ГЕТЕРОСТРУКТУРА НА ПРОФИЛИРОВАННОЙ ПОДЛОЖКЕ

Полезная модель относится к светодиодным гетероструктурам в системе материалов AlInGaN на сапфировой подложке.
В настоящее время светоизлучающие диоды, активно применяются в светотехнике. Они пришли 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 создании полупроводниковых источников синего и белого излучения являются нитридные соединения. Основной областью их применения являются сверхяркие светодиоды сине-зеленого и белого цвета свечения, используемые в освещении общего назначения. Анализ мирового опыта показывает, что для выращивания светодиодных гетероструктур из нитридов элементов третьей группы 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.
Близким по содержанию и назначению является патент США US 20040113163 «Light emitting device with enhanced optical scattering)), где также используется рассеивающий слой на границе между подложкой и нитридной структурой.
IIIN
Также среди патентных документов РФ относящихся к устройствам или способам получения светодиодных гетероструктур методом MOCVD необходимо отметить патент РФ №2402837 «ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР С ПОРИСТЫМ БУФЕРНЫМ СЛОЕМ». Изобретение относится к полупроводниковым светодиодам на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (A). Полупроводниковый светоизлучающий прибор, выполненный на основе нитридов металлов третьей группы, включает подложку, а также сформированные в процессе эпитаксиального роста последовательно расположенные буферный слой и слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом. При этом буферный слой расположен непосредственно на подложке и, по меньшей мере, в зоне, примыкающей к подложке, содержит поры, сформированные в процессе эпитаксиального роста буферного слоя. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции и технологии изготовления полупроводникового светоизлучающего прибора. Данное изобретение выбрано авторами в качестве ближайшего аналога.
Оба метода направлены на создание рассеивающего слоя на границе раздела «подложка-светодиодная структура». Этот слой необходим для того, чтобы уменьшать влияние эффекта полного внутреннего отражения на указанной границе, приводящего к тому, что часть излучения не выводится из структуры. В итоге случайного рассеивания на специальном слое существенно повышается доля излучения, выводимого из структуры, и, как следствие, повышается т.н. внешняя (квантовая) эффективность излучения.
Однако, в обеих конструкциях текстурированный (рассеивающий) слой изготавливался из нитрида галлия либо отдельно специальными методами (первый патент) либо в процессе эпитаксии (второй патент).
Задачей патентуемой полезной модели является увеличение выхода света из гетероструктуры по сравнению с аналогами.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что рост светоизлучающей нитридной структуры производят на подложке из искусственного сапфира, на рабочей (ростовой) стороне которой нанесены (изготовлены) текстуры в виде регулярной системы неоднородностей, имеющих форму усеченного конуса. Величина диаметра основания конуса (L1 на Фигуре) лежит в пределах от 2,2 мкм до 2,6 мкм, диаметр вершины конуса (L2 на Фигуре) лежит в пределах от 0,1 мкм до 0,3 мкм, высота неоднородностей (Н на Фигуре) лежит в пределах от 1,4 мкм до 1,8 мкм, расстояние между неоднородностями (L на Фигуре) лежит в пределах от 0,2 мкм до 0,3 мкм. В дальнейшем при генерации излучения в активной области существенно уменьшается доля лучей, падающих на границу раздела «сапфир-GaN» под углами полного внутреннего отражения, что приводит к увеличению эффективности излучения структуры. Размеры и плотность неоднородностей экспериментально подобраны так, чтобы обеспечивать максимальное увеличение эффективности излучения при использовании подложки с текстурами.
В настоящей заявке речь идет об использовании определенным образом заранее текстурированной сапфировой подложки. В данном случае роль рассеивающего слоя играет поверхность самой исходной подложки. Но в отличие от описанных выше подходов, где неоднородности создавались случайным образом, в предлагаемом методе можно задавать форму, размер неоднородности и расстояние между ними с высокой степенью точности в широком диапазоне значений. Это позволяет подобрать оптимальные параметры рассеивающего слоя (текстурированной поверхности), обеспечивающие максимальное увеличение вывода излучения из светоизлучающей структуры.
Техническим результатом является гетероструктура на профилированной подложке у которой наблюдается увеличение выхода света из гетероструктуры по сравнению с аналогами.
2
3
x
1-x
y
1-y
Патентуемая светоизлучающая структура на рассеивающей подложке заявляемой полезной модели представлена на Фигуре. Структура состоит из элемента объемного сапфира (1, AlO) с кристаллической ориентацией поверхности (1000) с изготовленными на ее поверхности неоднородностями (текстурами) (2) заданной формы и размера, и выращенных на ней методом газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений последовательно слоев: буферный нелегированный слой нитрида галлия (3, u-GaN), слой нитрида галлия n-типа проводимости (4, n-GaN), легированного кремнием, активной области (5), состоящей из множественных квантовых ям на основе твердого раствора InGaN/GaN, слоя твердого раствора AlGaN р-типа проводимости (6, AlGaN) и слоя нитрида галлия р-типа проводимости, легированного магнием (7, p-GaN). Величина параметра «х» определяет соотношение индия и галлия и варьируется для получения требуемой длины волны в заданном диапазоне 450-480 нм. Величина параметра «у» определяет соотношение алюминия и галлия.
Устройство работает следующим образом: к гетероструктуре прикладывают «прямое смещение» и через p-n-переход идет ток, возникает рекомбинация носителей заряда электронов и дырок, в результате рекомбинации выделяется энергия в виде излученного кванта света - фотона. Излучение фотонов внутри гетероструктуры происходит во все стороны, но часть излучения не выходит из гетероструктуры за счет эффекта полного внутреннего отражения. За счет рассеивающего слоя удается снизить коэффициент полного внутреннего отражения и соответственно увеличить излучение света из гетероструктуры.