III-НИТРИДНОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СО СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЙ ОБЛАСТЬЮ С ДВОЙНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРОЙ
III-NITRIDE LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING AREA WITH DOUBLE HETEROSTRUCTURE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к светоизлучающей области полупроводникового светоизлучающего устройства.
ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ТЕХНИКИ
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включая светоизлучающие диоды (LED), светоизлучающие диоды с резонансной полостью (Фабри-Перо) (RCLED), лазерные диоды с вертикальной полостью (VCSEL) и лазеры торцевого излучения, относятся к наиболее эффективным источникам света, существующим в настоящее время. Материалы и системы, представляющие интерес в настоящее время для изготовления светоизлучающих устройств высокой яркости, способных работать на протяжении всего видимого спектра, включают в себя полупроводники группы III-V, в частности двухкомпонентные, трехкомпонентные и четырехкомпонентные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, именуемые также III-нитридными материалами. Обычно III-нитридные светоизлучающие устройства получают эпитаксиальным выращиванием набора из нескольких полупроводниковых слоев с разными составами и концентрациями легирующих примесей на сапфире, карбиде кремния, III-нитриде или другой подходящей подложке посредством химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), молекулярно-пучковой эпитаксии (MBE) или другими эпитаксиальными методами. Набор слоев часто содержит, по меньшей мере, один слой n-типа, легированный, например, Si (кремнием), сформированный поверх подложки, светоизлучающую или активную область, сформированную поверх слоя или слоев n-типа, и, по меньшей мере, один слой p-типа, легированный, например, Mg (магнием), сформированный поверх активной области. III-Нитридные устройства, сформированные на электропроводящих подложках, могут содержать контакты с электропроводностью p- и n-типа, сформированные на противоположных сторонах устройства. III-Нитридные устройства часто изготавливают на электроизоляционных подложках, например сапфире, с обеими контактами на одной стороне устройства. Подобные устройства смонтированы так, что свет выводится либо сквозь контакты (известны как эпитаксиальные устройства), либо сквозь поверхность устройства, противоположную контактам (известны как устройства, смонтированные методом перевернутого кристалла).
x
1-x
x
1-x
17
-3
21
-3
18
-3
20
-3
В патенте США 5747832 изложены принципы «светоизлучающего устройства на основе нитрид-галлиевого полупроводникового соединения с двойной гетероструктурой. Двойная гетероструктура содержит светоизлучающий слой, сформированный из низкоомного полупроводникового соединения InGaN (0<x<1), легированного примесью p-типа и/или n-типа». Смотри реферат патента США 5747832. В частности, в столбце 5, строках 45-50, указано «в настоящем изобретении светоизлучающий слой 18 предпочтительно имеет толщину в таких пределах, что светоизлучающее устройство в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает на практике относительную интенсивность светового излучения, по меньшей мере, 90%. В частности, светоизлучающий слой 18 предпочтительно имеет толщину от 10 ангстрем до 0,5 мкм и более предпочтительно 0,01-0,2 мкм». В столбце 10, строках 44-49, указано «в третьем варианте осуществления легирующая примесь n-типа, введенная в InGaN светоизлучающего слоя 18, предпочтительно является кремнием (Si). Концентрация легирующей примеси n-типа составляет предпочтительно от 1×10/см до 1×10/см с точки зрения светоизлучающих характеристик и более предпочтительно 1×10/см до 1×10/см».
18
-3
Коммерческие III-нитридные устройства со светоизлучающими слоями на InGaN часто содержат несколько светоизлучающих слоев квантовых ям, тоньше чем 50 ангстрем и с содержанием легирующей примеси, обычно меньшим чем приблизительно 1×10 см, так как упомянутые конструкции с квантовыми ямами могут повышать эффективность, особенно в низкокачественных эпитаксиальных материалах, при слабом токе возбуждения. При более высоких токах возбуждения, требуемых для освещения, упомянутые устройства теряют эффективность с повышением плотности тока. В технике требуются устройства, которые обеспечивают высокую эффективность при высокой плотности тока.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
18
-3
19
-3
18
-3
19
-3
В соответствии с вариантами осуществления изобретения III-нитридный светоизлучающий слой расположен между областью n-типа и областью p-типа. Светоизлучающий слой легирован до концентрации легирующей примеси от 6×10 см до 5×10 см и имеет толщину от 50 ангстрем до 250 ангстрем. В некоторых вариантах осуществления светоизлучающий слой расположен между и в непосредственном контакте с двумя разделительными слоями n-типа, и один или оба разделительных слоя легированы до концентрации легирующей примеси от 6×10 см до 5×10 см.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - изображение III-нитридного светоизлучающего устройства.
Фиг.2 - график внешнего квантового выхода в зависимости от плотности тока для устройства, изображенного на фиг.1, и устройства в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
Фиг.3 - изображение III-нитридного светоизлучающего устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения.
Фиг.4 - график времени затухания в зависимости от уровня легирования кремнием для нескольких InGaN-пленок.
Фиг.5 и 6 - вид в плане и сечение светоизлучающего устройства с широким переходом, смонтированное методом перевернутого кристалла.
Фиг.7 - изображение тонкопленочного светоизлучающего устройства.
Фиг.8 - перспективный вид с пространственным разделением деталей светоизлучающего устройства в корпусе.
Фиг.9A и 9B - графические изображения относительного внутреннего квантового выхода в зависимости от уровня легирования кремнием светоизлучающего слоя и первого и второго разделительных слоев для устройств в соответствии с вариантами осуществления изобретения, излучающих свет на длинах волн 450 нм и 400 нм соответственно.
Фиг.10 - графические изображения относительного внутреннего квантового выхода в зависимости от толщины светоизлучающего слоя для нескольких устройств.
Фиг.11 - графическое изображение коэффициента инжекции и внутреннего квантового выхода в зависимости от состава запирающего слоя для нескольких смоделированных устройств.
Фиг.12 - графическое изображение относительного внутреннего квантового выхода в зависимости от состава запирающего слоя, наблюдаемого в реальных устройствах.
Фиг.13A-13K - участки зоны проводимости для устройств с градиентной концентрацией легирующей примеси в светоизлучающей области.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг.1 показано обычное III-нитридное светоизлучающее устройство. Область 11 n-типа выращена на сапфировой подложке 10. Активная область 12, содержащая несколько тонких слоев квантовых ям, разделенных обедненными слоями, выращена поверх области 11 n-типа, после чего следуют разделительный GaN-слой 13, AlGaN-слой 14 p-типа, контактный слой 15 p-типа.
2
2
2
На фиг.2 показан внешний квантовый выход устройства типа устройства, показанного на фиг.1 (треугольники на фиг.2), и устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения (кружки на фиг.2). Внешний квантовый выход равен внутреннему квантовому выходу, определяемому как поток испускаемых фотонов, поделенный на поток подводимых носителей, умноженному на эффективность вывода. Для данной конструкции индикатора эффективность вывода является постоянной, следовательно, эффективность вывода одинакова для обоих устройств, показанных на фиг.2. Когда плотность тока, подаваемого в устройство, показанное на фиг.1, возрастает, внешний квантовый выход устройства сначала возрастает, затем снижается, как показано на фиг.2. Когда плотность тока возрастает от нуля, внешний квантовый выход возрастает и достигает максимума при плотности тока около 10 А/см. Когда плотность тока повышается свыше 10 А/см, внешний квантовый выход быстро уменьшается, затем снижение внешнего квантового выхода замедляется при высокой плотности тока, например свыше 200 А/см. Варианты осуществления изобретения предназначены для ослабления или обращения снижения квантового выхода при высокой плотности тока.
В соответствии с вариантами осуществления изобретения III-нитридные светоизлучающие устройства содержат толстую светоизлучающую зону с двойной гетероструктурой, которая сильно легирована. Хотя нижеописанные варианты осуществления относятся к устройствам, в которых светоизлучающий слой легирован донорной примесью (n-типа) Si, следует понимать, что в других вариантах осуществления можно использовать другие разновидности легирующих примесей, включая легирующие примеси p-типа. Толстая светоизлучающая зона с двойной гетероструктурой может уменьшать плотность носителей заряда, и введение легирующих примесей в светоизлучающую зону и вблизи нее может повысить качество материала светоизлучающей зоны, причем то и другое может уменьшить число носителей, уходящих на безызлучательную рекомбинацию. Варианты осуществления изобретения предназначены для ослабления или обращения снижения квантового выхода при высокой плотности тока, наблюдаемой на фиг.2, в устройстве, показанном на фиг.1.
На фиг.3 изображено светоизлучающее устройство в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Светоизлучающая область 35 расположена между областью 31 n-типа и областью 39 p-типа. Светоизлучающая область 35 может быть отделена от области 31 n-типа и области 39 p-типа дополнительными первым и вторым разделительными слоями 33 и 37. Устройство может содержать дополнительный подготовительный слой 32, расположенный между областью 31 n-типа и первым разделительным слоем 33, и/или дополнительный запирающий слой 38, расположенный между вторым разделительным слоем 37 и областью 39 p-типа.
Вместо тонких слоев квантовых ям, разделенных обедненными слоями, светоизлучающая область 35 может содержать, по меньшей мере, один толстый светоизлучающий слой, например, толще чем 50 ангстрем. В некоторых вариантах осуществления светоизлучающая область 35 содержит один толстый светоизлучающий слой толщиной от 50 до 600 ангстрем, предпочтительнее от 100 до 250 ангстрем. Верхний предел толщины обусловлен современными технологиями выращивания, которые имеют следствием низкое качество материала, когда толщина светоизлучающего слоя становится больше 600 ангстрем, например при толщинах свыше 1000 ангстрем. Низкое качество материала обычно приводит к снижению внутреннего квантового выхода. По мере совершенствования технологий выращивания, возможно, будут выращивать устройства с большей толщиной светоизлучающих слоев, без снижения внешнего квантового выхода и, следовательно, в пределах объема вариантов осуществления изобретения.
9
-2
8
-2
7
-2
6
-2
Оптимальная толщина может зависеть от числа дефектов внутри светоизлучающего слоя. В общем, по мере увеличения числа дефектов оптимальная толщина светоизлучающего слоя уменьшается. Кроме того, дефекты могут быть центрами безызлучательной рекомбинации, следовательно, желательно уменьшать число дефектов, насколько это возможно. Наиболее общий дефект в III-нитридных материалах является винтовой дислокацией. Концентрацию винтовых дислокаций измеряют в расчете на единицу площади. Концентрацию винтовых дислокаций в светоизлучающей области предпочтительно ограничивают до уровня ниже чем 10 см, в более предпочтительном варианте ограничивают до уровня ниже чем 10 см, в еще более предпочтительном варианте ограничивают до уровня ниже чем 10 см, и, даже еще более предпочтительно, ограничивают до уровня ниже чем 10 см. Обеспечение вышеупомянутых концентраций винтовых дислокаций может потребовать применения таких технологий выращивания, как эпитаксиальное послойное наращивание, эпитаксия из гидридной паровой фазы и выращивание на отдельных GaN-подложках. Эпитаксиальное послойное наращивание заключается в избирательном выращивании GaN поверх отверстий в слое фотошаблона, сформированном на GaN-слое, выращенном на традиционной подложке для выращивания, например сапфире. Срастание избирательно выращенного GaN может облегчить выращивание плоской поверхности GaN по всей подложке для выращивания. Слои, выращенные после избирательно выращенного GaN-слоя, могут иметь низкие плотности дефектов. Эпитаксиальное послойное наращивание более подробно описано в работе Mukai et al., «Ultraviolet InGaN and GaN Single-Quantum Well-Structure Light-Emitting Diodes Grown on Epitaxial Laterally Overgrown GaN Substrates», Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 38 (1999), p. 5735, которая включена в настоящее описание путем отсылки. Эпитаксиальное выращивание из гидридной паровой фазы отдельных GaN-положек более подробно описано в работе Motoki et al., «Preparation of Large Freestanding GaN Substrates by Hydride Vapor Phase Epitaxy Using GaAs as a Starting Substrate», Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 40 (2001), p. L140, которая включена в настоящее описание путем отсылки.
18
19
-3
В дополнение к большой толщине светоизлучающие слои светоизлучающей области 35 легированы, например, донорной примесью (n-типа) Si. В некоторых вариантах осуществления в качестве легирующей примеси применяют Si, поскольку Si может обеспечить совершенствование других свойств материала, например придать шероховатость поверхности, которая может повысить коэффициент вывода светового излучения из устройства, или ослабить напряжение в светоизлучающем слое. На фиг.4 представлен график времени затухания в зависимости от уровня легирования кремнием для нескольких InGaN-пленок. Для сбора данных, представленных на фиг.4, InGaN-пленки, легированные до показанных уровней, зондировали лазером при низких интенсивностях возбуждения. Измеряли времена жизни носителей, т.е. отрезок времени до поглощения носителя дефектом. Более длительное время жизни свидетельствует о более высоком качестве материала пленки; меньшее время жизни свидетельствует о худшем качестве материала. Как показано на фиг.4, InGaN-пленки, легированные до уровней от 6×10 до 2×10 см, характеризуются самыми продолжительными временами жизни, указывающими на то, что безызлучательная рекомбинация в данных пленках является самой замедленной. На фиг.4 показано, что на интенсивность безызлучательной рекомбинации могут влиять уровни легирования Si в светоизлучающих слоях.
2
2
18
19
-3
2
19
-3
18
-3
18
-3
19
-3
19
-3
0,16
0,84
0,08
0,92
На фиг.9A показана зависимость внутреннего квантового выхода при 330 А/см от уровня легирования кремнием для устройств со светоизлучающими слоями InGaN толщиной 96 ангстрем, которые излучают свет с максимумом на длине волны около 450 нм. На фиг.9B показана зависимость внутреннего квантового выхода при 330 А/см от уровня легирования кремнием для устройств со светоизлучающими слоями InGaN толщиной 96 ангстрем, которые излучают свет с максимумом на длине волны около 440 нм. Как на фиг.4, на фиг.9A и 9B показано, что устройства со светоизлучающими слоями InGaN с уровнями легирования кремнием от 6×10 до 3×10 см обладают максимальным внутренним квантовым выходом. В частности, на фиг.9A изображен максимум внутреннего квантового выхода для 330 А/см при приблизительно 2×10 см для устройства, излучающего свет с максимумом на длине волны около 450 нм. На фиг.9B изображен максимум внутреннего квантового выхода при приблизительно 8×10 см для устройства, излучающего свет с максимумом на длине волны около 400 нм. Когда уровень легирования светоизлучающего слоя становится ниже 6×10 см выше 3×10 см, внутренний квантовый выход снижается. Когда уровень легирования кремнием становится выше 3×10 см, качество материала становится неудовлетворительным.
0,12
0,88
19
-3
2
Кружками на фиг.2 показана зависимость внешнего квантового выхода от плотности тока для устройства в соответствии с вариантами осуществления изобретения. В устройстве, обозначенном кружками на фиг.2, в светоизлучающий слой InGaN толщиной 130 ангстрем введена легирующая примесь Si до концентрации 10 см. Данное устройство излучает свет с длиной волны около 430 нм. В отличие от устройства, показанного на фиг.1 и обозначенного треугольниками на фиг.2, в устройстве в соответствии с вариантами осуществления изобретения внешний квантовый выход возрастает с возрастанием плотности тока, затем наступает выравнивание при внешнем квантовом выходе около 26% и плотности тока около 250 А/см. При той же самой плотности тока устройство, показанное на фиг.1, характеризуется внешним квантовым выходом всего около 18%, который снижается, когда плотность тока повышается.
2
9
-2
18
-3
8
-2
19
-3
В некоторых вариантах осуществления эффективность устройства значительно повышается только в том случае, когда одновременно обеспечиваются оптимальные толщины в соответствии с вариантами осуществления изобретения и оптимальные уровни легирования кремнием в соответствии с вариантами осуществления изобретения, как показано на фиг.10, на котором представлен график зависимости внутреннего квантового выхода при 330 А/см от толщины светоизлучающего слоя для нескольких устройств. Ромбиками на фиг.10 представлены устройства со светоизлучающим слоем с плотностью винтовых дислокаций 1,5×10 см и уровнем легирования 10 см, т.е. уровнем легирования ниже вышеупомянутых оптимальных диапазонов легирования кремнием. Квадратиками на фиг.10 представлено устройство со светоизлучающим слоем с плотностью винтовых дислокаций 4×10 см и уровнем легирования 10 см, т.е. уровнем легирования в пределах вышеупомянутых оптимальных диапазонов легирования кремнием.
18
-3
18
-3
Как показано ромбиками на фиг.10, в светоизлучающем слое с уровнем легирования ниже, чем вышеописанные оптимальные уровни легирования, внутренний квантовый выход снижается, когда толщина светоизлучающего слоя повышается до значений в пределах вышеупомянутых оптимальных диапазонов толщин. Например, внутренний квантовый выход для устройства со светоизлучающим слоем с уровнем легирования 10 см снижается от максимума при толщине светоизлучающего слоя меньше чем 50 ангстрем до нуля при толщине светоизлучающего слоя около 130 ангстрем. Напротив, как показано квадратиками на фиг.10, при вышеописанных оптимальных уровнях легирования, при толщине светоизлучающего слоя от приблизительно 80 ангстрем до приблизительно 230 ангстрем, внутренний квантовый выход превосходит максимальный внутренний квантовый выход, наблюдаемый для светоизлучающего слоя с уровнем легирования всего 10 см.
19
-3
На фиг.10 показано также, что, даже если светоизлучающий слой легирован до вышеупомянутых уровней легирования, внутренний квантовый выход устройства снижается, если толщина светоизлучающего слоя находится за пределами вышеописанного оптимального диапазона толщин. Например, квадратики на фиг.10 показывают, что при толщине 30 ангстрем, т.е. обычной толщине тонких квантовых ям в устройстве типа показанного на фиг.1, и толщине, меньшей, чем вышеупомянутые оптимальные толщины светоизлучающих слоев, устройство со светоизлучающим слоем, легированным до оптимального уровня легирования 10 см, все еще отличается очень низким внутренним квантовым выходом. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления как толщина светоизлучающего слоя, так и концентрация легирующей примеси в светоизлучающем слое должны быть в пределах вышеупомянутых оптимальных диапазонов, чтобы обеспечить повышение внутреннего квантового выхода.
В некоторых вариантах осуществления легированные кремнием первый и второй разделительные слои 33 и 37 сочетают с вышеупомянутыми оптимальными толщинами светоизлучающей области и уровнями легирования. Как показано в нижеприведенной таблице 1, внутренний квантовый выход толстого, оптимально легированного кремнием светоизлучающего слоя можно дополнительно повысить легированием разделительных слоев, непосредственно прилегающих к светоизлучающему слою, до таких же уровней легирования. Разделительные слои могут иметь толщину, например, от приблизительно 20 до приблизительно 1000 ангстрем и обычно приблизительно равную 100 ангстрем.
Таблица 1
Относительный внутренний квантовый выход при 330 А/см<sup>2</sup> для светоизлучающих слоев InGaN толщиной 64 ангстрем
Легирования разделительных слоев
10<sup>18</sup> см<sup>-3</sup>
10<sup>19</sup> см<sup>-3</sup>
Легирование светоизлучающего слоя
10<sup>19</sup> см<sup>-3</sup>
31%
41%
10<sup>18</sup> см<sup>-3</sup>
9,4%
39%
19
-3
19
-3
18
-3
19
-3
Данные, представленные на фиг.2, 4 и 10 и в таблице 1, характеризуют устройства со светоизлучающими слоями InGaN с 12% InN, которые излучают свет на длине волны около 430 нм. Для увеличения длины волны излучаемого света требуется повышение концентрации InN в светоизлучающем слое. Как правило, когда концентрация InN в слое возрастает, качество материала слоя снижается. Соответственно, устройства с большей концентрацией InN в светоизлучающих слоях могут нуждаться в повышении концентраций легирующей примеси в светоизлучающих слоях, чтобы обеспечить повышение выхода, как показано на фиг.2, 9A и 10. Например, в устройствах со светоизлучающими слоями InGaN с 16% концентрацией InN, которые излучают на длине волны около 450 нм, оптимальный уровень легирования кремнием может составлять, например, от 1×10 см до 5×10 см, как показано на фиг.9A, вместо уровней от 6×10 см до 10 см, как показано на фиг.9B для устройства, излучающего свет на длине волны 400 нм.
Вышеописанные примеры дают описание оптимальных толщин и уровней легирования для каждого(ой) из первого разделительного слоя 33, светоизлучающей области 35 и второго разделительного слоя 37. В различных вариантах осуществления, по меньшей мере, одна из областей 33, 35 и 37 может быть специально не легирована или может быть легирована до уровня ниже вышеуказанных оптимальных диапазонов легирования. Например, все три из областей 33, 35 и 37 могут быть оптимально легированы; разделительный слой 33 и светоизлучающая область 35 могут быть оптимально легированы, и разделительный слой 37 может быть специально не легирован или может быть легирован до уровня ниже оптимального диапазона; разделительный слой 37 и светоизлучающая область 35 могут быть оптимально легированы, и разделительный слой 33 может быть специально не легирован или может быть легирован до уровня ниже оптимального диапазона; или оба разделительных слоя 33 и 37 могут быть оптимально легированы, и светоизлучающая область 35 может быть специально не легирована или может быть легирована до уровня ниже оптимального диапазона.
В некоторых вариантах осуществления внутренний квантовый выход устройства можно дополнительно повысить введением дополнительного запирающего слоя 38, как показано на фиг.3. Запирающий слой 38 ограничивает ток в пределах светоизлучающего слоя и в некоторых вариантах осуществления представляет собой алюмосодержащий слой p-типа, часто AlGaN p-типа или AlInGaN p-типа. Внутренний квантовый выход в устройстве является функцией произведения коэффициента инжекции носителей заряда и коэффициента излучательной рекомбинации. Коэффициент инжекции носителей заряда равен отношению величины тока, который рекомбинирует в светоизлучающем слое, к величине тока, подаваемого в устройство. Коэффициент излучательной рекомбинации равен отношению величины тока, который рекомбинирует в светоизлучающем слое и излучает свет (в противоположность току, который рекомбинирует в светоизлучающем слое, например в дефекте кристалла, и не излучает света), к общей величине тока, который рекомбинирует в светоизлучающем слое.
0,12
0,88
0,16
0,84
0,16
0,84
0,12
0,88
Коэффициент инжекции чувствителен к составу AlN в запирающем слое 38. «Высота» потенциального барьера, обеспечиваемого запирающим слоем 38, определяется содержанием AlN в запирающем слое, величиной поверхностного заряда на границе раздела между запирающим слоем 38 и разделительным слоем 37 и легированием запирающего слоя 38 и окружающих слоев. На фиг.11 показана зависимость коэффициента инжекции и внутреннего квантового выхода от содержания AlN в запирающем слое 38 для устройств со светоизлучающими слоями InGaN и InGaN в соответствии с вариантами осуществления изобретения. Данные, приведенные на фиг.11, получены моделированием. Ромбики и квадраты на фиг.11 показывают коэффициент инжекции и внутренний квантовый выход устройства со светоизлучающим слоем InGaN; треугольники и значки x на фиг.11 показывают коэффициент инжекции и внутренний квантовый выход устройства со светоизлучающим слоем InGaN. При 0% концентрации AlN в запирающем слое 38 как коэффициент инжекции, так и внутренний квантовый выход приблизительно равны нулю. Когда содержание AlN в запирающем слое повышают до 8%, коэффициент инжекции резко возрастает до значений выше 50%. Когда содержание AlN становится выше 8%, коэффициент инжекции повышается. Для коэффициента инжекции выше чем 90%, содержание AlN может быть, по меньшей мере, 15%.
На фиг.12 показана зависимость внутреннего квантового выхода от содержания AlN в запирающем слое 38, наблюдаемая в реальных устройствах, которые излучают свет на длине волны 430 нм. Как показано на фиг.12, когда содержание AlN в запирающем слое повышают от 0%, внутренний квантовый выход повышается до максимума внутреннего квантового выхода при содержании AlN около 20%. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления устройства содержание AlN в запирающем слое AlGaN выше 8% и ниже 30%, предпочтительно выше 15% и ниже 25%. Снижение внутреннего квантового выхода, когда содержание AlN становится выше 20%, может быть вызвано включением загрязняющих примесей во время выращивания слоев с высоким содержанием AlN.
g,GaN
g,AlN
Вышеупомянутые содержания AlN можно свести к требуемым значениям ширины запрещенной зоны для запирающего слоя 38, которые показаны ниже в таблице 2. Данные в таблице 2 вычислены с помощью уравнения , где E означает ширину запрещенной зоны GaN, 3,4 эВ, E означает ширину запрещенной зоны AlN, 6,2 эВ, и b означает параметр прогиба, 1 эВ при комнатной температуре.
Таблица 2
Ширина запрещенной зоны для запирающих слоев Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>N
x, содержание AlN
E<sub>g,AlGaN</sub> (эВ)
0,05
3,49
0,08
3,55
0,12
3,63
0,15
3,69
0,17
3,73
0,20
3,80
0,25
3,89
Как показано в таблице 2, содержания AlN от 8% до 25% соответствуют значениям ширины запрещенных зон от 3,55 до 3,89 эВ. Соответственно, в вариантах осуществления изобретения запирающий слой может быть слоем с любым составом с шириной запрещенной зоны больше чем 3,5 эВ. Поскольку верхний предел содержания AlN, показанный на фиг.12, по-видимому, обусловлен проблемами качества материалов, в частности современными технологиями выращивания слоев AlGaN, а не шириной запрещенной зоны, то, в предположении устранения проблем качества материалов, верхний предел ширины запрещенной зоны запирающего слоя AlGaN равен ширине запрещенной зоны запирающего слоя AlN.
Запирающий слой 38 должен быть достаточно толстым, чтобы носители заряда не могли туннелировать сквозь запирающий слой 38, в общем случае, толще чем 10 ангстрем. В некоторых вариантах осуществления запирающий слой 38 имеет толщину от 10 до 1000 ангстрем, предпочтительно от 100 до 500 ангстрем. В некоторых вариантах осуществления запирающий слой 38 может быть частью всей области 39 p-типа; например, запирающий слой 38 может быть слоем, на котором сформирован электрический контакт на стороне p-типа светоизлучающего слоя.
В некоторых вариантах осуществления внутренний квантовый выход устройства можно дополнительно повысить введением дополнительного подготовительного слоя 32, как показано на фиг.3. Подготовительный слой 32 может представлять собой сглаживающую структуру, описанную в патенте США 6635904, «Indium Gallium Nitride Smoothing Structures For III-nitride Devices», выданном 21 октября 2003 г. и включенном в настоящее описание путем отсылки. Подготовительный слой 32 сформирован поверх области 31 n-типа. Подготовительный слой может быть слоем n-типа, расположенным ниже светоизлучающего слоя, на расстоянии не более чем 5000 ангстрем от светоизлучающего слоя. Подготовительный слой может иметь толщину, изменяющуюся от приблизительно 200 ангстрем до нескольких микрометров. Подготовительный слой 32 имеет концентрацию индия ниже, чем светоизлучающая область 35; например, подготовительный слой 32 может быть слоем InGaN, содержащим 2-12% InN, и предпочтительнее содержащим 2-6% InN. В некоторых вариантах осуществления подготовительный слой 32 может быть частью области 31 n-типа; например, подготовительный слой 32 может быть слоем, на котором сформирован электрический контакт на стороне n-типа светоизлучающего слоя.
19
-3
19
-3
19
-3
0,16
0,84
Кроме снижения эффективности при высокой плотности тока, устройство, показанное на фиг.1, может также демонстрировать сдвиг длины волны максимума, когда повышается плотность тока, подаваемого в устройство. Конструкции устройств в соответствии с вариантами осуществления изобретения могут, при желании, ослаблять или исключать сдвиг длины волны максимума, как показано в таблице 3. Устройства, обозначенные в таблице 3 как «Устройство, показанное на фиг.3», содержат светоизлучающие слои толщиной 130 ангстрем, легированные Si до концентрации 1×10 см, которые излучают свет с максимумом на длине волны около 430 нм, первые разделительные слои GaN толщиной 200 ангстрем, легированные Si до концентрации 1×10 см, вторые разделительные слои GaN толщиной 100 ангстрем, легированные Si до концентрации 1×10 см, и запирающие слои AlGaN толщиной 210 ангстрем.
Таблица 3
Сдвиг длины волны максимума для устройств в соответствии с вариантами осуществления изобретения и устройств в соответствии с фиг.1
Изменение плотности тока
Сдвиг длины волны для устройства, показанного на фиг.1
Сдвиг длины волны для устройства, показанного на фиг.3
От 20 до 930 А/см<sup>2</sup>
8 нм
3 нм
От 20 до 400 А/см<sup>2</sup>
6 нм
2 нм
От 20 до 200 А/см<sup>2</sup>
4 нм
1 нм
Хотя в вышеприведенных примерах каждое устройство содержит только один светоизлучающий слой, некоторые варианты осуществления изобретения содержат несколько светоизлучающих слоев, разделенных потенциальными барьерами. Кроме того, в вышеприведенных примерах применяют кремний в качестве легирующей добавки в светоизлучающей области и окружающих слоях, в некоторых вариантах осуществления возможно применение других подходящих легирующих примесей в дополнение к кремнию или вместо него, например другие элементы группы IV, такие как германий и олово, элементы группы VI, такие как кислород, селен, теллур и сера, элементы группы III, такие как алюминий или бор, и легирующие примеси p-типа, например магний. И, наконец, хотя в вышеприведенных примерах предлагаются устройства со светоизлучающими слоями InGaN, которые обычно излучают свет в диапазоне от ближнего УФ до инфракрасного света, в других вариантах осуществления светоизлучающий слой или разделительные слои могут быть GaN, AlGaN или AlInGaN, и устройства могут излучать свет в диапазоне от УФ до красного света.
Хотя в вышеприведенных примерах каждый(ая) из легированных слоев или области (например, светоизлучающий слой или разделительные слои) легирован(а) равномерно, в других вариантах осуществления, по меньшей мере, один легированный слой или одна легированная область может быть легирован(а) частично, или легирование может быть градиентным. В качестве альтернативы или дополнительно состав, по меньшей мере, одного вышеописанного слоя может быть градиентным. В целях настоящего описания термин «градиентный» при описании состава или концентрации легирующей примеси в слое или слоях устройства относится к любой структуре, которая обеспечивает изменение состава и/или концентрации легирующей примеси любым образом, кроме изменения одной ступенью состава и/или концентрации легирующей примеси. В одном примере градиентным является легирование одного или обоих разделительных слоев. В другом примере градиентным является содержание InN в светоизлучающем слое. Каждый градиентный слой может представлять собой набор из подслоев, при этом каждый из подслоев имеет концентрацию или состав легирующей примеси, отличающиеся от каждого подслоя, смежного с ним. Если подслои имеют различимую толщину, то градиентный слой является ступенчато-градиентным слоем. В пределе, когда толщина отдельных подслоев приближается к нулю, градиентный слой является непрерывно-градиентным слоем. Подслои, составляющие каждый градиентный слой, могут быть сформированы так, чтобы создавать множество различных профилей изменения состава и/или концентрации легирующей примеси по толщине, включая, но без ограничения, линейные градиенты, параболические градиенты и градиенты со степенным профилем. Кроме того, градиентные слои не ограничены единственным градиентным профилем, но могут содержать участки с разными градиентными профилями и, по меньшей мере, один участок с, по существу, постоянными составом и/или концентрацией примеси.
На фиг.13A-13K представлено несколько схем градиентного изменения для светоизлучающей области 35, показанной на фиг.3. На фиг.13A-13K изображен участок зоны проводимости диаграмм энергетических зон, содержащих первый разделительный слой 33, светоизлучающую область 35 и второй разделительный слой 37. В устройстве со светоизлучающей областью 35 из InGaN чем больше ширина запрещенной зоны, т.е. чем выше уровень, показанный на каждом чертеже, тем меньше содержание InN. Следовательно, если взять фиг.13A для примера, то первый разделительный слой 33 представляет собой GaN или InGaN без InN или с небольшим содержанием InN. Содержание InN повышается и выдерживается постоянным на первом участке светоизлучающего слоя 35 из InGaN, затем содержание InN плавно изменяется до нуля или низкого содержания на границе раздела со вторым разделительным слоем 37. На фиг.13G-13K показано присутствие, по меньшей мере, одного локального максимума 130 в запрещенной энергетической зоне внутри светоизлучающей области 35. В светоизлучающей области 35 из InGaN данные локальные максимумы в запрещенной энергетической зоне представляют собой области с меньшим содержанием InN, чем в окружающих областях светоизлучающей области 35. В некоторых вариантах осуществления различие по ширине запрещенной энергетической зоны между данными локальными максимумами и окружающими их областями светоизлучающей области 35 является достаточно малым, чтобы максимумы не обладали электронными состояниями, что означает отсутствие квантового ограничения в областях между ними, и, следовательно, области между ними не являются квантовыми ямами.
Полупроводниковая структура, показанная на фиг.3, может содержаться в светоизлучающем устройстве любой конфигурации. На фиг.5 и 6 показано устройство, смонтированное методом перевернутого кристалла, содержащее структуру, показанную на фиг.3. На фиг.7 показано тонкопленочное устройство, содержащее структуру, показанную на фиг.3.
На фиг.5 представлен вид в плане устройства с широким переходом (т.е. с площадью, большей или равной одному квадратному миллиметру). На фиг.6 изображено сечение устройства, показанного на фиг.5, по указанной оси. На фиг.5 и 6 показано также расположение контактов, которое можно использовать в полупроводниковой структуре, показанной на фиг.3. Устройство, показанное на фиг.5 и 6, более подробно описано в патенте США 6828586, который включен в настоящее описание путем отсылки. Полупроводниковая структура, в целом, показанная на фиг.3 и описанная выше в различных примерах, представлена на фиг.6 в виде эпитаксиальной структуры 110, выращенной на подложке 10 для выращивания, которая остается составной частью готового устройства. Сформировано несколько сквозных отверстий, в которых контакты 114 n-типа электрически контактируют с областью 31 n-типа, показанной на фиг.3. Контакты 112 p-типа сформированы на остальных участках области 39 p-типа, показанной на фиг.3. Отдельные контакты 114 n-типа, сформированные в сквозных отверстиях, электрически соединены токопроводящими областями 118. Устройство может быть перевернуто относительно ориентации, показанной на фиг.5 и 6, и смонтировано на кристаллодержателе (не показанном) контактной стороной вниз, чтобы свет выводился из устройства сквозь подложку 10. Контакты 114 n-типа и токопроводящие области 118 электрически контактируют с кристаллодержателем посредством соединительной области 124 n-типа. Под соединительной областью 124 n-типа контакты 112 p-типа изолированы от контактов 114 n-типа, токопроводящих областей 118 и соединительной области 124 n-типа диэлектриком 116. Контакты 112 p-типа электрически контактируют с кристаллодержателем через соединительную область 122 p-типа. Под соединительной областью 122 p-типа контакты 114 n-типа и токопроводящие области 118 изолированы от соединительной области 122 p-типа диэлектриком 120.
На фиг.7 показано сечение тонкопленочного устройства, т.е. устройства, из которого демонтирована подложка для выращивания. Устройство, показанное на фиг.7, может быть сформировано выращиванием полупроводниковой структуры 57, показанной на фиг.3, на обычной подложке 58 для выращивания прикреплением слоев устройства к основной подложке 70, затем демонтажом подложки 58 для выращивания. Например, область 31 n-типа выращена на подложке 58. Область 31 n-типа может содержать дополнительные подготовительные слои, например буферные слои, зародышевые слои и вспомогательные разделительные слои, предназначенные для облегчения отделения подложки для выращивания или уменьшения толщины эпитаксиальных слоев после демонтажа подложки. Светоизлучающая область 35 выращена поверх области 31 n-типа и на ней выращена область 39 p-типа. Светоизлучающая область 35 может располагаться между дополнительными первым и вторым разделительными слоями 33 и 37. По меньшей мере, один металлический слой 72, включая, например, омические контактные слои, отражательные слои, обедненные слои и соединительные слои, осажден на область 39 p-типа.
Затем слои устройства прикрепляют к основной подложке 70 при посредстве открытой поверхности металлических слоев 72. По меньшей мере, один связывающий слой (не показанный), обычно металлический, может служить гибким материалом для термокомпрессионного соединения или соединения пайкой эвтектическим материалом между эпитаксиальной структурой и основной подложкой. Примеры подходящих металлов для связывающих слоев включают в себя золото и серебро. Основная подложка 70 обеспечивает механическую опору для эпитаксиальных слоев после того, как демонтирована подложка для выращивания, и обеспечивает электрический контакт с областью 39 p-типа. Основную подложку 70 обычно выбирают так, чтобы подложка была электропроводящей (т.е. имела удельное сопротивление меньше чем приблизительно 0,1 Ом·см), теплопроводной, имела коэффициент термического расширения (CTE), согласованный с коэффициентом термического расширения эпитаксиальных слоев, и была достаточно плоской (т.е. имела среднеквадратичную высоту микронеровностей меньше чем приблизительно 10 нм) для формирования прочного соединения с пластиной. Подходящие материалы включают в себя, например, металлы, например Cu, Mo, Cu/Mo и Cu/W; полупроводники с металлическими контактами, например Si с омическими контактами и GaAs с омическими контактами, содержащими, например, по меньшей мере, что-то одно из Pd, Ge, Ti, Au, Ni, Ag; и керамические материалы, например, AlN, прессованная алмазная крошка или алмазные слои, выращенные методом химического осаждения из паровой фазы.
Слои устройства могут крепиться к основной подложке 70 на целой пластине, так что вся пластина устройств крепится к пластине основных подложек, и затем, после закрепления, выполняется разрезание на отдельные устройства. В альтернативном варианте пластина устройств может быть разрезана на отдельные устройства, затем каждое устройство крепится к основной подложке 70 по одному кристаллу, как более подробно описано в заявке на патент США №10/977294, «Package-Integrated Thin-Film LED», поданной 28 октября 2004 г. и включенной в настоящее описание путем отсылки.
Основная подложка 70 и полупроводниковая структура 57 сжимаются при повышенной температуре и давлении для формирования надежного соединения на границе раздела между основной подложкой 70 и металлическими слоями 72, например, надежное металлическое соединение формируется между металлическими соединительными слоями (не показанными) на границе раздела. Пределы изменения температуры и давления для соединения ограничены снизу прочностью результирующего соединения и сверху устойчивостью структуры основной подложки, металлизации и эпитаксиальной структуры. Например, высокие температуры и/или высокие давления могут приводить к деструкции эпитаксиальных слоев, отслоению металлических контактов, разрушению барьеров для диффузии или обезгаживанию составляющих материалов в эпитаксиальных слоях. Температуры, подходящие для соединения, изменяются в диапазоне, например, от комнатной температуры до приблизительно 500°C. Давления, подходящие для соединения, изменяются в диапазоне, например, от нулевого прилагаемого давления до приблизительно 500 фунтов на кв. дюйм. Затем демонтируют подложку 58 для выращивания.
2
Чтобы демонтировать сапфировую подложку для выращивания, участки границы раздела между подложкой 58 и полупроводниковой структурой 57 облучают, через подложку 58, импульсным ультрафиолетовым лазером с высокой плотностью энергии по пошаговой схеме. Облучаемые участки могут быть разделены канавками, вытравленными сквозь кристаллические слои устройства, чтобы локализовать ударную волну, вызванную облучением лазером. Энергия фотонов лазера выше ширины запрещенной зоны слоя кристалла, прилегающего к сапфиру (GaN в некоторых вариантах осуществления), следовательно, энергия импульса эффективно преобразуется в тепловую энергию в пределах первых 100 нм эпитаксиального материала, прилегающего к сапфиру. При достаточно высокой плотности энергии (т.е. выше чем приблизительно 500 мДж/см) и при энергии фотонов выше ширины запрещенной зоны в GaN и ниже края поглощения сапфира (т.е. от приблизительно 3,44 эВ до приблизительно 6 эВ), температура в пределах первых 100 нм возрастает в течение наносекунд до температуры выше чем 1000°C, т.е. достаточно высокой для разложения GaN на газообразные галлий и водород и отделения эпитаксиальных слоев от подложки 58. Получаемая структура содержит полупроводниковую структуру 57, прикрепленную к основной подложке 70. В некоторых вариантах осуществления подложку для выращивания можно демонтировать другими средствами, например травлением, шлифованием или их сочетанием.
После того как подложка для выращивания демонтирована, можно уменьшить толщину полупроводниковой структуры 57, например, чтобы снять участки области 31 n-типа, ближайшие к подложке 58 и имеющие низкое качество материала. Эпитаксиальные слои можно сделать тоньше, например, химико-механическим полированием, обычным сухим травлением или фотоэлектрохимическим травлением (PEC). Верхнюю поверхность эпитаксиальных слоев можно текстурировать или сделать шероховатой для повышения количества выводимого света. Затем на открытой поверхности области 31 n-типа формируют контакт (не показанный). n-Контакт может быть, например, решеткой. В слои под n-контактом можно имплантировать, например, водород для предотвращения светоизлучения с участка светоизлучающей области 35 под n-контактом. На светоизлучающую поверхность можно нанести известную в технике вспомогательную оптику, например дихроичный слой или поляризаторы, чтобы обеспечить дополнительное повышение яркости или эффективности преобразования.
На фиг.8 представлен перспективный вид с пространственным разделением деталей светоизлучающего устройства в корпусе, более подробно описанного в патенте США 6274924. Радиатор 100 вставлен в запрессованную выводную рамку. Запрессованная выводная рамка представляет собой, например, наполненный пластиковый материал 105, формованный вокруг металлической рамки 106, который обеспечивает электрический путь. Радиатор 100 может содержать дополнительный отражательный цилиндр 102. Кристалл 104 светоизлучающего устройства, который может быть любым из устройств, описанных в приведенных выше вариантах осуществления, установлен непосредственно или через теплопроводный вспомогательный держатель 103 на радиатор 100. Дополнительным элементом может быть крышка 108, которая может быть оптической линзой.
Из вышеприведенного подробного описания настоящего изобретения специалистам в данной области техники будет очевидна возможность создания модификаций изобретения без выхода за пределы существа идеи изобретения, изложенной в настоящем описании. Поэтому не предполагается, что объем изобретения ограничен специальными показанными и описанными вариантами осуществления.