RU2452061C2

RU2452061C2 - Semiconductor element emitting light in ultraviolet band

Info

Publication number: RU2452061C2
Application number: RU2009139181/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Макаров (RU); Юрий Николаевич Макаров; Александр Игоревич ЖМАКИН (RU); Александр Игоревич Жмакин; Хелава Хейкки (US); Хелава Хейкки
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Нитридные кристаллы"
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2012-05-27
Also published as: RU2009139181A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: semiconductor element has a multilayer structure made from group three metal nitride solid solutions. The multilayer structure includes a template on which an active layer and contact layers with a different type of conductivity are arranged in series. In order to prevent leakage of electrons from the active layer into the p-contact layer, the p-contact layer has polarity which is opposite that of the active layer. Due to such distribution of polarities, internal quantum efficiency considerably increases and, consequently, efficiency of converting electrical energy to radiation increases.

EFFECT: high efficiency of converting electrical energy to radiation by reducing leakage of charge carriers from the active region and the invention can be used in serial production.

4 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое техническое решение относится к полупроводниковым приборам или приборам на твердом теле или их компонентам. Предлагаемое техническое решение относится также к полупроводниковым приборам, предназначенным для светового излучения, а также к конструктивным элементам таких приборов.The proposed technical solution relates to semiconductor devices or devices on a solid or their components. The proposed technical solution also relates to semiconductor devices intended for light radiation, as well as to the structural elements of such devices.

Светодиоды, излучающие в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, используются в системах очистки воды и воздуха, приборах для люминесцентного анализа, в источниках белого света с люминофором, в устройствах полимеризации лакокрасочных и полимерных покрытий, устройствах распознавания фальшивых банкнот и ценных бумаг.LEDs emitting in the ultraviolet spectral range are used in water and air purification systems, devices for luminescent analysis, in white light sources with a phosphor, in devices for the polymerization of paint and varnish and polymer coatings, recognition devices for counterfeit banknotes and securities.

Преобразование электрической энергии в излучение основано на излучении фотона при рекомбинации электронов и дырок, инжектированных в активную зону прибора. Эффективность этого процесса определяется эффективностью инжекции носителей заряда в активную область прибора и созданием условий, обеспечивающих их удержание в пределах активной области в течение времени, необходимого для излучательной рекомбинации. Одной из основных причин наблюдаемого в светодиодах падения внутренней квантовой эффективности при больших значения плотности рабочего тока является, наряду с Оже-рекомбинацией, утечка носителей заряда, в первую очередь электронов, из активной области.The conversion of electrical energy into radiation is based on the emission of a photon during the recombination of electrons and holes injected into the active zone of the device. The efficiency of this process is determined by the efficiency of injection of charge carriers into the active region of the device and the creation of conditions ensuring their retention within the active region for the time required for radiative recombination. One of the main reasons for the decrease in the internal quantum efficiency observed in LEDs at high values of the working current density is, along with the Auger recombination, the leakage of charge carriers, primarily electrons, from the active region.

Известен светодиод на основе двойной гетероструктуры, в котором активная область, выполненная из нитрида галлия, размещена между слоями Ga_xAl_1-xN (0<x<1) p - и n-типов, легированных акцептором II группы и донором IV группы, соответственно (US Patent №5739554 «Double heterojunction light emitting diode with gallium nitride active layer», published 1998.04.14). Известен также светодиод, в котором эмиттерный слой p-типа имеет переменный состав алюминия в твердом растворе Ga_xAl_1-xN для увеличения инжекции дырок в активную область (US Patent №7537950 «Nitride-based light emitting heterostructure», published 2009.05.26).A known LED based on a double heterostructure, in which the active region is made of gallium nitride, is placed between the Ga _x Al _1-x N (0 <x <1) p - and n-type layers doped with an acceptor of group II and a donor of group IV, respectively (US Patent No. 5739554 "Double heterojunction light emitting diode with gallium nitride active layer", published 1998.04.14). A LED is also known in which the p-type emitter layer has a variable composition of aluminum in the Ga _x Al _1-x N solid solution to increase the injection of holes into the active region (US Patent No. 7537950 "Nitride-based light emitting heterostructure", published 2009.05.26 )

Основным недостатком этих технических решений является значительная утечка электронов из активной области в p-область прибора при больших рабочих токах (и следовательно, высоких концентрациях носителей в активной области), что снижает внутреннюю квантовую эффективность преобразования электрической энергии в излучение и тем самым общую эффективность прибора.The main disadvantage of these technical solutions is the significant leakage of electrons from the active region into the p-region of the device at high operating currents (and therefore, high carrier concentrations in the active region), which reduces the internal quantum efficiency of the conversion of electrical energy into radiation and thereby the overall efficiency of the device.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне, содержащий многослойную структуру, выполненную из нитридов твердых растворов металлов третьей группы, включающую, по крайней мере, темплейт, на котором размещены последовательно n-контактный слой, легированный кремнием, активный слой, состоящий из двух областей различного типа проводимости и расположенный на активном слое p-контактный слой, легированный магнием (патент РФ №2262156 «Полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне», опубл. 10.10.2005).Closest to the proposed technical solution is a semiconductor element emitting light in the ultraviolet region, containing a multilayer structure made of nitrides of solid solutions of metals of the third group, including at least a template on which an n-contact silicon-doped layer is placed in series, active a layer consisting of two regions of different conductivity types and located on the active layer p-contact layer doped with magnesium (RF patent No. 2262156 "Semiconductor an element that emits light in the ultraviolet range ", publ. 10.10.2005).

В известном полупроводниковом элементе для предотвращения проникновения электронов в p-контактный слой формируется скачок состава (и следовательно, ширины запрещенной зоны) на границе областей активного слоя с проводимостью - и p-типа (n- и p-областей). Чтобы потенциальный барьер для электронов, созданный этим скачком, был эффективен и при больших уровнях инжекции, необходимо, чтобы ширина запрещенной зоны в p-области активного слоя на ее границе с n-областью была на 0.1 эВ больше, чем максимальная ширина запрещенной зоны в n-области активного слоя.In the known semiconductor element, to prevent the penetration of electrons into the p-contact layer, a jump in the composition (and therefore the band gap) is formed at the boundary of the regions of the active layer with the conductivity - and p-type (n- and p-regions). For the potential electron barrier created by this jump to be effective even at high injection levels, it is necessary that the band gap in the p region of the active layer at its boundary with the n region be 0.1 eV larger than the maximum band gap in n -regions of the active layer.

Однако такое конструктивное решение, хотя и предотвращает частично проникновение электронов из активной области в p-контактный слой, при больших значениях токов, характерных для излучающих свет полупроводниковых элементов с повышенной интенсивностью излучения, не позволяет добиться значительного снижения утечки носителей заряда из активной области и тем самым падения КПД при больших плотностях тока.However, this constructive solution, although it partially prevents the penetration of electrons from the active region into the p-contact layer, at high currents characteristic of light-emitting semiconductor elements with increased radiation intensity, does not allow to significantly reduce carrier leakage from the active region, and thereby drop in efficiency at high current densities.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в излучение путем снижения утечки носителей заряда из активной области.The present invention is to increase the efficiency of conversion of electrical energy into radiation by reducing the leakage of charge carriers from the active region.

Поставленная задача решается за счет того, что в полупроводниковом элементе, излучающем свет в ультрафиолетовом диапазоне, содержащем многослойную структуру, выполненную из нитридов твердых растворов металлов третьей группы, включающую темплейт, на котором размещены последовательно, по крайней мере, n-контактный слой, легированный кремнием, активный слой, состоящий из двух областей различного типа проводимости и расположенный на активном слое p-контактный слой, легированный магнием, отличающийся тем, что, по крайней мере, n-контактный слой и активный слой выполнены с одинаковой полярностью, а p-контактный слой выполнен с полярностью, противоположной полярности активного слоя, при этом металлическая полярность p-контактного слоя обращена в сторону активного слоя.The problem is solved due to the fact that in the semiconductor element emitting light in the ultraviolet range containing a multilayer structure made of nitrides of solid solutions of metals of the third group, including a template on which at least an n-contact layer doped with silicon is placed in series , an active layer consisting of two regions of different types of conductivity and a p-contact layer doped with magnesium located on the active layer, characterized in that at least an n-contact layer the oh and active layer are made with the same polarity, and the p-contact layer is made with the polarity opposite to the polarity of the active layer, with the metal polarity of the p-contact layer facing the active layer.

Темплейт может быть выполнен из нитрида алюминия, в частности из монокристалла нитрида алюминия.The template may be made of aluminum nitride, in particular of a single crystal of aluminum nitride.

В ряде случаев целесообразно применение темплейта, выполненного из сапфира или карбида кремния. В этом случае темплейт со стороны, обращенной к n-контактному слою, может быть снабжен буферным слоем из нитрида алюминия.In some cases, it is advisable to use a template made of sapphire or silicon carbide. In this case, the template from the side facing the n-contact layer may be provided with a buffer layer of aluminum nitride.

Активный слой может содержать, по крайней мере, одну квантовую яму.The active layer may contain at least one quantum well.

Инверсия полярности означает изменение знака заряда на интерфейсе между слоями, вызванного спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией нитридного материала, что препятствует утечки электронов их активного слоя в p-область структуры. Таким образом, достигается важный новый результат - значительное увеличение внутренней квантовой эффективности и тем самым коэффициента полезного действия светодиода.Inversion of polarity means a change in the sign of the charge at the interface between the layers, caused by spontaneous and piezoelectric polarization of the nitride material, which prevents the leakage of electrons of their active layer into the p-region of the structure. Thus, an important new result is achieved - a significant increase in the internal quantum efficiency and thereby the efficiency of the LED.

Наличие в активном слое, по крайней мере, одной квантовой ямы позволяет улучшить локализацию носителей заряда и тем самым повысить вероятность излучательной рекомбинации.The presence in the active layer of at least one quantum well allows one to improve the localization of charge carriers and thereby increase the probability of radiative recombination.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, где изображен полупроводниковый элемент, излучающий свет в ультрафиолетовом диапазоне.The proposed technical solution is illustrated by the drawing, which shows a semiconductor element that emits light in the ultraviolet range.

Полупроводниковый элемент, выполненный в соответствии с предлагаемым техническим решением, содержит темплейт 1, n-контактный слой 2, активную область 3 и p-контактный слой 4.The semiconductor element, made in accordance with the proposed technical solution, contains a template 1, an n-contact layer 2, an active region 3 and a p-contact layer 4.

В процессе работы прибора носители заряда из контактных слоев 2 и 4 инжектируются в активный слой 3, где происходит их рекомбинация, сопровождаемая излучением фотонов. При больших значениях плотностей токов имеет место утечка электронов из активной области в р-контактный слой до рекомбинации.During operation of the device, charge carriers from the contact layers 2 and 4 are injected into the active layer 3, where they recombine, accompanied by the emission of photons. At high current densities, electrons leak from the active region into the p-contact layer before recombination.

За счет того, что р-контактный слой выполнен с полярностью, противоположной полярности активного слоя, и металлической полярностью р-контактного слоя, обращенной в сторону активного слоя, на границе активного слоя и р-контактного слоя возникает потенциальный барьер, предотвращающий утечку электронов из активного слоя, что и обеспечивает повышение эффективности преобразования электрической энергии в излучение.Due to the fact that the p-contact layer is made with a polarity opposite to the polarity of the active layer and the metallic polarity of the p-contact layer facing the active layer, a potential barrier arises at the interface between the active layer and the p-contact layer, preventing electron leakage from the active layer, which provides an increase in the efficiency of conversion of electrical energy into radiation.

Была изготовлена партия полупроводниковый приборов, выполненных в соответствии с предлагаемым техническим решением. Темплейт был изготовлен из монокристалла нитрида алюминия. Возможно также использование темплейта, состоящего из подложки, например из сапфира или карбида кремния, на которой со стороны n-контактного слоя размещен буферный слой. Толщина n-контактного слоя составляла 200 нм, n-контактный слой был выполнен из твердого раствора нитридов Ga и Аl с содержанием соответственно 0,89Ga и 0,11Аl.A batch of semiconductor devices was manufactured in accordance with the proposed technical solution. The template was made from a single crystal of aluminum nitride. It is also possible to use a template consisting of a substrate, for example, sapphire or silicon carbide, on which a buffer layer is placed on the side of the n-contact layer. The thickness of the n-contact layer was 200 nm, the n-contact layer was made of a solid solution of Ga and Al nitrides with a content of 0.89 Ga and 0.11 Al, respectively.

Активный слой был выполнен из GaN. Общая толщина активного слоя составляла 80 нм, при этом толщина n-области составляла 40 нм. Толщина р-области также составляла 40 нм.The active layer was made of GaN. The total thickness of the active layer was 80 nm, while the thickness of the n-region was 40 nm. The p-region thickness was also 40 nm.

Р-контатный слой был выполнен из GaN с полярностью, противоположной полярности активного слоя.The P-contact layer was made of GaN with a polarity opposite to that of the active layer.

Были проведены тестовые испытания полупроводниковых элементов, излучающих свет в ультрафиолетовом диапазоне изготовленных в соответствии с известным техническим решением (патент РФ №2262156) и изготовленных в соответствии с предлагаемым техническим решением. При плотностях рабочего тока в диапазоне 10÷100 А/см² КПД удалось повысить в 1,5÷2 раза.Test tests were conducted of semiconductor elements emitting light in the ultraviolet range manufactured in accordance with the known technical solution (RF patent No. 2262156) and manufactured in accordance with the proposed technical solution. At operating current densities in the range of 10–100 A / cm ^{2, the} efficiency was increased by 1.5–2 times.

Claims

1. The semiconductor element emitting light in the ultraviolet range, containing a multilayer structure made of nitrides of solid solutions of metals of the third group, including a template on which at least an n-contact silicon-doped layer is sequentially placed, an active layer consisting of two areas of different types of conductivity, and a p-contact layer doped with magnesium located on the active layer, characterized in that at least the n-contact layer and the active layer are made from the same field NOSTA and p-contact layer is formed with opposite polarity to the active layer, the p-polarity metal contact layer faces the active layer.

2. The semiconductor element according to claim 1, characterized in that the template is made of aluminum nitride.

3. The semiconductor element according to claim 1, characterized in that the template on the side facing the n-contact layer is provided with a buffer layer made of aluminum nitride.

4. The semiconductor element according to claim 1, characterized in that the active layer contains at least one quantum well.