ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ, ИЗЛУЧАЮЩИЙ СВЕТ В УЛЬТРАФИОЛЕТОВОМ ДИАПАЗОНЕ
SEMICONDUCTOR ELEMENT EMITTING LIGHT IN ULTRAVIOLET BAND

Предлагаемое техническое решение относится к полупроводниковым приборам или приборам на твердом теле или их компонентам. Предлагаемое техническое решение относится также к полупроводниковым приборам, предназначенным для светового излучения, а также к конструктивным элементам таких приборов.
Светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, используются в системах очистки воды и воздуха, приборах для люминесцентного анализа, в источниках белого света с люминофором, в устройствах полимеризации лакокрасочных и полимерных покрытий, устройствах распознавания фальшивых банкнот и ценных бумаг.
Преобразование электрической энергии в излучение основано на излучении фотона при рекомбинации электронов и дырок, инжектированных в активную зону прибора. Эффективность этого процесса определяется эффективностью инжекции носителей заряда в активную область прибора и созданием условий, обеспечивающих их удержание в пределах активной области в течение времени, необходимого для излучательной рекомбинации. Одной из основных причин наблюдаемого в светодиодах падения внутренней квантовой эффективности при больших значения плотности рабочего тока является, наряду с Оже-рекомбинацией, утечка носителей заряда, в первую очередь электронов, из активной области.
x
1-x
x
1-x
Известен светодиод на основе двойной гетероструктуры, в котором активная область, выполненная из нитрида галлия, размещена между слоями GaAlN (0<x<1) p - и n-типов, легированных акцептором II группы и донором IV группы, соответственно (US Patent №5739554 «Double heterojunction light emitting diode with gallium nitride active layer», published 1998.04.14). Известен также светодиод, в котором эмиттерный слой p-типа имеет переменный состав алюминия в твердом растворе GaAlN для увеличения инжекции дырок в активную область (US Patent №7537950 «Nitride-based light emitting heterostructure», published 2009.05.26).
Основным недостатком этих технических решений является значительная утечка электронов из активной области в p-область прибора при больших рабочих токах (и следовательно, высоких концентрациях носителей в активной области), что снижает внутреннюю квантовую эффективность преобразования электрической энергии в излучение и тем самым общую эффективность прибора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, содержащий многослойную структуру, выполненную из нитридов твердых растворов металлов третьей группы, включающую, по крайней мере, темплейт, на котором размещены последовательно n-контактный слой, легированный кремнием, активный слой, состоящий из двух областей различного типа проводимости и расположенный на активном слое p-контактный слой, легированный магнием (патент РФ №2262156 «Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне», опубл. 10.10.2005).
В известном полупроводниковом элементе для предотвращения проникновения электронов в p-контактный слой формируется скачок состава (и следовательно, ширины запрещенной зоны) на границе областей активного слоя с проводимостью - и p-типа (n- и p-областей). Чтобы потенциальный барьер для электронов, созданный этим скачком, был эффективен и при больших уровнях инжекции, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны в p-области активного слоя на ее границе с n-областью была на 0.1 эВ больше, чем максимальная ширина запрещенной зоны в n-области активного слоя.
Однако такое конструктивное решение, хотя и предотвращает частично проникновение электронов из активной области в p-контактный слой, при больших значениях токов, характерных для излучающих свет полупроводниковых элементов с повышенной интенсивностью излучения, не позволяет добиться значительного снижения утечки носителей заряда из активной области и тем самым падения КПД при больших плотностях тока.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в излучение путем снижения утечки носителей заряда из активной области.
Поставленная задача решается за счет того, что в полупроводниковом элементе, излучающем свет в ультрафиолетовом диапазоне, содержащем многослойную структуру, выполненную из нитридов твердых растворов металлов третьей группы, включающую темплейт, на котором размещены последовательно, по крайней мере, n-контактный слой, легированный кремнием, активный слой, состоящий из двух областей различного типа проводимости и расположенный на активном слое p-контактный слой, легированный магнием, отличающийся тем, что, по крайней мере, n-контактный слой и активный слой выполнены с одинаковой полярностью, а p-контактный слой выполнен с полярностью, противоположной полярности активного слоя, при этом металлическая полярность p-контактного слоя обращена в сторону активного слоя.
Темплейт может быть выполнен из нитрида алюминия, в частности из монокристалла нитрида алюминия.
В ряде случаев целесообразно применение темплейта, выполненного из сапфира или карбида кремния. В этом случае темплейт со стороны, обращенной к n-контактному слою, может быть снабжен буферным слоем из нитрида алюминия.
Активный слой может содержать, по крайней мере, одну квантовую яму.
Инверсия полярности означает изменение знака заряда на интерфейсе между слоями, вызванного спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией нитридного материала, что препятствует утечки электронов их активного слоя в p-область структуры. Таким образом, достигается важный новый результат - значительное увеличение внутренней квантовой эффективности и тем самым коэффициента полезного действия светодиода.
Наличие в активном слое, по крайней мере, одной квантовой ямы позволяет улучшить локализацию носителей заряда и тем самым повысить вероятность излучательной рекомбинации.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где изображен полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне.
Полупроводниковый элемент, выполненный в соответствии с предлагаемым техническим решением, содержит темплейт 1, n-контактный слой 2, активную область 3 и p-контактный слой 4.
В процессе работы прибора носители заряда из контактных слоев 2 и 4 инжектируются в активный слой 3, где происходит их рекомбинация, сопровождаемая излучением фотонов. При больших значениях плотностей токов имеет место утечка электронов из активной области в р-контактный слой до рекомбинации.
За счет того, что р-контактный слой выполнен с полярностью, противоположной полярности активного слоя, и металлической полярностью р-контактного слоя, обращенной в сторону активного слоя, на границе активного слоя и р-контактного слоя возникает потенциальный барьер, предотвращающий утечку электронов из активного слоя, что и обеспечивает повышение эффективности преобразования электрической энергии в излучение.
Была изготовлена партия полупроводниковый приборов, выполненных в соответствии с предлагаемым техническим решением. Темплейт был изготовлен из монокристалла нитрида алюминия. Возможно также использование темплейта, состоящего из подложки, например из сапфира или карбида кремния, на которой со стороны n-контактного слоя размещен буферный слой. Толщина n-контактного слоя составляла 200 нм, n-контактный слой был выполнен из твердого раствора нитридов Ga и Аl с содержанием соответственно 0,89Ga и 0,11Аl.
Активный слой был выполнен из GaN. Общая толщина активного слоя составляла 80 нм, при этом толщина n-области составляла 40 нм. Толщина р-области также составляла 40 нм.
Р-контатный слой был выполнен из GaN с полярностью, противоположной полярности активного слоя.
2
Были проведены тестовые испытания полупроводниковых элементов, излучающих свет в ультрафиолетовом диапазоне изготовленных в соответствии с известным техническим решением (патент РФ №2262156) и изготовленных в соответствии с предлагаемым техническим решением. При плотностях рабочего тока в диапазоне 10÷100 А/см КПД удалось повысить в 1,5÷2 раза.