RU2262155C1 - Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне - Google Patents
Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне Download PDFInfo
- Publication number
- RU2262155C1 RU2262155C1 RU2004127877/28A RU2004127877A RU2262155C1 RU 2262155 C1 RU2262155 C1 RU 2262155C1 RU 2004127877/28 A RU2004127877/28 A RU 2004127877/28A RU 2004127877 A RU2004127877 A RU 2004127877A RU 2262155 C1 RU2262155 C1 RU 2262155C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- nitride material
- barrier layer
- doped
- width
- Prior art date
Links
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области полупроводниковых излучающих приборов, конкретнее к светодиодам на основе широкозонных нитридных соединений типа AIIIBV. Сущность: в полупроводниковом элементе, излучающем свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Si, активный слой с одной или более квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала, барьерный слой, выполненный из AlXGa1-XN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, в качестве нитридного материала n-контактного слоя использован AlYGa1-YN, в котором 0,25≤Y≤0,65, в качестве нитридного материала активного слоя использован AlZGa1-ZN, где Y-0,08≤Z≤Y-0,15, в барьерном слое 0,3≤Х≤1, в качестве нитридного материала р-контактного слоя использован AlWGa1-WN, где Y≤W≤0,7, при этом активный слой легирован Si с концентрацией Si не менее 1019 см-3, ширина "d" квантовых ям активного слоя составляет 1≤d≤4 нм, мольная доля Al на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и дальше уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нанометр толщины барьерного слоя, причем ширина "b" барьерного слоя находится в пределах 10≤b≤30 нм. Технический результат изобретения: расширение диапазона ультрафиолетового излучения полупроводникового элемента до 280-200 нм. 1 табл., 1 ил.
Description
Изобретение относится к области полупроводниковых излучающих приборов, конкретнее к светодиодам на основе широкозонных нитридных соединений типа AIIIBV.
Известен полупроводниковый светоизлучающий элемент, содержащий подложку, буферный слой, n-контактный слой с высокой проводимостью, легированный кремнием, активный слой, включающий структуру из нескольких квантовых ям, барьерные слои и р-контактный слой, US 6515313.
Это техническое решение обеспечивает уменьшение электрических полей, порождаемых поляризационными зарядами на границах слоев с различным составом, с целью повышения внутренней квантовой эффективности, однако не позволяет осуществить эффективное излучение в ультрафиолетовом диапазоне.
Известен также полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку из сапфира, буферный слой, выполненный из нитридного материала (AlN), n-контактный слой, выполненный из нитридного материала (GaN), легированного Si, n-эмиттерный слой из AlGaN, активный слой с несколькими квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала (InGaN), барьерный слой, выполненный из AlGaN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала (GaN), легированного Mg, US 2002149024.
В данной конструкции для повышения квантовой эффективности светодиода доля нитрида алюминия в составе n-эмиттерного слоя составляет от 0 до 6%, а толщина этого слоя от 50 до 300 нм; легирование и состав слоев n-типа и р-типа, прилегающих к активному слою, обеспечивают отношение концентраций электронов и дырок около 1.
Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.
Однако этот полупроводниковый элемент пригоден преимущественно для излучения с длиной волны 380 нм и выше. В более коротковолновом диапазоне устройство-прототип неработоспособно вследствие особенностей состава слоев.
Для работы элемента в ультрафиолетовом диапазоне (280 нм и менее) требуется применение нитридных соединений с высоким содержанием алюминия. Повышение энергетического барьера для электронов в барьерном слое с большим содержанием AlN препятствует проникновению электронов в р-слои. Однако встроенное электрическое поле в барьерном слое из AlGaN создает также потенциальный барьер для дырок, в результате чего их концентрация в эмиттере вблизи активной области оказывается малой. С другой стороны, инжектированные дырки могут беспрепятственно проникать в n-слои, в результате чего доминирует безызлучательная рекомбинация носителей при больших уровнях инжекции.
В основу настоящего изобретения положено решение задачи расширения диапазона ультрафиолетового излучения полупроводникового элемента до 280-200 нм.
Согласно изобретению эта задача решается за счет того, что в полупроводниковом элементе, излучающем свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Si, активный слой с одной или более квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала, барьерный слой, выполненный из AlXGa1-XN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, в качестве нитридного материала n-контактного слоя использован AlYGa1-YN, в котором 0,25≤Y≤0,65, в качестве нитридного материала активного слоя использован AlZGa1-ZN, где Y-0,08≤Z≤Y-0,15, в барьерном слое 0,3≤Х≤1, в качестве нитридного материала р-контактного слоя использован AlWGa1-WN, где Y≤W≤0,7, при этом активный слой легирован Si с концентрацией Si не менее 1019 см-3, ширина «d» квантовых ям активного слоя составляет 1≤d≤4 нм, мольная доля Al на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и дальше уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нанометр толщины барьерного слоя, причем ширина «b» барьерного слоя находится в пределах 10≤b≤30 нм.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «новизна».
В предлагаемой конструкции градиентный состав барьерного слоя (мольная доля Al на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и далее уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нанометр толщины барьерного слоя) обеспечивает повышение концентрации дырок на границе активного слоя, поскольку градиент состава барьерного слоя приводит к дополнительному распределенному поляризационному р-легированию вблизи активного слоя.
Отрицательный градиент состава барьерного слоя по отношению к направлению кристаллографической оси [0001] способствует увеличению эффективности светодиодной структуры при малых и умеренных токах; положительный градиент состава барьерного слоя значительно увеличивает эффективность структуры при больших токах.
Предложенная ширина барьерного слоя от 10 до 30 нм, во-первых, увеличивает инжекцию дырок в активный слой и, во-вторых, исключает релаксацию напряжении в полупроводниковом элементе из-за растрескивания барьерного слоя.
Для улучшения спектральных характеристик излучения в оптимизированной структуре ограничивается ширина квантовой ямы в пределах 1-4 нм, чтобы избавиться от второго электронного уровня в квантовой яме, но при этом не слишком сильно понизить эффективность захвата носителей в квантовую яму. Использование в качестве нитридного материала n-контактного слоя AlYGa1-YN, где 0,25≤Y≤0,65, значения «X» - в пределах от 0,3 до 1 в материале барьерного слоя AlXGa1-XN, применение в р-контактном слое AlWGa1-WN, где Y≤W≤0,7, легирование активного слоя Si с концентрацией атомов Si не менее 1019 см-3 обеспечивают эффективное излучение в диапазоне 280-200 нм, поскольку потенциальная энергия носителей заряда в выполненных таким образом слоях оказывается достаточной для излучения квантов с высокой энергией.
Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена схема послойной структуры полупроводникового элемента.
Полупроводниковый элемент в конкретном исполнении во всех примерах имеет структуру, которая включает последовательно:
- подложку 1, выполненную из сапфира, толщиной 500 мкм;
- буферный слой 2 из AlN толщиной 20 нм;
- n-контактный слой 3, выполненный из AlYGa1-YN, в котором Y=0,52, легированный кремнием с концентрацией 5·1018 см-3, толщиной 2 мкм;
- активный слой 4, содержащий одну квантовую яму, выполненный из AlZGa1-ZN, где Z=0,42, легированный кремнием с концентрацией атомов 1019 см-3;
- барьерный слой 5, легированный магнием с концентрацией 1019 см-3, выполненный из AlXGa1-XN;
р-контактный слой 6, выполненный из AlWGa1-WN, в котором W=0,52, легированный магнием с концентрацией 5·1019 см-3, толщиной 100 нм.
Полупроводниковый элемент представляет собой двухстороннюю светодиодную гетероструктуру с переменным составом барьерного слоя, которая позволяет получить внутреннюю эффективность либо постоянную на уровне 35-40% при плотностях тока порядка 10 А/см2, либо изменяющуюся от 20 до 50% в более широком интервале плотностей тока 1-1000 А/см2 при плотности дислокации ~109 см-2. При этом следует отметить, что уменьшение плотности дислокации в структуре приводит к резкому повышению ее внутренней эффективности. При плотности дислокации ~107 см-2 возможно получить внутренний квантовый выход, близкий к 100%.
Для испытаний гетероструктуры выращивались на сапфировой подложке методом МОС-гидридной эпитаксии при субатмосферном давлении и температурах от 1000 до 1100°С, n-контактные слои легировались Si до концентрации 5·1018 см-3, что было установлено с помощью ВИМС (вторичная ионная масс-спектрометрия). Активный слой легировался Si до концентрации 2·1019 см-3, барьерный и р-контактный слои легировались Mg до концентрации 5·1019 см-3.
После процесса роста структура подвергалась ионному травлению с целью формирования мезы до глубины, соответствующей уровню n-контактного слоя. Далее на вытравленную и оставшуюся части структуры наносились соответственно n- и р-контакты, представляющие собой многослойные металлические композиции, соответственно Ti/Al/Pt/Au и Ni/Au. Контакты вжигались в атмосфере азота при температуре 850°С в течение 30 секунд.
Далее из структуры вырезались отдельные светодиоды, которые монтировались на теплоотводе р-контактом вниз и к ним припаивались золотые электроды для подвода электрического тока.
Для исследования люминесцентных характеристик светодиодов использовался спектрометр КСВУ-12 со специально подобранной дифракционной решеткой, позволяющей осуществлять измерения в ультрафиолетовом спектральном диапазоне. В качестве детектора использовался фотоумножитель ФЭУ-100. Сигнал с фотоумножителя через цифровой вольтметр Щ1413 передавался на компьютер для окончательной обработки.
Точность измерений интенсивности излучения была не хуже, чем 0,02%.
Для измерения внешней эффективности светодиода использовался калиброванный фотодетектор на основе аморфного Si:H (легированного водородом). Измерения проводились при фиксированной геометрии эксперимента, что позволяло количественно сравнивать излучение различных образцов.
Электролюминесценция светодиодов измерялась при выводе излучения через сапфировую подложку.
В примерах 1-7 ширина квантовой ямы составляет от 1 до 4 нм, ширина барьерного слоя варьируется от 10 до 30 нм, мольная доля алюминия в составе барьерного слоя на поверхности, граничащей с активным слоем, от 1 до 0,65.
Полученные в результате испытаний характеристики полупроводниковых светоизлучающих элементов приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||
| Номер примера | Параметры полупроводникового элемента | Внутренняя квантовая эффективность при плотности тока от 1 до 102 А/см2 | Полуширина спектра излучения (нм) | Диапазон (нм) |
| 1 | Ширина квантовой ямы 1 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 10 нм | 0,02-0,05 | 3,0 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55 | ||||
| 2 | Ширина квантовой ямы 2 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 10 нм | 0,05-0.12 | 3,5 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55 | ||||
| 3 | Ширина квантовой ямы 3 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 10 нм | 0,1-0,36 | 3,7 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55 | ||||
| 4 | Ширина квантовой ямы 4 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 10 нм | 0,09-0,33 | 4,1 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 1-0,55 | ||||
| 5 | Ширина квантовой ямы 3 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 10 нм | 0,14-0,31 | 3,8 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 0,65-0,55 | ||||
| 6 | Ширина квантовой ямы 3 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 20 нм | 0,14-0,37 | 3,8 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 0,65-0,55 | ||||
| 7 | Ширина квантовой ямы 3 нм | |||
| Ширина барьерного слоя 30 нм | 0,12-0,34 | 3,8 | 280-200 | |
| Доля Al в составе барьерного слоя 0,65-0,55 | ||||
Приведенные примеры подтверждают высокую эффективность излучения в коротковолновой части ультрафиолетового излучения.
Для реализации способа использовано обычное несложное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию «промышленная применимость».
Claims (1)
- Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, структура которого последовательно включает подложку, буферный слой, выполненный из нитридного материала, n-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Si, активный слой с одной или более квантовыми ямами, выполненный из нитридного материала, барьерный слой, выполненный из AlXGa1-XN, легированного Mg, и р-контактный слой, выполненный из нитридного материала, легированного Mg, отличающийся тем, что в качестве нитридного материала n-контактного слоя использован AlYGa1-YN, в котором 0,25≤Y≤0,65, в качестве нитридного материала активного слоя использован AlZGa1-ZN, где Y-0,08≤Z≤Y-0,15, в барьерном слое 0,3≤Х≤1, в качестве нитридного материала р-контактного слоя использован AlWGa1-WN, где Y≤W≤0,7, при этом активный слой легирован Si с концентрацией Si не менее 1019 см3, ширина d квантовых ям активного слоя составляет 1≤d≤4 нм, мольная доля А1 на поверхности барьерного слоя, граничащей с активным слоем, составляет от 0,6 до 1 и дальше уменьшается по толщине барьерного слоя до границы его с р-контактным слоем с градиентом от 0,02 до 0,06 на 1 нм толщины барьерного слоя, причем ширина b барьерного слоя находится в пределах 10≤b≤30 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004127877/28A RU2262155C1 (ru) | 2004-09-14 | 2004-09-14 | Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004127877/28A RU2262155C1 (ru) | 2004-09-14 | 2004-09-14 | Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2262155C1 true RU2262155C1 (ru) | 2005-10-10 |
Family
ID=35851326
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004127877/28A RU2262155C1 (ru) | 2004-09-14 | 2004-09-14 | Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2262155C1 (ru) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008018817A1 (fr) | 2006-08-08 | 2008-02-14 | 'svetlana - Optoelektronika' | Hétérostructure électroluminescente semi-conductrice |
| RU2446511C1 (ru) * | 2010-12-08 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии" (ООО НКТ) | Полупроводниковый прибор |
| RU2454753C2 (ru) * | 2006-12-22 | 2012-06-27 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Iii-нитридные светоизлучающие приборы, выращенные на шаблонах для уменьшения деформации |
| RU2466479C2 (ru) * | 2006-12-22 | 2012-11-10 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Iii-нитридные светоизлучающие устройства, выращенные на структуре для уменьшения деформации |
| RU2470412C2 (ru) * | 2006-12-22 | 2012-12-20 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Способ изготовления светоизлучающих устройств на основе нитридов iii группы, выращенных на шаблонах для уменьшения напряжения |
| RU2561761C1 (ru) * | 2011-08-09 | 2015-09-10 | Соко Кагаку Ко., Лтд. | Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент |
| RU2709999C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-12-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Источник спонтанного ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 250 нм |
-
2004
- 2004-09-14 RU RU2004127877/28A patent/RU2262155C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2008018817A1 (fr) | 2006-08-08 | 2008-02-14 | 'svetlana - Optoelektronika' | Hétérostructure électroluminescente semi-conductrice |
| RU2454753C2 (ru) * | 2006-12-22 | 2012-06-27 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Iii-нитридные светоизлучающие приборы, выращенные на шаблонах для уменьшения деформации |
| RU2466479C2 (ru) * | 2006-12-22 | 2012-11-10 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Iii-нитридные светоизлучающие устройства, выращенные на структуре для уменьшения деформации |
| RU2470412C2 (ru) * | 2006-12-22 | 2012-12-20 | ФИЛИПС ЛЬЮМИЛДЗ ЛАЙТИНГ КОМПАНИ, ЭлЭлСи | Способ изготовления светоизлучающих устройств на основе нитридов iii группы, выращенных на шаблонах для уменьшения напряжения |
| RU2446511C1 (ru) * | 2010-12-08 | 2012-03-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые Кремневые Технологии" (ООО НКТ) | Полупроводниковый прибор |
| RU2561761C1 (ru) * | 2011-08-09 | 2015-09-10 | Соко Кагаку Ко., Лтд. | Нитридный полупроводниковый ультрафиолетовый светоизлучающий элемент |
| RU2709999C1 (ru) * | 2018-12-25 | 2019-12-23 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Источник спонтанного ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 250 нм |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8592824B2 (en) | High efficiency indirect transition semiconductor ultraviolet light emitting device | |
| US10388828B2 (en) | Light-emitting semiconductor chip | |
| Yasan et al. | 4.5 mW operation of AlGaN-based 267 nm deep-ultraviolet light-emitting diodes | |
| US9293647B2 (en) | Nitride semiconductor light-emitting device and method of manufacturing the same | |
| Dadgar et al. | Bright blue electroluminescence from an InGaN/GaN multiquantum-well diode on Si (111): Impact of an AlGaN/GaN multilayer | |
| Mayes et al. | High-power 280 nm AlGaN light-emitting diodes based on an asymmetric single-quantum well | |
| KR101466674B1 (ko) | 방사선을 방출하는 반도체 몸체 | |
| TWI323948B (en) | Opto-electronic semiconductor chip | |
| US20130001637A1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting device | |
| EP2034523A1 (en) | Nitride semiconductor light-emitting device | |
| TWI234915B (en) | Semiconductor light-emitting element and method of manufacturing the same | |
| Zhang et al. | Enhanced wall-plug efficiency in AlGaN-based deep-ultraviolet LED via a novel honeycomb hole-shaped structure | |
| JP2007043151A (ja) | 放射放出半導体チップ | |
| JP2020521312A (ja) | 半導体素子及びそれを含む半導体素子パッケージ | |
| RU2277736C1 (ru) | Полупроводниковый элемент, излучающий свет в синей области видимого спектра | |
| RU2262155C1 (ru) | Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне | |
| KR100661960B1 (ko) | 발광 다이오드 및 그 제조 방법 | |
| RU2262156C1 (ru) | Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне | |
| KR102444467B1 (ko) | 발광 다이오드 | |
| Zhang et al. | Study on the electron overflow in 264 nm AlGaN light-emitting diodes | |
| US11784280B2 (en) | Optoelectronic device with reduced optical loss | |
| US20240304754A1 (en) | ELECTRON OVERFLOW OF AIGaN DEEP ULTRAVIOLET LIGHT EMITTING DIODES | |
| KR100925059B1 (ko) | 백색 발광소자 및 그 제조방법 | |
| JP2024002365A (ja) | 紫外半導体発光素子 | |
| JP2021197531A (ja) | 発光素子及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20080519 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20100721 |
|
| QC41 | Official registration of the termination of the licence agreement or other agreements on the disposal of an exclusive right |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20080519 Effective date: 20130610 Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20100721 Effective date: 20130610 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20130614 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170915 |