ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА
SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING HETEROSTRUCTURE

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, в частности к светодиодам на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы.
Известны светоизлучающие гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN с р-n-переходом, содержащие последовательность эпитаксиальных слоев, которые образуют область n-типа проводимости и область р-типа проводимости. Традиционно в указанных гетероструктурах активная область, имеющая одну или несколько квантовых ям, сформирована в области n-типа проводимости, а в области р-типа проводимости расположен широкозонный токоограничивающий слой, выполненный из нитридного материала, имеющего р-тип легирования (см., например, US 6515313, RU 2262155, RU 2277736).
В традиционной полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуре при пропускании тока в прямом направлении дырки из р-эмиттера инжектируются в активную область, где происходит их излучательная рекомбинация с электронами. Обратный процесс инжекции электронов в р-область является паразитным, так как рекомбинация в этой области происходит безызлучательно. Для предотвращения проникновения электронов в р-область служит размещенный в указанной области токоограничивающий (барьерный, эмиттерный) слой, выполненный из нитридного материала р-типа проводимости с большой шириной запрещенной зоны.
Однако в рассматриваемых традиционных светоизлучающих гетероструктурах на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN наблюдается возникновение встроенных электрических полей сложной конфигурации на границе GaN/AlGaN, образующихся из-за пьезоэффекта и спонтанной поляризации, что приводит к снижению способности токоограничивающего слоя препятствовать проникновению электронов в р-область и, как следствие, к уменьшению квантовой эффективности рассматриваемых структур.
x
y
1-(x+у)
Известна инверсная полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN (0≤х≤1, 0≤у≤1) с р-n-переходом, описанная в RU 2306634 и выбранная авторами в качестве ближайшего аналога.
Указанная инверсная гетероструктура содержит последовательность эпитаксиальных слоев, образующих области, имеющие n- и р-типы проводимости, при этом активная область с несколькими квантовыми ямами размещена в области р-типа проводимости, а токоограничивающий слой размещен в области n-типа проводимости.
Принципиальной особенностью рассматриваемой инверсной полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры является то, что активная область в ней смещена в область р-типа проводимости. В такой гетероструктуре интенсивность рекомбинации носителей в активной области определяется не инжекцией дырок, а инжекцией электронов. При этом в такой инверсной гетероструктуре высота потенциального барьера для дырок, создаваемого токоограничивающим слоем, оказывается достаточно большой даже с учетом встроенных электрических полей, и доля дырок, проникающих в n-область и, тем самым, снижающих эффективность инжекции электронов, является незначительной. Указанные факторы способствуют улучшению инжекционной эффективности рассматриваемой инверсной гетероструктуры при высоких уровнях накачки.
Однако в рассматриваемой инверсной гетероструктуре, активная область которой включает несколько квантовых ям, инжектируемые в активную область электроны распределяются не по всей ее толщине, а преимущественно скапливаются в нижней в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры квантовой яме. При большой плотности тока накачки (большой скорости поступления носителей в активную область) возрастает концентрация носителей в квантовой яме, увеличение которой приводит к возрастанию вероятности их безизлучательной рекомбинации (Оже-рекомбинации), что негативно сказывается на величине внешней квантовой эффективности рассматриваемой гетероструктуры.
Задачей заявляемого изобретения является повышение внешней квантовой эффективности за счет снижения вероятности безизлучательной Оже-рекомбинации.
x
y
1-(x+у)
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуре на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN (0≤х≤1, 0≤у≤1) с р-n-переходом, содержащей последовательность эпитаксиальных слоев, образующих область, имеющую р-тип проводимости, в которой сформирована активная область, имеющая ряд квантовых ям, и область, имеющую n-тип проводимости, в которой размещен токоограничивающий слой, согласно изобретению толщины разделяющих квантовые ямы барьеров составляют величину порядка нескольких нанометров.
Принципиальным отличием заявляемого изобретения является утоньшение барьеров между квантовыми ямами активной области в инверсной полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуре до величины нескольких нанометров, которая соответствует толщине формируемых в нитридных гетероструктурах квантовых ям.
При большой плотности тока накачки происходит увеличение концентрации носителей в активной области, при этом с возрастанием концентрации быстро растет вероятность безизлучательной Оже-рекомбинации. Для минимизации безизлучательной Оже-рекомбинации требуется, чтобы концентрация носителей в активной области при значительной плотности тока была как можно меньше.
Теоретически это можно обеспечить путем использования в качестве активной области слоя толстого InGaN (порядка десятков нанометров и более). Однако в нитридных гетероструктурах не удается сформировать слои InGaN такой толщины, обладающие приемлимым уровнем кристаллического совершенства.
Использование в традиционной и инверсной полупроводниковых нитридных светоизлучающих гетероструктурах активных областей с несколькими квантовыми ямами не приводит к заметному снижению вероятности Оже-рекомбинации, так как реально в процессе генерации излучения участвует только ближайшая к р-n переходу квантовая яма, в которой накапливается основная доля носителей.
Как показали исследования авторов, для инверсной нитридной светоизлучающей гетероструктуры, в которой носителями являются не дырки, а электроны, имеющие подвижность в десять и более раз выше, чем у дырок, весьма перспективным с точки зрения снижения вероятности Оже-рекомбинации оказалось использование такой активной области с несколькими квантовыми ямами, которая представляет собой совокупность близкорасположенных квантовых ям с толщинами квантовых ям и разделяющих их барьеров порядка единиц нанометров.
В такой активной области отдельные квантовые ямы сдвинуты настолько близко, что они становятся туннельно связанными и функционируют как единая сверхрешетка с относительно большой толщиной. Обладающие большой подвижностью электроны свободно "растекаются" по всем квантовым ямам, что позволяет при больших токах накачки снизить концентрацию носителей в активной области и, за счет этого, уменьшить вероятность безизлучательной Оже-рекомбинации.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является значительное снижение вероятности безизлучательной Оже-рекомбинации, что приводит к повышению внешней квантовой эффективности заявляемой гетероструктуры при высоких плотностях тока накачки.
Кроме того, снижение концентрации носителей заряда в активной области приводит к уменьшению коротковолнового сдвига спектра излучения заявляемой гетероструктуры с увеличением тока накачки.
На чертеже представлена схема заявляемой гетероструктуры с р-n переходом.
Полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура последовательно в направлении ее эпитаксиального роста включает:
толстый (3-4 мкм) слой 1, выполненный из нитридного материала (GaN) n-типа проводимости, служащий для растекания тока;
x
1-x
широкозонный токоограничивающий слой 2, выполненный из нитридного материала (AlGaN) n-типа проводимости;
тонкий (0,01-0,03 мкм) слой 3, выполненный из нитридного материала (GaN) р-типа проводимости;
y
1-y
активную область с пятью квантовыми ямами 4, образованными слоями, выполненными из нитридного нелегированного материала (InGaN), разделенными барьерами 5, выполненными из нитридного материала (GaN). Толщины квантовых ям 4 и барьеров 5 составляют величину порядка нескольких нанометров;
слой 6 (толщиной 0,1-0,3 мкм), выполненный из нитридного материала (GaN) р-типа проводимости (контактный).
Верхние стрелки на чертеже обозначают инжекцию электронов в активную область, нижняя стрелка обозначает инжекцию дырок в активную область. Стрелка, расположенная под чертежом, обозначает направление эпитаксиального роста гетероструктуры.
В данной гетероструктуре слои 1 и 2 образуют область n-типа проводимости, слой 3, активная область с квантовыми ямами 4 и барьерами 5 и слой 6 образуют область р-типа проводимости.
Заявляемая гетероструктура может быть получена методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке, в частности, выполненной из сапфира.
Полупроводниковая светоизлучающая структура работает следующим образом.
При пропускании тока в прямом направлении электроны из области n-типа проводимости инжектируются в активную область, расположенную внутри области р-типа проводимости. Электроны в силу своей высокой подвижности проникают через барьеры 5 и равномерно распределяются по квантовым ямам 4.
В активную область также поступают дырки из области р-типа проводимости. При этом токоограничивающий слой 2, расположенный в области n-типа проводимости, препятствует проникновению дырок из р-области в n-область проводимости.
Движущиеся навстречу друг другу электронно-дырочные носители рекомбинируют, передавая свою энергию квантам света. Рекомбинация носителей происходит в квантовых ямах 4 активной области, материал которых имеет ширину запрещенной зоны, меньшую, чем остальной материал активной области.
При высоких уровнях накачки пропорционально количеству квантовых ям 4 активной области снижается концентрация электронов в них, что ведет к снижению вероятности безизлучательной Оже-рекомбинации.