Полупроводниковый светоизлучающий прибор с пористым буферным слоем

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а более конкретно к полупроводниковым светодиодам на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (A^IIIN). Полупроводниковый светоизлучающий прибор, выполненный на основе нитридов металлов третьей группы, включает подложку, а также сформированные в процессе эпитаксиального роста последовательно расположенные буферный слой и слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с р-n-переходом. При этом буферный слой расположен непосредственно на подложке и, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к подложке, содержит поры, сформированные в процессе эпитаксиального роста буферного слоя. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и технологии изготовления полупроводникового светоизлучающего прибора. 1 ил.

 

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а более конкретно к полупроводниковым светодиодам на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (А^IIIN).

Известна конструкция полупроводникового светоизлучающего прибора [US 20040113163], включающая подложку со сформированным на ее поверхности текстурированным слоем, имеющим шероховатую поверхность, а также выращенные методом эпитаксии слои из нитридного материала, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом. Благодаря наличию указанного текстурированного слоя, микровыступы и микровпадины которого образуют центры рассеяния светового излучения, снижается влияние на выход света эффекта полного внутреннего отражения света, возникающего на границе подложка - примыкающий к подложке слой материала, в случае, когда показатель преломления материала указанного слоя превышает показатель преломления материала подложки. В результате увеличивается доля выводимого через подложку светового излучения и тем самым повышается внешняя оптическая эффективность прибора.

Однако за счет наличия текстурированного слоя, для формирования которого требуются дополнительные по отношению к основному технологическому процессу эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев технологические операции, включающие, например, такие операции, как травление материала слоя, в том числе с предварительным нанесением фотомаски, усложняется конструкция и технология изготовления рассматриваемого прибора.

Наиболее близким по конструкции к заявляемому изобретению является полупроводниковый светоизлучающий прибор [TW 591808], выбранный авторами в качестве прототипа. Рассматриваемый прибор включает сапфировую подложку, а также выполненные из нитридного материала и выращенные методом эпитаксии последовательно расположенные буферный слой и слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом. Кроме того, рассматриваемый прибор содержит расположенный между буферным слоем и подложкой промежуточный слой, который по одному из вариантов выполнения прибора имеет поры, сформированные путем травления материала слоя. Поры в рассматриваемом промежуточном слое сформированы с целью снижения механических напряжений в материале полупроводниковой гетероструктуры, обусловленных рассогласованием кристаллической решетки материала подложки и материала полупроводниковых слоев. Однако, помимо указанной функции, поры промежуточного слоя выполняют также функцию центров рассеяния светового излучения, благодаря наличию которых снижается влияние на выход света эффекта полного внутреннего отражения света на границе подложка - примыкающий к подложке слой материала и, соответственно, увеличивается доля выводимого светового излучения.

Однако, поскольку рассматриваемое устройство содержит дополнительный по отношению к слоям полупроводниковой гетероструктуры слой с порами и при этом для его формирования используются дополнительные по отношению к основному технологическому процессу эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев технологические операции, усложняется конструкция рассматриваемого прибора и технология его изготовления.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления полупроводникового светоизлучающего прибора.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в полупроводниковом светоизлучающем приборе, выполненном на основе нитридов металлов третьей группы, включающем подложку, а также сформированные в процессе эпитаксиального роста последовательно расположенные буферный слой и слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом, согласно изобретению буферный слой расположен непосредственно на подложке и, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к подложке, содержит поры, сформированные в процессе эпитаксиального роста буферного слоя.

Благодаря тому, что буферный слой расположен непосредственно на подложке и при этом он, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к подложке, содержит поры, в заявляемом устройстве на границе подложка - буферный слой обеспечивается наличие центров рассеяния светового излучения, функцию которых выполняют указанные поры. Тем самым в заявляемом устройстве достигается уменьшение влияния эффекта полного внутреннего отражения на выход света и, соответственно, увеличение доли выводимого светового излучения.

Благодаря тому, что поры образованы в буферном слое, а не в каком-либо слое, сформированном на подложке дополнительно по отношению к эпитаксиально выращенным слоям, упрощается конструкция заявляемого устройства.

При этом, поскольку поры в буферном слое сформированы непосредственно в процессе его эпитаксиального роста без применения дополнительных по отношению к основному технологическому процессу эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев технологических операций, упрощается технология изготовления заявляемого устройства.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является упрощение конструкции и технологии изготовления полупроводникового светоизлучающего прибора.

На чертеже представлен общий вид заявляемого устройства.

Устройство содержит подложку 1, выполненную из оптически прозрачного материала, в частности из сапфира, на которой последовательно расположены слои эпитаксиальной структуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N, (0≤x≤1, 0≤y≤1), выращенные методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке 1. Указанные слои эпитаксиальной структуры включают буферный слой 2, выполненный, в частности, из нелегированного нитрида галлия (GaN), а также слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом, включающую, в частности, слой 3 n-типа проводимости, выполненный из нитрида галлия, легированного кремнием (n-GaN), слои активной области 4 с p-n-переходом, выполненные из нитридных материалов (In_xGa_1-xN), слой 5 p-типа проводимости, выполненный из нитрида галлия, легированного магнием (p-GaN). Буферный слой 2 в зоне, примыкающей к подложке 1, содержит подслой 6, в котором имеются поры 7, сформированные в процессе эпитаксиального роста буферного слоя 2.

Заявляемое устройство изготавливают по известной технологии газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений.

Сначала на подложке 1 выращивается слой аморфного нитрида галлия толщиной 0.1-0.2 мкм при температуре 500-550°С. Далее этот слой отжигается в атмосфере водорода в течение 1-30 минут при температуре 1000-1050°С.Отжиг приводит к формированию на поверхности подложки 1 гранул размером 0.1-0.2 мкм. В процессе дальнейшего эпитакисального роста сформированные гранулы заращиваются слоем объемного нелегированного нитрида галлия толщиной 1-1.5 мкм, при этом в процессе заращивания между гранулами остаются поры 7. Таким образом получают буферный слой 2 с содержащим поры 7 подслоем 6. Размер пор 7 составляет величину 0,1-0,15 мкм, соизмеримую с длиной волны излучаемого данной гетероструктурой света (синий - ультрафиолетовый диапазоны спектра излучения).

Затем осуществляют выращивание слоя 3, слоев активной области 4, слоя 5 эпитаксиальной структуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N, (0≤х≤1, 0≤y≤1) по известной технологии газофазной из металлоорганических соединений.

Устройство работает следующим образом.

При пропускании тока в прямом направлении через заявляемое устройство в активной области 4 происходит рекомбинация электронов и дырок, инжектируемых соответственно из слоя 3 n-типа проводимости и слоя 5 p-типа проводимости, которая сопровождается излучением квантов света. При этом на порах 7, сформированных в подслое 6 слоя 2, происходит рассеяние падающих на них световых лучей, в результате чего снижается влияние на выход света эффекта полного внутреннего отражения света на границе подложка 1 - буферный слой 2, благодаря чему увеличивается доля выводимого через подложку 1 светового излучения, и, соответственно, повышается внешняя оптическая эффективность прибора.

Полупроводниковый светоизлучающий прибор, выполненный на основе нитридов металлов третьей группы, включающий подложку, а также сформированные в процессе эпитаксиального роста последовательно расположенные буферный слой и слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с р-n переходом, отличающийся тем, что буферный слой расположен непосредственно на подложке и, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к подложке, содержит поры, сформированные в процессе эпитаксиального роста буферного слоя.