III-НИТРИДНЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР, ВКЛЮЧАЮЩИЙ БОР Российский патент 2014 года по МПК H01L33/32 

Область изобретения

[0001] Данное изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а более конкретно к III-нитридным светоизлучающим приборам.

Предпосылки

[0002] Полупроводниковые светоизлучающие приборы, включая светоизлучающие диоды (LEDs или СИД), светоизлучающие диоды с объемным резонатором (RCLEDs), лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSELs) и лазеры с торцевым излучением, находятся среди наиболее эффективных доступных источников света. Системы материалов, в настоящее время представляющие интерес при изготовлении светоизлучающих приборов с высокой яркостью, способных работать во всем видимом спектре, включают полупроводники III-V групп, конкретнее двухкомпонентные, трехкомпонентные и четырехкомпонентные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, именуемые также III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие приборы изготавливают эпитаксиальным выращиванием пакета полупроводниковых слоев с различными составами и концентрациями легирующих примесей на подложке из сапфира, карбида кремния, III-нитрида, композита или другой подходящей подложке методами химического осаждения из паровой фазы разложением металлорганических соединений (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксии или другими эпитаксиальными методами. Такой пакет часто содержит один или более сформированных поверх подложки слоев n-типа, легированных, например, Si, один или более светоизлучающих слоев в активной области, сформированной поверх слоя или слоев n-типа, и один или более сформированных поверх активной области слоев p-типа, легированных, например, Mg. На областях n- и p-типа формируют электрические контакты.

[0003] III-нитридные приборы часто выращивают на подложках из сапфира или SiC. В традиционных приборах на этой подложке выращивают область GaN n-типа с последующей активной областью InGaN, с последующей областью AlGaN или GaN p-типа. Различие в постоянной решетки между не являющейся III-нитридной подложкой и III-нитридными слоями, а также различие в постоянной решетки между III-нитридными слоями различных составов вызывает в приборе деформацию. Энергия деформации из-за рассогласования параметров решетки может породить дефекты и разложение активной области InGaN, что может вызвать неудовлетворительные характеристики прибора. Поскольку энергия деформации является функцией как состава светоизлучающего слоя InGaN (который определяет величину деформации), так и толщины светоизлучающего слоя, то и толщину, и состав в традиционных III-нитридных приборах ограничивают.

[0004] Ougazzaden и другие в статье Bandgap bowing in BGaN thin films («Изгибание запрещенной зоны в тонких пленках BGaN»), Applied Physics Letters 93, 083118 (2008) сообщает о «тонких пленках B_xGa_1-xN, выращенных на подложках из AlN/сапфира с помощью металлоорганической газофазной эпитаксии». См., например, реферат «Слои трехкомпонентных и четырехкомпонентных нитридов важны для управления шириной запрещенной зоны оптоэлектронных приборов на основе GaN. Введение бора, который является “легким” элементом, в принципе могло бы компенсировать деформацию, вызванную большой долей “тяжелого” индия в светоизлучателях на основе InGaN, и могло бы обеспечить согласование параметров решетки для BGaN, выращенного на подложках из AlN и SiC». См., например, первый абзац в первой колонке на первой странице статьи Ougazzaden и других.

Краткое изложение

[0005] Задачей изобретения является предоставление III-нитридного прибора, где по меньшей мере один слой в светоизлучающей области включает бор. Варианты воплощения изобретения включают III-нитридную полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью p-типа. По меньшей мере одним слоем в этой светоизлучающей области является B_x(In_yGa_1-y)_1-xN. Слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN обладает запрещенной энергетической зоной и объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN. Слой InGaN, обладающий такой же запрещенной энергетической зоной, что и слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, обладает объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что слой InGaN. Объемная постоянная решетки слоя B_x(In_yGa_1-y)_1-xN меньше, чем объемная постоянная решетки слоя InGaN.

Краткое описание чертежей

[0006] Фиг.1 иллюстрирует участок III-нитридного светоизлучающего прибора в соответствии с вариантами воплощения изобретения.

[0007] Фиг.2, 3 и 4 представляют собой графики идеальной запрещенной энергетической зоны как функции положения для участков III-нитридных приборов в соответствии с вариантами воплощения изобретения.

[0008] Фиг.5 представляет собой график запрещенной энергетической зоны как функции постоянной решетки для двухкомпонентных, трехкомпонентных и четырехкомпонентных сплавов алюминия, бора, галлия, индия и азота.

[0009] Фиг.6 представляет собой вид в поперечном сечении участка III-нитридного прибора, смонтированного в конфигурации перевернутого кристалла на монтажной подложке.

[0010] Фиг.7 представляет собой изображение светоизлучающего прибора в корпусе с пространственным разделением деталей.

[0011] Фиг.8 представляет собой график содержания BN как функции содержания InN для слоев BInGaN, которые согласованы по параметрам решетки с GaN.

Подробное описание

[0012] В соответствии с вариантами воплощения изобретения в один или более слоев III-нитридного прибора вводят бор. Введение бора в слои III-нитридного прибора, особенно в активную область прибора, может уменьшить деформацию в приборе, что может улучшить характеристики прибора.

[0013] Фиг.1 иллюстрирует один вариант воплощения изобретения. На подходящей для выращивания подложке 10 выращен первый монокристаллический слой 12. Первый монокристаллический слой 12 определяет постоянную решетки всех выращенных поверх него III-нитридных слоев. Постоянную решетки могут определять состав и условия выращивания первого монокристаллического слоя 12. На первом монокристаллическом слое 12 выращена активная или светоизлучающая область 16, проложенная между областью 14 n-типа и областью 18 p-типа.

[0014] Область 14 n-типа и первый монокристаллический слой 12 могут включать в себя множественные слои с различными составами и концентрациями легирующих примесей, включая, например, подготовительные слои, такие как буферные слои или зародышевые слои, выращенные до или после первого монокристаллического слоя 12, которые могут быть слоями n-типа или намеренно нелегированными, разделительные слои, предназначенные для способствования последующему отсоединению подложки для выращивания или утоньшению полупроводниковой структуры после удаления подложки, или слои прибора n- или даже p-типа, предназначенные для специальных оптических или электрических свойств, желательных для светоизлучающей области для эффективного излучения света. В некоторых вариантах воплощения часть области 14 n-типа, самая близкая к подложке для выращивания, является первым выращенным в приборе монокристаллическим слоем, а отдельный первый монокристаллический слой 12 опущен.

[0015] Область 18 p-типа выращена поверх светоизлучающей области 16. Так же как и область n-типа, область p-типа может включать множественные слои различного состава, толщины и концентрации легирующей примеси, включая слои, которые являются намеренно нелегированными, или слои n-типа.

[0016] Активная область 16 выращена поверх области 14 n-типа. Примеры подходящих светоизлучающих областей, как описано ниже, включают отдельный тонкий или толстый светоизлучающий слой или светоизлучающую область с множественными квантовыми ямами, включающую в себя толстые или тонкие светоизлучающие слои с множественными квантовыми ямами, разделенные барьерными слоями. Например, светоизлучающая область с множественными квантовыми ямами может включать в себя множественные светоизлучающие слои, каждый с толщиной 25 Å или менее, разделенные барьерами, каждый с толщиной 100 Å или менее.

[0017] В некоторых вариантах воплощения толщина каждого из светоизлучающих слоев в приборе толще, чем 50 Å. В некоторых вариантах воплощения светоизлучающая область прибора представляет собой единственный толстый светоизлучающий слой с толщиной между 50 и 600 Å, более предпочтительно между 100 и 400 Å. Оптимальная толщина может зависеть от числа дефектов в светоизлучающем слое. В некоторых вариантах воплощения концентрация дефектов в светоизлучающей области ограничена менее чем 10⁹ см^-2, в некоторых вариантах воплощения менее чем 10⁸ см^-2, в некоторых вариантах воплощения менее чем 10⁷ см^-2, а в некоторых вариантах воплощения менее чем 10⁶ см^-2.

[0018] В некоторых вариантах воплощения по меньшей мере один светоизлучающий слой в приборе легирован легирующей примесью, такой как Si, до концентрации легирующей примеси между 1×10¹⁸ см^-3 и 1×10²⁰ см^-3. Легирование Si может дополнительно снизить деформацию в светоизлучающем слое. В некоторых вариантах воплощения светоизлучающий слой или слои намеренно не легированы.

[0019] Фиг.2-4 иллюстрируют идеальную запрещенную зону как функцию положения для участков светоизлучающих приборов в соответствии с вариантами воплощения изобретения. Показанные запрещенные зоны являются идеальными, а следовательно, функцией только состава. Те эффекты в реальных приборах, которые могут искажать диаграмму запрещенной зоны, такие как поляризация, не показаны на фиг.2-4.

[0020] В приборе, показанном на фиг.2, активная область 16 включает в себя единственный светоизлучающий слой. Светоизлучающим слоем может быть четырехкомпонентный сплав бора, индия, галлия и азота. Содержание бора и индия выбрано для желаемой ширины запрещенной зоны в светоизлучающем слое, которая определяет длину волны излучаемого света. Участком области 14 n-типа, прилегающим к активной области 16, может быть, например, GaN или InGaN. Участком области 18 p-типа, прилегающим к активной области 16, может быть, например, GaN, InGaN или AlGaN. Состав области 14 n-типа и области 18 p-типа выбирают так, что изменение ширины запрещенной зоны между областью 14 n-типа и активной областью 16, а также между активной областью 16 и областью 18 p-типа в достаточной мере ограничивает электроны и дырки в активной области. Разница между шириной запрещенной энергетической зоны в светоизлучающих слоях активной области 16 и непосредственно прилегающих к активной области участках областей 14 и 18 n- и p-типа может составлять по меньшей мере несколько кT, что составляет 0,026 эВ при комнатной температуре. Например, в некоторых вариантах воплощения это различие может составлять по меньшей мере 0,1 эВ, в некоторых вариантах воплощения по меньшей мере 0,15 эВ.

[0021] В приборе, показанном на фиг.3, активная область 16 включает в себя единственный светоизлучающий слой, как описано выше со ссылкой на фиг.2. Состав одной или обеих из области n-типа и области p-типа, прилегающих к светоизлучающему слою, является градиентным. Например, участком области 14 n-типа, прилегающим к градиентной области 14а, может быть GaN. В градиентной области 14a состав может быть градиентным от GaN до InGaN до состава BInGaN в светоизлучающем слое 16. Аналогично, участком области 18 p-типа, прилегающим к градиентной области 18a, может быть GaN. В градиентной области 18a состав может быть градиентным от состава BInGaN в светоизлучающем слое 16 до InGaN до GaN. Профиль состава с любой стороны активной области 16 не должен быть симметричным, как показано на фиг.3, и любая градиентная область не должна быть градиентной линейно, как показано на фиг.3. В некоторых вариантах воплощения состав является градиентным только на одной стороне активной области 16. В некоторых вариантах воплощения градиентная область, как показано на фиг.3, сочетается со ступенчатым изменением состава, как показано на фиг.2. Например, состав может быть градиентным от GaN до InGaN в градиентной области 14a, затем изменяться от InGaN до состава BInGaN в активной области 16 при ступенчатом изменении.

[0022] В приборе, показанном на фиг.4, активной областью 16 является активная область с множественными квантовыми ямами, в которой слои квантовой ямы разделены одним или более барьерными слоями. Хотя на фиг.4 показаны три слоя 16а квантовой ямы и два барьера 16b, в активную область 16 может быть включено больше или меньше слоев квантовой ямы. Квантовые ямы 16а могут быть BInGaN, где содержания бора и индия выбраны для требуемой ширины запрещенной зоны в светоизлучающем слое. Барьерные слои 16b могут быть GaN или InGaN при содержании индия с большей шириной запрещенной зоны, чем ширина запрещенной зоны в квантовых ямах 16a. Альтернативно, квантовые ямы 16а могут быть InGaN, а барьерные слои 16b могут быть BInGaN с содержанием бора и индия, выбранным так, чтобы иметь бульшую ширину запрещенной зоны, чем ширина запрещенной зоны в квантовых ямах 16a.

[0023] Активная область с множественными квантовыми ямами, показанная на фиг.4, может быть скомбинирована с градиентными по составу областями n- и/или p-типа, как описано выше в тексте, сопровождающем фиг.3.

[0024] Слой III-нитрида в приборе может характеризоваться постоянной решетки. Используемая здесь «плоскостная» ("in-plane") постоянная решетки относится к фактической постоянной решетки слоя внутри прибора. «Объемная» ("bulk") постоянная решетки относится к идеальной постоянной решетки релаксированного, свободностоящего материала данного состава. Когда плоскостная и объемная постоянные решетки некоего слоя совпадают, этот слой является релаксированным или свободным от деформации. Величину деформации в слое определяют как: деформация=|ε|=|(a_{плоскостная}-a_{объемная})|/a_{объемная}. Хотя это уравнение относится к a-постоянной решетки и тем самым определяет деформацию в с-плоскости вюрцита, в вюрцитных слоях другой ориентации деформацию можно измерять, используя постоянные решетки, отличные от а-постоянной решетки, или используя больше чем одну постоянную решетки. Слои могут быть согласованными по одной постоянной решетки и деформированными по другой постоянной решетки.

[0025] В некоторых вариантах воплощения состав в светоизлучающих слоях BInGaN выбирают так, чтобы иметь объемную постоянную решетки, которая совпадает с или близка к плоскостной постоянной решетки первого монокристаллического слоя 12, показанного на фиг.1. Первым монокристаллическим слоем 12 часто является GaN с плоскостной а-постоянной решетки примерно 3,189 Å.

[0026] Ширину запрещенной зоны E_g сплава A_xB_1-xC можно выразить так:

E_g ^ABC=xE_g ^AC+(1-x)E_g ^BC+x(1-x)B,

где В является параметром изгиба запрещенной зоны, который описывает любое ненулевое искривление ширины запрещенной зоны в зависимости от линии состава. Если параметр изгиба равен нулю, то соотношение между шириной запрещенной зоны и составом называют соотношением по закону Вегарда. Четырехкомпонентные сплавы алюминия, индия, галлия и азота (т.е. сплавы, которые не содержат бора) при низких содержаниях индия (например, менее 30% InN) имеют объемные постоянные решетки, которые типично следуют закону Вегарда.

[0027] Фиг.5 представляет собой график постоянной решетки как функции запрещенной энергетической зоны для нескольких III-нитридных сплавов. GaN и трехкомпонентные сплавы алюминия, галлия, индия и азота представлены линиями 24 и 26. Заштрихованная область 20 представляет четырехкомпонентные сплавы алюминия, галлия, индия и азота. И хотя возможно вырастить сплавы AlGaInN, которые согласованы по параметру решетки с GaN, что проиллюстрировано на фиг.5, все они имеют более широкие запрещенные зоны, чем GaN, что делает их потенциально полезными для УФ-применений, но менее полезными для СИД, излучающих свет видимых длин волн. Для более узких запрещенных зон, чем у GaN, трехкомпонентный InGaN представляет самую узкую запрещенную зону, достижимую в системе материалов алюминий, галлий, индий и азот при данной постоянной решетки.

[0028] Пунктирные линии 22а-22d иллюстрируют четырехкомпонентные сплавы бора, галлия, индия и азота с 10% BN для различных параметров B изгиба запрещенной зоны, предполагая ширину запрещенной энергетической зоны вюрцитного нитрида бора (BN) 5,5 эВ. Линия 22a отображает В=9 эВ, линия 22b отображает В=3 эВ, линия 22c отображает В=1 эВ, и линия 22d отображает В=0. В отличие от сплавов алюминия, галлия, индия и азота, которые типично демонстрируют соотношение между шириной запрещенной зоны и составом по закону Вегарда, параметр В изгиба запрещенной зоны в сплавах бора, галлия, индия и азота представляется ненулевым, возможно, целых 9 эВ. Однако, как показано линиями 22a-22d на фиг.5, при относительно небольших содержаниях бора, введение бора в слои InGaN уменьшает ширину запрещенной зоны и может позволить вырастить четырехкомпонентные слои BInGaN, которые согласованы по параметру решетки с GaN и обладают меньшими ширинами запрещенной зоны, чем GaN.

[0029] Как показано на фиг.5, введение BN в сплав InGaN снижает постоянную решетки. В некоторых вариантах воплощения бор вводят в активную область прибора, чтобы снизить постоянную решетки в активной области при данной ширине запрещенной энергетической зоны в светоизлучающих слоях активной области. В некоторых вариантах воплощения борсодержащие слои могут быть согласованы по параметру решетки с GaN. Такие составы проиллюстрированы пунктирной линией 27 на фиг.5. Четырехкомпонентные сплавы бора, индия, галлия и азота с правой стороны от линии 27 находятся в состоянии сжатия при выращивании на GaN. Четырехкомпонентные сплавы бора, индия, галлия и азота с левой стороны от линии 27 находятся в состоянии растяжения при выращивании на GaN. В некоторых вариантах воплощения количество бора в любом слое прибора ограничивают так, что этот слой находится в состоянии сжатия при выращивании на GaN. Возможные четырехкомпонентные сплавы бора, индия, галлия и азота в таких вариантах воплощения представлены треугольником между линиями 26 и 27.

[0030] Например, традиционный III-нитридный прибор, который излучает синий свет или свет с длиной волны между 430 и 480 нм, может иметь светоизлучающий слой InGaN с содержанием InN между, например, 10% и 14%. В одном примере светоизлучающий слой In_0,12Ga_0,88N имеет объемную а-постоянную решетки 3,23 Å. Светоизлучающие слои в таком приборе типично выращены поверх слоя GaN с постоянной решетки примерно 3,189 Å, а значит имеют плоскостную а-постоянную решетки 3,189 Å. Величина деформации светоизлучающих слоев такого прибора равна разнице между плоскостной и объемной постоянными решетки в светоизлучающем слое, деленной на объемную постоянную решетки, или |(3,189 Å - 3,23 Å)|/3,23 Å × 100%, примерно 1,23%. В некоторых вариантах воплощения изобретения по меньшей мере одним светоизлучающим слоем в приборе, излучающем синий свет, является BInGaN. Количество BN в этом светоизлучающем слое выбрано так, что ширина запрещенной энергетической зоны или цвет излучения светоизлучающих слоев является такой(им) же, как и в описанном выше традиционном приборе, излучающем синий свет, но с меньшей объемной постоянной решетки в светоизлучающем слое и, следовательно, с меньшей деформацией. Например, количество BN в светоизлучающем слое можно выбрать так, чтобы деформация в некоторых вариантах воплощения составила менее 1%, в некоторых вариантах воплощения менее 0,5%. Содержание x BN, добавленного к вышеописанному излучающему синий свет слою InGaN, приводящее к светоизлучающему слою с составом B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, может составлять, например, в некоторых вариантах воплощения 0<x≤0,1, а в некоторых вариантах воплощения 0,06≤x≤0,08.

[0031] Традиционный III-нитридный прибор, который излучает голубой или сине-зеленый свет или свет с длиной волны между 480 и 520 нм, может иметь светоизлучающий слой InGaN с содержанием InN между, например, 14% и 18%. Величина деформации в светоизлучающем слое In_0,16Ga_0,84N, выращенном на GaN, составляет примерно 1,7%. В некоторых вариантах воплощения изобретения по меньшей мере одним светоизлучающим слоем в приборе, излучающем голубой или сине-зеленый свет, является BInGaN. Количество BN в светоизлучающем слое можно выбрать так, чтобы ширина запрещенной зоны или цвет излучения светоизлучающего слоя был(а) такой же или таким же, а деформация в некоторых вариантах воплощения составляла менее 1,5%, а в некоторых вариантах воплощения менее 1%. Содержание x BN, добавленного к вышеописанному излучающему голубой или сине-зеленый свет слою InGaN, приводящее к светоизлучающему слою с составом B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, может составлять, например, 0<x≤0,12 в некоторых вариантах воплощения, а в некоторых вариантах воплощения 0,08≤x≤0,11.

[0032] Традиционный III-нитридный прибор, который излучает зеленый свет или свет с длиной волны между 520 и 560 нм, может иметь светоизлучающий слой InGaN с содержанием InN между, например, 18% и 22%. Величина деформации в светоизлучающем слое In_0,2Ga_0,8N, выращенном на GaN, составляет примерно 2,1%. В некоторых вариантах воплощения изобретения по меньшей мере одним светоизлучающим слоем в приборе, излучающем зеленый свет, является BInGaN. Количество BN в светоизлучающем слое можно выбрать так, чтобы ширина запрещенной зоны или цвет излучения светоизлучающего слоя был(а) такой же или таким же, а деформация в некоторых вариантах воплощения составляла менее 2%, а в некоторых вариантах менее 1%. Содержание x BN, добавленного к вышеописанному излучающему зеленый свет слою InGaN, приводящее к светоизлучающему слою с составом B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, может составлять, например, 0<x≤0,14 в некоторых вариантах воплощения, а в некоторых вариантах воплощения 0,11≤x≤0,13.

[0033] В тех вариантах воплощения, где BN вводят в по меньшей мере один из барьерных слоев в приборе с множественными квантовыми ямами, количество BN выбирают так, что ширина запрещенной зоны в барьерном слое является достаточно большой, чтобы запереть носители в светоизлучающих слоях, а деформация в барьерном слое или светоизлучающих слоях уменьшилась по сравнению с прибором без бора в барьерных слоях. Фиг.8 является графиком содержания BN как функции содержания InN для слоев BInGaN, которые согласованы по параметру решетки с GaN. По оси х отложен состав In_xGa_1-xN, на котором основан сплав (BN)_y(In_xGa_1-xN)_1-y. По оси y отложено содержание BN в сплаве (BN)_y(In_xGa_1-xN)_1-y.

[0034] Содержание BN в любых борсодержащих слоях в приборах в соответствии с вариантами воплощения изобретения поддерживают достаточно небольшим, чтобы борсодержащие слои являлись вюрцитными слоями. При достаточно высоком содержании BN III-нитридные слои могут стать цинковой обманкой.

[0035] BInGaN можно вырастить, например, поверх III-нитридных слоев, выращенных на сапфировой подложке, ориентированной по оси с, в реакторе эпитаксии металлоорганических соединений из газовой фазы (MOVPE) низкого давления со 100% азота в качестве газа-носителя. В качестве предшественников можно использовать триэтилбор, триметилиндий, триметилгаллий и аммиак. Можно использовать другие предшественники бора, такие как триметилбор, боран, диборан и металлический бор. Оптимизированные процедуры выращивания содержащих бор нитридов описаны в статье A. Ougazzaden и другие, J. Cryst. Growth 298, 428 (2007), которая включена сюда посредством ссылки.

[0036] Включение BN в один или более слоев III-нитридного прибора может быть выгодным. Вюрцитные слои III-нитрида демонстрируют высокую поляризацию, которая включает как спонтанную компоненту, которая является функцией температуры и состава, так и пьезоэлектрическую компоненту, которая является функцией деформации в слое. Поляризационные неоднородности на границе раздела между слоями различного состава приводят к индуцированным поляризацией поверхностным зарядам и электрическим полям. Добавление BN может уменьшить поляризационную неоднородность на границе раздела GaN/BInGaN по сравнению с границей раздела GaN/InGaN, например, уменьшая деформацию на границе раздела. В двойных гетероструктурах n-GaN/светоизлучающий слой BInGaN/p-GaN, в соответствии с некоторыми вариантами воплощения, выбор соответствующего содержания BN может позволить по меньшей мере частично «развязать» деформацию, запрещенную энергетическую зону и поляризацию, так что любые две можно задать произвольно за счет третьей. В традиционной гетероструктуре GaN/InGaN/GaN может независимо варьироваться только одна из деформации, запрещенной энергетической зоны и поляризации. Снижение деформации в приборе при введении BN может позволить выращивать более толстые активные области при более высоком содержании InN.

[0037] Полупроводниковые структуры, проиллюстрированные и описанные выше, могут быть включены в любую подходящую конфигурацию светоизлучающего прибора, такую как прибор с контактами, сформированными на противоположных сторонах прибора, или прибор с обоими контактами, сформированными на одной и той же стороне прибора. Если оба контакта расположены на одной и той же стороне, то прибор можно либо сформировать с прозрачными контактами, либо смонтировать так, что свет извлекается либо через ту же сторону, на которой сформированы контакты, либо с отражающими контактами, и смонтировать как перевернутый кристалл, где свет извлекается со стороны, противоположной той, на которой сформированы контакты. В приборах, где свет извлекается через ту поверхность, на которой сформированы контакты, поскольку ток не распространяется настолько быстро в III-нитридном материале p-типа, как и в III-нитридном материале n-типа, контакт может включать в себя небольшую толстую поглощающую металлическую контактную площадку, сформированную поверх тонкого прозрачного токораспределяющего слоя. Токораспределяющим слоем может быть, например, тонкий слой Ni и/или Au, оксида индия-олова, легированного медью (Cu) InO, ZnO, легированного галлием (Ga) ZnO, и любого другого подходящего легированного прозрачного оксида.

[0038] Фиг.6 иллюстрирует участок одного примера прибора подходящей конфигурации с перевернутым кристаллом, из которого удалена подложка для выращивания. Участок области 18 p-типа и светоизлучающая область 16 удалены с образованием мезаструктуры, которая открывает участок области 14 n-типа. Хотя на фиг.6 показано только одно сквозное отверстие, открывающее область 14 n-типа, следует понимать, что в одном приборе могут быть сформированы множественные сквозные отверстия. На открытых частях области 14 n-типа и области 18 p-типа сформированы n- и p-контакты 44 и 42, например, испарением или электролитическим нанесением покрытия. Контакты 42 и 44 могут быть электрически изолированы друг от друга воздухом или слоем диэлектрика.

[0039] После того как сформированы металлические контакты 42 и 44, полупроводниковую пластину с приборами можно разрезать на отдельные приборы, затем каждый прибор может быть перевернут относительно направления выращивания и смонтирован на монтажной подложке 40, и в этом случае монтажная подложка 40 может иметь большую боковую протяженность, чем у прибора. Альтернативно, полупроводниковая пластина с приборами может быть соединена с пластиной с монтажными подложками, а затем разрезана на отдельные приборы. Монтажная подложка 40 может быть, например, полупроводником, таким как Si, металлом или керамикой, такой как AlN, и может иметь по меньшей мере одну металлическую площадку (не показана), которая электрически соединяется с p-контактом 42, и по меньшей мере одну металлическую площадку (не показана), которая электрически соединяется с n-контактом 44. Межсоединения (не показаны), такие как контактные столбики припоя или золота, присоединяют полупроводниковый прибор к монтажной подложке 40. На или внутри монтажной подложки 40 могут быть сформированы интерметаллические диэлектрики для электрической изоляции токопроводящих путей p-типа и n-типа.

[0040] После монтажа подложку для выращивания удаляют подходящим для материала подложки способом, таким как травление или плавление лазером. Например, можно селективно вытравить временный полупроводниковый слой (не показан), чтобы отслоить подложку. До или после монтажа между прибором и монтажной подложкой 40 может быть предусмотрен жесткий подкристалльный заполнитель для поддержки полупроводниковых слоев и предотвращения растрескивания во время удаления подложки. Участок полупроводниковой структуры может быть удален утоньшением после удаления подложки. Например, первый монокристаллический слой 12 может оставаться в готовом приборе, как показано на фиг.6, или же он может быть удален утоньшением. Открытой поверхности полупроводниковой структуры можно придать шероховатость, например, способом травления, таким как фотоэлектрохимическое травление, или механическим способом, таким как шлифование. Придавая шероховатость поверхности, из которой извлекается свет, можно улучшить извлечение света из прибора. Альтернативно, на верхней поверхности полупроводниковой структуры, открытой при удалении подложки для выращивания, можно сформировать структуру фотонного кристалла. На излучающую поверхность может быть нанесена структура 30, такая как известные в данной области техники слой люминофора или вторичная оптика, такая как дихроичные кристаллы или поляризаторы.

[0041] Фиг.7 представляет собой изображение светоизлучающего прибора в корпусе с пространственным разделением деталей, описанного более подробно в патенте США 6274924. Теплоотводящий блок 100 помещен в отформованную литьем со вставкой рамку с выводами. Отформованная литьем со вставкой рамка с выводами является, например, пластмассой 105 с наполнителем, опрессованной вокруг металлической рамки 106, которая обеспечивает токопровод. Блок 100 может необязательно включать колпачок-отражатель 102. Кристалл 104 светоизлучающего прибора, который может быть любым из приборов, описанных в вариантах воплощения выше, смонтирован непосредственно или опосредованно с помощью теплопроводящей монтажной подложки 103 на блоке 100. Может быть добавлено покрытие 108, которое может представлять собой оптическую линзу.

[0042] Имея подробно описанное изобретение, специалисты в данной области техники поймут, что, учитывая настоящее раскрытие, в изобретении могут быть проделаны модификации без отступления от сути описанного здесь изобретательского замысла. Следовательно, не подразумевается, что объем изобретения ограничен проиллюстрированными и описанными конкретными вариантами воплощения.

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов. Структура включает III-нитридную полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью p-типа, при этом по меньшей мере одним слоем в светоизлучающей области является светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, 0,06≤x≤0,08 и 0,1≤y≤0,14, который обладает запрещенной энергетической зоной и объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, слой InGaN, обладающий такой же запрещенной энергетической зоной, что и слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, обладает объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и слой InGaN, и объемная постоянная решетки слоя B_x(In_yGa_1-y)_1-xN меньше, чем объемная постоянная решетки слоя InGaN. Изобретение обеспечивает III-нитридную полупроводниковую структуру, где по меньшей мере один слой в светоизлучающей области включает бор. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Структура, содержащая:
III-нитридную полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью p-типа, при этом:
по меньшей мере одним слоем в светоизлучающей области является B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, причем слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN является светоизлучающим слоем, 0,06≤x≤0,08 и 0,1≤y≤0,14;
слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN обладает запрещенной энергетической зоной и объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN;
слой InGaN, обладающий такой же запрещенной энергетической зоной, что и слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, обладает объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и слой InGaN; и
объемная постоянная решетки слоя B_x(In_yGa_1-y)_1-xN меньше, чем объемная постоянная решетки слоя InGaN.

2. Структура по п.1, причем светоизлучающая область содержит по меньшей мере два светоизлучающих слоя квантовой ямы, разделенные барьерным слоем; и упомянутый по меньшей мере один B_x(In_yGa_1-y)_1-xN является барьерным слоем.

3. Структура по п.1, причем по меньшей мере часть одной из области n-типа и области p-типа в непосредственном контакте со светоизлучающей областью имеет градиентный состав.

4. Структура по п.1, дополнительно содержащая первый и второй электрические контакты, электрически присоединенные к областям n-типа и p-типа.

5. Структура по п.1, причем слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN согласован по параметру решетки с GaN.

6. Структура, содержащая:
III-нитридную полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью p-типа, при этом:
по меньшей мере одним слоем в светоизлучающей области является B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, причем слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN является светоизлучающим слоем, 0,08≤x≤0,11 и 0,14≤y≤0,18;
слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN обладает запрещенной энергетической зоной и объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN;
слой InGaN, обладающий такой же запрещенной энергетической зоной, что и слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, обладает объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и слой InGaN; и
объемная постоянная решетки слоя B_x(In_yGa_1-y)_1-xN меньше, чем объемная постоянная решетки слоя InGaN.

7. Структура по п.6, причем светоизлучающая область содержит по меньшей мере два светоизлучающих слоя квантовой ямы, разделенные барьерным слоем; и упомянутый по меньшей мере один B_x(In_yGa_1-y)_1-xN является барьерным слоем.

8. Структура по п.6, причем по меньшей мере часть одной из области n-типа и области p-типа в непосредственном контакте со светоизлучающей областью имеет градиентный состав.

9. Структура по п.6, дополнительно содержащая первый и второй электрические контакты, электрически присоединенные к областям n-типа и p-типа.

10. Структура по п.6, причем слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN согласован по параметру решетки с GaN.

11. Структура, содержащая:
III-нитридную полупроводниковую структуру, содержащую светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью p-типа, при этом:
по меньшей мере одним слоем в светоизлучающей области является B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, причем слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN является светоизлучающим слоем, 0,11≤x≤0,13 и 0,18≤y≤0,22;
слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN обладает запрещенной энергетической зоной и объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN;
слой InGaN, обладающий такой же запрещенной энергетической зоной, что и слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, обладает объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и слой InGaN; и
объемная постоянная решетки слоя B_x(In_yGa_1-y)_1-xN меньше, чем объемная постоянная решетки слоя InGaN.

12. Структура по п.11, причем светоизлучающая область содержит по меньшей мере два светоизлучающих слоя квантовой ямы, разделенные барьерным слоем; и упомянутый по меньшей мере один B_x(In_yGa_1-y)_1-xN является барьерным слоем.

13. Структура по п.11, причем по меньшей мере часть одной из области n-типа и области p-типа в непосредственном контакте со светоизлучающей областью имеет градиентный состав.

14. Структура по п.11, дополнительно содержащая первый и второй электрические контакты, электрически присоединенные к областям n-типа и p-типа.

15. Структура по п.11, причем слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN согласован по параметру решетки с GaN.

16. III-нитридная полупроводниковая структура, содержащая светоизлучающую область, расположенную между областью n-типа и областью p-типа, при этом:
по меньшей мере одним слоем в светоизлучающей области является B_x(In_yGa_1-y)_1-xN;
слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN обладает запрещенной энергетической зоной и объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и светоизлучающий слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN;
слой InGaN, обладающий такой же запрещенной энергетической зоной, что и слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN, обладает объемной постоянной решетки, соответствующей постоянной решетки релаксированного слоя с таким же составом, что и слой InGaN;
объемная постоянная решетки слоя B_x(In_yGa_1-y)_1-xN меньше, чем объемная постоянная решетки слоя InGaN; и
слой B_x(In_yGa_1-y)_1-xN находится в состоянии сжатия.