СВЕТОДИОДНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА НА ПОДЛОЖКЕ ИЗ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО САПФИРА

Полезная модель относится к светодиодным гетероструктурам на подложке из монокристаллического сапфира.
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.
x
y
z
1-x-y-z
z
1-z
y
1-y
Известно два документа среди патентных документов РФ относящихся к устройствам или способам получения нитридных кристаллических структур методом MOCVD. Патент РФ №2000104367 «Метод кристаллического роста эпитаксиальных гетероструктур на основе нитрида галлия». В формуле полезной модели присутствует формулировка «Метод роста эпитаксиальных структур для светоизлучающих приборов на основе сложных полупроводниковых соединений нитрида галлия, включающий газофазное химическое осаждение на подложку слоев гетероструктуры, представленных общей формулой BAlInGaN (0<x<0,2, 0<y<0/8, 0<z<1-x-y), включая структуру с узкозонными слоями InGaN (0<z<1), с обкладками из GaN или AlGaN (0<y<0.8) отличающийся тем, что при выращивании узкозонных слоев изменяют значение, по крайней мере, одного из параметров z=l, z=2 по толщине сверхрешетки, увеличивая значение параметра до экстремального у середины сверхрешетки, слои гетероструктуры выращивают без прерывания процесса роста», а в п.п. 4 расширения имеется
n
n
cr
1
e
e
2
1
e
cr
1
2
-2/3
формулировка «Метод роста эпитаксиальных структур по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала подложки используют сапфир или карбид кремния или нитрид алюминия». Патент РФ №2187172 «Способ получения эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке». В реферате заявлено: «Использование: при изготовлении полупроводниковых приборов, а именно в способах получения слоя полупроводника III-нитрида (GaN, A1N, InN) на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (МОС). Применение: при создании полупроводниковых лазеров, светодиодов, ультрафиолетовых фотоприемников, высокотемпературных диодов, транзисторов. Сущность полезной модели: при получении эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, состоящей из стадии образования буферного слоя и стадии эпитаксиального роста, с использованием потоков МОС и аммиака, осуществляют импульсный режим по потоку МОС на обеих стадиях, причем длительность импульса t(c) на стадии образования буферного слоя определяется из соотношения t=rn/v, на стадии эпитаксиального роста t(c) из соотношения t=h/V, а длительность t(c) интервалов между импульсами удовлетворяет соотношениям t>t, t>t, где n - порядковый номер импульса (1,2,...); r - критический радиус зародыша на чужеродной подложке, V - скорость образования слоя на стадии образования буферного слоя, h - начальная высота неоднородности рельефа поверхности эпитаксиального слоя, v - скорость роста слоя на стадии эпитаксиального роста. Технический результат изобретения заключается в улучшении качества эпитаксиального слоя за счет снижения плотности дефектов и дислокации».
Кроме того, имеются следующие патенты РФ, относящиеся к рассматриваемой тематике. Патент РФ №2002105900 «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света и способ его изготовления». В реферате патента присутствует «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света, включающий в себя полупроводниковый кристалл со сформированным в нем p-n переходом, генерирующий световой поток при приложении прямого смещения, а также органическую люминесцентную область, частично поглощающую излучение кристалла и преобразующую его в излучение с большей доминирующей длиной волны, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл содержит объемные или квантово-размерные гетероструктуры с активной областью, заключенной между широкозонными эмиттерами, и/или гетероструктуры с квантовыми ямами, квантовыми нитями, квантовыми точками и обеспечивает излучение в сине-фиолетовой области спектра при повышенной светоотдаче, а органическая люминесцентная область представляет собой твердый
x
y
1-(x+y)
раствор одного или более органических люминесцентных веществ в прозрачной полимерной матрице», а в п.п. 5 и 6 реферата имеются расширения «5. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл содержит гетероструктуры InGaN/AlGaN. 6. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл получают методом газофазного химического осаждения из металлоорганических соединений (MOCVD) на подложках сапфира [0001]». Патент РФ №2001111417 «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света с перестраиваемым цветом свечения». В реферате патента присутствует «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света, включающий полупроводниковый кристалл со сформированным в нем p-n переходом, генерирующий световой поток при приложении прямого смещения, а также, по меньшей мере, один слой органического люминесцентного материала, частично поглощающего излучение кристалла и преобразующего его в излучение с большей длиной волны, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового кристалла он содержит кристалл с многополосным спектром электролюминесценции, включающий, по меньшей мере, две полосы с регулируемым путем изменения параметров питающего напряжения соотношением интенсивностей этих полос, причем одна из полос лежит в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, а другие в видимой области, а слой органического люминесцентного материала содержит одно или более органических люминесцентных веществ, причем спектральная полоса поглощения, по меньшей мере, одного из органических люминесцентных веществ лежит в области УФ полосы излучения полупроводникового кристалла», а п.3 упоминает «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового электролюминесцентного кристалла содержит материал на основе нитрида галлия, представляющий собой многослойную эпитаксиальную структуру, сформированную на подложке из карбида кремния или сапфира и содержащую последовательно: слой n-типа проводимости из нитрида галлия, легированного кремнием, компенсированный слой из нитрида галлия, легированного цинком, и слой p-типа проводимости из нитрида галлия, легированного магнием». Патент РФ №2231171 «Светоизлучающий диод», «Техническим результатом изобретения является повышение квантовой эффективности AlGaInN-светодиода и упрощение его монтажа на коммутационную плату. Светоизлучающий диод включает подложку, эпитаксиальную гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, (0<x<1, 0<y<1) с p-n-переходом, образованную последовательностью
x
y
1-(x+y)
1-x
x
1-x
x
III
эпитаксиальных слоев n- и p-типа проводимости, а также металлические контакты, расположенные со стороны эпитаксиальных слоев»). Патент РФ №2003113362 «Светоизлучающий диод» («Светоизлучающий диод, включающий подложку, эпитаксиальную гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, (0<x<1, 0<y<1) с p-n-переходом, образованную последовательностью эпитаксиальных слоев n- и p-типа проводимости, а также металлические контакты, расположенные со стороны эпитаксиальных слоев, при этом, по меньшей мере, один из металлических контактов расположен на наружной поверхности эпитаксиальных слоев, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла нитрида металла третьей группы АN, в эпитаксиальных слоях со стороны наружной поверхности сформирована мегаструктура, в которой вытравлена канавка на глубину, большую глубины залегания p-n-перехода, разделяющая мезаструктуру на две области, один из металлических контактов расположен на наружной поверхности одной области мезаструктуры, а другой металлический контакт расположен на наружной поверхности другой области мезаструктуры и при этом спущен по боковой стенке канавки на ее дно»). Патент РФ №2186447 «Полупроводниковый прибор», («Сущность изобретения: полупроводниковый прибор включает монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения GaAlN, где 0<x<1, и электроды, буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия 1.05<а<1.20 где n - числа 3, 4, 6, 8 10, при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению поверхности подложки», действие патента на данный момент приостановлено). Патент РФ №97119755 «Полупроводниковый прибор» («Полупроводниковый прибор, включающий монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, из одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения GaAlN, где (0<x<1), и электроды, отличающийся тем, что буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия: где n - числа 3, 4, 6, 8, 10, при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению поверхности подложки»). Патент РФ №97113504
«Полупроводниковый источник излучения» («Полупроводниковый источник излучения, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку, на рабочей поверхности которой последовательно выращены: гетероэпитаксиальный буферный слой, гетероэпитаксиальные полупроводниковые пленки, различающиеся типом проводимости, ориентации (0001) из нитрида металла III группы периодической системы и/или твердого раствора нитридов металлов III группы и электроды, отличающийся тем, что буферный слой изготовлен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии и имеет параметр элементарной кубической ячейки "а", выбранный из условия 2.10 нА<а<2.40 нА»). Патент РФ №97106211 «Полупроводниковый источник излучения» («Полупроводниковый источник излучения, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку, осажденные на ее рабочую поверхность гетероэпитаксиальные слои ориентации (0001) из нитрида металла III группы Периодической системы и/или твердого раствора нитридов металлов III группы, и электроды, отличающийся тем, что рабочая поверхность сапфировой подложки имеет ориентацию плоскости, которая пересекается с плоскостью (0001) по одному из направлений <1010> и образует с ней угол, не равный 90°»). Патент РФ №97101705 «Полупроводниковый источник излучения» (Полупроводниковый источник излучения, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку, осажденные на ее рабочую поверхность гетероэпитаксиальные слои ориентации (0001) из нитрида металла III группы Периодической системы и/или твердого раствора нитридов металлов III группы, и электроды, отличающийся тем, что рабочая поверхность сапфировой подложки имеет ориентацию (1120).
В числе патентов США, имеющих непосредственное отношение к решению, предлагаемому в настоящем проекте, можно выделить следующие. Патент 5,993,542 «Метод выращивания слоев полупроводниковых соединений нитридов III-V и метод изготовления подложки на основе нитридов III-V» В патенте заявлен метод изготовления полупроводниковых слоев подложки, например нитрид галлия, включающий стадии роста слоев AlGaInN на впоследствии удаляемой сапфировой подложке методом MOCVD при скорости роста не более 4 микрометров в час, а затем последующее выращивание слоев AlGaInN методом газофазной эпитаксии (VPE) при скорости роста более 4 микрометров в час, но не более 200 микрометров в час, с последующим удалением подложки. Патент 6,232,623 «Полупроводниковый прибор на сапфировой подложке». В патенте заявлен способ улучшения кристаллографических свойств слоя полупроводниковых соединений нитридов III-V, выращиваемых на подложке сапфира. Для этого на ростовой поверхности подложки делается множество углублений, и далее происходит рост эпитаксиального
слоя. По крайней мере, часть внутренней поверхности каждого углубления имеет угол не менее 10 градусов по отношению к основной поверхности подложки, и эти углубления заращиваются кристаллом полупроводникового соединения нитридов III-V с более высоким содержанием алюминия чем полупроводниковый слой нитрида III-V, такого, как AlGaN, содержание алюминия в котором составляет 0.2 или больше. Глубина каждого углубления составляет не менее 25 нм, но не более 30 нм. Сами углубления делаются на поверхности сапфировой подложки или травлением, или иным другим способом. Патент 6,233,265 «Светодиодные и лазерные структуры AlGaInN для зеленого и синего излучения». В реферате патента отмечается, что нитридные полупроводники используются для изготовления излучателей света, и в нитридных лазерах и светодиодах в активной области используется сплав InGaN, что обусловлено возможностью изменять величину ширины запрещенной зоны этого соединения путем изменения состава сплава, и, таким образом, изготавливать излучатели для всех областей спектра. Однако слои InGaN с высоким содержанием индия, требуемым для работы прибора в зеленой или синей области спектра, трудно выращивать из-за плохого соответствия параметров решетки GaN и InGaN, приводящего к сегрегации сплава во время роста. В такой ситуации негомогенный состав сплава приводит к эмиссии в нежелательных областях спектра, а для лазеров - в потерях оптического усиления. Чтобы подавить сегрегацию, слой InGaN с высоким содержанием индия можно наращивать на толстом слое InGaN, состав которого, в свою очередь, выбирать таким образом, чтобы осуществить «плавный переход» по параметру решетки от нитрида галлия к нитриду галлия-индия с высоким содержанием индия. Подобная «толстая» структура на основе нитрида галлия позволяет выращивать активные области светоизлучающих приборов с высоким содержанием индия, обладающие улучшенными структурными и оптоэлектронными свойствами, что позволяет изготавливать светодиоды со спектром излучения, строго ограниченным требуемой областью, а также лазерные диоды с низкой пороговой плотностью тока. Патент 6,252,255 «Способ выращивания нитридного полупроводника, светоизлучающий нитридный прибор и способ его изготовления». В реферате патента предлагается способ выращивания кристаллической структуры на основе нитридного полупроводника на сапфировой подложке в газовой фазе, включающий стадии выбора подложки сапфира с кристаллографической ориентацией поверхности с отклонение от 0.05 до 0.2 градусов от ориентации <0001>, и выращивание нитридного полупроводника на такой сапфировой подложке. При изготовлении светодиодной структуры рассматривается вариант, когда такая структура состоит из нескольких квантовых ям. Патент 6,345,063 «Светодиод и лазерная структура на AlGaInN, выращенные методом ELOG для излучения в синей или
x
1-x
зеленой областях спектра». Решение, предлагаемое в этом патенте, также использует выращивание толстой структуры на основе InGaN для преодоления проблемы рассогласования параметров активной области полупроводникового излучателя и подложки. Патент 6,791,103 «Светоизлучающий полупроводниковый прибор на основе соединений нитрида галлия». Запатентован полупроводниковый прибор на основе соединений нитрида галлия на двойной гетероструктуре. Двойная гетероструктура включает светоизлучающий слой, сформированный из полупроводникового соединения InGaN с низким удельным сопротивлением, легированным для достижения электронного или дырочного типа проводимости. Первый внешний слой примыкает к поверхности светоизлучающего слоя и сформирован из соединения на основе GaN электронного типа проводимости с содержанием индия, отличающимся от состава активной области. Второй внешний слой примыкает к другой поверхности светоизлучающего слоя и изготавливается из слоя нитрида галлия дырочного типа проводимости с низким удельным сопротивлением. Содержание индия в этом внешнем слое также отличается от содержания индия в активной области. Патент является результатом разделения исходной заявки на несколько заявок, одна из которых была запатентована как патент 6,469,323 с таким же названием, где запатентован светоизлучающий прибор на основе полупроводниковых соединений нитрида галлия на двойной гетероструктуре. Двойная гетероструктура здесь содержит светоизлучающий слой на основе полупроводникового соединения InGaN (0<x<1) с низким удельным сопротивлением p- или n-типа проводимости. Первый внешний слой присоединен к одной из поверхностей светоизлучающей структуры и выполнен на основе полупроводникового соединения нитрида галлия электронного типа проводимости и с химическим составом, отличающимся от состава светоизлучающего слоя. Второй внешний слой присоединен к другой поверхности светоизлучающего слоя и, в свою очередь, представляет собой полупроводниковое соединение нитрида галлия дырочного типа проводимости с химическим составом, отличающимся от состава светоизлучающего слоя. Патент 6,833,564 «Светоизлучающие приборы на основе нитрида галлия-индия на гетероструктурах с раздельным ограничением». Запатентован светоизлучающий прибор на основе III-нитридов, включающий подложку, первый проводящий слой на подложке, слой-спэйсер на первом проводящем слое, активная область на слое-спэйсере, верхний слой на активной области, второй проводящий слой (другого типа проводимости, нежели первый) на верхнем слое. Активная область включает в себя слой с квантовой ямой и барьерный слой, содержащий индий. Барьерный слой может быть легирован примесью, дающей первый определенный тип проводимости и иметь содержание индия от 1 до 15%.
В определенных конфигурациях светоизлучающий прибор включает слой с ограничением носителей на основе InGaN, сформированный между слоем с первым типом проводимости и активной областью. В других конфигурациях светоизлучающий прибор содержит верхний слой ограничения на основе InGaN, сформированный между слоем со вторым типом проводимости и активной областью. В некоторых конфигурациях светоизлучающий прибор содержит верхний слой на основе InGaN, заключенный между верхним слоем с ограничением и активной областью. Патент 6,838,606 «Светоизлучающий прибор на основе полупроводникового соединения нитридов III группы, и излучающий свет в диапазоне длин волн от 360 до 550 нм». Запатентован светоизлучающий прибор на основе полупроводникового соединения нитридов III группы, включающий в себя элемент, в котором слой InGaN заключен между слоями AlGaN с каждой стороны. Усиление выхода излучения из светоизлучающего прибора в данном случае достигается за счет контроля толщины, скорости роста и температуры выращивания слоя InGaN (слоя с квантовой ямой) и толщины барьерного слоя AlGaN с целью их оптимизации. Патент 6,864,502 «Светоизлучающий элемент на основе полупроводникового соединения нитридов III группы». Запатентован светоизлучающий элемент на основе полупроводникового соединения нитридов III группы со структурой квантовых ям, включающий слой с ямой AlGaInN и барьерный слой AlGaInN, причем содержание алюминия в соединении, из которого изготовлен барьерный слой, равно или меньше содержания алюминия в соединении, из которого изготовлен слой с квантовыми ямами.
+
Среди известных аналогов, наиболее близким к патентуемой полезной модели заявляется объект защищенный патентом 6,861,663 патентной службы Соединенных Штатов Америки - «Полупроводниковый светоизлучающий прибор на основе соединений нитридов III группы». Запатентован светоизлучающий прибор на соединениях нитридов на основе квантовых ям и слоев нитридов, выращиваемых на сапфировых подложках. Вначале на сапфировой подложке выращивается буферный слой нитрида алюминия толщиной порядка 25 нанометров. На поверхности этого слоя выращивается верхний слой n-типа проводимости с высокой концентрацией носителей. Толщина этого слоя составляет порядка 4 мкм, и он изготавливается из нитрида галлия, легированного кремнием. Затем формируется промежуточный слой из нелегированного InGaN толщиной порядка 3000 ангстрем. Следующим формируется внешний слой GaN толщиной порядка 250 ангстрем, а затем - три слоя квантовых ям на основе InGaN толщиной около 30 ангстрем каждая и два барьерных слоя на основе GaN толщиной порядка 70 ангстрем. Чередование этих слое производится таким образом, чтобы обеспечить в конечном итоге
формирование светоизлучающего слоя на основе двух слоев со многими квантовыми ямами. Отличительными чертами патентуемой полезной модели от указанного прототипа является: отсутствие указания на разориентацию сапфировой подложки, величина которой составляет 0,3°, отсутствие дополнительной сверхрешетки с изменяемым составом по индию для снятия внутренних напряжений, число квантовых ям в активном слое отличное от заявленного в патентуемой полезной модели.
16
-3
18
-3
17
-3
17
-3
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*10 см). На последнем производится рост малодефектного слоя нитрида галлия легированного кремнием (концентрации носителей - 2-5*10 см), 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% и нелегированную GaN - «прикрышку». Следующим выращивается слой нитрида галлия имеющий n-проводимость, легированный кремнием, являющийся финальным барьером к выращенной сверхрешетке (концентрация носителей - 10 см). Формирование гетероструктуры оканчивается выращиванием слоя AlGaN имеющего p-проводимость (процентное содержание А1=20%) и финального слоя нитрида галлия легированного магнием (концентрация носителей - 2*10 см) обладающего p-проводимостью.
С целью уменьшения плотности дислокации 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%.
7
-2
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 и получению совершенной кристаллической структуры.
Наряду с этим в конструкции создаются пять периодов квантовых ям, образующих сверхрешетку, способствующую увеличению внешней квантовой эффективности прибора.
x
1-x
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 InGaN в GaN, 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.