ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2012 года по МПК H01L33/06 H01L33/32 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, специально предназначенным для светового излучения, в частности к светодиодам на основе нитридных соединений металлов III группы.

Известен полупроводниковый светоизлучающий элемент, структура которого последовательно включает подложку, выполненную из сапфира, буферный слой, выполненный из нитрида металла III группы, n-контактный слой, содержащий GaN, активный слой, выполненный из нитридного материала Al_x1In_y1Ga_1-xl-y1N, легированный как донорами, так и акцепторами, расположенный на активном слое слой p-типа, выполненный из Al_xGa_1-xN, и расположенный на слое p-типа p-контактный слой, содержащий GaN легированный Mg. Вышеупомянутые слои образуют либо одностороннюю, либо двухстороннюю гетероструктуру (Patent US 6005258 «Light-emitting semiconductor device using group III nitrogen compound having emission layer doped with donor and acceptor impurities», filled: Feb.26, 1997, Date of Patent Dec.21, 1999, IPC: H01L 29/06).

В данной конструкции для повышения внутренней квантовой эффективности, обуславливающей уровень мощности светоизлучающего элемента, используется либо легирование активного слоя как донорами, так и акцепторами, либо замена односторонней структуры двусторонней.

Однако такой светоизлучающий элемент пригоден, в первую очередь, для генерации излучения с длиной волны 350 нм и более. В более коротковолновом диапазоне внутренняя эффективность излучения известного светоизлучающего элемента резко деградирует.

Наиболее существенными факторами, определяющими эффективность излучения, являются ограничение носителей в активном слое и подавление потенциальных барьеров, связанных с поляризационными зарядами, возникающими на интерфейсах со скачкообразным изменением состава. В рассматриваемом известном светоизлучающем элементе ограничение носителей в пределах активного слоя недостаточно. В результате инжектируемые дырки могут свободно приникать в n-контактный слой, а электроны в p-контактный слой, где они рекомбинируют преимущественно безизлучательно, приводя к резкому снижению внутренней эффективности.

Известен также полупроводниковый светоизлучающий элемент, структура которого последовательно включает подложку, выполненные из Al_xGa_1-xN n-контактный слой, активный слой, барьерный слой, расположенный между p-контактным слоем и активным слоем, в котором количество Al уменьшается по толщине в направлении p-контактного слоя, а также выполненный из нитрида металла III группы p-контактный слой, легированный Mg (Российский патент RU 2262155, Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне», заявл. 14.09.2004, опубл. 10.10.2005, МПК: H01L 33/00).

Известный светоизлучающий элемент эффективен при работе в ультрафиолетовом диапазоне (280 нм и менее) и не позволяет получить высокий уровень мощности излучения в широком диапазоне излучения из-за повышенной плотности дефектов в эпитаксиальных слоях и, как следствие, неудовлетворительной морфологии при высоких уровнях легирования. Основной причиной неудовлетворительной морфологии слоев в известном устройстве является существенное различие параметров кристаллической решетки материала подложки, в частности сапфира, и выращиваемых на нем слоев нитридов металлов III группы.

Плотность дислокаций, обусловленных несоответствием параметров решетки между сапфиром и нитридами металлов третьей группы, может составлять порядка 10⁸÷10⁹/см². Кроме того, сапфир имеет низкую теплопроводность, что также ограничивает уровень мощности светодиодной структуры за счет тепловых потерь. Применение буферного слоя, расположенного между подложкой и n-контактным слоем не позволяет значительно снизить плотность дефектов кристаллической решетки.

Эффективность известного светоизлучающего элемента ограничена также высоким контактным сопротивлением p-контактного слоя, выполненного из AlGaN. Снижение контактного сопротивления путем повышения уровня легирования магнием малоэффективно, так как магний при высокой плотности является легирующей примесью n-типа.

Задача создания изобретения - увеличение выходной мощности полупроводникового светоизлучающего элемента в широком диапазоне длин волн излучения, а также увеличение срока службы полупроводникового светоизлучающего элемента.

Поставленная задача решается за счет того, что в полупроводниковом светоизлучающем элементе, структура которого включает подложку, выполненные из Al_xGa_1-xN n-контактный слой, активный слой, барьерный слой, расположенный между p-контактным слоем и активным слоем, в котором количество Al уменьшается по толщине в направлении p-контактного слоя, а также выполненный из нитрида металла III группы p-контактный слой, легированный Mg, подложка выполнена из AlN, в качестве нитридного материала p-контактного слоя использован GaN, а между подложкой и n-контактным слоем расположена переходная структура, содержащая последовательно расположенные 3÷6 одинаковых пар слоев, выполненных из беспримесного соединения Al_xGa_1-xN, при этом в каждой из пар слой, расположенный со стороны подложки, выполнен толщиной 300÷500 нм и содержит 30÷70% Al, а слой, расположенный со стороны n-контактного слоя, выполнен толщиной 70÷140 нм и содержит 10÷60% Al.

Предпочтительно в качестве барьерного слоя, расположенного между p-контактным слоем и активным слоем, использовать структуру, состоящую из двух слоев, с содержанием Al 13÷68% и 5÷60%, при этом толщина слоя, прилегающего к активному слою, - 50÷100 нм, а толщина слоя, прилегающего к p-контактному слою, - 150÷200 нм.

Целесообразно, чтобы р-контактный слой был выполнен толщиной 40÷100 нм с концентрацией Mg не более 8·10¹⁹ см^-3.

Целесообразно также, чтобы между n-контактным слоем и активным слоем был расположен легированный кремнием барьерный слой, выполненный из Al_xGa_1-xN.

Барьерный слой, расположенный между n-контактным слоем и активным слоем, может быть выполнен толщиной 200÷300 нм с содержанием Al 10÷65%.

Существует два способа рекомбинации электронов и дырок: излучательный и безизлучательный, при этом излучательная рекомбинация производит свет, безизлучательная рекомбинация является источником тепла. В случае, когда электрон рекомбинирует с дыркой в таком дефекте, как дислокация, рекомбинация является неизлучательной, т.е. имеют место большие потери мощности за счет теплового излучения.

Для обеспечения высокой эффективности полупроводникового светоизлучающего элемента в широком диапазоне длин волн излучения в предлагаемом техническом решении использованы нитридные соединения с высоким содержанием AlN. В этом случае наиболее существенными факторами, определяющими эффективность излучения, являются ограничение носителей в активном слое и подавление потенциальных барьеров, связанных с поляризационными зарядами, возникающими на интерфейсах со скачкообразным изменением состава.

Снижение контактного сопротивления p-контактного слоя в предлагаемом изобретении обеспечивается за счет использования в качестве нитридного материала p-контактного слоя GaN.

Поскольку дислокации являются основным источником безызлучательной рекомбинации в нитридных структурах, в соответствии с предлагаемым изобретением, подложка выполнена из AlN, благодаря чему имеет те же параметры кристаллической решетки, что и GaN, что позволяет уменьшить безызлучательную рекомбинацию.

Кроме того, за счет уменьшения плотности дислокаций, характерное время излучательной рекомбинации в нитридных полупроводниках больше по сравнению со временем неизлучательной рекомбинации. Малое характерное время излучательной рекомбинации означает, что электроны и дырки могут рекомбинировать, прежде чем произойдет взаимодействие с дислокацией.

В предлагаемом изобретении рассогласование кристаллической решетки подложки и сформированной на ней полупроводниковой структуры практически полностью исключается за счет наличия между подложкой и n-контактным слоем переходной структуры, содержащей последовательно расположенные пары слоев, выполненные из беспримесного соединения Al_xGa_1-xN.

При условии, что количество пар слоев в переходной структуре составляет менее трех, эффективность борьбы с прорастающими дислокациями снижается.

При количестве пар слоев более шести имеет место ухудшение растекания тока по структуре, увеличение сопротивления и рабочего напряжения светоизлучающей структуры, увеличение плотности дислокаций несоответствия на границах интерфейсов. Все это сопровождается снижением внешнего квантового выхода и, как следствие, снижением мощности светоизлучающей структуры в целом.

Чередующиеся слои с периодически изменяющимся содержанием Al препятствуют проникновению дислокаций в верхние слои структуры, заворачивая линии прорастающих дислокаций таким образом, что они оказываются расположенными вдоль интерфейса и, следовательно, прекращают свое дальнейшее движение.

В указанных слоях содержание алюминия должно быть достаточно высоким, чтобы обеспечить оптическую прозрачность для излучения (вывод излучения происходит, в том числе, и через подложку, выполненную из AlN, которая является оптически прозрачной для излучения). При прохождении через переходную структуру излучение не должно поглощаться.

Экспериментально установлено, что увеличение содержания Al в слоях переходной структуры, расположенных со стороны подложки, свыше 70% приводит к увеличению количества дефектов и ухудшению морфологии поверхности слоев переходной структуры, а также увеличивает сопротивление структуры в целом.

Уменьшение содержания Al в слоях переходной структуры, расположенных со стороны подложки, менее 30%, так же как и увеличение содержания Al в слоях переходной структуры, расположенных со стороны n-контактного слоя, более 60% приводит к тому, что барьеры переходной структуры становятся недостаточно «резкими», что может привести к прорастанию дислокаций в активный слой.

Уменьшение содержания Al в слоях, расположенных со стороны n-контактного слоя, менее 10% неэффективно с точки зрения борьбы с прорастающими дислокациями и создает предпосылки для поглощения излучения в самой структуре.

Важным фактором, ограничивающим выходную мощность светоизлучающих элементов, являются тепловые потери, что связано с большим содержанием Al в слоях. В предлагаемом изобретении эта проблема решается благодаря тому, что подложка выполнена из AlN. Подложки из AlN обладают высокой теплопроводностью, что объясняется простой атомной структурой, наличием сильной ковалентной связи и слабой ангармоничностью колебаний кристаллической решетки.

Охлаждение светоизлучающего элемента, выполненного на подложке из AlN, более эффективно, чем указанных выше известных светоизлучающих элементов, как за счет высокой теплопроводности подложки, так и за счет отсутствия буферного слоя, необходимого при использовании инородных подложек (например, сапфира), который характеризуется большим тепловым сопротивлением.

Кроме того, проблема снижения тепловых потерь в предлагаемом изобретении решена за счет тщательного подбора толщин слоев в структуре и оптимальных уровней легирования.

При условии, что толщины слоев переходной структуры превышают 500 нм и 140 нм, возрастает рабочее напряжение и удельное сопротивление светоизлучающего элемента, что приводит к разогреву светоизлучающего элемента, снижает его внутреннюю квантовую эффективность, а следовательно, и мощность излучения. Срок службы светоизлучающего элемента в этом случае тоже снижается.

Уменьшение толщины слоя переходной структуры, расположенного со стороны подложки менее 300 нм, а слоя, расположенного со стороны n-контактного слоя, менее 70 нм способствует проникновению дислокаций в активную область светоизлучающего элемента.

Выполнение барьерного слоя, расположенного между p-контактным слоем и активным слоем в форме структуры, состоящей из двух слоев, позволяет повысить эффективность светоизлучающего элемента за счет отражения излучения, обусловленного наличием границы между слоями.

Снижение количества Al в слое, прилегающем к p-контактному слою, менее 5%, а в слое, прилегающем к активному слою, менее 13% сопровождается увеличением тока утечки электронов и создает предпосылки для нежелательной диффузии Mg в активный слой.

С другой стороны, превышение максимальных указанных значений концентрации Al в рассматриваемых слоях приводит к снижению необходимой концентрации свободных носителей.

Уменьшение толщины слоев менее 50 нм и 150 нм соответственно приводит к ухудшению электронного ограничения и увеличению тока утечки электронов.

При условии, что толщины слоев превышают 100 нм и 200 нм наблюдается увеличение сопротивления без дополнительного улучшения электронного ограничения.

Толщина p-контактного слоя не должна быть больше 100 нм из-за повышения дефектности материала в процессе роста. С другой стороны, формирование омических контактов к контактным слоям p-типа требует дополнительного термического отжига. В процессе отжига металл электродов диффундирует в контактный слой. Чтобы избежать проникновения атомов металла в активные слои структуры светоизлучающего элемента, толщина p-контактного слоя не должна быть меньше 40 нм.

Уровень легирования p-контактного слоя должен быть максимально возможным, однако в случае, когда уровень легирования превышает 8·10¹⁹ см^-3, имеет место самокомпенсация акцепторов за счет встраивания атомов Mg в междоузлия GaN, что затрудняет получение p-типа проводимости.

Концентрация Al в барьерном слое, расположенном между n-контактным слоем и активным слоем, 10÷65% при толщине слоя 200÷300 нм является достаточной для обеспечения эффективного ограничения дырок в активном слое.

При содержании Al менее 10% эффективность ограничения дырок в активном слое снижается, при этом возрастает вероятность поглощения излучения в барьерном слое, что снижает эффективность светоизлучающего элемента в целом. Увеличение количества Al свыше 65% не обеспечивает дополнительного выигрыша в ограничении носителей и, как следствие, в квантовом выходе и приводит к ограничению количества свободных носителей.

Увеличение толщины легированного кремнием барьерного слоя, расположенного между n-контактным слоем и активным слоем, более 300 нм приводит к росту сопротивления и, как следствие, рабочего напряжения, а уменьшение толщины барьерного слоя снижает эффективность ограничения дырок в активном слое и увеличивает вероятность поглощения излучения в барьерном слое.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлен полупроводниковый светоизлучающий элемент.

Полупроводниковый светоизлучающий элемент в конкретном исполнении во всех примерах последовательно включает:

- подложку 1, выполненную из AlN,

- переходную структуру 2, содержащую последовательно расположенные 3÷6 одинаковых пар слоев, выполненных из беспримесного соединения Al_xGa_1-xN,

- n-контактный слой 3, легированный кремнием,

- барьерный слой 4, выполненный из Al_xGa_1-xN,

- активный слой 5,

- барьерный слой 6, легированный кремнием, выполненный из Al_xGa_1-xN,

- p-контактный слой 7, выполненный из GaN.

В барьерном слое 6 количество Al уменьшается по толщине в направлении p-контактного слоя. В соответствии с изобретением предпочтительно выполнение барьерного слоя в форме структуры, состоящей из двух слоев, с содержанием Al 13÷68% и 5÷60%.

Три партии гетероструктур полупроводниковых светоизлучающих элементов по 20 шт. были изготовлены методом хлоридно-гидридной эпитаксии (HVPE). Характеристики изготовленных гетероструктур представлены в таблице 1.

Диаметр гетероструктур полупроводниковых светоизлучающих элементов для всех партий составлял 50,8 мм.

Отступ от края, уменьшающий полезную площадь гетероструктур, составлял не более 5 мм.

Отсутствие трещин и включений определяли с помощью оптического микроскопа «Leica ERGOLUX-200» (Германия), который был настроен и отрегулирован для изучения морфологии поверхностей.

Для определения диапазона длин волн излучения и радиометрических характеристик гетероструктур использовали оптометр UDT S3 70 (UDT Instruments, USA) и пакет компьютерных программ «Ocean Optics».

Партия 1: диапазон длин волн излучения 260÷280 нм.

Партия 2: диапазон длин волн излучения 300÷320 нм.

Партия 3: диапазон длин волн излучения 355÷365 нм.

Плотность проникающих дислокаций определяли с помощью атомно-силового микроскопа Dimension 3100 (фирмы «Veeco Instruments)), США). Во всех образцах плотность проникающих дислокаций не превышала 1×10⁷ см^-2.

Полуширина кривых качания во всех образцах была определена с помощью ретнгеновского дифрактометра «Rigaku» и не превышала 250 угловых секунд.

Для определения рабочих характеристик светоизлучающих элементов были вырезаны элементы с квадратным сечением излучающей поверхности 0,3×0,3 мм по 20 шт. из каждой партии. На полученные элементы были нанесены соответственно p-контакты и n-контакты с целью получения чипов. Чипы были установлены в специально разработанный экспериментальный стенд, на котором осуществляли испытания чипов в рабочем режиме. На контакты подавали напряжение и осуществляли измерения их рабочих параметров.

Рабочее напряжение чипов в пределах 3.0÷3.8 В. Удельная мощность на единицу площади составляла 16÷18 мВт/мм² (партия 1), 22÷24 мВт/мм² (партия 2), 32÷36 мВт/мм² (партия 3).

Срок службы не менее 5000 часов. Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволяет увеличить выходную мощность полупроводникового светоизлучающего элемента в широком диапазоне длин волн излучения при одновременном увеличении срока службы.

Полупроводниковый светоизлучающий элемент содержит подложку, а также выполненные из Al_xGa_1-xN n-контактный слой, активный слой, барьерный слой и р-контактный слой. Подложка выполнена из AlN, а р-контактный слой - из GaN. Между подложкой и n-контактным слоем расположена переходная структура, состоящая из одинаковых пар слоев, выполненных из беспримесного соединения Al_xGa_1-xN. Количество пар слоев 3÷6. Толщина слоев в слоях со стороны подложки - 300÷500 нм, а в слоях со стороны n-контактного слоя - 70÷140 нм. Содержания Al в слоях со стороны подложки - 30÷70%, а в слоях со стороны n-контактного слоя - 10÷60%. Изобретение направлено на увеличение выходной мощности полупроводникового светоизлучающего элемента в широком диапазоне длин волн излучения и увеличение его срока службы. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Полупроводниковый светоизлучающий элемент, структура которого включает подложку, выполненные из Al_xGa_1-xN n-контактный слой, активный слой, легированный магнием барьерный слой, расположенный между р-контактным слоем и активным слоем, в котором количество Al уменьшается по толщине в направлении р-контактного слоя, а также выполненный из нитрида металла III группы легированный Mg p-контактный слой, отличающийся тем, что подложка выполнена из AlN, в качестве нитридного материала р-контактного слоя использован GaN, a между подложкой и n-контактным слоем расположена переходная структура, содержащая последовательно расположенные 3÷6 одинаковых пар слоев, выполненных из беспримесного соединения Al_xGa_1-xN, при этом в каждой из пар слой, расположенный со стороны подложки, выполнен толщиной 300÷500 нм и содержит 30÷70% Al, а слой, расположенный со стороны n-контактного слоя, выполнен толщиной 70÷140 нм и содержит 10÷60% Al.

2. Полупроводниковый светоизлучающий элемент по п.1, отличающийся тем, что барьерный слой, расположенный между р-контактным слоем и активным слоем, выполнен в форме структуры, состоящей из двух слоев, с содержанием Al 13÷68% и 5÷60%, при этом толщина слоя, прилегающего к активному слою, составляет 50÷100 нм, а толщина слоя, прилегающего к р-контактному слою, составляет 150÷200 нм.

3. Полупроводниковый светоизлучающий элемент по п.1, отличающийся тем, что р-контактный слой выполнен толщиной 40÷100 нм с концентрацией Mg не более 8·10¹⁹ см^-3.

4. Полупроводниковый светоизлучающий элемент по п.1, отличающийся тем, что между n-контактным слоем и активным слоем расположен легированный кремнием барьерный слой, выполненный из Al_xGa_1-xN.

5. Полупроводниковый светоизлучающий элемент по п.1 или 4, отличающийся тем, что барьерный слой, расположенный между n-контактным слоем и активным слоем, выполнен толщиной 200÷300 нм с содержанием Al 10÷65%.