ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА НИТРИДОВ ЭЛЕМЕНТОВ ГРУППЫ А Российский патент 2000 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к элементам полупроводниковых приборов и может быть использовано в светодиодах, лазерных диодах, биполярных транзисторах и т.д.

Создание оптоэлектронных и микроэлектронных приборов на основе полупроводниковых соединений элементов группы А³ с азотом (нитриды А³) весьма актуально ввиду значительного расширения функциональных возможностей этих приборов. В частности, возникла возможность изготовления лазеров и светодиодов в зеленом, синем и ультрафиолетовом диапазонах. Однако существенной трудностью при промышленной реализации такого технического решения является характерное для нитридов группы А³ высокое сопротивление между p-слоем и внешним металлическим контактом. Следует указать, что во всех оптоэлектронных и части микроэлектронных приборов такие контакты являются необходимым элементом конструкции. При этом нужно отметить, что указанное выше высокое сопротивление резко ухудшает характеристики полупроводниковых приборов: коэффициент полезного действия, долговечность, пороговый ток, эффективность излучения лазерных диодов и др.

Известны эпитаксиальные полупроводниковые структуры нитридов элементов группы А³ на кристаллических подложках, включающие p-слой GaN и снабженные внешним металлическим контактным слоем; металлический контактный слой представляет собой сплав Alln, см. С. Зи "Физика полупроводниковых приборов" книга 1, М., 1984, с. 320 (копия ссылки прилагается).

Недостатком такого технического решения является высокое сопротивление между слоем GaN и металлическим контактным слоем, которое составляет более 10^-1 Ом•см².

Известны также эпитаксиальные полупроводниковые структуры нитридов элементов группы А³ на кристаллических подложках, включающие, в частности, p-слой GaN, снабженный внешним металлическим контактным слоем, состоящим из сплава NiAu, см. Yasuo Koide "Dependence of electrical properties on work functions of metals contacting to p-type GaN; Applied Surface Science 117/118, 1997, pp. 373-379 (копия ссылки прилагается).

Такая структура обеспечивает сопротивление между слоем GaN и металлическим контактным слоем, равное 10^-2 Ом•см². По нашим данным это сопротивление - минимальное для известных аналогов. В то же время оно слишком велико для обеспечения необходимых характеристик полупроводниковых приборов. Как отмечается в упомянутой выше статье, для достижения высоких характеристик этих приборов и, в частности лазеров, указанное сопротивление должно быть значительно ниже. В основу настоящего изобретения положено решение задачи создания такой эпитаксиальной полупроводниковой структуры элементов группы А³ на кристаллической подложке, которая позволила бы увеличить коэффициент полезного действия и долговечность полупроводниковых приборов, повысить эффективность излучения светодиодов и лазерных диодов.

Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в эпитаксиальной полупроводниковой структуре нитридов элементов группы А³ на кристаллической подложке, включающей p-слой, снабженный внешним металлическим контактным слоем, размещен слой полупроводникового соединения InAs p-типа; в этом слое часть атомов In может быть замещена атомами Ga и/или Al.

Заявителю не известны какие-либо сведения о технических решениях, идентичных заявленному, что позволяет, по его мнению, сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

Благодаря реализации отличительных признаков изобретения возникает важное новое свойство объекта, состоящее в значительном уменьшении количества поверхностных электронных уровней на границе между двумя полупроводниками (по сравнению с границей "полупроводник группы А³ N - металл"). При этом значительно уменьшается сопротивление по данной границе, что обусловливает существенное улучшение характеристик полупроводниковых приборов.

Заявителем не выявлены какие-либо источники информации о влиянии указанных выше отличительных признаков изобретения на достигаемый технический результат. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена схема заявленной эпитаксиальной полупроводниковой структуры (разрез).

В первом конкретном примере эпитаксиальная полупроводниковая структура включает p-слой I GaN и внешний металлический контактный слой 2, выполненный из AuNi. Между p-слоем 1 GaN и слоем 2 AuNi размещен слой 3 полупроводникового соединения InAs p-типа; n-слой 4 GaN отделен от p-слоя I GaN слоем 5, выполненным в данном примере из соединения InGaN. Толщина слоя 3 составляет 0,3 мкм, концентрация носителей проводимости p-типа составляет 2•10¹⁹ см^-3. Слой 3 выращен на слое 1 методом молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) из паров In и As при t=490^o. Слой 1 GaN имеет концентрацию носителей проводимости p-типа 4•10¹⁷ см^-3 и выращен методом МЛЭ из NH₃ и паров Ga. В качестве примесей, обеспечивающих проводимость p-типа, в материалы во время роста введены: Be (для слоя 3) и Mg (для слоя 1).

Контактный слой 2 изготовлен термическим напылением Au и Ni с последующим термическим обжиганием при t=430^oC. Сопротивление между слоями 1 и 2 составило 3•10^-3 Ом•см².

В примере 2 в слое 3 полупроводникового соединения InAs p-типа 80% атомов In замещено атомами Ga. Температура выращивания слоя 3 составила 550^oC. Сопротивление между слоями 1 и 2 составило 8•10^-3 Ом•см².

В примере 3 слой 1 выполнен на базе нитридов трех элементов: In, Ga, Al. Верхняя часть слоя 1, примыкающая к слою 3 полупроводникового соединения inAs p-типа, состоит из inGaN с атомной концентрацией In 8% и толщиной 0,01 мкм. Затем располагается слой AIGaN с концентрацией Al 15% и толщиной 0,1 мкм.

Сопротивление между слоями 1 и 2 составило 6 • 10^-3 Ом•см².

В примере 4 в слое 3 полупроводникового соединения InAs p-типа 10% атомов In замещено атомами Al. Температура выращивания слоя 3 составляла 500^oC. Сопротивление между слоями 1 и 2 составило 9•10^-3 Ом•см².

В примере 5 в слое 3 полупроводникового соединения inAs p- типа 30% атомов In замещено атомами Al и 50% - атомами Ga. Температура выращивания слоя 3 составила 570^oC. Сопротивление между слоями 1 и 2 составило 9 • 10^-3 ом•см².

Следует отметить, что слой InAs может быть образован также другими методами эпитаксиального выращивания или методом напыления, например магнетронным.

Все приведенные выше примеры подтверждают значительное уменьшение сопротивления в зоне между p-слоем нитридов элементов группы A³ и внешним металлическим контактным слоем. Благодаря этому весьма существенно улучшаются характеристики полупроводниковых приборов.

Изобретение может быть реализовано в заводских или лабораторных условиях с использованием известных материалов и оборудования, обычно применяемого при изготовлении полупроводниковых приборов. Это подтверждает соответствие заявленного изобретения критерию "промышленная применимость".

Использование: полупроводниковые приборы: светодиоды, лазерные диоды, биполярные транзисторы. Сущность изобретения: в эпитаксиальной полупроводниковой структуре нитридов элементов группы А³ на кристаллической подложке между р-слоем и внешним металлическим контактным слоем размещен слой полупроводникового соединения InAs р-типа. В полупроводниковом соединении InAs р-типа часть атомов In замещена атомами Ga и/или Al. Техническим результатом изобретения является создание такой эпитаксиальной полупроводниковой структуры элементов группы А³ на кристаллической подложке, которая позволила бы увеличить КПД и долговечность полупроводниковых приборов, повысить эффективность излучения светодиодов и лазерных диодов, уменьшить количество электронных уровней на границе между двумя полупроводниками по сравнению с границей "полупроводник группы A³N - металл", значительно уменьшить сопротивление по данной границе, что обусловит существенное улучшение характеристик полупроводниковых приборов. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Эпитаксиальная полупроводниковая структура нитридов элементов группы A³ на кристаллической подложке, включающая p-слой, снабженный внешним металлическим контактным слоем, отличающаяся тем, что между p-слоем и внешним металлическим контактным слоем размещен слой полупроводникового соединения InAs p-типа. 2. Эпитаксиальная полупроводниковая структура по п.1, отличающаяся тем, что в слое полупроводникового соединения InAs p-типа часть атомов In замещена атомами Ga и/или Al.