Полупроводниковый элемент, излучающий свет в синей области видимого спектра

Изобретение относится к области полупроводниковых излучающих приборов, конкретнее к светодиодам на основе широкозонных нитридных соединений типа А^IIIB^V. Сущность: структура элемента последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из GaN, легированного Si, активный слой, с двумя или более квантовыми ямами, выполненными из In_XGa_1-XN и разделяющими эти ямы барьерами, выполненными из нитридного материала, легированного Si, эмиттерный слой, выполненный из Al_YGa_1-yN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg. В In_XGa_1-XN мольная доля индия Х линейно уменьшается по толщине квантовых ям от 0,35 до 0,1 в направлении от п-контактного слоя. В составе эмиттерного слоя мольная доля алюминия Y линейно уменьшается от максимального значения 0,3+Z на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с активным слоем, до значения Z, на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с р-контактным слоем, где Z - мольная доля алюминия в составе р-контактного слоя, в качестве нитридного материала которого использован Al_ZGa_1-ZN, где 0≤Z≤0,1. Активный слой легирован Si, с концентрацией Si не менее 5·10¹⁸ см^-3, толщина «h₁» квантовых ям активного слоя составляет 1,5≤h₁≤3 нм, толщина «h₂» барьеров, разделяющих квантовые ямы, составляет 5≤h₂≤15 нм, а толщина «h_e» эмиттерного слоя находится в пределах 10≤h_e≤30 нм. Технический результат изобретения: повышение эффективности светодиодов, излучающих свет в синей области видимого спектра с длиной волны 450-500 нм. 1 табл., 1 ил.

 

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

Известен полупроводниковый светоизлучающий элемент, содержащий подложку, буферный слой, n-контактный слой с высокой проводимостью, легированный кремнием, активный слой, включающий структуру из нескольких квантовых ям, барьерные слои и p-контактный слой, US 6,515,313.

Это техническое решение обеспечивает локальное уменьшение электрических полей, порождаемых поляризационными зарядами на границах слоев с различным составом, и потенциально способствует повышению внутренней квантовой эффективности структуры. Однако простое уменьшение поляризационных зарядов на гетерограницах не решает основной задачи создания эффективного светоизлучающего элемента, поскольку эффективность светоприбора сложным образом зависит от характера функционирования всех слоев структуры.

Известен также полупроводниковый элемент, излучающий свет в синей области видимого света, структура которого последовательно включает подложку из сапфира, буферный слой, выполненный из нитридного материала (AlN), n-контактный слой, выполненный из GaN, легированного Si, n-эмиттерный слой из AlGaInN, активный слой, содержащий одну или более квантовые ямы, выполненные из нитридного материала и разделенные барьерами, выполненными из нитридного материала (AlGaInN), эмиттерный слой, выполненный из нитридов Al и Ga, легированный Mg, и p-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, US 6,265,726.

В данной конструкции для повышения квантовой эффективности светодиода мольные доли алюминия, галлия и индия в составе слоев выбираются таким образом, чтобы уменьшить рассогласование постоянных кристаллических решеток вышележащих слоев по отношению к n-контактному слою и уменьшить тем самым поляризационные заряды на гетерограницах. Помимо этого, состав и концентрация легирующих примесей в излучающем активном слое и прилегающих слоях выбираются таким образом, чтобы увеличить вероятность излучательной рекомбинации, главным образом, путем повышения плотности числа носителей в активном слое.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Однако повышение концентрации легирующих добавок имеет естественный предел, что не позволяет добиться достаточно высокого уровня концентрации носителей заряда в случае слоев с дырочным типом проводимости ввиду высокой энергии активации акцепторной примеси. При этом сравнительно низкая подвижность дырок также препятствует повышению инжекции дырок в активный слой.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения уровня концентрации носителей заряда в слоях с дырочным типом проводимости и повышения эффективности инжекции дырок в активный слой.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полупроводниковом элементе, излучающем свет в синей области видимого спектра, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из GaN, легированного Si, активный слой, с двумя или более квантовыми ямами, выполненными из In_XGa_1-XN, и разделяющими эти ямы барьерами, выполненными из нитридного материала, легированного Si, эмиттерный слой, выполненный из Al_YGa_1-YN, легированного Mg, и p-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, в In_XGa_1-XN мольная доля индия Х линейно уменьшается по толщине квантовых ям от 0,35 до 0,1 в направлении от n-контактного слоя, в составе эмиттерного слоя мольная доля алюминия Y линейно уменьшается от максимального значения 0,3+Z на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с активным слоем, до значения Z, на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с р-контактным слоем, где Z - мольная доля алюминия в составе р-контактного слоя, в качестве нитридного материала которого использован Al_ZGa1-_ZN, где 0≤Z≤0,1, при этом активный слой легирован Si, с концентрацией Si не менее 5·10¹⁸ см^-3, толщина «h₁» квантовых ям активного слоя составляет 1,5≤h₁≤3 нм, толщина «h₂» барьеров, разделяющих квантовые ямы, составляет 5≤h₃≤15 нм, а толщина «h_e» эмиттерного слоя находится в пределах 10≤h_e≤30 нм.

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

В предлагаемой конструкции градиентный состав эмиттерного слоя (мольная доля Al максимальна на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с активным слоем, и далее уменьшается по толщине эмиттерного слоя до границы его с р-контактным слоем) обеспечивает повышение концентрации дырок на границе активного слоя, поскольку градиент состава эмиттерного слоя приводит к дополнительному распределенному поляризационному р-легированию вблизи активного слоя.

Предложенная толщина эмиттерного слоя от 10 до 30 нм, во-первых, позволяет эффективно ограничить проникновение электронов в р-контактный слой, существенно не понижая при этом инжекцию дырок в активный слой, и, во-вторых, исключает релаксацию напряжений в полупроводниковом элементе путем растрескивания эмиттерного слоя.

Для улучшения спектральных характеристик излучения в оптимизированной структуре ограничивается ширина квантовой ямы, в пределах 1,5-3 нм. Использование в структуре квантовых ям с шириной до 3 нм позволяет избавиться от второго электронного уровня в квантовой яме и получить узкий спектр излучения, но при толщине ям менее 1 нм понижает эффективность захвата носителей в квантовую яму. Выбор ширины квантовой ямы в указанных пределах дает хорошие спектральные характеристики прибора, а некоторое понижение эффективности захвата носителей в узкую квантовую яму компенсируется тем, что число квантовых ям не должно быть меньше двух. Толщина барьеров, разделяющих квантовые ямы, выбрана таким образом, чтобы, во-первых, существенно ограничить туннельный ток между ямами, который негативно влияет на эффективность прибора, а во-вторых, чтобы не допустить ухудшения вольтамперных характеристик прибора.

Градиент состава создает тянущее поле, способствующее лучшей инжекции носителей заряда в активный слой, а также, что существенно для материалов на основе нитридов третьей группы, он создает в объеме материала распределенный поляризационный заряд.

Таким образом, возникает значительное дополнительное поляризационное р-легирование вблизи и внутри активной области, что и способствует увеличению квантовой эффективности предлагаемой светодиодной структуры.

Повышение энергетического барьера для электронов в эмиттерном слое с большим содержанием AlN препятствует проникновению электронов в р-слои, что существенно уменьшает вероятность безызлучательной рекомбинации носителей заряда. При этом предложенные состав эмиттерного слоя и его геометрические характеристики позволяют исключить заметное ухудшение вольтамперной характеристики полупроводникового элемента.

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

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема послойной структуры полупроводникового элемента в поперечном разрезе.

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 GaN, легированный кремнием с концентрацией 2-5·10¹⁸ см^-3, толщиной 3 мкм;

- активный слой 4, содержащий две квантовые ямы толщиной 2 нм, выполненные из In_XGa_1-×N, где мольная доля индия Х линейно уменьшается по толщине квантовых ям в направлении от n-контактного слоя от значения 0,35 до 0,1, и барьер между ними, толщиной 10 нм, выполненный из GaN и легированный кремнием с концентрацией атомов 5·10¹⁸ см^-3;

- эмиттерный слой 5, легированный магнием с концентрацией 10¹⁹ см^-3, выполненный из Al_yGa_1-yN, где мольная доля алюминия Y линейно уменьшается от значения 0,3+Z на поверхности слоя 5, граничащей со слоем 4, до значения Z на поверхности слоя 5, граничащей с р-контактным слоем 6;

- р-контактный слой 6, выполненный из Al_zGa_1-zN, где Z - мольная доля алюминия, легированный магнием с концентрацией 5·10¹⁹ см^-3, толщиной 100 нм.

Полупроводниковый элемент представляет собой двухстороннюю светодиодную гетероструктуру с переменным составом квантовых ям и эмиттерного слоя, что позволяет получить внутреннюю эффективность на уровне 90% в широком интервале плотностей тока от 10^-4·10³ А/см², при плотности дислокации ˜ 10⁸-10⁹ см^-2. При этом следует отметить, что увеличение плотности дислокации в структуре приводит к существенному понижению ее внутренней эффективности.

Для испытаний гетероструктуры выращивались на сапфировой подложке методом МОС-гидридной эпитаксии при субатмосферном давлении и температурах от 1000 до 1100°С, InGaN квантовые ямы выращивались при температурах 700-800°С, n-контактные слои легировались Si до концентрации 5·10¹⁸ см^-3, что было установлено с помощью ВИМС (вторичная ионная масс-спектрометрия). Активный слой легировался Si до концентрации 2·10¹⁹ см^-3, эмиттерный и р-контактный слои легировались Mg до концентрации 5·10¹⁹ см^-3.

После процесса роста структура подвергалась 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. В качестве детектора использовался фотоумножитель ФЭУ-100. Сигнал с фотоумножителя, через цифровой вольтметр Щ1413, передавался на компьютер для окончательной обработки.

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

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

Электролюминесценция светодиодов измерялась при выводе излучения через сапфировую подложку.

В примерах 1-7 ширина квантовой ямы составляет от 1 до 3 нм, ширина эмиттерного слоя варьируется от 10 до 30 нм, мольная доля алюминия в составе эмиттерного слоя на поверхности, граничащей с активным слоем, от 0,4 до 0,2, а мольная доля алюминия в р-контактном слое во всех примерах, кроме примера 4, выбрана равной нулю, в примере 4 мольная доля Z=0,1.

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	Полуширина спектра излучения (нм)	Пик спектра излучения (нм)
1	Ширина квантовых ям 1 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,72	7	420
	20 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,3-0
2	Ширина квантовых ям 2 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,78	8	456
	20 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,2-0
3	Ширина квантовых ям 2 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,95	12	456
	20 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,3-0
4	Ширина квантовых ям 2 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,85	14	440
	20 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,4-0,1
5	Ширина квантовых ям 2 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,83	8	450
	10 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,3-0
6	Ширина квантовых ям 2 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,84	10	456
	30 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,3-0
7	Ширина квантовых ям 3 нм
	Ширина эмиттерного слоя	0,81	18	465
	30 нм
Доля Al в составе эмиттерного слоя 0,3-0

Приведенные примеры подтверждают высокую эффективность излучения в синей части видимого спектра.

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

Полупроводниковый элемент, излучающий свет в синей области видимого спектра, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из GaN, легированного Si, активный слой с двумя или более квантовыми ямами, выполненными из In_XGa_1-XN, и с разделяющими эти ямы барьерами, выполненными из нитридного материала, легированного Si, эмиттерный слой, выполненный из Al_YGa_1-yN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, отличающийся тем, что в In_XGa_1-XN мольная доля индия Х линейно уменьшается по толщине квантовых ям от 0,35 до 0,1 в направлении от n-контактного слоя, в составе эмиттерного слоя мольная доля алюминия Y линейно уменьшается от максимального значения 0,3+Z на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с активным слоем, до значения Z на поверхности эмиттерного слоя, граничащей с р-контактным слоем, где Z - мольная доля алюминия в составе р-контактного слоя, в качестве нитридного материала которого использован Al_ZGa_1-ZN, 0≤Z≤0,1, при этом активный слой легирован Si с концентрацией Si не менее 5·10¹⁸ см³, толщина «h₁» квантовых ям активного слоя составляет 1,5≤h₁≤3 нм, толщина «h₂» барьеров, разделяющих квантовые ямы, составляет 5≤h₂≤15 нм, а толщина «h_e» эмиттерного слоя находится в пределах 10≤h_e≤30 нм.