УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЙ СВЕТОДИОД НА НИТРИДНЫХ ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ
ULTRAVIOLET NITRIDE HETEROSTRUCTURE LIGHT-EMITTING DIODE

Изобретение относится к полупроводниковым нитридным наногетероструктурам и может быть использовано для изготовления светодиодов ультрафиолетового диапазона с длинами волн в диапазоне 260-380 нм.
Данное изобретение описывает структуру ультрафиолетового (УФ) чипа со структурированной поверхностью для увеличения вывода излучения. Структурирование может осуществляться путем фотолитографии с применением сухого плазмохимического травления. Результатом увеличения вывода излучения из УФ чипа является увеличение его общей эффективности (КПД).
Известен ряд разработок в этой области, среди которых следует отметить техническое решение, описанное в патенте США №7915622 [1]. Целью данного изобретения было создание высокоэффективной текстурированной структуры светоизлучающего диода (СИД) с коэффициентом заполнения больше единицы для достижения высокого светового выхода на полупроводниках 3-5 и 2-6 групп. Структура СИД с высоким коэффициентом заполнения включает в себя:
первый текстурированный слой и контактный слой, состоящий из легированных III-V или II-VI соединений полупроводников или сплава таких полупроводников, полученных осаждением методом ELOG (epitaxial lateral overgrowth) на подложке, текстурированной множеством областей, которые инициировали быстрый рост упомянутого первого текстурированного слоя и контактного слоя; текстурированный нелегированный или легированный активный слой, состоящий из III-V или II-VI соединений полупроводников или сплава таких полупроводников, в котором происходит или излучательная рекомбинация электронов и дырок, или межзонные переходы; второй текстурированный слой и контактный слой, состоящий из легированных III-V или II-VI соединений полупроводников или сплава таких полупроводников.
Структура может включать проводящую или изолирующую подложку, III-V или II-VI соединений полупроводников или сплава таких полупроводников, выращенных на подложке с помощью какого-либо вида эпитаксии (например, МЛЭ, MOCVD), рисунок на подложке, созданный с помощью масочного или безмасочного метода (фотолитография, прямое вырезание рисунка электронным или ионным лучом, СТМ, голография, наноимпринт, анодирование пористого оксида алюминия, влажное травление или другой подходящий метод).Каждый текстурированный и контактный слой, текстурированный дырочный слой, контактный слой p-типа, текстурированный n-слой могут быть в форме единого слоя, совокупности слоев или сверхрешеток. Текстурированный активный слой может быть легированной или нелегированной гетероструктурой, единичной квантовой ямы или совокупности квантовых ям. Проводящая подложка может состоять из GaN, AlN, SiC, Si, GaAs, InP, ZnSe или иных металоксидных материалов. Изолирующая подложка может состоять из сапфира, AlN, GaN, ZnO или иных металоксидных материалов. Изобретение дает возможность получить СИД с трехмерным выпуклым или бороздчатым узором. Узор в виде треугольных, шестиугольных, выпуклых, вогнутых или трапециевидных объектов увеличивает коэффициент заполнения СИД структуры до значения, превышающего единицу, как результат увеличения активной области светоизлучения.
В то же самое время, текстурированная поверхность уменьшает внутреннее отражение устройства и снижает глубину абсорбции полупроводников или их сплавов, вследствие чего вывод света может быть значительно увеличен. Однако следует отметить, что все упомянутые выше типы текстурирования приводят к переотражению излучения, что, хотя и увеличивает вывод излучения, но приводит к его поляризации, что отрицательно сказывается на эффекте излучательной рекомбинации и снижает внутреннюю квантовую эффективность. Поэтому следует стремиться к созданию текстурированных поверхностей, разрушающих поляризацию, каковыми являются диффузно рассеивающие поверхности.
Известно также нитридное светоизлучающее устройство по патенту США №7714340 [2]. Изобретение представляет собой СИД на основе полупроводниковых нитридов, который излучает вниз (bottom-emitting), с повышенным выводом света. Повышенный вывод света обеспечивается за счет отражателя, который перенаправляет вниз свет, излученный вверх, в зону выхода света. Сетчатая контактная область позволяет распределить ток через всю область инжекции носителей, не занимая всю верхнюю поверхность устройства.
Известно также техническое решение, позволяющее повысить вывод излучения из чипа [3]. Исследователи сообщают, что некоторое улучшение вывода света дает утонение внешней поверхности чипа. Снижение рассеяния света по мнению исследователей может быть достигнуто за счет воздушных карманов, полученных методом PLOG слоя AlN. Существенное увеличение вывода света может быть достигнуто также за счет устранения механизмов рассеяния света при совокупном эффекте сруктурирования задней поверхности и сбора направляемого излучения за счет эффекта волновода «waveguided». Направляемым излучением «waveguided light» называют световое излучение, распространяющееся вдоль плоскостей слоев (световой волновод) и выходящее через край чипа, а не в нужном направлении.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство по патенту США №8114698 [4]. Суть данного изобретения сводится к следующему. Заявлена конструкцию и способ изготовления светодиода на базе нитридов III группы, в которой, по крайне мере, одна поверхность полуполярной или неполярной плоскости слоя III нитридного полупроводника является структурированной (текстурированной) с тем, чтобы увеличить вывод излучения. Текстурирование может быть выполнено с помощью плазмохимического травления, последующей фотолитографии или нанопечати. Недостатки прототипа заключаются в том, что структурированная поверхность не позволяет полностью собрать световой поток, который распространяется вдоль плоскостей слоев (световых волноводов), а также в том, что световое излучение выводится за счет эффектов отражения от структурированных поверхностей. Отраженное излучение всегда становится поляризованным, что весьма нежелательно при прохождении излучения через активную область, поскольку поляризованное излучение негативно влияет на эффекты рекомбинации носителей внутри активной области.
Существует ряд возможностей для повышения вывода излучения. Для светодиодного чипа на базе нитридов из-за большой разницы между коэффициентами преломления GaN (n=2.5) и воздуха (n=1), пространственный угол (при вершине конуса) расхождения светового излучения составляет всего 23 градуса, что приводит к низкой эффективности вывода светового излучения, составляющей 4,18%. Излучение за пределами конуса претерпевает многократные отражения и, в конечном счете, поглощается активной областью или электродами. Для уменьшения внутренних потерь света и способствования выводу света может быть использована технология текстурирования поверхности. Хотя текстурирование поверхности с помощью травления является непременным условием увеличения вывода излучения из нитридных структур световодов, все же его условием увеличения вывода излучения из нитридных структур светодиодов, все же его результат зависит от ориентации кристаллов и полярности поверхности, подвергаемой текстурированию, особенно N-поверхности c-полярного [0001] GaN. Поэтому данная методика травления не применима для кристаллов GaN другой ориентации и полярности, включая a-поверхность (11-20), неполярную m-поверхность (1-100) и большинство неполярных поверхностей.
Задачей заявляемого изобретения является увеличение внешнего квантового выхода устройства за счет создания текстурированной поверхности с увеличенным выводом излучения такого типа, чтобы она позволяла выводить больший световой поток, не внося при этом нежелательную поляризацию, значительно уменьшить внутреннее отражение, улучшить эффективность рекомбинации носителей.
Поставленная задача создания УФ светодиода на нитридных гетероструктурах решена путем создания чипа, содержащего металлические электроды p-типа, нитридный слой p-типа, III-нитридную активную область, III-нитридный слой n-типа, сапфировую подложку с текстурированной полуполярной или неполярной поверхностью, выполненной в виде щетки нанотрубок, которые являются практически идеальным диффузором, не вносящим поляризацию в рассеиваемое излучение. Данные нанотрубки могут быть выполнены как в виде наноцилиндров, так и в виде наноконусов или нанопирамид, размеры которых и расстояние между которыми сравнимы с длиной волны излучения.
УФ светодиод выполнен на основе нитридных гетероструктур, представленный на Фиг.1, где:
1, 2 - металлические электроды,
3 - нитридный слой p-типа,
4 - нитридный слой n-типа,
5 - III-нитридная активная область,
6 - текстурированная полуполярная или неполярная поверхность,
7 - блокирующий слой,
8 - сапфировая подложка.
Структура кристалла содержит металлический электрод p-типа 1, нитридный слой p-типа 3, блокирующие слои AlGaN 7, III-нитридную активную область 5, содержащую квантовые ямы InGaN, барьеры GaN или AlGaN, III-нитридный слой n-типа 4, буферный слой GaN 7, сапфировую подложку 8 с текстурированной полуполярной или неполярной плоскостью III-нитридного слоя 9 кристалла. При этом текстурированная поверхность выполнена в виде щетки наноцилиндров или наноконусов или нанопирамид. Излучение выходит через сапфировую подложку 9.
Наиболее значимое преимущество данного изобретения состоит в том, что оно значительно увеличивает вывод УФ излучения, что для устройств данного типа является наиболее узким местом. Кроме того, данное изобретение позволяет более простым способом увеличивать вывод излучения по сравнению с использованием фотонного кристалла. Текстурированная поверхность имеет микронеровности конечной высоты. Микрорельеф приводит к нерегулярному рассеянию света по разным направлениям. Если высота микронеровностей h≥0.2λ, то отражение диффузное, что справедливо в нашем случае, при h≤0.003λ отражение зеркальное. Диффузное отражение света представляет собой рассеивание света во всевозможных направлениях шероховатой поверхностью, представляющей собой совокупность различным образом ориентированных площадок с размерами ≥λ, сводится к отражению света этими площадками в соответствии с формулами Френеля; угловое распределение яркости и поляризации диффузно отраженного света целиком определяется характером стохастического распределения площадок по ориентациям.
Особый случай рассеяния света макроскопическими неоднородностями представляет рассеяние шероховатыми поверхностями. При многократном рассеянии света на текстурированной шероховатой поверхности, представляющей собой щетки наноцилиндров, наноконусов, нанопирамид диффузная составляющая становится почти изотропной, а зеркальная - исчезает. В этом случае поверхность выглядит матовой.
Принцип действия светодиода основан на использовании явления излучательной рекомбинации. Через p-n-переход протекает прямой ток между электродами 1 и 2, при этом происходит рекомбинация носителей, то есть заполнение свободного энергетического уровня в валентной зоне электроном, находящимся в зоне проводимости, что сопровождается выделением энергии. Эта энергия выделяется в виде квантов лучистой энергии. Обычно это наблюдается в полупроводниках, представляющих собой двойные и тройные соединения. По существу светодиод - это диод полупроводникового типа-p-n-переход, и является соединением двух частей полупроводника с разными типами проводимости. Один из них обладает избытком электронов (n-тип), а второй - избытком дырок (p-тип). Если к p-части такого диода присоединить плюс источника тока, то через него пойдет ток. В светодиоде наиболее важным является процесс, происходящий при прохождении тока. В этот момент осуществляется рекомбинация носителей электрического заряда. Отрицательно заряженные электроны занимают место в положительно заряженных ионах кристаллической решетки полупроводника. И когда электрон и дырка встречаются, происходит выделение энергии, излучается фотон, квант света. Если излучение не происходит, высвобожденная энергия переходит в тепловую, нагревая вещество. Величина энергии квантов, выделяемых при рекомбинации, зависит от разницы энергетических уровней электронов в возбужденном и нейтральных атомах, то есть от ширины запрещенной зоны. Кванты излучения распространяются во всех направлениях.
2
Конкретная реализация структуры УФ светодиода, представленная на Фиг.1, имеет следующие характеристики: площадь поверхности кристалла, от 0.13 до 2 мм, диапазоны длин волн: 1. 280±20 нм, 2. 360±20 нм, рабочее напряжение от 5,5 до 12 В, рабочий ток от 20 до 500 мА, мощность излучения: 1.4, 8.6 мВт, срок службы: 700-1000 часов.
Данное изобретение является универсальным, поскольку применимо к различным структурам чипов независимо от их кристаллических структур.
Источники информации
1. Патент США №7915622.
2. Патент США №7714340.
3. Lateral conduction, substrate-free deep UV nitride semiconductor LEDs Vol.6 - Issue 3 - April/May 2011 (Seongmo Hwang et al., Appl. Phys. Express), vol. 4, p 032102, 2011.
4. Патент США №8114698 - прототип.