Светодиодная гетероструктура с множественными ingan/gan квантовыми ямами

Полезной моделью является светодиодная гетероструктура с множественными InGaN/GaN квантовыми ямами. Данная структура используется при создании светоизлучающих диодов. В настоящее время светоизлучающие диоды, приходят на смену морально устаревшим лампам накаливания и люминесцентным лампам вследствие своей способности более прямого преобразования электрической энергии в свет и как следствие более высокого КПД. Наиболее перспективным материалом в деле создания полупроводниковых источников излучения признаются нитридные соединения. Мировой опыт показывает, что для выращивания нитридных гетероструктур на сапфировой подложке предпочтительным является метод MOCVD по сравнению с другими ростовыми технологиями (молекулярно-пучковая эпитаксия, хлор-гидридная эпитаксия и т.д.), как с точки зрения производительности, так и качества получаемой структуры. Патентуемая светодиодная гетероструктура с множественными InGaN/GaN квантовыми ямами, заявляемой полезной модели, состоит из элемента объемного сапфира с кристаллической ориентацией поверхности (1000), и выращенных на ней методом газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений последовательно слоев: буферный слой нитрида галлия, нелегированный слой нитрида галлия, слой нитрида галлия n-типа проводимости, легированного кремнием, множественных квантовых ям на основе твердого раствора In_xGa _1-xN в GaN с переменной концентрацией легирующей примеси в барьерах, слоя твердого раствора AlGaN p-типа проводимости и слоя нитрида галлия p-типа проводимости, легированного магнием. Величина параметра «x» определяет соотношение индия и галлия и варьируется для получения требуемой длины волны в заданном диапазоне 450-480 нм.

Полезная модель относится к светодиодным гетероструктурам с квантовыми ямами.

В настоящее время светоизлучающие диоды, все чаще применяются в светотехнике. Они приходят на смену морально устаревшим лампам накаливания и люминесцентным лампам вследствие своей способности более прямого преобразования электрической энергии в свет и как следствие более высокого КПД. Для перекрытия всего спектра видимого электромагнитного излучения необходимо создание высокоэффективных светодиодов излучающих в коротковолновом диапазоне видимого спектра, т.е. на длине волн 420-480 нм. Наиболее перспективным материалом в деле создания коротковолновых источников излучения признаются нитридные соединения. Основной областью применения нитридных светодиодных гетероструктур (НСГ) в настоящее время являются сверхяркие светодиоды сине-зеленого и белого цвета свечения, используемые в наружной рекламе, декоративной и архитектурной подсветке, автомобильной промышленности и т.д. Перспективными применениями НСГ на подложках из монокристаллического сапфира являются синие лазеры для оптических накопителей информации и мощные СВЧ транзисторы для систем связи и радиолокации. Анализ мирового опыта показывает, что для выращивания НСГ на сапфировой подложке метод MOCVD является предпочтительным по сравнению с другими ростовыми технологиями (молекулярно-пучковая эпитаксия, хлор-гидридная эпитаксия и т.д.), как с точки зрения производительности, так и качества получаемой структуры.

В качестве аналогов объекта исследования выявлены следующие патенты РФ.

Патент 2006130967 "Полупроводниковая структура имеющая активные зоны" (Германия, заявитель - РВЕ Спэйс Солар Пауэр ГМБХ, подклассы H01L 33/00). Имеющая активные зоны полупроводниковая структура в виде многоволнового диода, излучающего или поглощающего определенное число длин световых волн, такого как светодиод или фотодиод, содержащая подложку с, по меньшей мере, двумя активными зонами, каждая из которых эмитирует или поглощает излучение разной длины волны, причем первая (нижняя) активная зона выращена на поверхности подложки, по меньшей мере, одна дополнительная (верхняя) активная зона выращена эпитаксиально, и при этом активные зоны последовательно соединены от нижней активной зоны до верхней активной зоны посредством, по меньшей мере, одного разделительного слоя, служащего в качестве низкоомного сопротивления, причем этот разделительный слой выполнен как обратнополяризованный nр- или рn-переход в виде разделительного диода или

туннельного диода, причем между нижней активной зоной и верхней активной зоной эпитаксиально выращены одна или более дополнительных активных зон, причем самая нижняя активная зона имеет узкую энергетическую запрещенную зону, а каждая из последующих активных зон имеет соответственно более широкую энергетическую запрещенную зону, чем предыдущая активная зона, и при этом использованные для выращивания или эпитаксии разделительных диодов или туннельных диодов полупроводниковые материалы имеют либо непрямой межзонный переход, либо энергетическую запрещенную зону, которая в каждом случае лежит немного выше, чем у использованных под ними полупроводниковых материалов, отличающаяся тем, что на активной зоне выращен поглощающий слой из такого же материала, что и рn-слой активной зоны.

Патент 2315135 "Метод выращивания неполярных эпитаксиальных гетероструктур на основе нитридов III группы" (Россия, патентообладатель - Абрамов Владимир Семенович, подклассы H01L 33/00). Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых материалов и приборов методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, а именно к изготовлению гетероструктур на основе элементов III группы и приборов на их основе, таких как белые светодиоды, лазеры и т.д. Метод выращивания неполярных эпитаксиальных гетероструктур для белых светоизлучающих диодов на основе соединений и твердых растворов нитридов элементов III группы включает газофазное осаждение одного или более слоев гетероструктур, представленных формулой AlXGal-XN, где 0<х1, на подложку, в качестве которой используют подложку а-лангасита, с рассогласованием с-параметров решетки «подложка - эпитаксиальный слой AlXGal-XN, не более чем в пределах от -2,3% при х=1 до +1,7% при х=0 и рассогласованием коэффициентов теплового расширения в направлении вдоль оси с не более чем в пределах от +49% при х=1 до -11% при х=0. Изобретение позволяет получать гетороструктуры с низкой плотностью дефектов и механических напряжений.

В качестве аналогов объекта исследования выявлены следующие патенты США.

Патент 7,332,366 "Светоизлучающее полупроводниковое устройство на основе III-нитридов "(Япония, патентообладатель - фирма Toyoda Gosei Co., Ltd, подклассы H01L 29/40). Светоизлучающее полупроводниковое устройство последовательно состоит из: сапфирой подложки, буферного слоя AlN, GaN слоя легированного кремнием, AlGaInN слоя легированного кремнием, AlGaInN слоя легированного кремнием и цинком, AlGaInN слоя легированного магнием. AlN слой имеет толщину 500 ангстрем. GaN слой имеет толщину около 2 микрон и концентрацию электронов около 2*10¹⁸ см^-3 . Следующие слои n-типа проводимости имеют соответственно толщину и концентрацию носителей 2

и 0.5 микрон, 2*10 ¹⁸ см^-3, р-слой имеет толщину 1 микрон и концентрацию дырок 2*10¹⁷ см^-3. Состав Al, Ga и In в каждом слое подбирается так чтобы минимизировать напряжения в n-AlGaInN слое. Светодиод имеет конструкцию позволяющую увеличить эффективность люминесценции и получить более чистый голубой цвет

Патент 7,339,195 "Полупроводниковый светоизлучающий прибор и метод его изготовления" (Япония, патентообладатель - фирма Sony Corporation., подклассы H01L 27/15). Полупроводниковый светоизлучающий прибор изготовлен из полупроводников типа А3В5, содержит активный слой состоящий из слоев содержащих InGaN; промежуточных слоев так же содержащих InGaN, но отличных по составу; прикрывающего слоя AlGaN p-типа проводимости, на который дальнейшем будет нанесен контакт.

В качестве аналогов объекта исследования выявлены следующие патенты европейского патентного агентства

Патент US2007290214 "Светоизлучающая диодная структура" (Тайвань, заявитель - фирма Epileds Tech Inc., подклассы H01L 33/00, H01L 27/15, H01L 29/26, H01L 31/12, H01L 29/02, H01L 31/12). Светодиодная структура состоящая из последовательности слоев: зародышевый слой осажденный на подложке; активный слой осажденный между верхним и нижним ограничивающими слоями, причем активный слой в основном состоит из полупроводников типа А3В5; контактный слой состоящий из последовательности слоев осажденных на верхнем ограничевающем слое; прозрачный электрод осажденный на контактном слое; и электрод контактирующий с проводящим буферным слоем.

Патент US2008035953 "Светоизлучающий диод на основе нитрида галлия и метод его изготовления" (Корея, заявитель - фирма Samsung Electro Mech., подклассы H01L 33/00, H01L 21/20). Вертикальная светодиодная структура на основе GaN содержит последовательно: n-электрод, n-GaN слой имеющий неоднородную поверхность с двумя типами неоднородности различного периода, причем неоднородности одного сорта содержатся внутри неоднородностей второго сорта; активный слой; p-GaN слой; р-электрод; поддерживающий слой образованный на р-электроде.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что на сапфировой подложке путем газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений выращивается низкотемпературный буферный слой нитрида галлия, с последующим выращиванием на нем слоя нелегированного нитрида галлия (концентрация носителей - 8*10¹⁰ см^-3). На последнем производится рост малодефектного слоя нитрида галлия легированного кремнием (концентрации носителей - 2-5*10¹⁸ см^-3 ), имеющего n-проводимость. Затем производится рост активной области светодиодной структуры,

представляющей собой 5 периодов квантовых ям, каждая период содержит n-легированный барьерный слой нитрида галлия, InGaN - квантовую яму с содержанием индия в диапазоне от 4 до 6% при этом концентация легирующей примеси в барьерах изменяется по линейному закону и нелегированную GaN - «прикрышку». Следующим выращивается слой нитрида галлия имеющий n-проводимость, легированный кремнием, являющийся финальным барьером к выращенной сверхрешетке (концентрация носителей - 10¹⁷ см^-3). Формирование гетероструктуры оканчивается выращиванием слоя AlGaN имеющего р-проводимость (процентное содержание Аl=20%) и финального слоя нитрида галлия легированного магнием (концентрация носителей - 2*10¹⁷ см^-3) обладающего р-проводимостью.

С целью уменьшения плотности дислокаций предлагается выращивание дополнительной сверхрешетки перед выращиванием основной сверхрешетки. Дополнительная сверхрешетка состоит из пяти периодов чередующихся слоев InGaN, GaN. Концентрация индия в процессе роста увеличивается от 1 до 5%.

Полезная модель отличается от аналогов повышенной эффективностью достигаемой за счет одновременного использования в конструкции светодиодной структуры следующих особенностей. Большая эффективность достигается за счет использования низкотемпературного GaN буферного слоя, компенсирующего рассогласование решеток сапфира и слоя n - GaN. Рост буферного слоя производится при температуре до 600°С. Вариант в исполнении конструкции патентуемой светодиодной структуры с использованием дополнительной сверхрешетки, с изменяемым составом по индию, приводит к уменьшению внутренних напряжений в структуре и снижению плотности дислокации до 10' см^-2 и получению совершенной кристаллической структуры. Наряду с этим в конструкции создаются пять периодов квантовых ям с переменным составом легирующей примеси, образующих сверхрешетку, способствующую увеличению внешней квантовой эффективности прибора.

Патентуемая светодиодная гетероструктура на подложке из монокристаллического сапфира, заявляемой полезной модели, представлена на Фиг.1. Структура состоит из элемента объемного сапфира с кристаллической ориентацией поверхности (1000), и выращенных на ней методом газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений последовательно слоев: буферный слой нитрида галлия, нелегированный слой нитрида галлия, слой нитрида галлия n-типа проводимости, легированного кремнием, множественных квантовых ям на основе твердого раствора In_xGa _1-xN в GaN с переменным составом легирующей примеси в барьерах, слоя твердого раствора AlGaN р-типа проводимости и слоя нитрида галлия р-

типа проводимости, легированного магнием. Величина параметра «х» определяет соотношение индия и галлия и варьируется для получения требуемой длины волны в заданном диапазоне 450-480 нм.

1. Светодиодная гетероструктура с множественными InGaN/GaN квантовыми ямами, включающая расположенную на сапфировой подложке гетероструктуру, состоящую из низкотемпературного буферного слоя нитрида галлия, слоя нелегированного нитрида галлия (концентрация носителей - 8·10¹⁶ см^-3), n-GaN слоя (легированного кремнием концентоации носителей - 2-5·10 ¹⁸ см^-3), 5 периодов квантовых ям (n-GaN слой, InGaN - квантовая яма с содержанием индия в диапазоне от 4 до 6% и переменным составом легирующей примеси в барьерах, изменяемой по линейному закону, нелегированная GaN - «прикрышка»), n-GaN слоя (легированный кремнием, концентрация носителей - 10 ¹⁷ см^-3) являющегося финальным барьером к выращенной сверхрешетке, слоя AlGaN имеющего р-проводимость (процентное содержание Al - 20%) и финального слоя p-GaN (легированного магнием, концентрация носителей - 2·10¹⁷ см^-3 ).

2. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что рабочая поверхность сапфировой подложки имеет ориентацию (0001) и разориентацию 0,3° по направлению к оси М.

3. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что содержит низкотемпературный буферный слой нитрида галлия для снятия внутренних напряжений.

4. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительную сверхрешетку с изменяемым составом по индию в пределах от 1 до 5% для снятия внутренних напряжений.

5. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что активная зона выполнена в виде сверхрешетки, состоящей из 5 квантовых ям, каждая из которых сформирована 3 слоями - n-GaN слоя, InGaN - квантовой ямы, нелегированной GaN - «прикрышки».

6. Светодиодная гетероструктура по п.5, отличающаяся тем, что концентрация индия изменяется в пределах от 4 до 6%.

7. Светодиодная гетероструктура по п.5, отличающаяся тем, что концентрация легирующей примеси в барьерах изменяется по линейному закону.