СВЕТОДИОД НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ Советский патент 1995 года по МПК H01L33/00 H05B33/18 

Изобретение относится к области полупроводникового приборостроения и в частности может быть использовано в оптоэлектронике как быстродействующий эффективный источник света.

Известны светодиоды на основе карбида кремния, характеризующиеся наличием трехслойной структуры.

Один слой представляет собой слой n-типа проводимости, промежуточный высокоомный слой, содержащий активатор люминесценции, и поверхностный слой, имеющий р-тип проводимости. Ответственным за излучение является промежуточный слой, в котором происходит инжекция неосновных носителей из соседних областей.

К недостатком известных светодиодов следует отнести: необходимость использования исходного материала карбида кремния n-типа с узким диапазоном концентраций нескомпенсированных доноров (N_D-N_А ≈ 0,8-3˙10¹⁸ см^-3), необходимость введения активаторов люминесценции, трудность создания низкоомного р-слоя в приконтактном области, малый градиент концентраций легирующей примеси на границах слоев (≈ 10²³ см^-4).

Наиболее близким техническим решением является светодиод на основе карбида кремния, представляющий собой трехслойную структуру, содержащую р- и n-слои.

Недостатками известного карбидокремниевого светодиода являются необходимость использования в качестве базового n-слоя карбида кремния с узким диапазоном концентраций нескомпенсированных доноров (N_D-N_А ≈ 0,8-3˙10¹⁸ см^-3), а также введения в него кислорода-активатора люминесценции, проведение диффузии двух примесей: бора - для создания промежуточного высокоомного излучающего слоя и алюминия - для создания более низкоомной приконтактной области; повышенные напряжения на структуре, большое время высвечивания и невысокая яркость свечения вследствие наличия промежуточного высокоомного слоя и малого градиента концентраций легирующих примесей на границах слоев. Повышенное напряжение на структуре ведет к ее нагреву, для работы устройства необходимы большие мощности.

Целью изобретения является повышение яркости свечения, уменьшение падения напряжения и времени высвечивания.

Цель достигается тем, что в светодиоде на основе карбида кремния, представляющем собой трехслойную структуру, содержащую n- и р-слои, он содержит приповерх- ностный слой, обогащенный углеродом, с градиентом не менее 10²⁴ см^-4, при этом концентрация примеси в n-слое не менее 10¹⁶ см^-3, а градиент концентрации в р-слое 10²⁴-10²⁶ см^-4.

Карбидокремниевый светодиод имеет следующую конструкцию р-n структуры: базовый слой карбида кремния n-типа проводимости, с любой концентрацией нескомпенсированных доноров (но не менее 10¹⁶ см^-3), слой р-типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси, соизмеримой с концентрацией нескомпенсированных доноров в базовой области, приповерхностный слой, обогащенный углеродом, с плавным изменением содержания кремния от нулевой концентрации до концентрации, соответствующей стехиометрическому составу карбида кремния. Слой р-типа ответственен за излучательную рекомбинацию, на границе р- и n-типа слоев градиент концентрации легирующей примеси составляет 10²⁴-10²⁶ см^-4. Создание большого градиента концентрации акцепторной примеси обеспечивает малые падения напряжения на р-n переходе, а также инжекцию неосновных носителей - электронов излучающую р-область без существенных потерь на безызлучательную рекомбинацию. Высокий уровень легирования р-слоя позволяет получить эффективную электролюминесценцию, не вводя дополнительно активаторов люминесценции; слабую зависимость интенсивности излучения от температуры, а также малое время высвечивания, чему способствует и малая толщина легированного слоя. Приповерхностный слой, обогащенный углеродом, создает энергетический барьер для рекомбинации неравновесных носителей на поверхности, при этом повышается эффективное время жизни неосновных носителей, а следовательно, растет яркость свечения, одновременно создается качественный омический контакт.

Концентрацию доноров менее 10^-16 см^-3 трудно получить в карбиде кремния. Градиент концентрации в р-слое 10²⁴-10²⁵ см^-4 необходим для создания редкого р-n перехода.

На фиг. 1 представлена трехслойная структура светодиода; на фиг.2 - распределение в слоях.

Базовый слой 1 карбида кремния n-типа проводимости, являющийся эмиттером неосновных носителей - электронов в р-область, слой 2 р-типа проводимости, полученный легированием, ответственный за электролюминесцентные свойства, толщиной 0,1-1,0; приповерхностный слой 3, обогащенный углеродом, с плавным увеличением содержания углерода от стехиометрического состава до 100% и уменьшением содержания кремния от стехиометрического состава до нулевой концентрации на поверхности, толщина этого слоя не более 1,0 μ, металлические контакты 4. Распределение в слоях: углерода - кривая 5, кремния - кривая 6 и легирующего элемента - кривая 7.

Карбидокремниевый светодиод, созданный ионной имплантацией, содержит базовый слой карбида кремния n-типа проводимости с концентрацией нескомпенсированных доноров 10¹⁶-10²⁰ см^-3, слой р-типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси 10¹⁶-10²⁰ см^-3 и граничащий с ним приповерхностный слой. Омические контакты были созданы стандартным методом напыления в вакууме.

При подаче прямого смещения неосновные носители из слоя 1 инжектируются в слой 2, где происходит излучательная рекомбинация, слой 3 является барьером (отражателем) неосновных носителей, увеличивая эффективность электролюминесценции.

В таблице приведены характеристики электролюминесценции данного карбидокремниевого светодиода и светодиодов, созданных на диффузионных р-n переходах. Из таблицы следует, что данное устройство позволяет получить высокие яркости свечения (до 10⁴ кд/м² при j=150 А/см³), время высвечивания меньше, чем у диффузионных светодиодов, на 3 порядка уменьшить падение напряжения.

СВЕТОДИОД НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ, представляющий собой трехслойную структуру, содержащую n- и p-слои, отличающийся тем, что, с целью повышения яркости свечения, уменьшения падения напряжения и времени высвечивания, он содержит приповерхностный слой, обогащенный углеродом, с градиентом не менее 10²⁴ см^-4, при этом концентрация примеси в n-слое не менее 10¹⁶ см^-3, а градиент концентрации в p-слое 10²⁴ - 10²⁶ см^-4.