ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩАЯ ГЕТЕРОСТРУКТУРА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, в частности, к предназначенным для использования в светоизлучающих устройствах полупроводниковым светоизлучающим гетероструктурам на основе нитридов металлов третьей группы AlInGaN с активной областью, содержащей несколько квантовых ям, обеспечивающих излучение на различных длинах волн видимой области спектра одновременно.
Известны полупроводниковые светоизлучающие гетероструктуры с активной областью, содержащей разделенные барьерными слоями две и более квантовые ямы, обеспечивающие излучение на одной длине волны или на нескольких длинах волн видимой области спектра.
Так, известна полупроводниковая светоизлучающая эпитаксиальная гетероструктура [RU 2370875] на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN с активной областью, содержащей разделенные барьерными слоями квантовые ямы, излучающие свет на одной длине волны. Толщины барьерных слоев в рассматриваемой гетероструктуре составляют величину порядка несколько нм, благодаря чему квантовые ямы оказываются близко расположенными и функционируют как единая структура с относительно большой толщиной. Рассматриваемая гетероструктура обладает высокой излучательной способностью.
Известна полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура [US 8030673] на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, выбранная в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемая гетероструктура содержит эпитаксиальные слои, образующие расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста область п-типа проводимости, активную область, содержащую разделенные барьерными слоями три квантовые ямы, излучающие свет на различных длинах волн, и область р-типа проводимости. При этом в активной области последовательно расположены квантовая яма, излучающая свет в коротковолновой области спектра, квантовая яма, излучающая свет в длинноволновой области спектра, и квантовая яма, излучающая свет в коротковолновой области спектра.
В данной гетероструктуре обеспечивается стабильное соотношение интенсивностей излучения в коротковолновом и длинноволновом спектральных диапазонах.
Однако рассматриваемая гетероструктура не предназначена для обеспечения заданного численного соотношения интенсивностей коротковолнового и длинноволнового излучения.
Между тем, от соотношения интенсивностей коротковолнового и длинноволнового излучения в значительной степени зависят характеристики цветности суммарного излучения полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры и/или характеристики цветности выходного излучения светоизлучающего устройства, содержащего указанную гетероструктуру. В этой связи в ряде случаев требуется, чтобы соотношение указанных интенсивностей излучения гетероструктуры составляло величину, лежащую в заданных пределах.
Так, в частности, как показали опытные исследования, в случае использования полупроводниковой светоизлучающей эпитаксиальной гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN с многоямной активной областью, излучающей свет в синем (коротковолновом) и в зеленом (длинноволновом) спектральных диапазонах, в составе светодиода белого света, содержащем люминофор, обеспечивающий частичную конверсию излучения синего света в излучение красного света, для достижения качественных характеристик цветности белого света необходимо, чтобы соотношение интенсивностей излучения в коротковолновом и длинноволновом спектральных диапазонах гетероструктуры лежало в пределах от 0,5 до 2.
Задачей полезной модели является создание полупроводниковой светоизлучающей эпитаксиальной гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, излучающей свет в коротковолновой и длинноволновой области, обеспечивающей соотношение интенсивностей излучения в коротковолновом и длинноволновом спектральных диапазонах видимого света, лежащее в пределах от 0,5 до 2.
Сущность полезной модели по первому варианту заключается в том, что в полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуре на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, включающей эпитаксиальные слои, образующие расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста область п-типа проводимости, активную область с квантовыми ямами, излучающими свет в длинноволновом и коротковолновом относительно друг друга спектральных диапазонах, выполненными из материала InGaN, и разделяющими квантовые ямы барьерными слоями, а также область р-типа проводимости, при этом активная область содержит квантовую яму, излучающую свет в длинноволновом спектральном диапазоне видимого света, и, по меньшей мере, одну квантовую яму, излучающую свет в коротковолновом спектральном диапазоне видимого света, согласно полезной модели в активной области из входящих в ее состав квантовых ям квантовая яма, излучающая свет в длинноволновой спектральном диапазоне, в направлении эпитаксиального роста расположена последней, при этом барьерный слой, разделяющий указанную квантовую яму и нижележащую квантовую яму, излучающую свет в коротковолновом спектральном диапазоне, выполнен из материала InGaN или GaN, причем толщина указанного барьерного слоя составляет величину, лежащую в диапазоне от 6 до 32 нм.
Сущность полезной модели по второму варианту заключается в том, что в полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуре на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, включающей эпитаксиальные слои, образующие расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста область п-типа проводимости, активную область с квантовыми ямами, излучающими свет в длинноволновом и коротковолновом относительно друг друга спектральных диапазонах, выполненными из материала InGaN, и разделяющими их барьерными слоями, а также область р-типа проводимости, при этом активная область содержит квантовую яму, излучающую свет в длинноволновом спектральном диапазоне видимого света, и, по меньшей мере, одну квантовую яму, излучающую свет в коротковолновом спектральном диапазоне видимого света, согласно полезной модели в активной области из входящих в ее состав квантовых ям квантовая яма, излучающая свет в длинноволновой области спектра, в направлении эпитаксиального роста расположена последней, при этом барьерный слой, разделяющий указанную квантовую яму и нижележащую квантовую яму, излучающую свет в коротковолновом спектральном диапазоне, образован совокупностью слоев, выполненных из материала InGaN/GaN, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку, причем толщина указанной сверхрешетки составляет величину, лежащую в диапазоне от 20 до 48 нм.
Как показали исследования авторов, величина соотношения интенсивностей излучения полупроводниковой эпитаксиальной гетероструктуры, содержащей активную область с одной квантовой ямой, излучающей свет в длинноволновом диапазоне, и, по меньшей мере, одну квантовую яму, излучающую свет в коротковолновом диапазоне, определяется толщиной барьерного слоя, расположенного между длинноволновой квантовой ямой и ближайшей к ней коротковолновой ямой при условии, что в направлении эпитаксиального роста в активной области вначале расположены коротковолновые квантовые ямы, а последней расположена длинноволновая квантовая яма.
В первом варианте полезной модели в активной области гетероструктуры между указанными длинноволновой и коротковолновой квантовыми ямами расположен барьерный слой, выполненный из материала InGaN или GaN. Для данной гетероструктуры авторами экспериментально был подобран диапазон значений толщины рассматриваемого барьерного слоя, составляющий 6-32 нм. При толщине барьерного слоя менее 6 нм в значительной степени увеличивается концентрация индия в активной области, что может привести к ухудшению эффективности излучения гетероструктуры. При толщине барьерного слоя более 32 нм не обеспечивается нахождение численного значения соотношения интенсивностей коротковолнового и длинноволнового излучений гетероструктуры в требуемом диапазоне.
В случае выполнения рассматриваемого барьерного слоя из материала GaN, указанный материал может быть легирован донорной примесью, например, кремнием, для улучшения условий протекания тока.
Во втором варианте полезной модели в активной области гетероструктуры между указанными длинноволновой и коротковолновой квантовыми ямами расположен барьерный слой, образованный совокупностью слоев, выполненных из материала InGaN/GaN, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку. Для данной гетероструктуры авторами экспериментально был подобран диапазон значений толщины указанной сверхрешетки, составляющий 20-48 нм. При толщине сверхрешетки менее 20 нм в значительной степени увеличивается концентрация индия в активной области, что может привести к ухудшению эффективности излучения гетероструктуры. При толщине сверхрешетки более 48 нм не обеспечивается нахождение численного значения соотношения интенсивностей коротковолнового и длинноволнового излучений гетероструктуры в требуемом диапазоне.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании полезной модели, по первому и второму вариантам полезной модели является создание полупроводниковой светоизлучающей эпитаксиальной гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN, излучающей свет в коротковолновой и длинноволновой области, обеспечивающей соотношение интенсивностей излучения в коротковолновом и длинноволновом спектральных диапазонах видимого света, лежащее в пределах от 0,5 до 2.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемой гетероструктуры по первому и второму вариантам полезной модели; на фиг.2 представлен общий вид активной области гетероструктуры, показанной на фиг.1
Гетероструктура (фиг.1) по первому и второму вариантам полезной модели содержит выращенные на подложке 1, выполненной, в частности, из сапфира, эпитаксиальные слои, расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста, включающие:
область п-типа проводимости, содержащую слой 2, выполненный, в частности, из материала GaN, легированного кремнием (п - контактный слой) и имеющий, в частности, толщину 3-5 мкм,
активную область 3, обеспечивающую излучение в длинноволновом и коротковолновом спектральном диапазоне видимого света, содержащую квантовые ямы, выполненные из материала InGaN,
область р-типа проводимости, содержащую, в частности, слой 4, выполненный из материала AlInGaN, легированного магнием, с мольной долей AlN 10-30% толщиной 10-30 нм и слой 5, выполненный из материала GaN, легированного магнием, толщиной 50-300 нм (р - контактный слой).
Гетероструктура, в частности, также содержит расположенные между слоем 2 и активной областью 3:
совокупность слоев 6, представляющих собой короткопериодную сверхрешетку, выполненную из материала InGaN/GaN, с периодом 1,5 3,0 нм, со средней по периоду мольной долей InN 4-7%, с суммарной толщиной 15-50 нм,
разделительный слой 7, выполненный из материала GaN, не легированного или легированного кремнием, выращенный при температуре подложкодержателя 740-800 С.
Кроме того, гетероструктура, в частности, содержит расположенный между активной областью 3 и слоем 4 барьерный слой 8, выполненный из материала GaN, не легированного, толщиной 4-12 нм.
Слой 2 соединен с п-контактом 9, слой 5 соединен с р-контактом 10.
Активная область 3 (фиг.2) по первому и второму вариантам полезной модели содержит, по меньшей мере, одну, в частности две квантовые ямы 11 и 12, выполненные из нитридного материала InGaN, излучающие свет в коротковолновом диапазоне спектра видимого света (синий свет), одну квантовую яму 13, выполненную из нитридного материала InGaN, излучающую свет в длинноволновом диапазоне спектра видимого света (зеленый свет). Активная область 3 также содержит барьерные слои 14, 15, 16, 17, разделяющие квантовые ямы 11, 12 и 13.
Квантовая яма 13, излучающая свет в длинноволновом диапазоне спектра, в активной области 3 расположена в направлении эпитаксиального роста последней относительно квантовых ям 11 и 12, излучающих свет в коротковолновом диапазоне спектра.
По первому варианту полезной модели барьерный слой 16 активной области, расположенный между квантовой ямой 13, излучающей свет в длинноволновом диапазоне, и ближайшей к ней квантовой ямой 12, излучающей свет в коротковолновом диапазоне, выполнен из материала InGaN или GaN, при этом толщина указанного барьерного слоя составляет величину, лежащую в диапазоне от 6 до 32 нм. В случае выполнения барьерного слоя 16 из материала GaN, указанный материал может быть легирован донорной примесью.
По второму варианту полезной модели барьерный слой 16 активной области, расположенный между квантовой ямой 13, излучающей свет в длинноволновом диапазоне, и ближайшей к ней квантовой ямой 12, излучающей свет в коротковолновом диапазоне, представляет собой совокупность слоев, выполненных из материала InGaN/GaN, образующих короткопериодную сверхрешетку, при этом толщина указанной сверхрешетки составляет величину, лежащую в диапазоне от 20 до 48 нм.
Полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура работает следующим образом.
При пропускании через гетероструктуру тока в прямом направлении электроды из области п-типа проводимости (из слоя 2) и дырки из области р-типа проводимости (слоев 4 и 5) инжектируются в активную область 3. При этом разделительный слой 7 препятствует утечке инжектированных в активную область 3 дырок из нее в сверхрешетку 6. За счет наличия слоев, образующих сверхрешетку 6, кристаллическая структура эпитаксиальных слоев, расположенных перед активной областью 3, становится более монолитной, что способствует повышению эффективности светового излучения гетероструктуры. Барьерный слой 8 препятствует диффузии легирующих примесей в активную область 3 из слоев 4 и 5 области р-типа проводимости.
Движущиеся навстречу друг другу электроны и дырки рекомбинируют в квантовых ямах 11, 12, 13 активной области 3, передавая свою энергию квантам света. В результате гетероструктура излучает свет на двух длинах волн в видимой области спектра. При этом обеспечивается близость значений интенсивностей излучения в коротковолновом и длинноволновом диапазонах, поскольку соотношение указанных интенсивностей лежит а пределах от 0,5 до 2.