НИТРИДНОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО
NITRIDE SEMICONDUCTOR DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к нитридному полупроводниковому устройству и, более конкретно, к нитридному полупроводниковому светоизлучающему устройству, позволяющему повышать эффективность излучения света посредством увеличения концентрации дырок, входящих в активный слой.
Описание известного уровня техники
В целом, нитридный полупроводник широко используется в зеленом или синем светодиоде или лазерном диоде, применяемом в полноцветных дисплеях, устройствах сканирования изображения, различных сигнальных системах и оптических системах связи как источник света. Это нитридное полупроводниковое устройство может применяться как светоизлучающее устройство, имеющее активный слой, излучающий свет, включая свет в синем и зеленом диапазонах длины волны, благодаря использованию рекомбинации электронов и дырок.
После разработки такого нитридного полупроводникового светоизлучающего устройства был достигнут технологический прогресс, и, соответственно, его потенциальные варианты применения были расширены и были проведены дальнейшие исследования относительно применимости в областях общих осветительных устройств и электрических устройств для автомобилей. В частности, нитридное полупроводниковое светоизлучающее устройство согласно известному уровню техники использовалось как элемент, применимый с мобильным устройством с малым рабочим током/низким выходным напряжением. Однако теперь оно предназначено для вариантов применения с сильным током/высоким выходным напряжением.
На фиг.1 показан вид сечения, иллюстрирующий в целом нитридное полупроводниковое устройство. Как показано на фиг.1, нитридное полупроводниковое устройство 10 обычно включает подложку 11, слой 12 нитридного полупроводника n-типа, активный слой 13 и слой 15 нитридного полупроводника p-типа, в котором активный слой 13 и слой 15 нитридного полупроводника p-типа имеют запирающий слой 14, сформированный между ними. Электрод 16b p-типа сформирован на верхней поверхности вытравленной мезаструктуры слоя 15 нитридного полупроводника p-типа, и электрод 16a n-типа сформирован на открытой верхней поверхности слоя 12 нитридного полупроводника n-типа. Запирающий слой 14 используется для улучшения эффективности рекомбинации носителей в пределах активного слоя 13 посредством предотвращения переполнения электронами, имеющими относительно более высокую подвижность, чем дырки, слоя 15 нитридного полупроводника p-типа. Однако запирающий слой 14 может функционировать как барьер относительно дырок, а также электронов, и, соответственно, концентрация дырок, входящих в активный слой 13 после прохождения электронного запирающего слоя 14, может быть уменьшена.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объект настоящего изобретения обеспечивает получение нитридного полупроводникового светоизлучающего устройства, предусматривающего повышение эффективности излучения света благодаря увеличению концентрации дырок, входящих в активный слой.
Согласно объекту настоящего изобретения получено нитридное полупроводниковое устройство, включающее: слой нитридного полупроводника n-типа; слой нитридного полупроводника p-типа; активный слой, сформированный между слоями нитридного полупроводника n-типа и p-типа и сформированный посредством поочередного наложения слоев с квантовыми ямами и квантовых барьерных слоев; запирающий слой, сформированный между активным слоем и слоем нитридного полупроводника p-типа; и слой-коллектор дырок, сформированный между активным слоем и запирающим слоем и включающий область, имеющую более высокий энергетический уровень валентной зоны, чем уровень легирования слоя нитридного полупроводника p-типа.
Уровень легирования слоя нитридного полупроводника p-типа может быть уровнем примеси Mg.
Слой-коллектор дырок и слой нитридного полупроводника p-типа могут иметь разность энергетического уровня валентной зоны, составляющую больше 170 мэВ.
Слой-коллектор дырок может иметь более низкий энергетический уровень валентной зоны, чем слой с квантовыми ямами активного слоя в контакте с ним.
x
1-x
Слой-коллектор дырок может быть сформирован из InGaN (0≤x≤1). В этом случае слой с квантовыми ямами активного слоя в контакте со слоем-коллектором дырок может иметь более высокое содержание индия, чем слой-коллектор дырок.
Область слоя-коллектора дырок, имеющая более высокий энергетический уровень валентной зоны, чем уровень легирования слоя нитридного полупроводника p-типа, может иметь толщину 100 Å или меньше, и эта толщина может быть больше толщины слоя с квантовыми ямами активного слоя.
Когда область слоя-коллектора дырок, имеющая более высокий энергетический уровень валентной зоны, чем уровень легирования слоя нитридного полупроводника p-типа, упоминается как первый слой-коллектор дырок, слой-коллектор дырок может включать второй слой-коллектор дырок, имеющий более низкий энергетический уровень валентной зоны, чем первый слой-коллектор дырок. В этом случае второй слой-коллектор дырок может входить в контакт с запирающим слоем и формировать границу раздела с ним. Кроме того, второй слой-коллектор дырок может иметь толщину 20 Å или меньше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые и другие объекты, признаки и другие преимущества настоящего изобретения будут понятнее при ознакомлении с нижеследующим подробным описанием, данным в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 - вид сечения, иллюстрирующий нитридное полупроводниковое устройство согласно известному уровню техники;
фиг.2 - вид сечения, иллюстрирующий нитридное полупроводниковое устройство согласно типичному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - увеличенный вид части А на фиг.2;
фиг.4 - иллюстрация энергетического уровня валентной зоны части, изображенной на фиг.3;
фиг.5 - иллюстрация энергетического уровня активного слоя в нитридном полупроводниковом устройстве согласно известному уровню техники; и
фиг.6 - иллюстрация результатов моделирования квантовой эффективности нитридного полупроводникового устройства, имеющего слой-коллектор дырок, и нитридного полупроводникового устройства согласно известному уровню техники.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Теперь будут подробно описаны типичные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Однако изобретение может быть осуществлено во многих различных формах и не должно рассматриваться как ограниченное описанными здесь вариантами его осуществления. Скорее, эти варианты осуществления изобретения даны так, чтобы это описание было полным и законченным и полностью передавало объем изобретения специалистам в данной области техники. На чертежах формы и размеры могут быть преувеличены для ясности, и везде будут использоваться одинаковые ссылочные позиции для обозначения одинаковых или подобных компонентов.
На фиг.2 показан вид сечения, иллюстрирующий нитридное полупроводниковое устройство согласно типичному варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.3 показан увеличенный вид части А на фиг.2. Кроме того, на фиг.4 показан энергетический уровень валентной зоны части, изображенной на фиг.3.
Прежде всего, как показано на фиг.2, нитридное полупроводниковое устройство 100 согласно типичному варианту осуществления изобретения включает подложку 101, слой 102 нитридного полупроводника n-типа, активный слой 103, запирающий слой 105 и слой 106 нитридного полупроводника p-типа. Активный слой 103 и запирающий слой 105 имеют слой-коллектор дырок 104, сформированный между ними. Слой 102 нитридного полупроводника n-типа может иметь электрод 107a n-типа на его открытой поверхности, и слой 106 нитридного полупроводника p-типа может иметь электрод 107b p-типа на его верхней поверхности.
Хотя он не показан, слой 106 нитридного полупроводника p-типа и электрод 107b p-типа могут иметь сформированный между ними омический контактный слой, причем омический контактный слой может быть сформирован из прозрачного электродного материала. В настоящем варианте осуществления изобретения в качестве примера показана конструкция нитридного полупроводникового устройства горизонтального типа, имеющая электроды 107a и 107b n-типа и p-типа, расположенные в одном направлении. Однако изобретение не ограничено этим. Специалистам в данной области техники будет легко понятно, что также может быть получено нитридное полупроводниковое устройство перпендикулярного типа (в этом случае сапфировая подложка может быть удалена).
2
4
2
2
Подложка 101 сформирована для выращивания нитридного монокристалла, и для этого обычно может использоваться сапфировая подложка. Сапфировая подложка изготовлена из кристалла, имеющего симметрию гексаромбического типа (R3c), и имеет постоянные решетки 13,001 Å и 4,758 Å в направлениях оси C и оси A, соответственно. Плоскости сапфировой подложки включают плоскость C (0001), плоскость А (1120), плоскость R (1102) и т.п. Здесь, так как плоскость C имеет тонкую нитридную пленку, относительно легко выращиваемую на ней и устойчивую к высоким температурам, она главным образом используется как подложка для выращивания нитрида. Согласно формам могут также использоваться подложки, сформированные из SiC, GaN, ZnO, MgAlO, MgO, LiAlO, LiGaO и т.п. Кроме того, для улучшения качества монокристаллического нитридного полупроводника на подложке 101 может быть выращен буферный слой, например нелегированный слой из GaN.
x
y
(1-x-y)
Слои 102 и 106 нитридного полупроводника n-типа и p-типа могут быть сформированы из полупроводниковых материалов, легированных примесями n-типа и p-типа, имеющими состав, выраженный как AlInGaN, где 0≤x≤1, 0≤y≤1 и 0≤x+y≤1. GaN, AlGaN и InGaN могут быть типичными полупроводниковыми материалами. Кроме того, Si, Ge, Se и Te могут использоваться в качестве типичной примеси n-типа, и Mg, Zn и Be могут использоваться в качестве типичной примеси p-типа. Слои 102 и 106 нитридного полупроводника n-типа и p-типа могут быть выращены способами химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений и эпитаксии из паровой фазы с использованием гидридов, известными в данной области.
x
1-x
Активный слой 103, сформированный между слоями нитридного полупроводника n-типа и р-типа, излучает свет, имеющий заданную энергию благодаря рекомбинации электронов и дырок. Активный слой 103 может быть сформирован из InGaN (0≤x≤1) для регулирования энергии запрещенной зоны согласно содержанию индия. В этом случае активный слой 103 может иметь структуру множественной квантовой ямы, в которой квантовые барьерные слои 103a и слои 103b с квантовыми ямами поочередно наложены друг на друга, как показано на фиг.3.
x
1-x
Запирающий слой 105 блокирует электроны, имеющие относительно более высокую подвижность, чем дырки, исключая переполнение после прохождения через активный слой 103. Для выполнения такого блокирования запирающий слой 105 может быть сформирован из материала, имеющего более высокую энергию запрещенной зоны, чем активный слой 103. В частности, запирающий слой 105 может быть сформирован из такого материала, как AlGaN (0≤x≤1). В этом случае энергия запрещенной зоны запирающего слоя 105 может быть соответственно отрегулирована согласно содержанию алюминия. Как описано выше, запирающий слой 105 увеличивает вероятность рекомбинации в пределах активного слоя 103, блокируя переполнение электронами, но он также служит для блокирования инжекции дырок.
Согласно настоящему варианту осуществления изобретения для уменьшения функции блокирования дырок, выполняемой запирающим слоем 105, между активным слоем 103 и запирающим слоем 105 используется слой-коллектор 104 дырок. Слой-коллектор 104 дырок обеспечивает надлежащее состояние энергетического уровня для увеличения вероятности рекомбинации, позволяя инжектировать дырки, инжектированные из слоя 106 нитридного полупроводника p-типа, в активный слой 103 посредством туннелирования или переполнения запирающего слоя 105. Как показано на фиг.4, слой-коллектор 104 дырок может быть разделен на первый слой-коллектор 104a дырок и второй слой-коллектор 104b дырок. Первый слой-коллектор 104a дырок формирует границу раздела со слоем 103b с квантовыми ямами активного слоя 103, и второй слой-коллектор 104b дырок формирует границу раздела с запирающим слоем 105. В настоящем варианте осуществления изобретения слой-коллектор 104 дырок разделен на два слоя. Однако в другом варианте осуществления изобретения слой-коллектор 104 дырок может быть сформирован только одним первым слоем-коллектором 104а дырок.
Первый слой-коллектор 104а дырок слоя-коллектора 104 дырок имеет более низкий энергетический уровень Ev, чем слой 103b с квантовыми ямами, и более высокий энергетический уровень Ev, чем квантовый барьерный слой 103a. Здесь энергетический уровень Ev измерен на основе валентной зоны. Кроме того, энергетический уровень первого слоя-коллектора 104а дырок более высок, чем уровень легирования слоя 106 нитридного полупроводника p-типа. При таком состоянии энергетического уровня может быть увеличена концентрация туннелирования дырок через запирающий слой 105. На фиг.4 Mg используется для примеси p-типа, и предполагая, что слой 106 нитридного полупроводника p-типа и квантовый барьерный слой 103a сформированы из одного материала, например GaN, разность ΔEv энергетического уровня между слоями из GaN и первым слоем-коллектором 104a дырок должна быть больше, чем энергетический уровень, увеличенный легированием Mg. Принимая это во внимание, ΔEv предпочтительно больше чем приблизительно 170 мэВ.
x
1-x
В этом случае первый слой-коллектор 104a дырок может быть сформирован из InGaN (0≤x≤1), и его энергетический уровень может быть соответственно отрегулирован посредством регулирования содержания индия. Для получения такого же энергетического уровня, как на фиг.4, содержание индия в первом слое-коллекторе 104а дырок может быть ниже, чем в слое 103b с квантовыми ямами, и выше, чем в квантовом барьерном слое 103a. Кроме того, толщина t1 первого слоя-коллектора 104а дырок может быть больше, чем толщина слоя 103b с квантовыми ямами, но она может не превышать 100 Å.
Второй слой-коллектор 104b дырок, сформированный между первым слоем-коллектором 104a дырок и запирающим слоем 105, может иметь энергетический уровень, соответствующий энергетическому уровню между первым слоем-коллектором 104a дырок и запирающим слоем 105. Например, второй слой-коллектор 104b дырок может быть сформирован из нелегированного GaN и иметь такой же энергетический уровень, как и квантовый барьерный слой 105. Второй слой-коллектор 104b дырок может функционировать как покрывающий слой для предохранения первого слоя-коллектора 104a дырок, сформированного из InGaN. Кроме того, второй слой-коллектор 104b дырок может препятствовать рассеиванию Mg из запирающего слоя 105, выращенного на нем, в первый слой-коллектор 104a дырок. Принимая это во внимание, толщина t второго слоя-коллектора 104b дырок может быть 20 Å или меньше.
В результате сравнения квантовой эффективности нитридного полупроводникового устройства, имеющего такой слой-коллектор дырок, со слоем согласно известному уровню техники на фиг.6 показаны результаты моделирования квантовой эффективности нитридного полупроводникового устройства, имеющего слой-коллектор дырок, и нитридного полупроводникового устройства согласно известному уровню техники. Здесь, в структуре активного слоя нитридного полупроводникового устройства согласно известному уровню техники, как показано на фиг.5, используется квантовый барьерный слой однородной толщины, заменяющий слой-коллектор дырок. Как показано на фиг.6, в случае с обычным нитридным полупроводниковым устройством (см. пунктир) квантовая эффективность является относительно большой в области низкой силы тока, но значительно понижена, когда прилагается сильный ток. То есть может происходить спад эффективности. С другой стороны, в случае с нитридным полупроводниковым устройством, имеющим слой-коллектор дырок (см. сплошную линию), спад эффективности не происходит. Соответственно, это нитридное полупроводниковое устройство, имеющее слой-коллектор дырок, может быть применимым для устройства освещения, требующего работы с высоким уровнем тока.
Как изложено выше, согласно типичным вариантам осуществления изобретения получено нитридное полупроводниковое светоизлучающее устройство, позволяющее повысить эффективность излучения света благодаря увеличению концентрации дырок, входящих в активный слой, и способное устранять недостаток, заключающийся в снижении квантовой эффективности, когда прилагается сильный ток.
Хотя настоящее изобретение показано и описано в связи с типичными вариантами его осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть сделаны модификации и изменения без отхода от сущности и объема изобретения, определенных прилагаемой формулой изобретения.