СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ КРИСТАЛЛ

Полезная модель относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, в частности, к светоизлучающим кристаллам на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы, излучающим свет в зеленой области спектра.
В настоящее время активно разрабатываются конструкции светоизлучающих кристаллов на основе нитридов металлов третьей группы.
Так, известен светоизлучающий кристалл [US 2009179190], который содержит размещенную на сапфировой подложке светоизлучающую эпитаксиальную гетероструктуру на основе нитридов металлов третьей группы, включающую расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слои, образующие область n-типа проводимости, совокупность слоев, выполненных из материала InGaN / GaN, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку, слои активной области, слой, выполненный из материала GaN, не легированного, слой, выполненный из материала GaN, легированного (p-контактный слой).
В рассматриваемом светоизлучающем кристалле за счет наличия слоев, образующих сверхрешетку, кристаллическая структура эпитаксиальных слоев, расположенных перед активной областью, становится более монолитной, что способствует повышению эффективности светового излучения кристалла.
Известен светоизлучающий кристалл [US 2002171091], выбранный авторами в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемый светоизлучающий кристалл содержит размещенную на изолирующей подложке эпитаксиальную полупроводниковую гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, включающую эпитаксиальные слои, образующие расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста область n-типа проводимости, активную область, содержащую квантовую яму, выполненную из нитридного материала InGaN, и область р-типа проводимости, при этом между областью n-типа проводимости и активной областью последовательно расположены совокупность слоев, выполненных из материала InGaN / GaN, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку, и разделительный слой, выполненный из материала GaN, легированного или нелегированного кремнием.
Наличие в рассматриваемом светоизлучающем кристалле слоев, представляющих собой сверхрешетку, способствует, как описано выше, повышению эффективности светового излучения кристалла.
При этом наличие между сверхрешеткой и активной областью указанного разделительного слоя из материала GaN, легированного или нелегированного кремнием, способствует сглаживанию поверхности сверхрешетки, что улучшает условия формирования квантовой ямы активной области, а также препятствует утечке инжектированных в активную область дырок из активной области в сверхрешетку, что также способствуют повышению эффективности светового излучения кристалла.
Конструкция рассматриваемого светоизлучающего кристалла не предназначена для получения зеленого света в длинноволновой области спектра его излучения.
Между тем существует потребность в полупроводниковых светоизлучающих приборах на основе светоизлучающих кристаллов, обеспечивающих световое излучение "глубокого" зеленого цвета, спектральные характеристики которого лежат в длинноволновой области его спектра (в диапазоне длин волн 540-570 нм).
Задачей заявляемой полезной модели является создание светоизлучающего кристалла, излучающего свет в длинноволновой области спектра зеленого света при обеспечении высокой эффективности излучения.
Сущность полезной модели заключается в том, что в светоизлучающем кристалле, содержащем размещенную на изолирующей подложке эпитаксиальную полупроводниковую гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, включающую эпитаксиальные слои, образующие расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста область n-типа проводимости, активную область, содержащую квантовую яму, выполненную из нитридного материала InGaN, и область р-типа проводимости, при этом между областью n-типа проводимости и активной областью последовательно расположены совокупность слоев, выполненных из материала InGaN / GaN, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку, и разделительный слой, выполненный из материала GaN, легированного или нелегированного кремнием, согласно полезной модели содержание индия в материале квантовой ямы активной области в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры уменьшается по толщине квантовой ямы, а между активной областью и областью р-типа проводимости расположен барьерный слой, выполненный из материала GaN, нелегированного кремнием.
В заявляемом светоизлучающем кристалле за счет наличия слоев, образующих сверхрешетку, кристаллическая структура эпитаксиальных слоев, расположенных перед активной областью, становится более монолитной, что способствует повышению эффективности светового излучения кристалла.
При этом наличие между сверхрешеткой и активной областью указанного разделительного слоя из материала GaN, легированного или нелегированного кремнием, способствует сглаживанию поверхности сверхрешетки, что улучшает условия формирования квантовой ямы активной области, а также препятствует утечке инжектированных в активную область дырок из активной области в сверхрешетку, что также способствуют повышению эффективности светового излучения кристалла.
Принципиальным в заявляемом светоизлучающем кристалле является то, что присутствующее в составе материала квантовой ямы количество индия распределено в указанном материале не равномерно по толщине квантовой ямы, а уменьшается ступенчато или плавно по ее толщине в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры.
Это приводит к тому, что излучаемое кристаллом световое излучение зеленого цвета смещается в длинноволновую область его спектра и позволяет добиться "глубокого" зеленого цвета излучения, спектральный максимум которого лежит в диапазоне длин волн 540-570 нм. При этом смещение спектральных характеристик кристалла в длинноволновую область спектра зеленого света достигается без увеличения среднего содержания индия в материале квантовой ямы и без снижения температуры эпитаксиального роста, что, в случае использования указанных приемов, позволяющих увеличить длину волны светового излучения зеленого цвета, могло бы привести к снижению эффективности излучения.
Наличие барьерного слоя, выполненного из нелегированного материала GaN, расположенного между активной областью и областью р-типа проводимости, препятствует испарению In при увеличении температуры в процессе эпитаксиального роста слоев, расположенных выше активной области, а также препятствует диффузии легирующих примесей в активную область из области р-типа проводимости, благодаря чему повышается эффективность излучения кристалла.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является смещение излучения светоизлучающего кристалла в длинноволновую область спектра зеленого света при обеспечении высокой эффективности излучения.
На фигуре представлена схема эпитаксиальной гетероструктуры заявляемого светоизлучающего кристалла.
Конструкция светоизлучающего кристалла включает сапфировую подложку 1, на которой помещена эпитаксиальная гетероструктура, включающая последовательно в направлении ее эпитаксиального роста:
область n-типа проводимости, содержащую слой 2 GaN, легированный кремнием, (n - контактный слой) толщиной 3-5 мкм,
совокупность слоев 3, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку InGaN / GaN с периодом 1,5-3,0 нм, со средней по периоду мольной долей InN 4-7%, с суммарной толщиной структуры 15-50 нм,
разделительный слой 4 GaN, нелегированный или легированный кремнием, толщиной 5-30 нм, выращенный при температуре подложкодержателя 740-800°С,
активную область 5, содержащую одиночную квантовую яму, выполненную из нитридного материала InGaN,
барьерный слой 6 GaN, не легированный, толщиной 4-12 нм,
область р-типа проводимости, содержащую слой 7 AlGaN, легированный магнием, толщиной 10-30 нм, с мольной долей AlN 10-30%, и слой 8 GaN, легированный магнием (р-контактный слой), толщиной 50-300 нм.
Слой 2 области n-типа проводимости соединен с n-контактом 9, слой 8 р-типа проводимости соединен с р-контактом 10.
Светоизлучающий кристалл работает следующим образом.
При пропускании тока в прямом направлении электроны из области n-типа проводимости (из слоя 2) инжектируются в активную область 5, куда также поступают дырки из области р-типа проводимости (из слоев 7, 8). При этом разделительный слой 4 препятствует утечке инжектированных в активную область 5 дырок из активной области 5 в сверхрешетку 3, а барьерный слой 6 препятствует диффузии легирующих примесей в активную область 5 из слоев 7 и 8 области р-типа проводимости. Движущиеся навстречу друг другу электроны и дырки рекомбинируют в квантовой яме активной области 5, передавая свою энергию квантам света. В результате светоизлучающий кристалл излучает зеленый свет в длинноволновой области его спектра.