RU2819047C1 - Светоизлучающий диод - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно к светоизлучающим диодам. Светоизлучающий диод содержит светоизлучающий кристалл, смонтированный методом flip-chip на подкристальной плате, снабженной двумя токоподводящими контактами. Светоизлучающий кристалл представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, выращенную на ростовой тонкопленочной карбидокремниевой структуре и сформированную из эпитаксиальных слоев на основе нитридных соединений металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева. Ростовая тонкопленочная карбидокремниевая структура выполнена двухслойной, один из слоев которой является внешним, имеет толщину не менее 3 мкм и является пористым. Второй слой является монокристаллическим и на нем сформированы слои светоизлучающей гетероструктуры, включающей буферный слой, целиком покрывающий монокристаллический слой карбида кремния, и сформированный на буферном слое слой n-типа проводимости. На части поверхности слоя n-типа проводимости, оппозитной одному из токоподводящих контактов, последовательно сформированы активная область, слой р-типа проводимости и первый металлический светоотражающий слой, соединенный с первым токоподводящим контактом. При этом на оставшейся части поверхности слоя n-типа проводимости сформирован второй металлический светоотражающий слой, соединенный со вторым токоподводящим контактом. Изобретение обеспечивает создание конструкции светодиода на основе гетероструктур, выращиваемых на ростовой тонкопленочной карбидокремниевой двухслойной структуре, и не требующего при его изготовлении применения операций формирования рельефа световыводящей поверхности механическим способом с последующим реактивным ионным травлением, то есть повышение технологичности изготовления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно, к светоизлучающим диодам, содержащим эпитаксиальные структуры на основе нитридных соединений металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева, такие соединения как: нитрид галлия (GaN), нитрид индия (InN), нитрид алюминия (AlN), трех- и четырехкомпонентные твердые растворы - нитрид индий-галлия (InGaN), нитрид алюминий-галлия (AlGaN), нитрид алюминий-галлий-индия- (AlGalnN), далее - III-нитридные материалы. На сегодняшний день использование синих светодиодов на основе гетероструктур III-нитридных материалов совместно с люминофором является основным методом получения высокоэффективных энергосберегающих излучателей белого света. Одновременно достигнут значительный прогресс в разработке ультрафиолетовых светодиодов на основе III-нитридных материалов. Тем не менее, оптоэлектронные устройства на основе слоев III-нитридных материалов имеют ряд проблем, в том числе вывод света из объема полупроводника или его поглощение, высокая плотность дефектов в объеме III-нитридных материалов и др. Кроме того, ростовые подложки, необходимые для создания высокоэффективных светодиодов, обладают высокой стоимостью.

Оптические характеристики светоизлучающего диода и его выходная мощность в значительной степени определяются параметрами подложки, на которой осуществляется эпитаксиальный рост самой светоизлучающей структуры и сформированного на ней эпитаксиального слоя светоизлучающей структуры. Для роста слоев III-нитридных материалов с высокой эффективностью излучения требуются подложки с близкой к ним по параметрам кристаллической решеткой, поскольку рост на таких подложках будет приводить к меньшему количеству дефектов структуры светоизлучающего слоя. Оптимальным с точки зрения технологии изготовления является использование подложек карбида кремния, однако, высокая себестоимость их производства стала решающим фактором в том, что максимальную распространенность приобрели сапфировые подложки. Большинство светодиодов имеют кристаллы, выращенные именно на них, несмотря на то, что рассогласование параметров решетки у III-нитридных материалов с сапфиром больше, чем с карбидом кремния.

Вследствие высокого показателя преломления III-нитридных материалов по сравнению с показателем преломления сапфира в светодиодах на сапфировой подложке излучение "заперто" в светоизлучающей структуре, как в волноводе, и поглощается в нем после многократного отражения от стенок светоизлучающей структуры, что снижает эффективность светодиодов. Для борьбы с указанным явлением и повышения эффективности светоизлучающих диодов в светодиодных кристаллах, выращенных на сапфировых подложках, подложки предварительно удаляют и травят, создавая рельеф, способствующий рассеянию света [1. Т. Fujii, Y. Gao, R. Sharma, Ε. L. Hu, S. P. DenBaars, S. Nakamura. Appl. Phys. Lett., 84, 855 (2004)]. Однако, процедура удаления сапфировой подложки, осуществляемая обычно при помощи эксимерного лазера большой мощности, является дорогостоящей, к тому же она приводит к появлению дополнительных дефектов в нитридной гетероструктуре в процессе удаления положки. Наличие дефектов негативно сказывается на эффективности светодиодов.

Одним из возможных способов снижения себестоимости светодиодных кристаллов на основе III-нитридных материалов является применение кремниевых подложек. Кроме того, благодаря хорошей электро- и теплопроводности, многолетней отработанной технологии производства подложек большого диаметра и способов их резки и обработки они могли бы занять лидирующую позицию на рынке. Однако, сильное рассогласование параметров кристаллической решетки кремния и III-нитридных материалов (приводящее к большому количеству дефектов и снижению эффективности генерации света), а также непрозрачная и поглощающая большую часть излучения подложка сводят на нет все преимущества кремниевой подложки. По сравнению с непоглощающей свет сапфировой подложкой ситуация усугубляется тем, что свет поглощается на границе раздела светоизлучающая структура/под ложка. Большая часть излучения, захваченная в волновод светоизлучающей структуры, поглотится на этой границе уже после первого отражения.

Из патента [2. US 8686430] известен синий светодиод, структура которого изначально формируется на ростовой кремниевой подожке. Описанный в патенте светодиод в конечном виде (упрощенно) состоит из светоизлучающей структуры, включающей p-GaN слой, активный слой и n-GaN слой, и нанесенных на светоизлучаюшую структуру контактных металлических площадок: с одной стороны - на ее n-слой, а с другой - на р-слой. Светодиод получен следующим способом. Непосредственно на ростовой кремниевой подложке выращивается буферный слой теллурида цинка (ZnTe) или диоксида титана (TiO₂). Дополнительно поверх первого слоя выращен слой AlN как второй слой буферного слоя. Затем поверх буферного слоя сформирован слой GaN, поверх которого выращена эпитаксиальная светоизлучающая структура. Затем на полученную многослойную структуру нанесен сплошной контактный слой, и структура с контактным слоем припаяна к подкристальной плате, при этом ростовая кремниевая подложка и буферный слой удалены. На освободившейся после удаления кремниевой подложки поверхности многослойной структуры сформирован контакт. Недостатком описанного светодиода является большое количество дефектов в эпитаксиальных слоях вследствие большого рассогласования параметров кристаллической решетки GaN и ростовой подложки, что приводит к падению эффективности и уменьшению срока службы светодиодов, а также необходимость химического стравливания всей кремниевой подложки, требующего большого количества химических реагентов.

Применение в конструкциях светодиодов кремниевых подложек с поверхностным тонким слоем карбида кремния (SiC/Si) позволяет снизить дефектность светоизлучающей структуры и увеличить эффективность генерации излучения в нем в силу близости параметров кристаллических решеток верхнего слоя подложки (SiC) и слоя III-нитридных материалов. При этом себестоимость таких подложек значительно меньше, чем сапфировых или, тем более, подложек из карбида кремния, а их твердость значительно меньше, что упрощает процедуру разделения пластин на отдельные кристаллы. Кроме того, детально отработанные за многие годы способы работы с кремниевыми подложками значительно упрощают обращение с такими подложками, в основном, состоящими из кремния.

Известен светодиод конструкции "face up" на кремниевых подложках с поверхностным тонким слоем карбида кремния (SiC/Si) [3. патент RU 2755933]. Светоизлучающий диод содержит подложку из кремния с нанесенным на нее слоем карбида кремния, на котором сформированы слои светоизлучающей структуры, и снабжен токоподводящими контактами. На границе раздела кремния и карбида кремния в кремнии сформирован разуплотненный слой с тупиковыми порами, не содержащими внедренного материала карбида кремния и обеспечивающими увеличение отражения света от подложки и его рассеяние. Светоизлучающая структура, сформированная на слое карбида кремния, содержит буферный слой, слои n-типа проводимости, активную область, слои р-типа проводимости. Эти слои сформированы из III-нитридных материалов. Размеры упомянутых пор составляют от 100 нм до 5 мкм. Наличие пор приводит к тому, что увеличивается коэффициент отражения света от такой границы, а также в приповерхностном слое подложки происходит рассеяние отраженного света. Оба указанных эффекта увеличивают вывод света из светодиода. Однако, кремниевая подложка, остающаяся в составе светодиодного кристалла, поглощает часть излучения, что уменьшает эффективность светодиода.

Подложки карбида кремния имеют показатель преломления, близкий к показателю преломления III-нитридных материалов, следовательно, излучение легче проникает в подложку. Поэтому для увеличения вывода света из светодиода рельеф, предназначенный для вывода света, создается на внешней границе подложки.

Известен светодиод, выращенный на подложке SiC, конструкция которого описана в статье [4. И.П. Смирнова и др. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC // ФТП. - 2010. - Т.44, вып.5. - С. 684-687]. В работе исследовались гетероструктуры AlGalnN/GaN с 5 квантовыми ямами InGaN в активной области, выращенные на подложках SiC методом MOCVD (газофазной эпитаксии из металлорганических соединений). На внешней (световыводящей) стороне подложки с помощью реактивного ионного травления поверхности, предварительно закрытой тонким слоем фоторезиста, был создан рельеф с характерными размерами порядка длины волны излучаемого света. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC может быть получен микрорельеф с параметрами, приводящими к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%. Однако, высокая стоимость подложек SiC, сложность разделения пластины на отдельные кристаллы вследствие высокой твердости подложек SiC, а также сложность и дороговизна процедуры изготовления рельефа на световыводящей поверхности подложки SiC являются недостатками данного светодиода.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является принятый за прототип светоизлучающий диод [5. патент US 8617909], представленный на fig. 2 патента и описанный в абзацах [столбец 4, стока 57 - столбец 5, стока 45; столбец 6, стока 41 - столбец 7, стока 36]. Светоизлучающий диод представляет собой светоизлучающий кристалл, монтируемый на подкристальной плате методом перевернутого кристалла (в дальнейшем светоизлучающий диод flip-chip).

Светоизлучающий кристалл имеет стандартную светоизлучающую структуру, состоящую из слоев нитридов металлов III группы, сформированную на ростовой подложке карбида кремния толщиной 125-500 мкм и имеющую металлические контакты на поверхности кристалла, один из которых соединен с n-слоем светоизлучающей структуры, а другой - с р-слоем. Светоизлучающая структура состоит из n- и р-слоев и активного слоя, расположенного между ними.

Для увеличения вывода света из светодиода морфология внешней световыводящей поверхности светодиодного кристалла (подложки SiC) модифицирована в процессе реактивного ионного травления. Предварительно, перед процессом реактивного ионного травления более крупный рельеф, представляющий собой, например, складчатую поверхность с выступами в виде усеченных пирамид в поперечном сечении, формируется на подложке SiC с использованием дисковой пилы. Модификация поверхности подложки SiC описанными методами позволяет получить светодиоды примерно на 25% более яркие, чем стандартные светодиоды. Среди недостатков светодиода стоит по-прежнему отметить высокую стоимость подложек SiC, сложность разрезания пластины на отдельные кристаллы вследствие высокой твердости подложек SiC, а также сложность и дороговизну процедуры изготовления рельефа на световыводящей поверхности подложки SiC.

Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала средств путем создания новой конструкции светодиода на основе гетероструктур, выращиваемых на ростовой тонкопленочной карбидокремниевой двухслойной структуре, сформированной на впоследствии удаляемой ростовой подложке из кремния. В контексте данной заявки термин «тонкопленочная структура» применен для ростовой структуры толщиной до 10 мкм.

Достигаемый технический результат - создание конструкции светодиода на основе гетероструктур, выращиваемых на ростовой тонкопленочной карбидокремниевой двухслойной структуре, и не требующего при его изготовлении применения операций формирования рельефа световыводящей поверхности механическим способом с последующим реактивным ионным травлением, то есть повышение технологичности изготовления.

Светоизлучающий диод представляет собой светоизлучающий кристалл, смонтированный методом flip-chip на подкристальной плате, снабженной двумя токоподводящими контактами. Светоизлучающий кристалл, представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, выращенную на ростовой тонкопленочной карбидокремниевой структуре и сформированную из эпитаксиальных слоев на основе нитридных соединений металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева. Ростовая тонкопленочная карбидокремниевой структура выполнена двухслойной, один из слоев которой является внешним, имеет толщину не менее 3 мкм и является пористым. Второй слой является монокристаллическим и на нем сформированы слои светоизлучающей гетероструктуры, включающей буферный слой, целиком покрывающий монокристаллический слой карбида кремния, и сформированный на буферном слое слой n-типа проводимости. На части поверхности слоя n-типа проводимости, оппозитной одному из токоподводящих контактов, последовательно сформированы активная область, слой р-типа проводимости и первый металлический светоотражающий слой, соединенный с первым токоподводящим контактом. При этом на оставшейся части поверхности слоя n-типа проводимости сформирован второй металлический светоотражающий слой, соединенный со вторым токоподводящим контактом

Для светодиода синего диапазона излучения:

- буферный слой сформирован из нелегированного нитрида алюминия и/или нитрида галлия,

- слой n-типа проводимости сформирован из нитрида галлия GaN легированного кремнием,

- активная область состоит из одного или нескольких слоев твердых растворов InGaN/GaN,

- слой р-типа проводимости сформирован из нитрида галлия (GaN), легированного магнием.

первый и второй металлические светоотражающие слои сформированы из комбинации слоев Ti, Al, Au.

Для светодиода ультрафиолетового диапазона излучения:

- буферный слой, сформирован из нелегированного нитрида алюминия,

- слой n-типа проводимости сформирован из трехкомпонентного твердого раствора AlGaN, легированного кремнием,

- активная область, состоит из одного или нескольких слоев твердых растворов

- слой р-типа проводимости сформирован из трехкомпонетного твердого раствора AlGaN/GaN, легированного магнием.

- первый и второй металлические светоотражающие слои сформированы из комбинации слоев Ti, Al, Au.

Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описаны варианты реализации применительно светоизлучающему диоду flip-chip. Примеры реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:

Фиг. 1 - схема светоизлучающего диода flip-chip с односторонним подсоединением контактов.

Фиг. 2 - РЭМ-изображение поперечного среза фрагмента светоизлучающего диода.

Ниже приведены примеры реализации светодиодов синего или ультрафиолетового диапазонов длин волн излучения.

В описании и формуле изобретения, приведенных ниже, применение предлогов «над» и «под» зависит от контекста, поскольку формирование слоев осуществляется последовательно: один над другим, но сам светодиод изготовлен методом перевернутого кристалла, и те слои, которые формировались «над», в готовом светодиоде находятся «под».

Кроме того, следует понимать, что все описываемое устройство в целом может быть ориентировано любым способом в трехмерном пространстве.

Светоизлучающий диод, представленный на Фиг. 1, синего диапазона длин волн излучения имеет в своем составе (упрощенно) ростовую структуру, выполненную двухслойной, один из слоев (слой 1) которой является внешним, и может иметь толщину 3-7 мкм и выполнен пористым, второй слой (слой 2) может иметь толщину 0,4-1,0 мкм выполнен монокристаллическим и на нем сформированы слои светоизлучающей гетероструктуры:

- буферный слой 3, выполненный из нелегированного нитрида алюминия и/или нитрида галлия,

- слой 4 n-типа проводимости нитрида галлия GaN легированного кремнием,

- активная область 5, состоящая из одного или нескольких слоев твердых растворов InGaN/GaN,

- слой 6 р-типа проводимости нитрида галлия (GaN), легированного магнием.

Слой 5 и последующие сформированы на части поверхности слоя 4.

Первый металлический светоотражающий слой 7 сформирован поверх слоя 6 р-типа проводимости и обеспечивает распределение тока по этому слою и отражение генерируемого света в сторону световыводящей поверхности светодиода. В качестве слоя 7 может выступать наносимая в отдельном процессе комбинация слоев: металла с высоким значением работы выхода электрона, например, Ni, металла с высоким коэффициентом отражения света на длине волне собственного излучения светодиода, например, Al, а также металла, предназначенного для пайки кристалла к токоподводящему контакту, например, Au.

Второй металлический светоотражающий слой 8 сформирован на оставшейся части поверхности слоя 4 n-типа проводимости и обеспечивает распределение тока по этому слою, а также обеспечивает отражение генерируемого света в сторону световыводящей поверхности светодиода. В качестве слоя 8 может выступать наносимая в отдельном процессе комбинация слоев: металла с низким значением работы выхода электрона, например, Ti, металла с высоким коэффициентом отражения света на длине волне собственного излучения светодиода, например, Al, а также металла, предназначенного для пайки кристалла к токоподводящему контакту, например, Au. Описанная выше гетероструктура размещена на подкристальной плате 10, на которой предварительно были сформированы токоподводящие контакты 9а и 9b, состоящие, например, из последовательно наносимых слоев металлов Ti и Au.

Возможна реализация светоизлучающего полупроводникового прибора ультрафиолетового диапазона длин волн излучения. На ростовой структуре, выполненной двухслойной, один из слоев (слой 1) которой является внешним, имеет толщину 3-7 мкм и выполнен пористым, второй слой (слой 2) имеет толщину 0,4-1,0 мкм выполнен монокристаллическим и на нем сформированы слои светоизлучающей гетероструктуры:

- буферный слой 3, выполненный из нелегированного нитрида алюминия,

- слой 4 n-типа проводимости трехкомпонентного твердого раствора AlGaN, легированного кремнием,

- активная область 5, состоящая из одного или нескольких слоев твердых растворов ,

- слой 6 р-типа проводимости трехкомпонетного твердого раствора AlGaN/GaN, легированных магнием.

Остальные структурные слои 7-10 и их взаимное расположение соответствуют тому, что описано выше для светодиода синего диапазона.

Светоизлучающий диод может быть получен следующим способом.

На первом этапе формируют двухслойную карбидокремниевую ростовую структуру, согласно способу, подробно описанному в заявке на изобретение №2023118125. Согласно этому способу кремниевую подложку помещают в вакуумную печь и осуществляют отжиг подложки при давлении <25 Па и температуре 1250-1400°С в течение 1-150 мин., сопровождающийся откачкой образующихся паров кремния из реакционной зоны, после чего в печь подают СО и/или СО₂ и обеспечивают формирование в кремнии приповерхностной двухслойной карбидокремниевой структуры протеканием термохимической гетерогенной реакции кремния с СО и/или СО₂, в результате которой на границе раздела между подложкой из кремния и переходным слоем формируется разуплотенный контакт за счет образования уплощенных лакун, размер которых превышает размер пор в 2-3 раза. В последствии полученную двухслойную карбидокремниевую структуру отделяют от подложки по границе раздела путем применения химического или плазмохимического травления, или за счет охлаждения, создающего термические напряжения, разрушающих перемычки между лакунами. Благодаря предварительному отжигу в условиях поддержания вакуума приповерхностная область кремния насыщается точечными дефектами решетки кремния - «термическими» вакансиями (как "термических" вакансий по Френкелю, так и "термических" вакансий по Шоттки.

Характерные размеры неоднородностей (элементов) пористого слоя (пор и перемычек между ними), получаемых данным методом, могут составлять от долей микрона до нескольких микрон, что сопоставимо и превышает длину волны собственного излучения светодиода. Среда с такими параметрами эффективно рассеивает проходящее через нее излучение. Сходный подход применяется в светодиодах на основе GaN, как это было описано выше. При этом предпосылки формирования рельефа (образование лакун на границе перехода) создаются в процессе роста слоя SiC, поэтому при изготовлении кристалла не используется сложная и дорогостоящая технология создания рельефа на световыводящей поверхности кристалла с применением операций формирования рельефа световыводящей поверхности механическим способом с последующим реактивным ионным травлением, достаточно удалить кремниевую ростовую подложку, что повышает технологичность изготовления. Удаление ростовой подложки облегчено благодаря наличию пористого слоя и лакун на границе перехода SiC/Si. Себестоимость получения описанных выше тонкопленочных карбдокремниевых ростовых структур значительно ниже себестоимости ростовых подложек из монокристаллического объемного карбида кремния.

В качестве примера на Фиг. 2 приведено изображение фрагмента светоизлучающего диода, сформированного на тонкопленочной двухслойной ростовой структуре из карбида кремния. Изображение получено с помощью растрового электронного микроскопа. В верхней части изображения показана тонкопленочная двухслойная ростовая структура (слои 1 и 2) из карбида кремния. Ниже расположены слои 3-6 светоизлучающей гетероструктуры, толщина которых меньше предела разрешения растрового электронного микроскопа, под которыми расположен первый металлический светоотражающий слой 7. В нижней части изображения показан токоподводящий контакт 9а.

Слои светоизлучающей структуры формируются эпитаксиальным наращиванием по известным и традиционно используемым технологиям, например, химическим осаждением из паров металлорганических соединений (MOCVD) [6. А. K. Tan, N. A. Hamzah, M. A. Ahmad, S. S. Ng, Ζ. Hassan. Recent advances and challenges in the MOCVD growth of indium gallium nitride: A brief review. Mater. Sci. Semicond. Process., 143, 106545 (2022)]

На части поверхности светоизлучающей гетероструктуры в разных местах (в соответствии с геометрией и расположением формируемых кристаллов) методами травления удаляются верхние слои таким образом, чтобы получить доступ к слою 4 n-типа проводимости, расположенному в глубине структуры. Для обеспечения распределения тока по слою 6 р-типа проводимости и слою 4 n-типа проводимости и отражения света поверх светоизлучающей структуры формируются в отдельных процессах вакуумного осаждения металла первый и второй металлические светоотражающие слои 7 и 8. В дальнейшем сформированная структура разрезается на отдельные кристаллы, и эти кристаллы методом flip-chip монтируются на подкристальных платах, выполненных на основе, например, A1N керамики с предварительно нанесенными на них токоподводящими контактами 9а и 9b.

Благодаря использованию ростовой кремниевой подложки процесс резки не представляет особой сложности по сравнению с резкой твердых подложек из карбида кремния или сапфира, и может быть осуществлен без привлечения дорогостоящего оборудования, например, посредством использования стандартных алмазных дисков малой толщины. Монтаж кристаллов на подкристальной плате 10 может быть произведен стандартными методами: как пайкой, так и приклеиванием с помощью электропроводящих клеев, например, контактола. На последнем этапе отделяют полученную двухслойную карбидокремниевую структуру со сформированными на ней слоями от ростовой подложки методами, описанными выше.

В частности, химическое травление в растворе может проводится следующим способом: кристалл, расположенный на подкристальной плате, погружается в кремниевый травитель. Благодаря высокой пористости слоя 1 травление происходит в тонком слое кремния на границе раздела SiC/Si, а пористая часть остается вместе со сплошным слоем SiC. При этом процесс удаления подложки не требует растворения всего объема кремния, а благодаря наличию пористого слоя подтравливается только тонкий пористый слой кремния.

Таким образом, в процессе изготовления заявляемого светодиода применяется ростовая кремниевая подложка, которая в дальнейшем удаляется, и в самом кристалле содержится только ее модифицированная часть, представляющая собой двухслойную тонкопленочную карбидокремниевую структуру: внешний слой, имеет толщину, предпочтительно, 3-7 мкм и является пористым, второй слой имеет толщину предпочтительно, 0,4-1,0 мкм, выполнен монокристаллическим и на нем сформированы слои светоизлучающей гетероструктуры. Такая тонкопленочная SiC структура не является ростовой подложкой в том смысле, в каком этот термин используется в научной литературе, поскольку не является пластиной.

Светоизлучающий диод работает следующим образом. При подсоединении светодиода к источнику питания через светодиод протекает электрический ток. В активной области светодиода в результате рекомбинации электронов и дырок генерируется излучение. Основным физическим эффектом, ограничивающим эффективность вывода света с поверхности известных светодиодов, является эффект полного внутреннего отражения на границе материала с высокой оптической плотностью (GaN) и материала с низкой оптической плотностью (например, воздуха). Свет, распространяющийся в полупроводнике под углом, превосходящим угол полного внутреннего отражения, оказывается захваченным в волновод, образованный полупроводниковым слоем, и распространяется в нем, постепенно затухая. Излучение в описываемом в настоящей заявке светодиоде не испытывает эффекта полного внутреннего отражения, поскольку его внешней границей является ростовая структура, выполненная двухслойной, один из слоев которой является внешним и выполнен пористым, второй слой выполнен монокристаллическим. Свет преодолевает границу гетероструктура/монокристаллическая часть ростовой структуры без значительного отражения в силу близости показателей преломления материалов SiC и GaN. При прохождении через пористый слой ростовой структуры отраженное излучение рассеивается в разных направлениях. При неоднократном отражении рассеянного излучения от металлических светоотражающих контактов его большая часть сможет покинуть светодиод. В результате квантовый выход (эффективность) светодиода значительно вырастает по сравнению со светодиодом с плоской внешней границей, поскольку в светодиоде, не имеющем пористого слоя, часть излучения, распространяющаяся под углами, превышающими угол полного внутреннего отражения, поглотится в кристалле. При одних и тех же условиях светодиод с пористым слоем будет генерировать больший поток излучения. Фактически, пористый слой несет ту же функцию, что и рельеф, создаваемый в прототипе.

Авторами экспериментально установлено, что при толщинах пористого слоя карбидокремниевой структуры меньше, чем 3,0 мкм, возможно нарушение ее целостности при отделении структуры от ростовой подложки, что делает невозможным формирование необходимого рельефа на световыводящей поверхности кристалла. Кроме того, именно эта минимальная толщина пористого слоя обеспечивает при прохождении через него отраженного излучения его рассеивание в разных направлениях, что делает светодиод эффективным.

Введение в конструкцию светодиода описанной выше двухслойной тонкопленочной ростовой карбидокремниевой структуры имеет три позитивных последствия. Во-первых, существенно повышается технологичность, а соответственно уменьшается себестоимость светодиода за счет того, что формирование кристалла изначально осуществляется не на пластине карбида кремния, а на дешевой ростовой подложке из кремния, которая впоследствии легко удаляется, во-вторых, упрощено изготовление кристаллов за счет упрощения процедуры резки пластин со сформированной гетероструктурой на отдельные кристаллы вследствие того, что кремний является существенно менее прочным, чем карбидокремниевая ростовая подложка прототипа, которую тоже разрезают на фрагменты после формирования слоев, в-третьих, позволяет упростить процесс изготовления светодиода за счет исключения операций по формированию рельефа на световыводящей поверхности кристалла в две стадии: механически и реактивным ионным травлением, поскольку в процессе получения ростовой карбидокремниевой структуры на кремниевой подложке создаются предпосылки для формирования рельефа эффективной световыводящей поверхности светодиода.

Настоящая заявка описана с некоторыми деталями для достижения ясности и понимания. Специалисты в данной области при прочтении описания могут понять, что возможны некоторые изменения, в частности в применении конкретных слоев III-нитридных материалов светоизлучающей структуры, создания отражающих контактов, а также способов размещения светодиодного кристалла на подкристальной плате без выхода за пределы области применения и прилагаемой формулы.

Claims (13)

1. Светоизлучающий диод, характеризующийся тем, что представляет собой светоизлучающий кристалл, смонтированный методом flip-chip на подкристальной плате, снабженной двумя токоподводящими контактами, при этом светоизлучающий кристалл представляет собой светоизлучающую гетероструктуру, выращенную на ростовой тонкопленочной карбидокремниевой структуре и сформированную из эпитаксиальных слоев на основе нитридных соединений металлов III группы периодической системы им. Д.И. Менделеева, при этом ростовая тонкопленочная карбидокремниевой структура выполнена двухслойной, один из слоев которой является внешним, имеет толщину не менее 3 мкм и является пористым, второй слой является монокристаллическим и на нем сформированы слои светоизлучающей гетероструктуры, включающей буферный слой, целиком покрывающий монокристаллический слой карбида кремния, и сформированный на буферном слое слой n-типа проводимости, на части поверхности которого, оппозитной одному из токоподводящих контактов, последовательно сформированы активная область, слой р-типа проводимости и первый металлический светоотражающий слой, соединенный с первым токоподводящим контактом, при этом на оставшейся части поверхности слоя n-типа проводимости сформирован второй металлический светоотражающий слой, соединенный со вторым токоподводящим контактом.

2. Светоизлучающий диод по п. 1, отличающийся тем, что:

- буферный слой сформирован из нелегированного нитрида алюминия и/или нитрида галлия,

- слой n-типа проводимости сформирован из нитрида галлия GaN, легированного кремнием,

- активная область состоит из одного или нескольких слоев твердых растворов InGaN/GaN,

- слой р-типа проводимости сформирован из нитрида галлия GaN, легированного магнием,

- первый и второй металлические светоотражающие слои сформированы из комбинации слоев Ti, Al, Au.

3. Светоизлучающий диод, по п. 1, отличающийся тем, что:

- буферный слой, сформирован из нелегированного нитрида алюминия,

- слой n-типа проводимости сформирован из трехкомпонентного твердого раствора AlGaN, легированного кремнием,

- активная область состоит из одного или нескольких слоев твердых растворов Al_x1In_y1Ga_1-x1-y1N/Al_x2In_y2Ga_1-x2-y2N,

- слой р-типа проводимости сформирован из трехкомпонентного твердого раствора AlGaN/GaN, легированного магнием,

- первый и второй металлические светоотражающие слои сформированы из комбинации слоев Ti, Al, Au.