СВЕТОДИОДНАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА С КВАНТОВЫМИ ЯМАМИ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОФИЛЯ
LIGHT-EMITTING HETEROSTRUCTURE WITH QUANTUM WELLS OF COMBINED PROFILE

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых гетероструктур с квантовыми ямами, применяемых для изготовления источников светового излучения.
В настоящее время со стороны разработчиков полупроводниковых приборов большое внимание уделяется поиску альтернативных источников света. Особенно большие успехи в этом направлении достигнуты при использовании в качестве светоизлучающих элементов гетероструктуры с множественными квантовыми ямами (КЯ) на основе барьеров InGaN/GaN. Именно она выступает в качестве светоизлучающего элемента, преобразуя электрический ток в световое излучение. По этой причине от качества изготовления КЯ, ее профиля, геометрических и электрофизических параметров напрямую зависит эффективность будущего источника света.
Профили КЯ могут быть изготовлены трех типов: прямоугольный, треугольный и параболический. Подавляющее большинство светодиодов на основе гетероструктур из нитридов (InGaN/GaN и им подобные), используемых для изготовления устройств освещения, имеют КЯ прямоугольного профиля. Это обстоятельство объясняется технологической простотой изготовления ямы указанного профиля, а значит и низкой себестоимостью получаемого источника освещения при сравнительно высоком значении внутренней квантовой эффективности.
Однако ямы прямоугольного профиля обладают принципиальным недостатком, который заключается в нерациональном использовании энергетического объема ямы, особенно ярко проявляющийся при малых значениях ее толщины: от 4 нм и меньше. Суть этого недостатка заключается в том, что энергетический зазор между соседними уровнями размерного квантования (УРК) с ростом номера состояния увеличивается по квадратичному закону. Это приводит к высокой плотности УРК у дна КЯ и быстрому уменьшению плотности с ростом номера состояния. Тем самым, верхняя часть КЯ, находящаяся вблизи дна зоны проводимости барьерного слоя, оказывается лишенной разрешенных стационарных состояний для носителей заряда, что снижает вероятность их захвата из зоны проводимости барьерного слоя на состояния КЯ. Следствием низкой скорости захвата свободных носителей на УРК в прямоугольной КЯ является низкая интенсивность генерируемого излучения.
x
1-x
Известна топология квантовой ямы светоизлучающего прибора, содержащая дополнительную яму прямоугольной или треугольной формы [1], создающая ступенчатую структуру, включающую три последовательно выращенных слоя INGaN с разным содержанием в них индия и устраняющую отрицательное влияние поля спонтанной поляризации в прямоугольной КЯ на скорость излучательной рекомбинации, которое пространственно разделяет отрицательные и положительные заряды, прижимая их к противоположным границам раздела с барьерными слоями. Недостатком аналога является нерациональное использование энергетического объема квантовой ямы, приводящее к низкой эффективности элемента из-за малого уровня инжекции электронов в яму.
Известна топология квантовой ямы, представляющая собой прямоугольную КЯ, внутри которой имеется небольшая потенциальная яма, именуемая авторами энергетическим «провалом» [2]. Сформированная таким способом КЯ составного профиля рассматривается как математическая модель для исследования изменения положения уровней размерного квантования (УРК) энергии электронов в собственно КЯ, вызванного наличием потенциального «провала», в зависимости от его ширины и глубины, а также от эффективной массы электронов в провале и в собственно КЯ. Авторами данной модели найден способ определения энергетического положения в КЯ УРК с учетом влияния энергетического «провала». Величина снижения УРК в КЯ зависит от соотношения значений ширины, глубины и эффективных масс электронов в КЯ и провале: чем глубже провал и он шире, тем на большую величину энергии электронные уровни смещаются вниз. Недостатком устройства является не высокая интенсивность излучения, генерируемая светодиодной гетероструктурой типа InGaN/GaN при заданном токе через нее.
x
1-x
0.52
0.48
0.48
0.52
x
1-x
18
-3
Известно техническое решение полупроводникового элемента [3]. В основу данного изобретения положено использование широкозонного соединения AlGaN переменного состава, генерирующее оптическое излучение в диапазоне длин волн до 280 нм. Недостатком существующих конструкций светоизлучающих элементов на основе алюмоната нитрида галлия является требование внесения высокой концентрации алюминия в GaN для получения барьерных слоев, что приводит к увеличению высоты барьера для дырок на границе с эмиттером дырок, создаваемого встроенным электрическим полем барьера. Это уменьшает эмиссию дырок из эмиттера в активную область, особенно в источниках длин волн менее 380 нм. Подложка полупроводникового элемента изготовлена из сапфира толщиной 500 нм. На ее поверхность нанесен буферный слой AlN из толщиной 20 нм. Эмиттер электронов представляет собой слой AlGaN толщиной 2 мкм, легированный кремнием с концентрацией 5⋅10 см, Активная область полупроводникового элемента содержит одну или несколько квантовых ям, разделенных барьерными слоями с постоянным составом и только барьерный слой, контактирующий с p-эмиттером, имеет градиентный профиль. Квантовая яма представляет собой слой AlGaN малой толщины (до 4 нм), а барьерный слой толщиной до 30 нм состоит из многих слоев AlGaN, каждый из которых имеет толщину 1 нм и процентное содержание алюминия, отличающееся от значения x соседнего слоя, на значение от 2 до 6%.
Недостатком данного технического решения конструкции полупроводникового элемента является нерациональное использование энергетического объема КЯ, приводящего к низкой эффективности элемента из-за малого уровня инжекции электронов в яму.
m
Известен полупроводниковый светодиодный источник [4] в виде многослойной структуры из полупроводниковых слоев (In,Ga)N. Основой светодиодного источника является подложка, на которой выращиваются полупроводниковые слои с различным содер-жанием In - х и Ga - (1-х) в матрице базового материала GaN. Изменением процентного содержания этих элементов изменятся ширина запрещенной зоны выращиваемого слоя. В результате создаются квантовые ямы (если содержание индия в GaN высокое) или барьерные слои (если вводимое количество индия в растущий слой GaN меньше, чем при выращивании КЯ). Полное число квантовых ям , участвующих в построении ямы комбинированного профиля, определяется энергетическим зазором между значениями энергии дна зоны проводимости барьерного слоя и дна зоны проводимости квантовой ямы. Последнее задается значением требуемой длины волны генерируемого излучения и может быть значительно больше единицы.
Данное изобретение по существенным признакам является наиболее близким с заявляемым техническим решением и потому выбрано авторами заявляемого технического решения в качестве прототипа.
П
И
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое решение, является увеличение интенсивности излучения, генерируемого светодиодной гетероструктурой типа InGaN/GaN рзаданном токе через нее.
x
1-x
Поставленная задача решается тем, что в светодиодной гетероструктуре с КЯ, содержащей подложку из сапфира, с нанесенными на ней последовательно буферным слоем, выполненным из нелегированного GaN, n-эмиттерным слоем, выполненным в виде слоя GaN, легированного кремнием, и p-эмиттерный слой GaN, легированный магнием, активная область, расположенная между n-эмиттерным и p-эмиттерным слоями, состоит из нескольких квантовых ям, каждая из которых имеет комбинированный профиль, полученный последовательным нанесением пяти слоев InGaN, образующих последовательность вида:
1
2
3
2
1
i
1
k
k-1
k
k-1
i-1
a
a
a
a
члены которой отличаются друг от друга процентным содержанием индия в соседних слоях: х, х, x, х, х так, что x=xq, где i=2, 3 и q>1, а также тем, что толщина каждой последующей ямы , k=2, 3 увеличивается по сравнению с толщиной предыдущей ямы  на постоянную величину р>1, являющуюся множителем геометрической прогрессии =⋅p. Изготавливаемая таким способом КЯ комбинированного профиля отделяется от других ям того же профиля барьерным слоем из GaN.
На фиг. 1 приведена конструкция светодиодной гетероструктуры с тремя квантовыми ямами комбинированного профиля, каждая из которых образована последовательным нанесением пяти слоев.
На фиг. 2 представлена энергетическая диаграмма КЯ комбинированного профиля для случая комбинирования ямы из трех прямоугольных ям.
Светодиодная гетероструктура с тремя квантовыми ямами комбинированного профиля, приведенная на фиг. 1, включает следующие слои:
1 - подложка из сапфира ориентацией (0001), SiC, ZnO или других материалов;
16
-3
2 - буферный слой из нелегированного GaN (концентрация носителей - 8⋅10 см), наносимый для уменьшения плотности дислокаций в выращиваемых далее слоях;
d
18
-3
3 - n-эмиттерный слой из n-GaN, легированный кремнием с концентрацией N=2-6⋅10 см;
4 - квантовые ямы разной ширины комбинированного профиля, состоящие из пяти слоев прямоугольного профиля (41)-(45), выполненных из ;
5 - барьерные слои из широкозонного GaN толщиной 15-30 нм;
a
17
-3
6 - p-эмиттерный слой из p-GaN, легированный магнием с концентрацией N=2-6⋅10 см.
Повышение уровня инжекции электронов в квантовую яму комбинированного профиля достигается увеличением плотности УРК в верхней части энергетического объема КЯ. Это достигается изготовлением КЯ в виде совокупности прямоугольных ям различной толщины, размещенных одна над другой подобно «воронке», т.е. соосно относительно друг друга. Толщина каждой последующей КЯ увеличивается по определенному закону по мере увеличения ее энергетического положения в яме комбинированного профиля. Число комбинируемых ям может быть равно двум и более. Оно определяется величиной энергетического зазора между дном зоны проводимости барьерного слоя и дном зоны проводимости КЯ минимальной толщины. При этом каждая прямоугольная яма имеет энергетическую глубину, необходимую для размещения в ней двух УРК.
Энергетическая диаграмма КЯ комбинированного профиля для случая комбинирования ямы из трех прямоугольных ям представлен на фиг. 2. Результирующий энергетический спектр комбинированной ямы содержит шесть УРК: по два уровня в трех объединяемых ямах прямоугольного профиля. Положительным результатом предлагаемой конструкции КЯ является увеличение числа УРК в яме заданной глубины и, что особенно важно, в верхней части энергетического спектра ямы. Следствием это является повышение интенсивности излучения гетероструктуры по сравнению с гетероструктурой, использующей одиночную КЯ прямоугольного профиля. Физическая причина повышения интенсивности излучения квантовой ямой комбинированного профиля заключается в увеличении числа неравновесных носителей заряда, захватываемых электронной и дырочной КЯ и участвующих в излучательной рекомбинации. Эффект увеличения интенсивности излучения физически объясняется следующим образом.
Полный ток, протекающий через гетероструктуру можно разделить на две составляющих: ток инжекции и сквозной ток. Первый ток образуют носители заряда, которые захватываются КЯ и рекомбинируют в ней с излучением квантов света. Второй ток создается носителями, которые пролетают через гетероструктуру без излучательной рекомбинации, т.е. это носители, не захватываемые ямами вообще или захватываемые, но быстро эмитируемые ямами в барьерные слои без рекомбинации. У выпускаемых в настоящее время светодиодных источников их соотношение не превышает 1:10. Увеличение интенсивности излучения света в ямах комбинированного профиля происходит за счет увеличения первой составляющей тока, вызванного уменьшением второй составляющей, которое, в свою очередь, вызвано увеличением скорости захвата носителей заряда из зоны проводимости барьерного слоя на состояния комбинированной КЯ. К увеличению скорости захвата приводит создание «мелких» УРК, облегчающих захват, из-за использования ям большей толщины и ширины их запрещенной зоны по сравнению с требуемыми для генерации заданного излучения.
Важными обстоятельствами, характеризующими комбинированный профиль ямы, являются следующие:
- увеличение толщины комбинируемых ям по закону геометрической прогрессии. Толщина первой КЯ задается генерируемой длиной волны, а знаменатель прогрессии определяется производителем по желаемой крутизне комбинированного профиля ямы-воронки. Предпочтительное значение знаменателя прогрессии: 1<q<2;
x
1-x
- увеличение ширины запрещенной зоны наносимых КЯ за счет изменения процентного содержания индия х в составе вещества, используемого для роста комбинируемых прямоугольных ям InGaN, по закону
- каждая из участвующих в комбинировании профиля прямоугольная КЯ должна иметь число УРК, равное двум.
Оценим величину выигрыша в интенсивности, генерируемой КЯ комбинированного профиля, по сравнению с гетероструктурой с одиночной КЯ прямоугольного профиля.
Максимальное значение интенсивности генерируемого излучения гетероструктурой с КЯ определяется суммой интенсивностей от отдельных ям. Если в гетероструктуре находится одинаковое число КЯ, равное M, для электронов и для дырок с плотностью электронных состояний в них  и в каждой из них находится N и Р уровней размерного квантования соответственно, то интенсивность излучения, генерируемого одиночной КЯ, может быть найдена по выражению
r
2D
а
Здесь B - вероятность излучательной рекомбинации электронов из n-КЯ и дырок из р-КЯ толщиной ; n(E) - плотность энергетических состояний в электронной и дырочной КЯ [1]; ,  - функции Ферми для заполнения УРК электронами в n-КЯ и дырками в р-КЯ соответственно; N - количество уровней размерного квантования для электронов; Р - количество УРК для дырок. В простейшем случае, когда потенциальный барьер p-n -перехода в гетероструктуре устранен полностью напряжением смещения, функции заполнения всех электронных и дырочных состояний можно считать равными единице. Тогда для одиночной КЯ выражение (1) упростится до вида
а
Из выражения (2) следует, что интенсивность излучения гетероструктуры с одиночными КЯ тем больше, чем больше толщина КЯ , больше их число М и число УРК в каждой из электронных N и дырочных Р ямах.
Энергетические возможности комбинированной ямы на примере комбинирования трех прямоугольных КЯ можно оценить с помощью выражения (2), которое для случая комбинации электронных и дырочных ям примет вид:
1
2
3
1
2
3
где обозначено: N, N, N - количество УРК в ямах для электронов; P, P. Р - количество УРК в нижней и двух верхних ямах для дырок; М - число КЯ с комбинированным профилем в гетероструктуре. Тогда из выражения (3) найдем:
Сравнивая интенсивности двух гетероструктур с КЯ различного профиля с использованием выражения (2), получим:
3
3
2
2
1
l
Можно видеть, что КЯ комбинированного профиля способна обеспечить значительный выигрыш в интенсивности излучения для q>1. Отношение числа уровней для дырок в узкой и широких р-КЯ нами не подсчитывалось, но с точностью, достаточной для оценки возможностей ям с комбинированным профилем, их число можно взять равными значениям, найденным для n-КЯ: P=N, P=N, P=N.
Пример:
Основным параметром, задающим число УРК в комбинируемых КЯ, является ширина первой ямы. Если по длине волны требуемого излучения получаемое значение ширины этой ямы будет малым, то число УРК может оказаться равным единице из-за большого значения его энергии активации первого уровня - . Если же ширина нижней КЯ будет достаточно большой, то число УРК можно сделать равным больше единицы. Определим условие, по которому определяется число УРК в нижней КЯ.
Опыт проведения расчетов по определению энергетического положения УРК в ямах показывает, что в случае составного профиля из прямоугольных ям верхней уровень энергии нижней ямы  должен составлять примерно две трети от всей глубины . В развернутом виде это условие можно переписать в виде:
c
Здесь ΔE выражено в эВ. Пользуясь приведенной записью условия наличия в яме k уровней квантования, найдем толщину нижней ямы, при которой в яме будет один и два УРК, обеспечивающих возможность комбинирования нескольких прямоугольных КЯ:
-34
Здесь обозначено: h=6.62⋅10 Дж⋅с - постоянная Планка. Тогда для случая одного уровня k=1 выражение (5) дает нм, а для k=2 . Полученный результат означает, что если ширина нижней ямы окажет равной 2-3 нм, то в нижней КЯ надо задавать один УРК. Если ширина нижней ямы будет составлять 4-5 нм, то энергетическую высоту нижней квантовой ямы надо брать исходя из размещения в ней двух УРК.
Используя приведенные выше рассуждения, из выражения (6) найдем толщину нижней (первой) квантовой ямы:
Количество требуемых для комбинирования профиля прямоугольных ям найдем из следующего рассмотрения.
Толщины всех ям не должны превышать длину волны де Бройля, но каждая выше лежащая яма делается толще предыдущей. Тогда в верхних ямах расстояние между ее УРК будет в кратное число раз меньше, чем в нижней. Так, при двукратном увеличении расстояния между ее уровнями будет в четыре раза меньше, чем у нижней ямы. Этим обеспечится дополнительное уплотнение уровней энергии в яме комбинированного профиля, а значит и числа рекомбинируемых носителей заряда.
а
a
1
k
Количество комбинируемых ям зависит от общей глубиной ямы, определяемой как разность энергий дна зоны проводимости вещества барьерного слоя и вещества ямы:  Нижняя КЯ имеет толщину , определяемую по выражению (3), а количество m и значения толщины верхних ям  определяются из условия плотного заполнения всего энергетического объема УРК и ограничения на число уровней в каждой яме, которое должно быть равно двум (или больше). Тогда m находим из условия:
-19
2
2
a
a
a
a
k
k-1
k
k-1
Здесь е=1.6⋅10 Кл. Поскольку в (6) значения толщины вышележащих ям больше значения толщины нижней, первой ямы, то стоящие в круглых скобках дроби образуют убывающую геометрическую прогрессию, в которой каждая последующая яма будет иметь толщину  меньше толщины предыдущей ямы  в определенное число q раз: =⋅q. Число q задается разработчиком и может быть любым, но больше единицы. Так, если значения толщины увеличиваются, например, в 1.7 раза, то соседние слагаемые в (6) будут отличаться на множитель q=1.7=2.89, и прогрессия будет быстро сходящейся. Это позволяет переписать выражение (6) в виде:
Здесь m - число КЯ, задействованных для формирования ямы комбинированного профиля. Второе слагаемое в правой части (5) описывает энергетический интервал величиной в один квант теплового колебания решетки между соседними объединяемыми ямами. Подставив в (5) значение знаменателя прогрессии, получим
а
а
a
1
2
3
Из выражения (8) можно видеть, что сумму прогрессии с точностью до 2-3 процентов обеспечат всего лишь три первых слагаемых, сумма которых равна 5.9. Это означает, что в рассмотренном примере КЯ комбинированного профиля можно составить из трех прямоугольных ям, толщины которых соотносятся как  :  :  = 1,00 : 1.70 : 2.89.
а
а
2
3
Тогда значения толщины второй и третьей КЯ получим умножением толщины первой ямы на знаменатель прогрессии в первой и во второй степени соответственно: =1.7⋅4.5=7.7 нм, =1.7⋅7.7=13.1 нм.
x
1-x
Энергии УРК в каждой из этих КЯ, получаемых на барьерах InGaN/GaN с разной шириной ямы, рассчитываются по выражению
1
Первая квантовая яма толщиной . Тогда верхняя граница первой КЯ с учетом зазора между уровнями будет равен ΔE=0.376 эВ.
2
Вторая квантовая яма толщиной . Верхняя граница второй квантовой ямы будет иметь энергию, отсчитан-ную от ее дна, равную ΔЕ=0.146 эВ.
3
Третья квантовая яма толщиной . Тогда верхняя граница третьей ямы, отсчитанная от верха второй ямы, будет иметь энергию ΔE=0.069 эВ.
Энергетическая диаграмма КЯ комбинированного профиля для выбранного примера приведена на фигуре 2. В проведенном расчете энергий УРК в ямах разной толщины молчаливо предполагалось, что суммарный энергетический спектр аддитивно складывается из трех спектров: спектра нижней КЯ, на который накладываются спектры второй и третьей ям. Эти спектры при объединении квантовых ям никак не меняются, не зависят друг от друга. Это предположение является довольно грубым, т.к. физически взаимодействие ям существует и может оказаться сильным. Однако оно не изменяет главной сути предлагаемого технического решения. Уточнение модели можно провести с использованием расчета спектра прямоугольной КЯ с «потенциальным провалом» в терминологии авторов [2].
В действительности энергетический спектр комбинированной КЯ (ККЯ), полученной объединением нескольких прямоугольных ям не будет суммой объединяемых ям из-за их взаимодействия. Вдали от линии объединения ям спектр ККЯ будет мало отличаться от спектра соответствующей КЯ, тогда как вблизи линии изменения будут максимальны вплоть до исчезновения отдельных уровней размерного квантования. Точный расчет спектра ПКЯ можно провести с использованием модели ямы с потенциальным «провалом» [2].
3
3
1
3
1
2
2
l
2
l
Сравним интенсивности излучения одиночной ямы и ямы комбинированным профилем, составленным из трех прямоугольных ям. Обозначив R=N/N=P/N и R=N/N=P/N, из (4) найдем
Поскольку во всех участвующих в комбинировании КЯ число уровней должно быть равным двум, то число возможных переходов между электронными и дырочными уровнями будет равно 36. Тогда выигрыш в интенсивности генерируемого излучения составит
В действительности число излучательных переходов будет меньше указанного выше ввиду преимущественно безизлучательной релаксации носителей заряда с верхних уровней энергии на нижние. Из физических соображений и модельных представлений о возможных схемах рекомбинации следует, что наиболее вероятными излучательными переходами будут переходы между низшими уровнями энергии: электроны с первого уровня нижней n-КЯ будут рекомбинировать с излучением кванта света с дырками первого УРК узкой p-КЯ. Перекрестные переходы вида «узкая n-КЯ - широкая р-КЯ» и «широкая n-КЯ - узкая р-КЯ», а также переходы вида «широкая n-КЯ - широкая р-КЯ» маловероятны.
2
Следовательно, для получения оценки возможного выигрыша в интенсивности излучения от применения ям комбинированного профиля, приближенной к реальной ситуации, воспользуемся выражением (4), оставив нем только первое слагаемое правой части при R=1. Тогда получим С учетом сделанных допущений данный результат рассматривается как предельно малый. Тем не менее, полученная оценка указывает на реальные возможности повышения интенсивности излучения светодиодной гетероструктуры за счет использования в ней квантовых ям комбинированного профиля.
Таким образом, численные расчеты показывают, что выигрыш в интенсивности излучения светодиодной гетероструктуры с квантовыми ямами комбинированного профиля, составленной из трех ям, в сравнении с гетероструктурами, в которых квантовые ямы имеют прямоугольный профиль, при той же глубине квантовых ям что и в случае гетероструктур с ямами комбинированного профиля, может достигать более 25 раз при одинаковом значении сквозного тока через источник излучения.
Источники информации, использованные при составлении описания изобретения:
1. Approaches for high internal quantum efficiency green InGaN light-emitting diodes with large overlap quantum wells». Optics Express. 2011. - V. 19. - No. S4. - A 991.
2. Драгунов В.П, Гридчин B.A., Неизвестный И.Г. Основы наноэлектроники: учебное пособие. 2-е изд. - М.: Логос, 2006. - 496 с.
3. RU 2262155 С1. H01L 33/00 (2000/013) / Авторы: Карпов С.Ю., Мымрин В.Ф. «Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне». Патентообладатель - Закрытое акционерное общество «Нитридные источники света» (RU)/ Заявка 200412877.28 от 14.09.2004.
4. United States Patent Hooper et al. Patent No US 7.115.167 B2 «Method of growing a semiconductor multi-layer structure@ Date of Patent: Oct. 3. 2006. (Прототип).