0,42 на толщине 20 нм в n-области, а затем составляет Y1=0,62 на толщине 20 нм в р-области; доля Al в р-контактном слое Z1=0.62	0,17-0,22	250-290
7	Доля Al уменьшается от Y1=0,62 до 0,52 на толщине 20 нм в n-области, а затем увеличивается от Y1=0,42 до Y1=0,54 на толщине 50 нм в р-области; доля Al в р-контактном слое Z1=0.54	0,02-0,12	250-290

В примерах 3, 4, 5, 6 внутренняя квантовая эффективность полупроводникового прибора превышает 15% и достигает на отдельных структурах уровня более 30% при плотности тока 100 А/см². Дальнейшее повышение плотности тока приводит к росту эффективности до ˜50% при плотности тока ˜1 кА/см², что важно для создания мощных светодиодов и лазеров ультрафиолетового диапазона.

Приведенные примеры подтверждают высокую эффективность излучения в коротковолновой части ультрафиолетового спектра.

Для реализации светоизлучающих элементов использовано стандартное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».

Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_X1In_X2Ga_1-X1-X2N, легированного Si, активный слой, выполненный из нитридного материала Al_Y1In_Y2Ga_1-Y1-Y2N, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала Al_Z1In_Z2Ga_1-Z1-Z2N, легированного Mg, отличающийся тем, что активный слой разделен на две области, при этом прилегающая к контактному слою область легирована Si и имеет проводимость n-типа, а другая область активного слоя легирована Mg и имеет проводимость р-типа, мольная доля Al (Y₁) в области активного слоя с проводимостью n-типа непрерывно и монотонно уменьшается от границы с n-контактным слоем до границы с областью активного слоя, имеющей проводимость р-типа и находится в пределах 0,1≤Y₁≤1, причем разница значений Y₁ на границах области активного слоя с проводимостью n-типа составляет не менее 0,04, а ширина запрещенной зоны в области активного слоя с проводимостью р-типа на ее границе с областью с проводимостью n-типа не менее чем на 0,1 эВ превышает максимальную ширину запрещенной зоны области с проводимостью n-типа.