полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне

Формула изобретения

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, легированного Si, активный слой с одной или более квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала, барьерный слой, выполненный из Al _XGa_1-XN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, отличающийся тем, что в качестве нитридного материала n-контактного слоя использован Al_YGa_1-YN, в котором 0,25Y0,65, в качестве нитридного материала активного слоя использован Al _ZGa_1-ZN, где Y-0,08ZY-0,15, в барьерном слое 0,3Х1, в качестве нитридного материала р-контактного слоя использован Al_WGa_1-WN, где YW0,7, при этом активный слой легирован Si с концентрацией Si не менее 10¹⁹ см³, ширина d квантовых ям активного слоя составляет 1d4 нм, мольная доля А1 на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и дальше уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нм толщины барьерного слоя, причем ширина b барьерного слоя находится в пределах 10b30 нм.

Описание изобретения к патенту

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 с высокой проводимостью, легированный кремнием, активный слой, включающий структуру из нескольких квантовых ям, барьерные слои и р-контактный слой, US 6515313.

Это техническое решение обеспечивает уменьшение электрических полей, порождаемых поляризационными зарядами на границах слоев с различным составом, с целью повышения внутренней квантовой эффективности, однако не позволяет осуществить эффективное излучение в ультрафиолетовом диапазоне.

Известен также полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку из сапфира, буферный слой, выполненный из нитридного материала (AlN), n-контактный слой, выполненный из нитридного материала (GaN), легированного Si, n-эмиттерный слой из AlGaN, активный слой с несколькими квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала (InGaN), барьерный слой, выполненный из AlGaN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала (GaN), легированного Mg, US 2002149024.

В данной конструкции для повышения квантовой эффективности светодиода доля нитрида алюминия в составе n-эмиттерного слоя составляет от 0 до 6%, а толщина этого слоя от 50 до 300 нм; легирование и состав слоев n-типа и р-типа, прилегающих к активному слою, обеспечивают отношение концентраций электронов и дырок около 1.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Однако этот полупроводниковый элемент пригоден преимущественно для излучения с длиной волны 380 нм и выше. В более коротковолновом диапазоне устройство-прототип неработоспособно вследствие особенностей состава слоев.

Для работы элемента в ультрафиолетовом диапазоне (280 нм и менее) требуется применение нитридных соединений с высоким содержанием алюминия. Повышение энергетического барьера для электронов в барьерном слое с большим содержанием AlN препятствует проникновению электронов в р-слои. Однако встроенное электрическое поле в барьерном слое из AlGaN создает также потенциальный барьер для дырок, в результате чего их концентрация в эмиттере вблизи активной области оказывается малой. С другой стороны, инжектированные дырки могут беспрепятственно проникать в n-слои, в результате чего доминирует безызлучательная рекомбинация носителей при больших уровнях инжекции.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи расширения диапазона ультрафиолетового излучения полупроводникового элемента до 280-200 нм.

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, легированного Si, активный слой с одной или более квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала, барьерный слой, выполненный из Al _XGa_1-XN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, в качестве нитридного материала n-контактного слоя использован Al_Y Ga_1-YN, в котором 0,25Y0,65, в качестве нитридного материала активного слоя использован Al _ZGa_1-ZN, где Y-0,08ZY-0,15, в барьерном слое 0,3Х1, в качестве нитридного материала р-контактного слоя использован Al_WGa_1-WN, где YW0,7, при этом активный слой легирован Si с концентрацией Si не менее 10¹⁹ см^-3, ширина «d» квантовых ям активного слоя составляет 1d4 нм, мольная доля Al на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и дальше уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нанометр толщины барьерного слоя, причем ширина «b» барьерного слоя находится в пределах 10b30 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 барьерного слоя (мольная доля Al на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и далее уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нанометр толщины барьерного слоя) обеспечивает повышение концентрации дырок на границе активного слоя, поскольку градиент состава барьерного слоя приводит к дополнительному распределенному поляризационному р-легированию вблизи активного слоя.

Отрицательный градиент состава барьерного слоя по отношению к направлению кристаллографической оси [0001] способствует увеличению эффективности светодиодной структуры при малых и умеренных токах; положительный градиент состава барьерного слоя значительно увеличивает эффективность структуры при больших токах.

Предложенная ширина барьерного слоя от 10 до 30 нм, во-первых, увеличивает инжекцию дырок в активный слой и, во-вторых, исключает релаксацию напряжении в полупроводниковом элементе из-за растрескивания барьерного слоя.

Для улучшения спектральных характеристик излучения в оптимизированной структуре ограничивается ширина квантовой ямы в пределах 1-4 нм, чтобы избавиться от второго электронного уровня в квантовой яме, но при этом не слишком сильно понизить эффективность захвата носителей в квантовую яму. Использование в качестве нитридного материала n-контактного слоя Al_Y Ga_1-YN, где 0,25Y0,65, значения «X» - в пределах от 0,3 до 1 в материале барьерного слоя Al_XGa_1-XN, применение в р-контактном слое Al_WGa_1-WN, где YW0,7, легирование активного слоя Si с концентрацией атомов Si не менее 10¹⁹ см^-3 обеспечивают эффективное излучение в диапазоне 280-200 нм, поскольку потенциальная энергия носителей заряда в выполненных таким образом слоях оказывается достаточной для излучения квантов с высокой энергией.

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.

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_YGa_1-YN, в котором Y=0,52, легированный кремнием с концентрацией 5·10¹⁸ см^-3, толщиной 2 мкм;

- активный слой 4, содержащий одну квантовую яму, выполненный из Al_Z Ga_1-ZN, где Z=0,42, легированный кремнием с концентрацией атомов 10¹⁹ см^-3;

- барьерный слой 5, легированный магнием с концентрацией 10¹⁹ см ^-3, выполненный из Al_XGa_1-XN;

р-контактный слой 6, выполненный из Al_WGa_1-W N, в котором W=0,52, легированный магнием с концентрацией 5·10¹⁹ см^-3, толщиной 100 нм.

Полупроводниковый элемент представляет собой двухстороннюю светодиодную гетероструктуру с переменным составом барьерного слоя, которая позволяет получить внутреннюю эффективность либо постоянную на уровне 35-40% при плотностях тока порядка 10 А/см² , либо изменяющуюся от 20 до 50% в более широком интервале плотностей тока 1-1000 А/см² при плотности дислокации ˜10 ⁹ см^-2. При этом следует отметить, что уменьшение плотности дислокации в структуре приводит к резкому повышению ее внутренней эффективности. При плотности дислокации ˜10⁷ см^-2 возможно получить внутренний квантовый выход, близкий к 100%.

Для испытаний гетероструктуры выращивались на сапфировой подложке методом МОС-гидридной эпитаксии при субатмосферном давлении и температурах от 1000 до 1100°С, n-контактные слои легировались Si до концентрации 5·10 ¹⁸ см^-3, что было установлено с помощью ВИМС (вторичная ионная масс-спектрометрия). Активный слой легировался Si до концентрации 2·10¹⁹ см^-3, барьерный и р-контактный слои легировались Mg до концентрации 5·10 ¹⁹ 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 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.

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

Для измерения внешней эффективности светодиода 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 4 нм, ширина барьерного слоя варьируется от 10 до 30 нм, мольная доля алюминия в составе барьерного слоя на поверхности, граничащей с активным слоем, от 1 до 0,65.

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 10 2 А/см2	Полуширина спектра излучения (нм)	Диапазон (нм)
1	Ширина квантовой ямы 1 нм
	Ширина барьерного слоя 10 нм	0,02-0,05	3,0	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55
2	Ширина квантовой ямы 2 нм
	Ширина барьерного слоя 10 нм	0,05-0.12	3,5	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55
3	Ширина квантовой ямы 3 нм
	Ширина барьерного слоя 10 нм	0,1-0,36	3,7	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55
4	Ширина квантовой ямы 4 нм
	Ширина барьерного слоя 10 нм	0,09-0,33	4,1	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55
5	Ширина квантовой ямы 3 нм
	Ширина барьерного слоя 10 нм	0,14-0,31	3,8	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 0,65-0,55
6	Ширина квантовой ямы 3 нм
	Ширина барьерного слоя 20 нм	0,14-0,37	3,8	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 0,65-0,55
7	Ширина квантовой ямы 3 нм
	Ширина барьерного слоя 30 нм	0,12-0,34	3,8	280-200
	Доля Al в составе барьерного слоя 0,65-0,55

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

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