ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА ДЛЯ КРАСНЫХ СВЕТОДИОДОВ Российский патент 2025 года по МПК H10H20/811 

Предлагаемое изобретение относится к области светодиодов (СД), а именно к эпитаксиальным гетероструктурам (ГС) для СД, излучающих в спектральном диапазоне λ=620-630 нм.

Упомянутые СД находят широкое применение для производства осветительных и светосигнальных устройств и могут быть использованы в системах сигнализации и индикации в автомобильной, автодорожной, железнодорожной и авиационной промышленности, сельскохозяйственном и архитектурном освещении и др.

Для достижения высоких значений светотехнических характеристик СД, в частности, осевой силы света (ОСС), необходимо изготовить (ГС), обладающую высоким значением внешнего квантового выхода, внутреннего квантового выхода и коэффициентом полезного действия (КПД).

Известно [В. Юм-Розери «Атомная теория для металлургов», Металлургиздат, Москва, 1955, стр. 129], что «в тех случаях, когда первичные твердые растворы занимают широкую область концентраций, существует общая склонность сплавов при содержании растворенного вещества около 25% (атомн.) и 50% (атомн.) при медленном охлаждении или низкотемпературном отжиге приобретать такое атомное распределение, при котором, хотя структура растворителя и сохраняется в целом, оба сорта атомов занимают определенные положения друг относительно друга; таким образом, устанавливается дальний порядок». «...Такой тип структуры называется сверхструктурой и обычно характеризуется стремлением атомов растворенного вещества располагаться по возможности дальше друг от друга. Образование сверхструктуры можно рассматривать как процесс, в ходе которого напряжения, возникающие в решетке неупорядоченного твердого раствора вследствие присутствия в ней атомов растворенного вещества, снижаются при формировании упорядоченной структуры».

Данный процесс образования сверхструктур (сверхрешеток) характерен для систем различных твердых растворов как на основе металлов, так и полупроводниковых соединений.

Поскольку первое издание [«Атомная теория для металлургов», Металлургиздат, Москва, 1955, стр. 129] вышло в печать в Англии в 1946 г., и далее выходило в печати с уточнениями и дополнениями в 1947 г., 1948 г. и 1952 г., а на русский язык было переведено четвертое издание в 1955 г., то на момент написания книги автор не располагал информацией о существовании трехкомпонентных полупроводниковых материалов в системе A^IIIB^V, поскольку они были получены гораздо позднее. Однако правила образования растворов, сформулированных В. Юм-Розери для металлов, справедливы для всех твердых растворов, в том числе и твердых растворов полупроводниковых материалов (см., например, [«История и будущее полупроводниковых гетероструктур», Ж.И. Алферов. Физика и техника полупроводников, том 32, №1, стр. 3-18, 1998].

Для твердых растворов системы A^IIIB^V, состоящих из трех компонентов, например, A_XB_1-XC, где величина «х» может принимать значения: х=0,25 (что соответствует 25% атомн.), х=0,5 (что соответствует 50% атомн.) и х=0,75 (что соответствует 75% атомн.) могут быть образованы твердые растворы следующих составов:

Все указанные выше составы будут иметь упорядоченную фазу твердого раствора на основании вышеизложенного.

Уменьшение эффекта упорядочения для трехкомпонентного твердого раствора может быть достигнуто созданием таких условий, при которых соотношения х=0,25; х=0,5, х=0,75 будут нарушаться, например, соотношением х=0,125; х=0,375 и х=0,625. Однако для эффективной работы полупроводниковых оптоэлектронных приборов, необходимо, чтобы периоды рассогласования кристаллических решеток эпитаксиальной пленки и подложки находились в определенном диапазоне значений. Для эпитаксиальных пленок твердых растворов системы A^IIIB^V, изопериодичных подложкам GaAs (100), это соотношение составляет [Young Chul Shin et.al. Performance improvement of 650 nm band AlGaInP laser diodes with optimal diffusion barriers», Materials Science and Engineering В 128, 80-82, 2006]:

где: - постоянная периода кристаллической решетки GaAs (Å);

- постоянная периода кристаллической решетки эпитаксиальной пленки, выращенной на подложке GaAs (Å).

Известно [Tohru Suzukui et. al. "Band-Gap Energy Anomaly and Sublattice Ordering in GaInP and AlGaInP Grown by Metalorganic Vapor Phase Epitaxy", Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 27, No. 11, November, 1998, pp. 2098-2106], что в твердых растворах материалов системы A^IIIB^V, таких как GaInP, AlGaInP и AlInP имеет место физический эффект, получивший название «упорядочения твердого раствора», который заключается в образовании чередующихся между собой атомных монослоев Al и In, или Ga и In, которые образуют сверхрешетку в кристаллографической плоскости (111). Данная сверхрешетка обладает кристаллической решеткой типа CuPt_β, которая имеет меньшую ширину запрещенной зоны, в сравнении с шириной запрещенной зоны эпитаксиальной пленки твердых растворов системы A^IIIB^V. В свою очередь, это приводит к снижению симметрии кристаллической решетки типа сфалерита, характерной для подложки GaAs и эпитаксиальных пленок твердых растворов, выращенных на ней (см., например, [Lattice-Mismatched Epitaxy of AlInP and Characterization of its Microstructure and Luminescence, Kunal Mukherjee, Massachusetts Institute of Technology, 2014].

Таким образом, имеет место образование локальных участков в эпитаксиальной пленке ГС, в которой ширина запрещенной зоны меньше, чем в области, окружающей этот участок, и, как следствие, в слоях ГС, имеющих упорядоченную фазу твердого раствора, возникает модуляция ширины запрещенной зоны, что приводит к поглощению оптического излучения, возникающего в результате рекомбинации электронно-дырочных пар в активной области ГС и снижению внутреннего квантового выхода (см., например, ["Optical spectroscopic observation of spontaneous long range ordering in AlGaInP", O.P. Kowalski et al., Applied Physics Letters 68 (23), June 1996]).

Кроме того, модуляция ширины запрещенной зоны оказывает значительное влияние на оптические и электрофизические характеристики оптоэлектронных приборов, ухудшая их, снижая внутренний квантовый выход и коэффициент полезного действия приборов (КПД) в целом.

Известна ГС [P. Gavrilovich et al. "Disordering of the ordered structure in MOCVD-grown GaInP and AlGaInP by impurity diffusion and thermal annealing", Journal of Crystal Growth 93, pp.426-433, 1988], выращенная методом MOCVD (МОС-гидридной эпитаксии), на подложке GaAs ориентации (001) с составом твердого раствора Ga_0,5In_0,5P и (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P в которой авторы наблюдали эффект упорядочения твердых растворов при помощи методов просвечивающей электронной микроскопии (transmission electron microscopy - ТЕМ).

Известную ГС помещали в кварцевую колбу, наполняли колбу Zn₃P₂ и Р₄, проводили вакуумирование, осуществляли герметизацию, далее проводили процесс диффузии цинка при температуре 600°С, при последующем отжиге при температуре 700°С. В результате диффузии атомов цинка (Zn) авторы наблюдали разупорядочение эпитаксиальных слоев ГС с помощью методов ТЕМ.

Недостатком описанной ГС является высокая трудоемкость и нетехнологичность проводимых операций при уменьшении степени упорядочения твердых растворов.

Известна ГС [«AlGaInP visible laser diodes grown on misoriented substrates», Hamada H. et al., IEEE journal of quantum electronics, 1991, V. 27, No. 6], выращенная методом MOCVD, для которой с целью решения проблемы упорядочения твердого раствора в системе A^IIIB^V - были использованы подложки GaAs, имеющие разориентацию на 2°, 5°, 7°, 9° или 15° относительно кристаллографического направления в зависимости от конкретной решаемой задачи.

Эпитаксиальные ГС для полупроводниковых лазерных диодов (ЛД) в системе твердых растворов AlGaInP на подложках GaAs, имеющих кристаллографическую ориентацию (100), были разориентированы на 5-7° относительно кристаллографического направления и на 5° относительно кристаллографического направления . Авторами была достигнута лазерная генерация ЛД на длине волны λ=631 нм при максимальном значении выходной оптической мощности 25 мВт в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Недостатком данной известной ГС является процесс изготовления разориентированных подложек GaAs, поскольку он имеет более сложную технологию, более высокую трудоемкость и себестоимость, в отличие от процесса изготовления традиционных подложек GaAs ориентации (100). Кроме того, постростовые операции, такие как формирование мезаструктуры, разделение структуры на кристаллы, из-за разориентации относительно плоскости (100), также становятся затруднительными и оказывают значительное влияние на основные характеристики полупроводниковых приборов.

Известен патент US 8537870 B2 [опубл. 09.08.2020, «Laser diode and semiconductor light-emitting device producing visible-wavelength radiation))], где в разделе «Background of the Invention)) предложены конструкции полупроводниковых светоизлучающих устройств, в частности СД.

Эпитаксиальная ГС такого СД, представленная на Фиг. 1 (колонка №1, строка 60-65), включает подложку GaAs n-типа проводимости, буферный слой GaAs n-типа проводимости, эмиттерный слой n-типа проводимости состава AlGaInP, активный слой (иначе - активная область, последовательность квантовых ям, в которых происходит излучательная рекомбинация, разделенных между собой квантоворазмерными барьерными слоями), состоящий из нескольких квантовых ям состава GaInP, чередующихся слоями AlGaInP, эмиттерный слабо легированный (2÷6⋅10¹⁷ см^-3) слой состава AlGaInP, стоп-слой GaInP.

В том же патенте US 8537870 B2 в разделе «Summary of Invention)) (колонка 12, строки 50-55) предложена конструкция ГС, в которой ограничивающие ток области (current-blocking region) выполнены из пятикомпонентного твердого раствора состава период решетки которого находится в диапазоне периодов решеток GaAs и GaP, при этом коэффициенты могут принимать следующие значения:

Недостатком [US 8537870 B2, опубл. 09.08.2020] является размещение легированных эмиттерных слоев n- и р-типа проводимости в непосредственном контакте с активной областью, которое может приводить к поглощению оптического излучения как на свободных носителях в указанных слоях, так и за счет поглощения оптического излучения из-за диффузии легирующей примеси в активную область, что способно привести к уменьшению внутреннего квантового выхода и снижению КПД СД, изготовленного из данного типа ГС.

Кроме того, недостатком [US 8537870 B2, опубл. 09.08.2020] являются различные значения периодов кристаллической решетки твердого раствора состава эпитаксиальной ГС, находящегося в диапазоне периодов решетки от таким образом, эпитаксиальные слои ГС находятся в состоянии механического напряжения растяжения. Не соответствие периодов решеток слоев ГС и подложки может привести к возникновению внутренних напряжений, которые, в свою очередь, могут привести к образованию дислокаций несоответствия, являющимися центрами безызлучательной рекомбинации, приводящие к снижению внутреннего квантового выхода и ухудшению основных характеристик полупроводниковых приборов таких как: пороговый ток, рабочий ток, внутреннюю квантовую эффективность.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению является высокоэффективная AlGaInP эпитаксиальная ГС для СД и метод ее изготовления, что изложено в патенте CN 103500781 В [опубл. 10.08.2016]. Авторами известного патента предложена конструкция, в соответствии с фиг.1, с последовательным расположением на подложке GaAs n-типа проводимости, буферного слоя GaAs n-типа проводимости, далее переходного слоя n-типа проводимости, на нем имеется последовательность легированных слоев которые формируют комбинированный распределенный брэгговский отражатель (РБО или, соответственно DBR) n-типа проводимости, на РБО имеется первый ограничивающий слой (limiting layer) InAlP n-типа проводимости, иначе первый эмиттерный слой, на поверхности которого расположена активная область в виде слоя GaInP, на ней - второй ограничивающий слой (limiting layer) InAlP р-типа проводимости, иначе второй эмиттерный слой, далее расположена последовательность слоев в количестве 3-45 пар состава при этом х и у могут принимать следующие значения: Данная последовательность слоев образует сверхрешетку в системе AlGaInP и имеет р-тип проводимости, далее сформирован слой широкозонного окна GaP р-типа проводимости, последовательно переходящий в легированный контактный слой GaP р-типа проводимости, имеющий большую степень легирования.

Переходной слой n-типа проводимости требуется для обеспечения отражения оптического излучения, возникающего в активной области, от границы раздела упомянутого переходного слоя и подложки GaAs.

Кроме того, слои AlAs располагаются только на поверхности слоев для обеспечения необходимого коэффициента отражения при формировании последовательности слоев образующих комбинированный РБО.

Упомянутый комбинированный РБО состоит из двух различных последовательностей чередующихся слоев имеющих разную толщину. Первая последовательность слоев имеет толщины в соответствии с выражениями (1) и (2) известной ГС [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016]. Вторая последовательность слоев представляет собой традиционный РБО и имеет толщины слоев в соответствии с выражением (3) известной ГС [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016].

Упомянутый комбинированный РБО, по замыслу авторов, предназначен для увеличения вывода излучения из кристалла (повышение внешней квантовой эффективности) за счет увеличения значения максимально допустимых углов отражения, поскольку традиционный РБО отражает только ту часть оптического излучения, которая падает перпендикулярно поверхности РБО.

Последовательность слоев сверхрешетки состава при р-типа проводимости требуется, по замыслу авторов, для уменьшения количества дефектов слоев ГС, связанных с несоответствием (рассогласованием) периодов решетки ограничивающих слоев InAlP и GaP р-типа проводимости, а также для улучшения транспорта дырок, поскольку в слоях состава образуется двумерный дырочный газ с повышенной плотностью состояний, а слои состава образуют потенциальный барьер, препятствуя утечке дырок, улучшая их инжекцию в активную область и повышая вероятность излучательной рекомбинации. Поскольку транспорт дырок через упомянутые слои состава при осуществляется за счет эффекта туннелирования, то введение данных слоев не оказывает значительного влияния на результирующее рабочее напряжение СД.

Недостатком варианта ГС, рассматриваемой в [CN 103500781 В, опубл. 10.08.2016], является наличие фундаментальной проблемы, связанной с вышеупомянутым эффектом упорядочения твердых растворов в слоях ГС, содержащих атомы Al, Ga, In, таких как InAlP и AlGaInP, а также в активной области, а именно в слое GaInP, что может приводить к снижению внутренней квантовой эффективности за счет флуктуаций ширины запрещенной зоны. Данная проблема не рассматривается авторами [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016].

Следующим недостатком ГС, предложенной в [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016] является также то, что наличие легирующей примеси в ограничивающих слоях InAlP n- и р- типа проводимости, помещенных в непосредственном контакте с активной областью, может приводить к поглощению оптического излучения на свободных носителях в указанных слоях, а также из-за диффузии легирующей примеси в активную область, что способно привести к уменьшению внутреннего квантового выхода и снижению КПД СД, изготовленного из данного типа ГС.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении значения осевой силы света, внутреннего квантового выхода, внешнего квантового выхода и коэффициента полезного действия светодиодов на основе предлагаемой эпитаксиальной гетероструктуры.

Технический результат достигается тем, что предложена эпитаксиальная гетероструктура для красных светодиодов, включающая подложку GaAs n-типа проводимости, буферный слой GaAs n-типа проводимости, распределенный Брэгговский отражатель, первый эмиттерный слой n-типа проводимости, активную область, второй эмиттерный слой р-типа проводимости, слой широкозонного окна GaP р-типа проводимости и контактный слой GaP р-типа проводимости, при этом отличием от известного решения является то, что упомянутыми первым и вторым эмиттерными слоями являются слои состава при величине А, определенной в диапазоне значений между ними введены нелегированные слои оптического ограничения состава при величине В, определенной в диапазоне значений и характеризующиеся отношением суммы атомов Ga и Al к атомам In в фазе твердого раствора при комнатной температуре, причем значения упомянутого отношения находятся в диапазоне не менее 1,12 и не более 1,5, между слоями оптического ограничения имеется упомянутая активная область, содержащая, по меньшей мере, одну квантовую яму состава при величине С, определенной в диапазоне значений

Предложенная совокупность существенных признаков позволила полностью реализовать заявленный технический результат. Совокупность отличительных признаков: введение химического элемента V-группы периодической системы Д.И. Менделеева, а именно, мышьяка (As), в предложенные эмпирически определенные составы соединений всех эпитаксиальных слоев находящихся между распределенным Брэгговским отражателем и слоем широкозонного окна GaP р-типа проводимости, и введение в характеристику слоев оптического ограничения эмпирически полученного соотношения атомов элементов Ga, Al, In в фазе твердого раствора при комнатной температуре, позволили обеспечить условия, при которых в твердых растворах упомянутых предложенных составов слоев содержащих мышьяк, нами не обнаружено образование упорядоченной фазы твердого раствора, что было подтверждено при исследовании полученных ГС. При этом было обеспечено согласование периодов кристаллической решетки упомянутых выращенных эпитаксиальных слоев AlInPAs-AlGaInPAs-GaInPAs, и подложки GaAs, находящихся в диапазоне:

где: - постоянная периода кристаллической решетки GaAs (Å);

- постоянная периода кристаллической решетки эпитаксиальной пленки, выращенной на подложке GaAs (А) (см. [Young Chul Shin et. al. «Performance improvement of 650 nm band AlGaInP laser diodes with optimal diffusion barriers». Materials Science and Engineering В 128, 80-82, 2006].

Отсутствие упорядоченной фазы твердого раствора привело к уменьшению влияния безызлучательной рекомбинации на неоднородностях, связанных с локальным уменьшением ширины запрещенной зоны эпитаксиальных слоев гетероструктуры.

Все упомянутое для светодиодов, изготовленных на основе предложенной гетероструктуры, в совокупности обеспечило повышение осевой силы света, внешнего квантового выхода, внутреннего квантового выхода и коэффициента полезного действия. Нами получено наглядное улучшение качества красных светодиодов.

Технический результат также достигается тем, что активная область содержит более одной квантовой ямы упомянутого ранее состава но не более десяти квантовых ям, разделенных барьерными слоями по составу, совпадающими с составом упомянутых нелегированных слоев оптического ограничения, а именно,

При достижении в активной области количества квантовых ям десяти и более и наличии соответствующих барьерных слоев экспериментальные данные показали, что значительно ухудшаются параметры светодиодов. Кроме того, дырки имеют меньшую подвижность, в сравнении с электронами, поэтому при количестве квантовых ям более дести может наблюдаться дисбаланс носителей в активной области, что приведет к уменьшению значения осевой силы света, ухудшению внешнего и внутреннего квантового выхода, коэффициента полезного действия.

Решение оригинально, просто по существу, поскольку добавление дополнительного химического элемента V-группы в виде мышьяка (As) в состав эпитаксиальных слоев гетероструктуры изящным способом решает множество фундаментальных проблем при изготовлении эпитаксиальных структур для рассматриваемых светодиодов.

По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, неизвестна и не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "Новизна".

По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.к. из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Технологическая реализация изобретения не представляет трудностей, основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются при изготовлении эпитаксиальных гетероструктур для светодиодов. Предложение удовлетворяет критерию "Промышленная применимость".

Далее приводится краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлено схематическое изображение последовательности слоев предложенной эпитаксиальной гетероструктуры.

На фиг.2 представлено схематическое изображение последовательности слоев предложенной эпитаксиальной гетероструктуры с активной областью, содержащей три квантовые ямы.

На фиг.3 представлено схематическое изображение последовательности слоев эпитаксиальной гетероструктуры прототипа [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016], выращенной авторами.

Приводим позиции, имеющиеся на фиг. 1-3:

1 - подложка, GaAs n-типа проводимости,

2 - буферный слой, GaAs n-типа проводимости,

3 - распределенный Брэгговский отражатель (РБО, или, соответственно, DBR), традиционный,

4 - первый эмиттерный слой, n-типа проводимости,

5 - первый слой оптического ограничения, нелегированный,

6 - активная область,

7 - квантовая яма,

8 - барьерный слой,

9 - второй слой оптического ограничения, нелегированный,

10 - второй эмиттерный слой, р-типа проводимости,

11 - слой широкозонного окна, GaP р-типа проводимости,

12 - контактный слой, GaP р-типа проводимости,

13 - последовательность слоев, образующих сверхрешетку, состава (Al_xGa_1-x)_0,5In_0,5P / (Al_yGa_1-y)_0,5In_0,5P, при 0<х<0,3; 0,5<у<1,

14 - переходный слой Al_xGa_1-xAs, n-типа проводимости,

15 - комбинированный распределенный Брэгговский отражатель.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами реализованных конструкций, предложенных эпитаксиальных гетероструктур (ГС), в соответствии с фиг.1 и 2, светодиоды (СД) из которой излучают в спектральном диапазоне λ=620-630 нм. Приведенные примеры не являются единственными, особенности которых отражены в совокупности признаков формулы изобретения.

Для доказательства достижения технического результата нами был проведен сравнительный анализ предложенной нами ГС, и ГС, в соответствии с фиг.3, аналогичной выбранному прототипу [CN 103500781 B [опубл. 10.08.2016], изготовленной нами и из которой были выполнены СД, также излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм.

Предложенные ГС, так и ГС, аналогичные конструкции прототипа, изготавливали методом МОС-гидридной эпитаксии в кварцевом щелевом реакторе, работающим при пониженном давлении. Режимы процесса не являются предметом настоящего изобретения. В качестве подложек выбраны подложки GaAs n-типа проводимости с кристаллографической ориентацией (100), для чего использовали пластины монокристаллического GaAs, изготовленные из слитков, выращенных методом VGF (vertical gradient freezing) фирмы АХТ Inc., США. В качестве источников химических элементов Al, Ga, In использовали триметилалюминия (ТМА), триэтилгаллия (TEG), триэтилиндия (TEI), соответственно. В качестве источников химических элементов Р и As использовали фосфин (РН₃) и арсин (H₃AS). В качестве источника легирования n-типа проводимости использовали газовую смесь моносилана в аргоне 1% SiH₄/Ar. В качестве источника легирования р-типа проводимости использовали диэтилцинка (DEZ).

В первом - четвертом примерах рассматриваются модификации ГС согласно данному изобретению. В пятом и шестом примере - модификации ГС согласно выбранному прототипу.

Измерения основных параметров эпитаксиальных пленок, а именно: состав твердого раствора, величины соотношения атомов (Ga + Al)In в фазе твердого раствора, отклонение периода кристаллической решетки эпитаксиальной пленки от периода подложки GaAs - определены экспериментально при помощи методов рентгеновской дифрактометрии, электрохимического вольт-фарадного профилирования, фотолюминесценции, электролюминесценции и при помощи просвечивающей электронной микроскопии.

Измерение основных параметров светодиодов, изготовленных из выращиваемых ГС, проводились при токе 20 мА на стандартном измерительном оборудовании.

Измерения всех параметров ГС и СД проведены при комнатной температуре.

Пример №1. Первая из модификаций схематично изображена на фиг. 1 в виде последовательности слоев предложенной ГС, содержащей одну квантовую яму в активной области. На поверхности подложки 1 GaAs n-типа проводимости находится буферный слой 2 GaAs n-типа проводимости, далее на его поверхности имеется последовательность эпитаксиальных слоев, формирующих традиционный распределенный Брэгговский отражатель 3 (РБО, или, соответственно DBR), на поверхности которого размещен первый эмиттерный слой 4 n-типа проводимости, на его поверхности имеется первый слой оптического ограничения 5, нелегированный, далее на его поверхности помещена активная область 6, состоящая из одной квантовой ямы 7, далее находится второй слой оптического ограничения 9, нелегированный, на поверхности которого расположен второй эмиттерный слой 10 р-типа проводимости, далее расположен слой широкозонного окна 11 GaP р-типа проводимости, на котором находится контактный слой 12 GaP р-типа проводимости.

Эмиттерными слоями 4 и 10 являются слои состава где значение А равно 0,075±0,001, нелегированными слоями оптического ограничения 5 и 9 являются слои состава где значение В равно 0,075±0,001, упомянутая активная область 6, содержит одну квантовую яму 7, которая имеет состав при значении С, равном 0,075±0,001.

Из изготовленной ГС были выполнены СД, имеющие стандартные размеры, а именно 350×350 мкм, излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, работающие следующим образом. От внешнего источника питания подается напряжение со следующей полярностью: контакт с положительной полярностью («плюс») к контактному слою 12 GaP р-типа проводимости, контакт с отрицательной полярностью («минус») к подложке 1 GaAs n-типа проводимости. Таким образом, PN переход ГС смещается в прямом направлении и через ГС начинает протекать электрический ток, который является электронным для слоев ГС с n-типом проводимости и дырочным для слоев ГС с р-типом проводимости. В активной области 6 происходит излучательная рекомбинация электронно-дырочных пар, при этом оптическое излучение распространяется во всех направлениях.

Часть излучения, которая распространяется под углами большими, чем угол полного внутреннего отражения не выходит из кристалла СД и не вносит свой вклад в результирующее значение осевой силы света (ОСС).

Часть излучения, распространяющаяся под углами меньшими угла полного внутреннего отражения, в направлении нижней полусферы (в сторону подложки 1 GaAs n-типа проводимости), частично отражается в верхнюю полусферу (в сторону слоя широкозонного окна 11 GaP р-типа проводимости) на границе раздела первого слоя оптического ограничения 5 и первого эмиттерного слоя 4 n-типа проводимости из-за разницы в значении коэффициента преломления. Часть излучения проходит первый эмиттерный слой 4 n-типа проводимости и испытывает отражение в верхнюю полусферу на границе раздела с РБО 3.

Часть излучения, распространяющаяся в верхней полусфере, частично отражается от границы раздела второго слоя оптического ограничения 9 и второго эмиттерного слоя 10 р-типа проводимости из-за разницы в значении коэффициента преломления. Часть излучения, распространяющаяся в верхней полусфере, прошедшая сквозь второй эмиттерный слой 10 р-типа проводимости, частично отражается от слоя широкозонного окна 11 GaP р-типа проводимости, последовательно переходящего в контактный слой 12 GaP р-типа проводимости.

Излучение, прошедшее сквозь контактный слой 12 GaP р-типа проводимости, является результирующим и определяет ОСС СД.

Полученные результаты соотношения атомов (Ga+Al)/In в фазе твердого раствора, рассогласование периодов решеток эпитаксиальных пленок относительно подложки GaAs, а также результаты исследований основных параметров СД, изготовленных из ГС по примеру №1, приведены в столбце №3 Табл.

Пример №2. Во второй модификации предлагаемой ГС в соответствии с фиг. 1 эмиттерными слоями 4 и 10 являются легированные слои n- и р-типа проводимости состава при значении А, равном 0,05±0,001, слоями оптического ограничения 5 и 9 являются нелегированные слои состава при значении В, равном 0,05±0,001, упомянутая активная область 6 содержит одну квантовую яму 7 состава при значении С, равном 0,05±0,001.

Из изготовленной ГС по данному примеру №2 были выполнены СД, размерами как в примере №1, также излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, работающие, как описано в примере №1.

Полученные результаты соотношения атомов (Ga+Al)/In в фазе твердого раствора, рассогласование периодов решеток эпитаксиальных пленок относительно подложки GaAs, а также результаты исследований основных параметров СД, изготовленных из ГС по примеру №2, приведены в столбце №4 Табл.

Пример №3. В третьей модификации предлагаемой ГС эмиттерными слоями 4 и 10 являются легированные слои n- и р-типа проводимости состава при этом значение А равно 0,2±0,001, слоями оптического ограничения 5 и 9 являются нелегированные слои состава при значении В, равном 0,2±0,001, упомянутая активная область 6, содержит одну квантовую яму 7 состава при значении С, равном 0,2±0,001.

Из изготовленной ГС по данному примеру №3 были выполнены СД, размерами как в примере №1, также излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, работающие, как описано в примере №1.

Полученные результаты соотношения атомов (Ga+Al)/In в фазе твердого раствора, рассогласование периодов решеток эпитаксиальных пленок относительно подложки GaAs, а также результаты исследований основных параметров СД, изготовленных из ГС по примеру №3, приведены в столбце №5 Табл.

Пример №4. В четвертой модификации предлагаемой ГС, согласно фиг. 2, где схематически изображена последовательность слоев предложенной ГС, отличающаяся от конструкции первой модификации только тем, что в ней активная область 6 состоит из трех квантовых ям 7 состава при значении С, равном 0,075±0,001, разделенных двумя барьерными слоями 8 состава при значении В, равном 0,075±0,001.

Из изготовленной ГС по данному примеру №4 были выполнены СД, размерами как в примере №1, также излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, работающие, как описано в примере №1.

Полученные результаты соотношения атомов (Ga+Al)/In в фазе твердого раствора, рассогласование периодов решеток эпитаксиальных пленок относительно подложки GaAs, а также результаты исследований основных параметров СД, изготовленных из ГС по примеру №4, приведены в столбце №6 Табл.

Пример №5. В конструкции ГС, согласно фиг. 3, где схематически изображена последовательность слоев ГС прототипа [CN 103500781 B [опубл. 10.08.2016], изготовленной нами, на поверхности подложки 1 GaAs n-типа проводимости находится буферный слой 2 GaAs n-типа проводимости, на поверхности буферного слоя 2, находится переходный слой 14 n-типа проводимости, далее имеется комбинированный распределенный Брэгговский отражатель (РБО/DBR) 15, который состоит из двух различных последовательностей чередующихся слоев имеющих разную толщину. Первая последовательность слоев имеет толщины в соответствии с выражениями (1) и (2) известной ГС [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016]], при параметре t=1. Вторая последовательность слоев представляет собой традиционный РБО и имеет толщины слоев в соответствии с выражением (3) известной ГС [CN 103500781 B, опубл. 10.08.2016]. На комбинированного поверхности РБО 15 размещен эмиттерный слой 4 n-типа проводимости, состава InAlP, на нем активная область 6, состоящая из одной квантовой ямы 7 состава GaInP, на поверхности которой размещается эмиттерный слой 10 р-типа проводимости, состава InAlP, на его поверхности расположена последовательность слоев 13, образующих сверхрешетку, состава при этом были выбраны следующие значения: х=0,15, у=0,75. На последовательности слоев 13, образующих сверхрешетку, находится слой широкозонного окна 11 GaP р-типа проводимости, последовательно переходящий в контактный слой 12 р-типа проводимости.

Из изготовленной ГС по данному примеру №5 были выполнены СД, размерами как в примере №1, также излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, работающие, как описано в примере №1.

Полученные результаты соотношения атомов (Ga+Al)/In в фазе твердого раствора, рассогласование периодов решеток эпитаксиальных пленок относительно подложки GaAs, а также результаты исследований основных параметров СД, изготовленных из ГС по примеру №5, приведены в столбце №7 Табл.

Пример №6. Данная конструкция ГС отличается от конструкции ГС, приведенной в примере №5 тем, что в нем отсутствует упомянутая первая часть комбинированного РБО 15, но имеется традиционный РБО 3, а также отсутствует упомянутая последовательность слоев 13, образующих сверхрешетку, состава при этом имеется переходный слой 14 n-типа проводимости.

Из изготовленной ГС по данному примеру №5 были выполнены СД, размерами как в примере №1, также излучающие в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, работающие, как описано в примере №1.

Полученные результаты соотношения атомов (Ga+Al)/In в фазе твердого раствора, рассогласование периодов решеток эпитаксиальных пленок относительно подложки GaAs, а также результаты исследований основных параметров СД, изготовленных из ГС по примеру №6, приведены в столбце №8 Табл.

При рассмотрении обобщенных результатов экспериментальных данных, приведенных в Табл., полученных в соответствии с примерами реализации ГС №1-6 и СД, изготовленных на их основе, видно, что ГС, предложенная в примере реализации №1, по совокупности характеристик СД, а именно: осевой силы света, внешнего и внутреннего квантового выхода, коэффициента полезного действия - обладает более высокими значениями, в сравнении с остальными примерами, что можно объяснить полным отсутствием эффекта наличия упорядоченной фазы твердого раствора, либо его минимальным влиянием на электрофизические свойства СД, изготовленных на основе предложенной ГС, что полностью подтверждает концепцию пятикомпонентных составов слоев, продолженной авторами изобретения.

ГС в соответствии с примерами реализации №2 и №3 были изготовлены с целью оптимизации параметров процесса эпитаксиального выращивания ГС в соответствии с примером реализации №1. Авторы предлагаемой ГС ставили перед собой цель определить максимально допустимые отклонения параметров процессов эпитаксиального роста, которые будут приводить к ухудшению параметров ГС.

Предложенная ГС по примеру реализации №2, с одной стороны, имеет более близкий период кристаллической решетки к подложке GaAs, но в то же время данная ГС имеет меньшее значение соотношения (Ga+Al)/In, что может свидетельствовать о наличии упорядоченной фазы твердого раствора и его влиянии на электрофизические характеристики СД.

Предложенная ГС по примеру реализации №3 имеет большее отклонение периода кристаллической решетки от подложки GaAs и самое большое значение соотношения (Ga+Al)/In, однако характеристики СД, изготовленных на ее основе, мало отличаются от характеристик СД, изготовленных из ГС по примеру реализации №2, что также может свидетельствовать о наличии упорядоченной фазы твердого раствора и его влиянии на электрофизические характеристики СД.

СД, изготовленные из ГС, предложенной по примеру реализации №4, отличаются лишь тем, что ГС имеет в составе активной области 6 три квантовые ямы 7, разделенные барьерными слоями, совпадающими по составу со слоями оптического ограничения 5 и 9. СД из ГС по примеру реализации №4 обладают характеристиками, схожими с СД, изготовленных из ГС по примеру реализации №1, но имеют более высокое значение доминирующей длины волны излучения, что может свидетельствовать о более широкой спектральной линии люминесценции. Экспериментальные данные характеристик СД, изготовленных из ГС по примеру реализации №4 подтверждают полное отсутствие влияния эффекта наличия упорядоченной фазы твердого раствора, либо его минимального влияния на электрофизические свойства СД, изготовленных на их основе.

СД, изготовленные из ГС, предложенной по примеру реализации №5 в соответствии с прототипом [CN 103500781 B [опубл. 10.08.2016] обладают характеристиками, приемлемыми для промышленного применения, однако значительно уступают по характеристикам СД, изготовленных из ГС по примерам реализации №1-4 из-за эффекта наличия упорядоченной фазы твердого раствора.

СД, изготовленные из ГС, предложенной по примеру реализации №6 в соответствии с прототипом [CN 103500781 B [опубл. 10.08.2016] обладают характеристиками, приемлемыми для промышленного применения, однако значительно уступают по характеристикам СД, изготовленных из ГС по примерам реализации №1-4 из-за эффекта наличия упорядоченной фазы твердого раствора и сопоставимы с характеристиками СД, изготовленных из ГС по примеру реализации №5, что говорит о малой эффективности наличия комбинированного РБО и последовательности слоев, образующих сверхрешетку, состава при 0<х<0,3, 0,5<у<1, при этом нужно отметить, что данная последовательность слоев действительно не оказывает значительного влияния на значение падения напряжения СД в рабочем режиме.

СД, изготовленные из ГС в соответствии с примером реализации №5 и №6 обладают меньшим значением характеристик, что свидетельствует о том, что предложенная авторами концепция пятикомпонентных твердых растворов для изготовления светодиодов верна.

Предложенная совокупность существенных признаков позволила полностью реализовать заявленный технический результат: увеличение значения осевой силы света до 70 мкд, внешнего квантового выхода до 2,34%, внутреннего квантового выхода до 55,83%, коэффициента полезного действия до 2,52% вследствие уменьшения влияния процессов безызлучательной рекомбинации на неоднородностях, связанных с локальным уменьшением ширины запрещенной зоны эпитаксиальных слоев ГС для получения СД. Нами получено наглядное улучшение качества красных СД.

Изобретение относится к области светодиодов (СД), а именно к эпитаксиальным гетероструктурам (ГС) для СД, излучающих в спектральном диапазоне λ=620-630 нм, которые могут быть применены для производства осветительных и светосигнальных устройств, а также в системах сигнализации и индикации в автомобильной, автодорожной, железнодорожной и авиационной промышленности, сельскохозяйственном и архитектурном освещении и т.п. Предложена гетероструктура (ГС), где на подложке GaAs n-типа проводимости расположены буферный слой n-типа проводимости, слои распределенного брэгговского отражателя, далее имеются слои соединений предложенных составов, содержащих мышьяк, а именно n- и р-типа проводимости эмиттерные слои (ЭС) - AlInPAs, между которыми первый и второй нелегированные слои оптического ограничения (ОО) - AlGalnPAs, характеризующиеся заданным отношением суммы атомов Ga и Al к атомам In в фазе твердого раствора при комнатной температуре, между слоями ОО находится активная область (АО), содержащая, по меньшей мере, одну квантовую яму (КЯ) - GalnPAs, на ЭС р-типа проводимости размещены слои р-типа проводимости широкозонного окна GaP и контактный слой GaP. Технический результат изобретения заключается в повышении значения осевой силы света, внутреннего квантового выхода, внешнего квантового выхода и коэффициента полезного действия светодиодов на основе предлагаемой эпитаксиальной ГС. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Эпитаксиальная гетероструктура для светодиодов, включающая подложку GaAs n-типа проводимости, буферный слой n-типа проводимости, распределенный брэгговский отражатель, первый эмиттерный слой n-типа проводимости, активную область, второй эмиттерный слой р-типа проводимости, слой широкозонного окна GaP р-типа проводимости и контактный слой GaP р-типа проводимости, отличающаяся тем, что упомянутыми первым и вторым эмиттерными слоями являются слои состава (Al_0,6-0,64In_0,4-0,36)P_1-AAs_A, при величине А, определенной в диапазоне значений 0,05≤А≤0,2, между ними введены нелегированные слои оптического ограничения состава (Al_0,58-0,62Ga_0,42-0,38)_0,6-0,64In_0,4-0,36P_1-BAs_B при величине В, определенной в диапазоне значений 0,05≤В≤0,2, и характеризующиеся отношением суммы атомов Ga и Al к атомам In в фазе твердого раствора при комнатной температуре, причем значения упомянутого отношения находятся в диапазоне не менее 1,12 и не более 1,5, между слоями оптического ограничения имеется упомянутая активная область, содержащая, по меньшей мере, одну квантовую яму состава Ga_0,62-0,66In_0,38-0,34P_1-CAs_C при величине С, определенной в диапазоне значений 0,05≤С≤0,2.

2. Эпитаксиальная гетероструктура для светодиодов по п. 1, отличающаяся тем, что активная область содержит более одной квантовой ямы упомянутого ранее состава (Ga_0,62-0,66In_0,38-0,34)P_1-CAs_C при 0,05≤С≤0,2, но не более десяти квантовых ям, разделенных барьерными слоями по составу, совпадающими с составом упомянутых слоев оптического ограничения, а именно состава (Al_0,58-0,62Ga_0,42-0,38)_0,6-0,64In_0,4-0,36P_1-BAs_B при 0,05≤В≤0,2.