СВЕТОДИОДНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА Российский патент 2010 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, в частности к светодиодам на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы.

Известны светодиодные гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN с р-n переходом, содержащие последовательность эпитаксиальных слоев, которые традиционно включают n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN.

При эпитаксиальном росте гетероструктуры в ее кристаллической решетке могут возникать дефекты, обусловленные различием химического состава материла ее слоев. В ходе эпитаксиального роста при переходе от одного слоя к другому происходит замена атомов одного элемента на атомы другого элемента или исключение одного из элементов из состава материала, что может вызвать механические напряжения, обусловленные различием постоянных кристаллических решеток. Указанные напряжения являются причиной возникновения разного рода дефектов (точечных дефектов, дислокаций, микротрещин и др.) в светодиодной гетероструктуре.

Вышеуказанные дефекты негативно сказываются на эффективности излучения света в рассматриваемых гетероструктурах. При этом в наибольшей степени на указанные характеристики влияют дефекты, возникающие в активной области, в которой происходит излучательная рекомбинация носителей заряда.

Известны светодиодные гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN [например, RU 2262155, RU 2277736, JP 2001085735], в которых в направлении эпитаксиального роста барьерный слой располагается после активной области, при этом для снижения механических напряжений в барьерном слое содержание алюминия в нем изменяется по толщине слоя.

В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения авторами выбрана светодиодная гетероструктура на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤y≤1) с р-n переходом, описанная в JP 2001085735.

Данная гетероструктура содержит в направлении ее эпитаксиального роста n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN. Барьерный слой, расположенный после активной области, имеет переменный по толщине состав в отношении алюминия, а именно содержание алюминия в барьерном слое линейно уменьшается от максимального на границе с активной областью до минимального на границе с р-контактным слоем.

В рассматриваемой гетероструктуре на границе барьерного слоя, где он контактирует с р-контактным слоем, нет скачкообразного изменения состава материала, что способствует снижению вероятности генерации дефектов в барьерном слое. Однако, поскольку на другой границе барьерного слоя, где он контактирует с активной областью, содержание алюминия скачкообразно изменяется от нулевого до максимального, в рассматриваемой гетероструктуре все же велика вероятность появления дефектов, в том числе дефектов в кристаллической структуре активной области.

Следует отметить, что наличие сильных механических напряжений на границе барьерного слоя особенно критично для гетероструктур, в которых в направлении их эпитаксиального роста активная область располагается после барьерного слоя, поскольку обусловленные наличием напряжений дефекты предыдущего слоя (слоев) в значительной степени предопределяют появление дефектов в последующем слое (слоях).

Задачей заявляемого изобретения является минимизация механических напряжений на границе барьерного слоя применительно к светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой расположен после n-контактного слоя и перед активной областью.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в светодиодной гетероструктуре на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤y≤1) с р-n переходом, содержащей n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, при этом барьерный слой по толщине имеет переменный состав в отношении алюминия, согласно изобретению в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры после n-контактного слоя расположен барьерный слой, после барьерного слоя расположена активная область, а после активной области расположен р-контактный слой, при этом барьерный слой по толщине содержит первую зону, в которой содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе материала барьерного слоя, вторую зону, в которой содержание алюминия остается неизменным, и третью зону, в которой содержание алюминия уменьшается от максимального значения до нулевого.

В заявляемой светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой, выполненный из материала Al_xGa_1-xN, расположен после n-контактного слоя, а активная область расположена после барьерного слоя, для минимизации вероятности возникновения дефектов кристаллической решетки на границах барьерного слоя предлагается вышеописанная трехзонная структура барьерного слоя. Данная структура барьерного слоя обеспечивает достижение требуемого в составе материала барьерного слоя содержание алюминия при исключении возникновения скачкообразных изменений состава материала на его границах, где барьерный слой контактирует со слоями, не содержащими алюминий.

Данная структура барьерного слоя была подобрана авторами экспериментально. Как показали проведенные авторами исследования, в заявляемой гетероструктуре с вышеописанным трехзонным барьерном слоем значительно уменьшается количество дефектов кристаллической решетки, в том числе и в активной области. Это объясняется тем, что при постепенном увеличении содержания алюминия в составе барьерного слоя по мере его роста до требуемого значения, выдерживании достигнутого требуемого содержания в пределах некоторой толщины барьерного слоя и постепенном снижении содержания алюминия в указанном слое до нулевого значения происходит лучшее согласование постоянных кристаллических решеток барьерного и прилегающих к нему с обеих его сторон слоев, не содержащих алюминия, благодаря чему минимизируется вероятность возникновения дефектов кристаллической решетки в барьерном слое и на его границах.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является минимизация концентрации дефектов кристаллической решетки в барьерном и вышележащих слоях применительно к светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой расположен после n-контактного слоя и перед активной областью.

На фиг.1 представлена схема заявляемой светодиодной гетероструктуры; на фиг.2 представлена графическая зависимость, показывающая характер изменения содержания алюминия по толщине барьерного слоя.

Заявляемая светодиодная гетероструктура с р-n переходом (см. фиг.1) последовательно в направлении ее эпитаксиального роста включает:

n-контактный слой 1, выполненный из нитридного материала (GaN) n-типа проводимости, служащий для растекания тока;

барьерный слой 2, выполненный из нитридного материала (Al_xGa_1-xN) n-типа проводимости;

активную область 3 с несколькими квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного нелегированного материала (In_yGa_1-yN), разделенными барьерами, выполненными из нитридного материала (GaN);

р-контактный слой 4, выполненный из нитридного материала (GaN) р-типа проводимости.

Указанная последовательность слоев используется, например, в одном их возможных вариантов реализации так называемой инверсной светодиодной гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤у≤1) с р-n переходом, описанной, в частности, в RU 2306634 и представленной на фиг.1 описания к указанному патенту.

Принципиальной особенностью инверсной полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры является то, что активная область в ней размещена в области р-типа проводимости, чтобы интенсивность рекомбинации носителей в активной области определялась не инжекцией дырок, а инжекцией электронов. Преимуществом рассматриваемой инверсионной гетероструктуры является ее высокая инжекционная эффективность.

В светодиодной гетероструктуре (см. фиг.1) слои 1 и 2 образуют область n-типа проводимости, активная область 3 с квантовыми ямами и барьерами и р-контактный слой 4 образуют область р-типа проводимости.

Верхние стрелки на фиг.1 обозначают инжекцию электронов в активную область, нижняя стрелка обозначает инжекцию дырок в активную область. Стрелка, расположенная под фигурой, обозначает направление эпитаксиального роста гетероструктуры.

Барьерный слой 2 (см. фиг.2) в направлении его эпитаксиального роста содержит по толщине (X) три зоны. В первой зоне содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе рассматриваемого слоя. В частности, содержание алюминия линейно увеличивается от нуля по толщине первой зоны, составляющей, в частности, 2-6 нм, до величины 10-20%. Во второй зоне содержание алюминия остается неизменным по ее толщине, составляющей, в частности, 20-40 нм. В третьей зоне содержание алюминия линейно уменьшается от максимального значения до нулевого по ее толщине, составляющей, в частности, 1-5 нм.

Заявляемая светодиодная гетероструктура может быть получена методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке, в частности, выполненной из сапфира.

Светодиодна гетероструктура работает следующим образом.

При пропускании тока в прямом направлении электроны из области n-типа проводимости инжектируются в активную область, расположенную внутри области р-типа проводимости. В активную область также поступают дырки из области р-типа проводимости. При этом барьерный слой 2, расположенный в области n-типа проводимости, препятствует проникновению дырок из р-области в n-область проводимости.

Движущиеся навстречу друг другу электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию квантам света. Рекомбинация носителей заряда происходит в квантовых ямах активной области, материал которых имеет ширину запрещенной зоны, меньшую, чем остальной материал активной области.

Светодиодная гетероструктура, согласно изобретению выполненная на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤x≤1, 0≤у≤1) с р-n переходом, содержит n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала

Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, барьерный слой по толщине имеет переменный состав в отношении алюминия, при этом в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры после n-контактного слоя расположен барьерный слой, после барьерного слоя расположена активная область, а после активной области расположен р-контактный слой, при этом барьерный слой по толщине содержит первую зону, в которой содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе материала барьерного слоя, вторую зону, в которой содержание алюминия остается неизменным, и третью зону, в которой содержание алюминия уменьшается от максимального значения до нулевого. Изобретение обеспечивает минимизацию механических напряжений на границе барьерного слоя применительно к светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой расположен после n-контактного слоя и перед активной областью. 2 ил.

Полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤у≤1) с р-n-переходом, содержащая n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, при этом барьерный слой по толщине имеет переменный состав в отношении алюминия, отличающаяся тем, что в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры после n-контактного слоя расположен барьерный слой, после барьерного слоя расположена активная область, а после активной области расположен р-контактный слой, при этом барьерный слой по толщине содержит первую зону, в которой содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе материала барьерного слоя, вторую зону, в которой содержание алюминия остается неизменным, и третью зону, в которой содержание алюминия уменьшается от максимального значения до нулевого.