Полупроводниковый источник света Советский патент 1992 года по МПК H01L33/00 H01L21/363 

Изобретение относится к оптоэлектро- нике, а именно к устройствам для генерации света в фиолетовой области спектра (Л«акс 440 нм). Светодиоды характеризуются высокой эффективностью и быстродействием, способны работать в широком диапазоне температур. Они могут быть использованы в оптоэлектронике в качестве одно- или многоэлементных индикаторов.

Известен источник света на базе SIC с излучением в фиолетовой области спектра, включающий подложку SiC политипа 6Н п- типа проводимости, легированного азотом, слой 6H-SIC n-типа проводимости, легированный азотом с концентрацией 1018 , слой SlC р-типа проводимости, легированный А, и омические контакты. Недостатком

этого прибора является низкая квантовая эффективность ( ). Другим недостатком этого прибора является невысокое быстродействие - время срабатывания не ниже 1 мкс.

Известен источник света, содержащий подложку из карбида кремния любого политипа, на которой расположены два слоя SIC политипа 4Н n-типа проводимости и слой р-типа проводимости политипа 4Н. Источник обладает высоким быстродействием, но не изучает в фиолетовой области спектра.

Цель изобретения - обеспечение возможности излучения в фиолетовой области спектра.

Поставленная цель достигается тем, что, согласно формуле изобретения, упомяо

нутый слой политипа 4Н содержит Ga в концентрации (3-6) 101S со степенью компенсации 0,5-0,8 и Sn в концентрации не ниже см , а слои р-типа проводимости политипа 4Н содержит Sn в концентрации не ниже 11016 .

Проведенный авторами теоретический анализ механизма излучательной рекомбинации, подтвержденный экспериментальными данными, показал, что центром, ответственным за эффективную электролюминесценцию (ЭЛ) в фиолетовой области спектра ( Ямакс 440 нм) является донорно- акцепторная пара Ga-N в политипе 4Н.

Выбор в качестве люминесцентно-ак- тивной примеси Ga обусловлен тем, что эта примесь является более эффективным активатором люминесценции в фиолетовой области, чем AI, особенно при температурах, близких к комнатной. Концентрация люми- несцентно-активной примеси Ga в п-слое должна быть в диапазоне (3-6) 1018 . При меньшей концентрации Ga эффективность снижается за счет уменьшения концентрации донорно-акцепторных пар Ga-N. При большей концентрации Ga уменьшается эффективность люминесценции в фиолетовой области и максимум излучения сдвигается в зелено-голубую область.

Степень компенсации в n-слое составляет К 0,5-0,8. При К 0,8 снижается эффективность в фиолетовой области вследствие повышения омического сопротивления, ведущего к разогреву светодиода. При этом резко снижается его быстродействие. При К 0,5 снижается эффективность фиолетовой люминесценции из-за уменьшения концентрации донорно-акцепториых пар.

Таким образе 1, для реализации высокой эффективности излучения и быстродействия необходим материал с высокой концентрацией донорно-акцепторных пар и низкой концентрацией глубоких центров (с энергией ионизации более 0,3 эВ), резко снижающих эффективность ЭЛ. Авторами установлено, что глубокие центры возникают в кристалле при наличии углеродных вакансий, которые ответственны в политипе 4Н за люминесценцию в голубой области спектра. Кроме того, такие глубокие центры ответственны за ухудшение быстродействия. Авторами экспериментально показано, что концентрацию подобных глубоких центров можно резко сократить введением изо- валентной примеси Sn. Эта примесь способствует подавлению не только дефектной ЭЛ, но и других, более низкоэнергетических, нежелательных примесных полос люминесценции (в частности - борной с

максимумом излучения в зеленой области спектра). Концентрация Sn должна быть не менее в материале как п-, так и р-типа. При меньшей концентрации Sn эффективность излучения резко снижается за счет наличия дефектных центров вблизи р - n-перехода типа Di с излучением в зелено- голубой области и ухудшается быстродействие. Верхний уровень легирования Sn

3 1016см 3определяется пределом его растворимости в SIC.

На чертеже приведена блок-схема устройства.

Устройство содержит подложку 1 любо5 го политипа n-типа проводимости, слой 2 n-типа проводимости политипа 4Н, слой 3 политипа 4Н n-типа проводимости, легированный Ga, N, Sn, слой 4 n-типа проводимости политипа 4Н, легированный A, Sn,

0 контакты 5 к слою р-типа проводимости, контакты 6 к слою n-типа проводимости.

Устройство работает следующим образом.

Комическим контактам прикладывается

5 рабочее напряжение 2J-2..9 В, причем к контактам, расположенным на подложке п- типа проводимости, подается отрицательный потенциал, а к контакту на слое р-типа проводимости, легированном AI. - положи0 тельный потенциал, Излучательная рекомбинация происходит в слое п-типа проводимости, легированном Ga, толщиной 0,1 мкм, примыкающем к р-слою, за счет инжекции дырок из слоя р-типз проводимо5 сти. Плотность тока 3-10 А/см2.

Примеры конкретного исполнения. П р и м е р 1. Устройство состоит из подложки SiC политипа 6Н n-типа проводи0 мости с концентрацией нескомпенсированных доноров (ND-NA) 21018 размером 0,5x0,5 мм2, дополнительного слоя SiC политипа 4Н n-типа проводимости толщиной 20 мкм с концентрацией (ND-NA) 81018

5 , слоя SIC n-типа проводимости политипа 4Н, концентрацией Ga 51018 , N - 8 1018см 3, Sn - ПО16 и степенью компенсации 0,6, толщиной 20 мкм и слоя политипа 4Н р-типа проводимости, легированного

0 Ale концентрацией 5 1020см 3и Sn с концентрацией 11016 , толщиной 2 мкм и контактов, в виде металлического AI, нанесенного на слой р-типа проводимости и сплава NI+W, нанесенного на подложку п5 типа проводимости. При приложении прямого смещения Unp 2,8 В и плотности тока j 5 А/см2 наблюдается излучение с максимумом в фиолетовой области ( 440 нм), квантовая эффективность излучения светодиода в фиолетовой области составляет 6 10-5, быстродействие 50 не.

П р и м е р 2. Политип подложки 15R-SIC, его размеры, концентрация в нем нескомпенсированных доноров, толщины слоев п и р-типов проводимости, концентрация ND-NA- Sn в слое n-типа проводимости, концентрация AI и Sn в слое р-типа проводимости и контакты аналогичны тем, что в примере 1. Дополнительный слой политипа 4Н п-типа проводимости имеет толщину 10 мкм с концентрацией несхомпенсированных доноров (ND-NA) - МО см 3, слой политипа 4Н n-типа ПРОВОДИМОСТИ имеет концентрацию Ga 610 см и степень компенсации 0,5.

При приложении прямого смещения при напряжении Unp 2,8 В и токе j 5 А/см2 наблюдается электролюминесценция с максимумом излучения в фиолетовой области ( Амакс 440 нм), эффективность излучения , быстродействие 40 не.

ПримерЗ. Политип подложки21R-SIC, концентрация в ней доноров, толщина слоев п- и р-типов проводимости, концентрация азота в слое n-типа проводимости, концентрация AI и Sn в слое р-типа проводимости и контакты аналогичны тем, что в

примере 1.

Дополнительный слой SIC политипа 4Н n-типа проводимости имеет толщину 30 мкм с концентрацией нескомпенсированных до

см

норов 51018 , слой SIC политипэ 41 п- типа проводимости имеет концентрацию Ga 61018 и степень компенсации 0,8.

При приложении прямого смещения Unp 2,8 В и тока J 5 А/см2 наблюдается электролюминесценция с максимумом излучения в фиолетовой области ( Амакс 440 нм), эффективность излучения 810.

Описанное устройство имеет высокие быстродействие и квантовую эффективность излучения в фиолетовой области спектра ( Амакс 440 нм).

Формула изобретения

Полупроводниковый источник света, включающий подложку SIC, последовательно расположенные на ней слой SIC политипа 4Н n-типа проводимости с концентрацией азота 5 1018-1 10t9 , второй слой SIC, политипа 4Н n-типа проводимости, слой SIC р-типа проводимости политипа, 4Н, легированный AI, и контакты, отличающийся тем, что. с целью обеспечения возможности излучения в фиолетовой области спектра, второй слой SiC политипа 4Н n-типа проводимости содержит Ga в концентрации (3-6k хЮ18см 3, Sn в концентрации не ниже МО и имеет степень компенсации носителя заряда 0,5-0,8. а слой р-типа проводимости содержит Sn в концентрации не ниже МО 6

16

Использование: Полупроводниковая технология, оптоэлектроника. Сущность изобретения. Источник света содержит подложку из карбида кремния. На подложке последовательно расположены слой SIC политипа 4Н n-типа проводимости с концентрацией азота от 51018 до V1019 , второй слой SIC политипа 4Н n-типа проводимости и слой SIC р-типа проводимости политипа 4Н, легированный AI. Второй слой SIC содержит Ga в концентрации от 3 101а до 610 18 . Sn в концентрации не ниже 110 см и имеет степень компенсации носителей заряда от 0,5 до 0,8. Слой р-типа проводимости дополнительно содержит Sn в концентрации не ниже МО16 . На подложке и слое р-типа проводимости расположены контакты. 1 ил.