RU60269U1

RU60269U1 - LED HETEROSTRUCTURE ON A SUBSTRATE OF SINGLE-CRYSTAL SAPPHIRE

Info

Publication number: RU60269U1
Application number: RU2006126768/22U
Authority: RU
Inventors: Максим Георгиевич Агапов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эпи-Тех"
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2007-01-10

Abstract

Полезной моделью является светодиодная гетероструктура на подложке из монокристаллического сапфира. Данная структура используется при создании светоизлучающих диодов. В настоящее время светоизлучающие диоды, приходят на смену морально устаревшим лампам накаливания и люминесцентным лампам вследствие своей способности более прямого преобразования электрической энергии в свет и как следствие более высокого КПД. Наиболее перспективным материалом в деле создания полупроводниковых источников излучения признаются нитридные соединения. Мировой опыт показывает, что для выращивания нитридных гетероструктур на сапфировой подложке предпочтительным является метод MOCVD по сравнению с другими ростовыми технологиями (молекулярно-пучковая эпитаксия, хлор-гидридная эпитаксия и т.д.), как с точки зрения производительности, так и качества получаемой структуры.A useful model is a LED heterostructure on a single-crystal sapphire substrate. This structure is used to create light emitting diodes. Currently, light emitting diodes are replacing obsolete incandescent and fluorescent lamps due to their ability to more directly convert electrical energy into light and, as a result, higher efficiency. The most promising material in creating semiconductor radiation sources is nitride compounds. World experience shows that for growing nitride heterostructures on a sapphire substrate, the MOCVD method is preferred over other growth technologies (molecular beam epitaxy, chlorine hydride epitaxy, etc.), both in terms of productivity and quality of the resulting structure .

Патентуемая светодиодная гетероструктура на подложке из монокристаллического сапфира, заявляемой полезной модели, состоит из элемента объемного сапфира с кристаллической ориентацией поверхности (1000), и выращенных на ней методом газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений последовательно слоев: буферный слой нитрида галлия, нелегированный слой нитрида галлия, слой нитрида галлия n-типа проводимости, легированного кремнием, множественных квантовых ям на основе твердого раствора In_xGa_1-xN в GaN, слоя твердого раствора AlGaN p-типа проводимости и слоя нитрида галлия p-типа проводимости, легированного магнием. Величина параметра «x» определяет соотношение индия и галлия и варьируется для получения требуемой длины волны в заданном диапазоне 450-480 нм.A patented LED heterostructure on a single-crystal sapphire substrate of the claimed utility model consists of a bulk sapphire element with a crystalline surface orientation (1000) and gas-phase epitaxy grown on it using organometallic compounds in successive layers: a gallium nitride buffer layer, an undoped gallium nitride layer, layer of gallium nitride of n type conductivity doped with silicon, multiple quantum wells based on In _x Ga _1-x N solid solution in GaN, layer of solid a p-type AlGaN thief and a p-type gallium nitride layer of magnesium doped conductivity. The value of the parameter "x" determines the ratio of indium to gallium and varies to obtain the desired wavelength in a given range of 450-480 nm.

Description

Полезная модель относится к светодиодным гетероструктурам на подложке из монокристаллического сапфира.The utility model relates to LED heterostructures on a single crystal sapphire substrate.

В настоящее время светоизлучающие диоды, все чаще применяются в светотехнике. Они приходят на смену морально устаревшим лампам накаливания и люминесцентным лампам вследствие своей способности более прямого преобразования электрической энергии в свет и как следствие более высокого КПД. Для перекрытия всего спектра видимого электромагнитного излучения необходимо создание высокоэффективных светодиодов излучающих в коротковолновом диапазоне видимого спектра, т.е. на длине волн 420-480 нм. Наиболее перспективным материалом в деле создания коротковолновых источников излучения признаются нитридные соединения. Основной областью применения нитридных светодиодных гетероструктур (НСГ) в настоящее время являются сверхяркие светодиоды сине-зеленого и белого цвета свечения, используемые в наружной рекламе, декоративной и архитектурной подсветке, автомобильной промышленности и т.д. Перспективными применениями НСГ на подложках из монокристаллического сапфира являются синие лазеры для оптических накопителей информации и мощные СВЧ транзисторы для систем связи и радиолокации. Анализ мирового опыта показывает, что для выращивания НСГ на сапфировой подложке метод MOCVD является предпочтительным по сравнению с другими ростовыми технологиями (молекулярно-пучковая эпитаксия, хлор-гидридная эпитаксия и т.д.), как с точки зрения производительности, так и качества получаемой структуры.Currently, light emitting diodes are increasingly being used in lighting technology. They are replacing obsolete incandescent and fluorescent lamps due to their ability to more directly convert electrical energy into light and, as a consequence, higher efficiency. To cover the entire spectrum of visible electromagnetic radiation, it is necessary to create high-performance LEDs emitting in the short-wave range of the visible spectrum, i.e. at a wavelength of 420-480 nm. The most promising material in creating short-wavelength radiation sources is nitride compounds. The main field of application of nitride LED heterostructures (LHG) at present is superbright LEDs of blue-green and white glow used in outdoor advertising, decorative and architectural lighting, automotive industry, etc. Promising applications of NSG on single crystal sapphire substrates are blue lasers for optical information storage devices and high-power microwave transistors for communication and radar systems. An analysis of international experience shows that for the growth of LH on a sapphire substrate, the MOCVD method is preferable in comparison with other growth technologies (molecular beam epitaxy, chlorine hydride epitaxy, etc.), both in terms of productivity and quality of the resulting structure .

Известно два документа среди патентных документов РФ относящихся к устройствам или способам получения нитридных кристаллических структур методом MOCVD. Патент РФ №2000104367 «Метод кристаллического роста эпитаксиальных гетероструктур на основе нитрида галлия». В формуле полезной модели присутствует формулировка «Метод роста эпитаксиальных структур для светоизлучающих приборов на основе сложных полупроводниковых соединений нитрида галлия, включающий газофазное химическое осаждение на подложку слоев гетероструктуры, представленных общей формулой B_xAl_yIn_zGa_1-x-y-zN (0<x<0,2, 0<y<0/8, 0<z<1-x-y), включая структуру с узкозонными слоями In_zGa_1-zN (0<z<1), с обкладками из GaN или Al_yGa_1-yN (0<y<0.8) отличающийся тем, что при выращивании узкозонных слоев изменяют значение, по крайней мере, одного из параметров z=l, z=2 по толщине сверхрешетки, увеличивая значение параметра до экстремального у середины сверхрешетки, слои гетероструктуры выращивают без прерывания процесса роста», а в п.п. 4 расширения имеется Two documents are known among patent documents of the Russian Federation relating to devices or methods for producing nitride crystalline structures by the MOCVD method. RF patent №2000104367 "The method of crystalline growth of epitaxial heterostructures based on gallium nitride." The formula of the utility model contains the formulation “The method of growth of epitaxial structures for light emitting devices based on complex semiconductor compounds of gallium nitride, including gas-phase chemical deposition of heterostructure layers on the substrate, represented by the general formula B _x Al _y In _z Ga _1-xyz N (0 <x < 0.2, 0 <y <0/8, 0 <z <1-xy), including the structure with narrow-gap In _z Ga _1-z N layers (0 <z <1), with plates of GaN or Al _y Ga _{1 -y} N (0 <y <0.8) characterized in that during the growth of narrow-band layers change a value in at least one of the parameters z = l, z = 2 the thickness communication rhreshetki increasing parameter value to an extreme at the middle superlattice, heterostructure layers are grown without interruption of the growth process, "and a ppt 4 extensions available

формулировка «Метод роста эпитаксиальных структур по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала подложки используют сапфир или карбид кремния или нитрид алюминия». Патент РФ №2187172 «Способ получения эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке». В реферате заявлено: «Использование: при изготовлении полупроводниковых приборов, а именно в способах получения слоя полупроводника III-нитрида (GaN, A1N, InN) на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений (МОС). Применение: при создании полупроводниковых лазеров, светодиодов, ультрафиолетовых фотоприемников, высокотемпературных диодов, транзисторов. Сущность полезной модели: при получении эпитаксиального слоя полупроводника III-нитрида на чужеродной подложке путем газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, состоящей из стадии образования буферного слоя и стадии эпитаксиального роста, с использованием потоков МОС и аммиака, осуществляют импульсный режим по потоку МОС на обеих стадиях, причем длительность импульса t_n(c) на стадии образования буферного слоя определяется из соотношения t_n=r_crn^-2/3/v₁, на стадии эпитаксиального роста t_e(c) из соотношения t_e=h/V₂, а длительность t(c) интервалов между импульсами удовлетворяет соотношениям t>t₁, t>t_e, где n - порядковый номер импульса (1,2,...); r_cr - критический радиус зародыша на чужеродной подложке, V₁ - скорость образования слоя на стадии образования буферного слоя, h - начальная высота неоднородности рельефа поверхности эпитаксиального слоя, v₂ - скорость роста слоя на стадии эпитаксиального роста. Технический результат изобретения заключается в улучшении качества эпитаксиального слоя за счет снижения плотности дефектов и дислокации».the wording "The method of growth of epitaxial structures according to claim 1, characterized in that sapphire or silicon carbide or aluminum nitride is used as the substrate material." RF patent No. 2187172 "A method for producing an epitaxial layer of a III-nitride semiconductor on a foreign substrate." The abstract states: “Usage: in the manufacture of semiconductor devices, namely, in methods for producing a III-nitride semiconductor layer (GaN, A1N, InN) on a foreign substrate by gas-phase epitaxy using organometallic compounds (MOS). Application: when creating semiconductor lasers, LEDs, ultraviolet photodetectors, high-temperature diodes, transistors. The essence of the utility model: upon receipt of the epitaxial layer of the III-nitride semiconductor on a foreign substrate by gas-phase epitaxy from organometallic compounds, consisting of the stage of formation of the buffer layer and the stage of epitaxial growth, using MOS and ammonia flows, the MOS stream is pulsed in both stages, moreover, the pulse duration t _n (c) at the stage of formation of the buffer layer is determined from the relation t _n = r _cr n ^-2/3 / v ₁ , at the stage of epitaxial growth t _e (c) from the relation t _e = h / V ₂ , and duration t (c) the intervals between pulses satisfies the relation t> t _1, t> t _e, where n - the ordinal pulse number (1,2, ...); r _cr is the critical radius of the nucleus on a foreign substrate, V ₁ is the rate of layer formation at the stage of formation of the buffer layer, h is the initial height of the heterogeneity of the surface topography of the epitaxial layer, v ₂ is the growth rate of the layer at the stage of epitaxial growth. The technical result of the invention is to improve the quality of the epitaxial layer by reducing the density of defects and dislocation. "

Кроме того, имеются следующие патенты РФ, относящиеся к рассматриваемой тематике. Патент РФ №2002105900 «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света и способ его изготовления». В реферате патента присутствует «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света, включающий в себя полупроводниковый кристалл со сформированным в нем p-n переходом, генерирующий световой поток при приложении прямого смещения, а также органическую люминесцентную область, частично поглощающую излучение кристалла и преобразующую его в излучение с большей доминирующей длиной волны, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл содержит объемные или квантово-размерные гетероструктуры с активной областью, заключенной между широкозонными эмиттерами, и/или гетероструктуры с квантовыми ямами, квантовыми нитями, квантовыми точками и обеспечивает излучение в сине-фиолетовой области спектра при повышенной светоотдаче, а органическая люминесцентная область представляет собой твердый In addition, there are the following patents of the Russian Federation related to the subject under consideration. RF patent No. 2002105900 "Semiconductor electroluminescent light source and method for its manufacture." The abstract of the patent contains “A semiconductor electroluminescent light source, which includes a semiconductor crystal with a pn junction formed in it, generating a light flux when a direct bias is applied, as well as an organic luminescent region that partially absorbs the radiation from the crystal and converts it into radiation with a longer dominant wavelength characterized in that the semiconductor crystal contains bulk or quantum-dimensional heterostructures with an active region located between rokozonnymi emitters and / or heterostructure quantum wells, quantum wires, and quantum dots to emit in the blue-violet region of the spectrum at high luminous efficiency, and organic luminescent region is a solid

раствор одного или более органических люминесцентных веществ в прозрачной полимерной матрице», а в п.п. 5 и 6 реферата имеются расширения «5. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл содержит гетероструктуры InGaN/AlGaN. 6. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковый кристалл получают методом газофазного химического осаждения из металлоорганических соединений (MOCVD) на подложках сапфира [0001]». Патент РФ №2001111417 «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света с перестраиваемым цветом свечения». В реферате патента присутствует «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света, включающий полупроводниковый кристалл со сформированным в нем p-n переходом, генерирующий световой поток при приложении прямого смещения, а также, по меньшей мере, один слой органического люминесцентного материала, частично поглощающего излучение кристалла и преобразующего его в излучение с большей длиной волны, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового кристалла он содержит кристалл с многополосным спектром электролюминесценции, включающий, по меньшей мере, две полосы с регулируемым путем изменения параметров питающего напряжения соотношением интенсивностей этих полос, причем одна из полос лежит в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, а другие в видимой области, а слой органического люминесцентного материала содержит одно или более органических люминесцентных веществ, причем спектральная полоса поглощения, по меньшей мере, одного из органических люминесцентных веществ лежит в области УФ полосы излучения полупроводникового кристалла», а п.3 упоминает «Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового электролюминесцентного кристалла содержит материал на основе нитрида галлия, представляющий собой многослойную эпитаксиальную структуру, сформированную на подложке из карбида кремния или сапфира и содержащую последовательно: слой n-типа проводимости из нитрида галлия, легированного кремнием, компенсированный слой из нитрида галлия, легированного цинком, и слой p-типа проводимости из нитрида галлия, легированного магнием». Патент РФ №2231171 «Светоизлучающий диод», «Техническим результатом изобретения является повышение квантовой эффективности AlGaInN-светодиода и упрощение его монтажа на коммутационную плату. Светоизлучающий диод включает подложку, эпитаксиальную гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N, (0<x<1, 0<y<1) с p-n-переходом, образованную последовательностью a solution of one or more organic luminescent substances in a transparent polymer matrix ”, and in p. 5 and 6 of the abstract there are extensions "5. The semiconductor electroluminescent light source according to claim 1, characterized in that the semiconductor crystal contains InGaN / AlGaN heterostructures. 6. The semiconductor electroluminescent light source according to claim 1, characterized in that the semiconductor crystal is obtained by gas-phase chemical deposition from organometallic compounds (MOCVD) on sapphire substrates [0001]. " RF patent №2001111417 "Semiconductor electroluminescent light source with a tunable color of luminescence." The abstract of the patent contains “A semiconductor electroluminescent light source, including a semiconductor crystal with a pn junction formed in it, generating a light flux when a direct bias is applied, as well as at least one layer of organic luminescent material that partially absorbs the radiation of the crystal and converts it into radiation with a longer wavelength, characterized in that as a semiconductor crystal it contains a crystal with a multiband electroluminescence spectrum, including sensing at least two bands with an adjustable way of changing the parameters of the supply voltage, the ratio of the intensities of these bands, one of the bands lying in the ultraviolet (UV) region of the spectrum, and the other in the visible region, and the layer of organic luminescent material contains one or more organic luminescent substances, and the spectral absorption band of at least one of the organic luminescent substances lies in the region of the UV emission band of the semiconductor crystal ", and paragraph 3 mentions" Semiconductor An irradiated electroluminescent light source according to claims 1 and 2, characterized in that, as a semiconductor electroluminescent crystal, it contains gallium nitride-based material, which is a multilayer epitaxial structure formed on a silicon carbide or sapphire substrate and containing in series: an n-type conductivity layer of gallium nitride doped with silicon, a compensated layer of gallium nitride doped with zinc, and a p-type layer of gallium nitride doped with magnesium. " RF patent No. 2231171 “Light-emitting diode”, “The technical result of the invention is to increase the quantum efficiency of the AlGaInN LED and simplify its installation on a patch board. A light-emitting diode includes a substrate, an epitaxial heterostructure based on solid solutions of metal nitrides of the third group Al _x In _y Ga _{1- (x + y)} N, (0 <x <1, 0 <y <1) with a pn junction formed by the sequence

эпитаксиальных слоев n- и p-типа проводимости, а также металлические контакты, расположенные со стороны эпитаксиальных слоев»). Патент РФ №2003113362 «Светоизлучающий диод» («Светоизлучающий диод, включающий подложку, эпитаксиальную гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N, (0<x<1, 0<y<1) с p-n-переходом, образованную последовательностью эпитаксиальных слоев n- и p-типа проводимости, а также металлические контакты, расположенные со стороны эпитаксиальных слоев, при этом, по меньшей мере, один из металлических контактов расположен на наружной поверхности эпитаксиальных слоев, отличающийся тем, что подложка выполнена из монокристалла нитрида металла третьей группы А^IIIN, в эпитаксиальных слоях со стороны наружной поверхности сформирована мегаструктура, в которой вытравлена канавка на глубину, большую глубины залегания p-n-перехода, разделяющая мезаструктуру на две области, один из металлических контактов расположен на наружной поверхности одной области мезаструктуры, а другой металлический контакт расположен на наружной поверхности другой области мезаструктуры и при этом спущен по боковой стенке канавки на ее дно»). Патент РФ №2186447 «Полупроводниковый прибор», («Сущность изобретения: полупроводниковый прибор включает монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения Ga_1-xAl_xN, где 0<x<1, и электроды, буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия 1.05<а<1.20 где n - числа 3, 4, 6, 8 10, при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению поверхности подложки», действие патента на данный момент приостановлено). Патент РФ №97119755 «Полупроводниковый прибор» («Полупроводниковый прибор, включающий монокристаллическую сапфировую подложку с ориентацией рабочей поверхности, содержащей направление на которой расположена гетероэпитаксиальная слоистая структура, состоящая из, по меньшей мере, из одного буферного подслоя и одной полупроводниковой пленки, выполненной из соединения Ga_1-xAl_xN, где (0<x<1), и электроды, отличающийся тем, что буферный подслой выполнен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии с параметром элементарной кубической ячейки "а", выбранным из условия: где n - числа 3, 4, 6, 8, 10, при этом поверхность подслоя содержит направление <112>, параллельное направлению поверхности подложки»). Патент РФ №97113504 epitaxial layers of n- and p-type conductivity, as well as metal contacts located on the side of the epitaxial layers ”). RF patent No. 2003113362 “Light-emitting diode” (“Light-emitting diode including a substrate, epitaxial heterostructure based on solid solutions of metal nitrides of the third group Al _x In _y Ga _{1- (x + y)} N, (0 <x <1, 0 <y <1) with a pn junction formed by a sequence of n- and p-type epitaxial layers, as well as metal contacts located on the side of the epitaxial layers, at least one of the metal contacts is located on the outer surface of the epitaxial layers, characterized the fact that the substrate is made of monocra crystals of nitrides of group III metal A ^III N, in the epitaxial layers from the outer surface formed mega structure in which the etched groove to a depth greater depth of the pn-junction separating the mesa into two regions, one of the metal contacts located on an outer surface of one region mesa and another metal contact is located on the outer surface of another region of the mesastructure and is lowered along the side wall of the groove to its bottom "). RF patent No. 2186447 "Semiconductor device", ("Summary of the invention: a semiconductor device includes a single crystal sapphire substrate with the orientation of the working surface containing the direction on which there is a heteroepitaxial layered structure consisting of at least one buffer sublayer and one semiconductor film made from the compound Ga _{_1-x} Al _x N, where 0 <x <1, and electrodes, buffer sublayer made of material, crystalline structure of which belongs to the cubic crystal system with the parameter Elem tare cubic cell "a", selected from condition 1.05 <a <1.20 where n are numbers 3, 4, 6, 8 10, while the surface of the sublayer contains a direction <112> parallel to the direction of the surface of the substrate ", the patent is currently suspended ) RF patent No. 97119755 “Semiconductor device” (“Semiconductor device comprising a single crystal sapphire substrate with the orientation of the working surface containing the direction on which the heteroepitaxial layered structure is located, consisting of at least one buffer sublayer and one semiconductor film made of a compound Ga _1-x Al _x N, where (0 <x <1), and electrodes, characterized in that the buffer sublayer is made of a material whose crystal structure refers to cubic syngony with the parameter unit cubic cell "a" selected from the condition: where n are numbers 3, 4, 6, 8, 10, and the surface of the sublayer contains a direction <112> parallel to the direction of the surface of the substrate "). RF patent No. 97113504

«Полупроводниковый источник излучения» («Полупроводниковый источник излучения, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку, на рабочей поверхности которой последовательно выращены: гетероэпитаксиальный буферный слой, гетероэпитаксиальные полупроводниковые пленки, различающиеся типом проводимости, ориентации (0001) из нитрида металла III группы периодической системы и/или твердого раствора нитридов металлов III группы и электроды, отличающийся тем, что буферный слой изготовлен из материала, кристаллическая структура которого относится к кубической сингонии и имеет параметр элементарной кубической ячейки "а", выбранный из условия 2.10 нА<а<2.40 нА»). Патент РФ №97106211 «Полупроводниковый источник излучения» («Полупроводниковый источник излучения, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку, осажденные на ее рабочую поверхность гетероэпитаксиальные слои ориентации (0001) из нитрида металла III группы Периодической системы и/или твердого раствора нитридов металлов III группы, и электроды, отличающийся тем, что рабочая поверхность сапфировой подложки имеет ориентацию плоскости, которая пересекается с плоскостью (0001) по одному из направлений <1010> и образует с ней угол, не равный 90°»). Патент РФ №97101705 «Полупроводниковый источник излучения» (Полупроводниковый источник излучения, содержащий монокристаллическую сапфировую подложку, осажденные на ее рабочую поверхность гетероэпитаксиальные слои ориентации (0001) из нитрида металла III группы Периодической системы и/или твердого раствора нитридов металлов III группы, и электроды, отличающийся тем, что рабочая поверхность сапфировой подложки имеет ориентацию (1120).“A semiconductor radiation source” (“A semiconductor radiation source containing a single crystal sapphire substrate, on the working surface of which are successively grown: heteroepitaxial buffer layer, heteroepitaxial semiconductor films of different conductivity type, orientation (0001) from group III metal nitride of the periodic system and / or solid a solution of metal nitrides of group III and electrodes, characterized in that the buffer layer is made of a material whose crystal structure is about pertains to the cubic system and has a cubic unit cell parameter "a" of selected conditions of 2.10 <a <2.40 nA "). RF patent No. 97106211 “Semiconductor radiation source” (“Semiconductor radiation source containing a single crystal sapphire substrate, heteroepitaxial orientation layers (0001) deposited on its working surface from metal nitride of group III of the Periodic system and / or solid solution of metal nitrides of group III, and electrodes , characterized in that the working surface of the sapphire substrate has a plane orientation that intersects with the (0001) plane in one of the <1010> directions and forms an angle with it that is not equal to 90 ° "). RF patent No. 97101705 “Semiconductor radiation source” (a semiconductor radiation source containing a single crystal sapphire substrate, heteroepitaxial orientation layers (0001) deposited on its working surface from group III metal nitride of the Periodic system and / or solid solution of group III metal nitrides, and electrodes, characterized in that the working surface of the sapphire substrate has an orientation (1120).

В числе патентов США, имеющих непосредственное отношение к решению, предлагаемому в настоящем проекте, можно выделить следующие. Патент 5,993,542 «Метод выращивания слоев полупроводниковых соединений нитридов III-V и метод изготовления подложки на основе нитридов III-V» В патенте заявлен метод изготовления полупроводниковых слоев подложки, например нитрид галлия, включающий стадии роста слоев AlGaInN на впоследствии удаляемой сапфировой подложке методом MOCVD при скорости роста не более 4 микрометров в час, а затем последующее выращивание слоев AlGaInN методом газофазной эпитаксии (VPE) при скорости роста более 4 микрометров в час, но не более 200 микрометров в час, с последующим удалением подложки. Патент 6,232,623 «Полупроводниковый прибор на сапфировой подложке». В патенте заявлен способ улучшения кристаллографических свойств слоя полупроводниковых соединений нитридов III-V, выращиваемых на подложке сапфира. Для этого на ростовой поверхности подложки делается множество углублений, и далее происходит рост эпитаксиального Among the US patents that are directly related to the solution proposed in this project, the following can be distinguished. Patent 5.993.542 “Method for growing layers of semiconductor compounds of III-V nitrides and a method for manufacturing a substrate based on III-V nitrides” The patent claims a method for manufacturing semiconductor layers of a substrate, for example gallium nitride, which includes the growth stages of AlGaInN layers on a subsequently removed sapphire substrate by MOCVD at a speed growth of not more than 4 micrometers per hour, and then the subsequent growth of AlGaInN layers by gas phase epitaxy (VPE) at a growth rate of more than 4 micrometers per hour, but not more than 200 micrometers per hour, followed by removal Niemi substrate. Patent 6,232,623 “Semiconductor device on a sapphire substrate”. The patent claims a method for improving the crystallographic properties of a layer of semiconductor compounds of III-V nitrides grown on a sapphire substrate. For this, many depressions are made on the growth surface of the substrate, and then epitaxial growth occurs.

слоя. По крайней мере, часть внутренней поверхности каждого углубления имеет угол не менее 10 градусов по отношению к основной поверхности подложки, и эти углубления заращиваются кристаллом полупроводникового соединения нитридов III-V с более высоким содержанием алюминия чем полупроводниковый слой нитрида III-V, такого, как AlGaN, содержание алюминия в котором составляет 0.2 или больше. Глубина каждого углубления составляет не менее 25 нм, но не более 30 нм. Сами углубления делаются на поверхности сапфировой подложки или травлением, или иным другим способом. Патент 6,233,265 «Светодиодные и лазерные структуры AlGaInN для зеленого и синего излучения». В реферате патента отмечается, что нитридные полупроводники используются для изготовления излучателей света, и в нитридных лазерах и светодиодах в активной области используется сплав InGaN, что обусловлено возможностью изменять величину ширины запрещенной зоны этого соединения путем изменения состава сплава, и, таким образом, изготавливать излучатели для всех областей спектра. Однако слои InGaN с высоким содержанием индия, требуемым для работы прибора в зеленой или синей области спектра, трудно выращивать из-за плохого соответствия параметров решетки GaN и InGaN, приводящего к сегрегации сплава во время роста. В такой ситуации негомогенный состав сплава приводит к эмиссии в нежелательных областях спектра, а для лазеров - в потерях оптического усиления. Чтобы подавить сегрегацию, слой InGaN с высоким содержанием индия можно наращивать на толстом слое InGaN, состав которого, в свою очередь, выбирать таким образом, чтобы осуществить «плавный переход» по параметру решетки от нитрида галлия к нитриду галлия-индия с высоким содержанием индия. Подобная «толстая» структура на основе нитрида галлия позволяет выращивать активные области светоизлучающих приборов с высоким содержанием индия, обладающие улучшенными структурными и оптоэлектронными свойствами, что позволяет изготавливать светодиоды со спектром излучения, строго ограниченным требуемой областью, а также лазерные диоды с низкой пороговой плотностью тока. Патент 6,252,255 «Способ выращивания нитридного полупроводника, светоизлучающий нитридный прибор и способ его изготовления». В реферате патента предлагается способ выращивания кристаллической структуры на основе нитридного полупроводника на сапфировой подложке в газовой фазе, включающий стадии выбора подложки сапфира с кристаллографической ориентацией поверхности с отклонение от 0.05 до 0.2 градусов от ориентации <0001>, и выращивание нитридного полупроводника на такой сапфировой подложке. При изготовлении светодиодной структуры рассматривается вариант, когда такая структура состоит из нескольких квантовых ям. Патент 6,345,063 «Светодиод и лазерная структура на AlGaInN, выращенные методом ELOG для излучения в синей или layer. At least a portion of the inner surface of each recess has an angle of at least 10 degrees to the main surface of the substrate, and these recesses are overgrown with a crystal of a III-V nitride semiconductor compound with a higher aluminum content than a III-V semiconductor layer, such as AlGaN , the aluminum content of which is 0.2 or more. The depth of each recess is not less than 25 nm, but not more than 30 nm. The depressions themselves are made on the surface of the sapphire substrate either by etching, or in any other way. Patent 6,233,265 "AlGaInN LED and laser structures for green and blue radiation." In the abstract of the patent it is noted that nitride semiconductors are used for the manufacture of light emitters, and InGaN alloy is used in nitride lasers and LEDs in the active region, which is due to the ability to change the band gap of this compound by changing the composition of the alloy, and thus produce emitters for all areas of the spectrum. However, InGaN layers with a high indium content required for the device to operate in the green or blue spectral region are difficult to grow due to poor matching of the lattice parameters of GaN and InGaN, which leads to alloy segregation during growth. In such a situation, the inhomogeneous composition of the alloy leads to emission in undesirable spectral regions, and for lasers, in loss of optical gain. To suppress segregation, an InGaN layer with a high indium content can be grown on a thick InGaN layer, the composition of which, in turn, can be chosen so as to achieve a “smooth transition” in the lattice parameter from gallium nitride to gallium-indium nitride with a high indium content. Such a “thick” structure based on gallium nitride allows one to grow active regions of light-emitting devices with a high indium content, which have improved structural and optoelectronic properties, which makes it possible to produce LEDs with a radiation spectrum strictly limited to the required region, as well as laser diodes with a low threshold current density. Patent 6,252,255 "A method of growing a nitride semiconductor, a light-emitting nitride device and a method for its manufacture." The abstract of the patent proposes a method for growing a crystalline structure based on a nitride semiconductor on a sapphire substrate in the gas phase, which includes the steps of selecting a sapphire substrate with a crystallographic surface orientation with a deviation from 0.05 to 0.2 degrees from the <0001> orientation, and growing a nitride semiconductor on such a sapphire substrate. In the manufacture of the LED structure, an option is considered when such a structure consists of several quantum wells. Patent 6.345.063 “AlGaInN LED and laser structure grown by ELOG for emission in blue or

зеленой областях спектра». Решение, предлагаемое в этом патенте, также использует выращивание толстой структуры на основе InGaN для преодоления проблемы рассогласования параметров активной области полупроводникового излучателя и подложки. Патент 6,791,103 «Светоизлучающий полупроводниковый прибор на основе соединений нитрида галлия». Запатентован полупроводниковый прибор на основе соединений нитрида галлия на двойной гетероструктуре. Двойная гетероструктура включает светоизлучающий слой, сформированный из полупроводникового соединения InGaN с низким удельным сопротивлением, легированным для достижения электронного или дырочного типа проводимости. Первый внешний слой примыкает к поверхности светоизлучающего слоя и сформирован из соединения на основе GaN электронного типа проводимости с содержанием индия, отличающимся от состава активной области. Второй внешний слой примыкает к другой поверхности светоизлучающего слоя и изготавливается из слоя нитрида галлия дырочного типа проводимости с низким удельным сопротивлением. Содержание индия в этом внешнем слое также отличается от содержания индия в активной области. Патент является результатом разделения исходной заявки на несколько заявок, одна из которых была запатентована как патент 6,469,323 с таким же названием, где запатентован светоизлучающий прибор на основе полупроводниковых соединений нитрида галлия на двойной гетероструктуре. Двойная гетероструктура здесь содержит светоизлучающий слой на основе полупроводникового соединения In_xGa_1-xN (0<x<1) с низким удельным сопротивлением p- или n-типа проводимости. Первый внешний слой присоединен к одной из поверхностей светоизлучающей структуры и выполнен на основе полупроводникового соединения нитрида галлия электронного типа проводимости и с химическим составом, отличающимся от состава светоизлучающего слоя. Второй внешний слой присоединен к другой поверхности светоизлучающего слоя и, в свою очередь, представляет собой полупроводниковое соединение нитрида галлия дырочного типа проводимости с химическим составом, отличающимся от состава светоизлучающего слоя. Патент 6,833,564 «Светоизлучающие приборы на основе нитрида галлия-индия на гетероструктурах с раздельным ограничением». Запатентован светоизлучающий прибор на основе III-нитридов, включающий подложку, первый проводящий слой на подложке, слой-спэйсер на первом проводящем слое, активная область на слое-спэйсере, верхний слой на активной области, второй проводящий слой (другого типа проводимости, нежели первый) на верхнем слое. Активная область включает в себя слой с квантовой ямой и барьерный слой, содержащий индий. Барьерный слой может быть легирован примесью, дающей первый определенный тип проводимости и иметь содержание индия от 1 до 15%.green areas of the spectrum. ” The solution proposed in this patent also uses the growth of a thick InGaN-based structure to overcome the problem of mismatching the parameters of the active region of the semiconductor emitter and the substrate. Patent 6,791,103 "Light-emitting semiconductor device based on gallium nitride compounds." A semiconductor device based on gallium nitride compounds on a double heterostructure is patented. A double heterostructure includes a light emitting layer formed from an InGaN semiconductor compound with a low resistivity doped to achieve electron or hole type conductivity. The first outer layer is adjacent to the surface of the light-emitting layer and is formed from a GaN-based compound of electronic conductivity type with an indium content different from the composition of the active region. The second outer layer adjoins the other surface of the light-emitting layer and is made of a hole-type conductivity gallium nitride layer with a low resistivity. The indium content in this outer layer also differs from the indium content in the active region. The patent is the result of dividing the original application into several applications, one of which was patented as patent 6,469,323 with the same name, where a light-emitting device based on semiconductor compounds of gallium nitride on a double heterostructure is patented. The double heterostructure here contains a light emitting layer based on an In _x Ga _1-x N semiconductor compound (0 <x <1) with a low specific resistance of p- or n-type conductivity. The first outer layer is attached to one of the surfaces of the light-emitting structure and is based on a semiconductor compound of gallium nitride of electronic type of conductivity and with a chemical composition different from the composition of the light-emitting layer. The second outer layer is attached to another surface of the light-emitting layer and, in turn, is a semiconductor compound of hole-type gallium nitride with a chemical composition different from the composition of the light-emitting layer. Patent 6,833,564 "Light-emitting devices based on gallium-indium nitride on heterostructures with separate restriction." A III-nitride-based light-emitting device is patented, including a substrate, a first conductive layer on a substrate, a spacer layer on a first conductive layer, an active region on a spacer layer, a top layer on an active region, a second conductive layer (of a different type of conductivity than the first) on the top layer. The active region includes a quantum well layer and a barrier layer containing indium. The barrier layer can be doped with an impurity giving the first specific type of conductivity and have an indium content of 1 to 15%.

В определенных конфигурациях светоизлучающий прибор включает слой с ограничением носителей на основе InGaN, сформированный между слоем с первым типом проводимости и активной областью. В других конфигурациях светоизлучающий прибор содержит верхний слой ограничения на основе InGaN, сформированный между слоем со вторым типом проводимости и активной областью. В некоторых конфигурациях светоизлучающий прибор содержит верхний слой на основе InGaN, заключенный между верхним слоем с ограничением и активной областью. Патент 6,838,606 «Светоизлучающий прибор на основе полупроводникового соединения нитридов III группы, и излучающий свет в диапазоне длин волн от 360 до 550 нм». Запатентован светоизлучающий прибор на основе полупроводникового соединения нитридов III группы, включающий в себя элемент, в котором слой InGaN заключен между слоями AlGaN с каждой стороны. Усиление выхода излучения из светоизлучающего прибора в данном случае достигается за счет контроля толщины, скорости роста и температуры выращивания слоя InGaN (слоя с квантовой ямой) и толщины барьерного слоя AlGaN с целью их оптимизации. Патент 6,864,502 «Светоизлучающий элемент на основе полупроводникового соединения нитридов III группы». Запатентован светоизлучающий элемент на основе полупроводникового соединения нитридов III группы со структурой квантовых ям, включающий слой с ямой AlGaInN и барьерный слой AlGaInN, причем содержание алюминия в соединении, из которого изготовлен барьерный слой, равно или меньше содержания алюминия в соединении, из которого изготовлен слой с квантовыми ямами.In certain configurations, the light emitting device includes an InGaN-based carrier restriction layer formed between the first conductivity type layer and the active region. In other configurations, the light-emitting device comprises an InGaN-based top confinement layer formed between a layer with a second type of conductivity and an active region. In some configurations, the light emitting device comprises an InGaN based top layer sandwiched between the top layer with a confinement and an active region. Patent 6,838,606 "A light emitting device based on a semiconductor compound of group III nitrides and emitting light in the wavelength range from 360 to 550 nm." A light-emitting device based on a semiconductor compound of group III nitrides is patented, which includes an element in which an InGaN layer is enclosed between AlGaN layers on each side. In this case, an increase in the radiation yield from the light-emitting device is achieved by controlling the thickness, growth rate, and temperature of growth of the InGaN layer (layer with a quantum well) and the thickness of the AlGaN barrier layer in order to optimize them. Patent 6,864,502 "Light-emitting element based on a semiconductor compound of group III nitrides." A light emitting element based on a semiconductor compound of group III nitrides with a quantum well structure is patented, including a layer with an AlGaInN well and an AlGaInN barrier layer, the aluminum content in the compound of which the barrier layer is made is equal to or lower than the aluminum content in the compound of which the layer with quantum wells.

Среди известных аналогов, наиболее близким к патентуемой полезной модели заявляется объект защищенный патентом 6,861,663 патентной службы Соединенных Штатов Америки - «Полупроводниковый светоизлучающий прибор на основе соединений нитридов III группы». Запатентован светоизлучающий прибор на соединениях нитридов на основе квантовых ям и слоев нитридов, выращиваемых на сапфировых подложках. Вначале на сапфировой подложке выращивается буферный слой нитрида алюминия толщиной порядка 25 нанометров. На поверхности этого слоя выращивается верхний слой n⁺-типа проводимости с высокой концентрацией носителей. Толщина этого слоя составляет порядка 4 мкм, и он изготавливается из нитрида галлия, легированного кремнием. Затем формируется промежуточный слой из нелегированного InGaN толщиной порядка 3000 ангстрем. Следующим формируется внешний слой GaN толщиной порядка 250 ангстрем, а затем - три слоя квантовых ям на основе InGaN толщиной около 30 ангстрем каждая и два барьерных слоя на основе GaN толщиной порядка 70 ангстрем. Чередование этих слое производится таким образом, чтобы обеспечить в конечном итоге Among the known analogues, the closest to the patented utility model is claimed to be the object protected by patent 6,861,663 of the patent service of the United States of America - "Semiconductor light-emitting device based on compounds of group III nitrides." A light-emitting device based on nitride compounds based on quantum wells and layers of nitrides grown on sapphire substrates is patented. First, a buffer layer of aluminum nitride with a thickness of about 25 nanometers is grown on a sapphire substrate. On the surface of this layer, an upper layer of n ⁺ -type conductivity with a high concentration of carriers is grown. The thickness of this layer is about 4 μm, and it is made of gallium nitride doped with silicon. Then an intermediate layer of unalloyed InGaN with a thickness of the order of 3000 angstroms is formed. Next, an external GaN layer with a thickness of about 250 angstroms is formed, and then three layers of InGaN-based quantum wells with a thickness of about 30 angstroms each and two GaN-based barrier layers with a thickness of about 70 angstroms. The alternation of these layers is done in such a way as to ensure the ultimate

формирование светоизлучающего слоя на основе двух слоев со многими квантовыми ямами. Отличительными чертами патентуемой полезной модели от указанного прототипа является: отсутствие указания на разориентацию сапфировой подложки, величина которой составляет 0,3°, отсутствие дополнительной сверхрешетки с изменяемым составом по индию для снятия внутренних напряжений, число квантовых ям в активном слое отличное от заявленного в патентуемой полезной модели.the formation of a light-emitting layer based on two layers with many quantum wells. Distinctive features of the patented utility model from the specified prototype are: the absence of an indication of the misorientation of the sapphire substrate, the magnitude of which is 0.3 °, the absence of an additional superlattice with a variable composition according to India to relieve internal stresses, the number of quantum wells in the active layer is different from that stated in the patented utility models.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что на сапфировой подложке путем газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений выращивается низкотемпературный буферный слой нитрида галлия, с последующим выращиванием на нем слоя нелегированного нитрида галлия (концентрация носителей - 8*10¹⁶ см^-3). На последнем производится рост малодефектного слоя нитрида галлия легированного кремнием (концентрации носителей - 2-5*10¹⁸ см^-3), имеющего n-проводимость. Затем производится рост активной области светодиодной структуры, представляющей собой 5 периодов квантовых ям, каждая период содержит n-легированный барьерный слой нитрида галлия, InGaN - квантовую яму с содержанием индия в диапазоне от 4 до 6% и нелегированную GaN - «прикрышку». Следующим выращивается слой нитрида галлия имеющий n-проводимость, легированный кремнием, являющийся финальным барьером к выращенной сверхрешетке (концентрация носителей - 10¹⁷ см^-3). Формирование гетероструктуры оканчивается выращиванием слоя AlGaN имеющего p-проводимость (процентное содержание А1=20%) и финального слоя нитрида галлия легированного магнием (концентрация носителей - 2*10¹⁷ см^-3) обладающего p-проводимостью.The essence of the claimed utility model lies in the fact that on a sapphire substrate by gas-phase epitaxy using organometallic compounds, a low-temperature buffer layer of gallium nitride is grown, followed by growing a layer of undoped gallium nitride on it (carrier concentration - 8 * 10 ¹⁶ cm ^-3 ). In the latter, a low-defect layer of gallium nitride is doped with silicon (carrier concentration is 2-5 * 10 ¹⁸ cm ^-3 ), which has n-conductivity. Then, the active region of the LED structure, which consists of 5 periods of quantum wells, is grown, each period contains an n-doped barrier layer of gallium nitride, InGaN - a quantum well with indium content in the range from 4 to 6% and undoped GaN - “cover”. Next, a gallium nitride layer is grown with n-conductivity doped with silicon, which is the final barrier to the grown superlattice (carrier concentration - 10 ¹⁷ cm ^-3 ). The formation of the heterostructure ends with the growth of an AlGaN layer with p-conductivity (percentage A1 = 20%) and a final layer of gallium nitride doped with magnesium (carrier concentration - 2 * 10 ¹⁷ cm ^-3 ) with p-conductivity.

С целью уменьшения плотности дислокации предлагается выращивание дополнительной сверхрешетки перед выращиванием основной сверхрешетки. Дополнительная сверхрешетка состоит из пяти периодов чередующихся слоев InGaN, GaN. Концентрация индия в процессе роста увеличивается от 1 до 5%.In order to reduce the dislocation density, it is proposed to grow an additional superlattice before growing the main superlattice. An additional superlattice consists of five periods of alternating layers of InGaN, GaN. The concentration of indium in the process of growth increases from 1 to 5%.

Полезная модель отличается от аналогов повышенной эффективностью достигаемой за счет одновременного использования в конструкции светодиодной структуры следующих особенностей. Большая эффективность достигается за счет использования низкотемпературного GaN буферного слоя, компенсирующего рассогласование решеток сапфира и слоя n - GaN. Рост буферного слоя производится при температуре до 600°С. Вариант в исполнении конструкции патентуемой светодиодной структуры с использованием дополнительной сверхрешетки, с изменяемым составом по индию, приводит к уменьшению внутренних напряжений в структуре и снижению плотности дислокации до 10⁷ см^-2 и получению совершенной кристаллической структуры.The utility model differs from its analogues in increased efficiency achieved due to the simultaneous use of the following features in the design of the LED structure. Greater efficiency is achieved through the use of a low-temperature GaN buffer layer, which compensates for the mismatch of the sapphire lattices and the n-GaN layer. The growth of the buffer layer is carried out at temperatures up to 600 ° C. An embodiment in the design of the patented LED structure using an additional superlattice, with a variable composition according to India, leads to a decrease in internal stresses in the structure and a decrease in the dislocation density to 10 ⁷ cm ^-2 and to obtain a perfect crystalline structure.

Наряду с этим в конструкции создаются пять периодов квантовых ям, образующих сверхрешетку, способствующую увеличению внешней квантовой эффективности прибора.Along with this, five periods of quantum wells are created in the structure, forming a superlattice, which contributes to an increase in the external quantum efficiency of the device.

Патентуемая светодиодная гетероструктура на подложке из монокристаллического сапфира, заявляемой полезной модели, представлена на Фиг.1. Структура состоит из элемента объемного сапфира с кристаллической ориентацией поверхности (1000), и выращенных на ней методом газофазной эпитаксии с использованием металлоорганических соединений последовательно слоев: буферный слой нитрида галлия, нелегированный слой нитрида галлия, слой нитрида галлия n-типа проводимости, легированного кремнием, множественных квантовых ям на основе твердого раствора In_xGa_1-xN в GaN, слоя твердого раствора AlGaN p-типа проводимости и слоя нитрида галлия p-типа проводимости, легированного магнием. Величина параметра «x» определяет соотношение индия и галлия и варьируется для получения требуемой длины волны в заданном диапазоне 450-480 нм.Patented LED heterostructure on a single crystal sapphire substrate of the claimed utility model is shown in FIG. 1. The structure consists of a bulk sapphire element with a crystalline orientation of the surface (1000) and gas-phase epitaxy grown on it using organometallic compounds of successive layers: a buffer layer of gallium nitride, an undoped layer of gallium nitride, a layer of n-type gallium nitride, silicon-doped conductivity, multiple quantum wells based on an In _x Ga _1-x N solid solution in GaN, a p-type AlGaN solid solution layer of a p-type conductivity, and a p-type gallium nitride layer of conductivity doped with magnesium. The value of the parameter "x" determines the ratio of indium to gallium and varies to obtain the desired wavelength in a given range of 450-480 nm.

Claims

1. LED heterostructure on a single-crystal sapphire substrate, including a heterostructure located on a sapphire substrate, consisting of a low-temperature buffer layer of gallium nitride, a layer of undoped gallium nitride (carrier concentration - 8 · 10 ¹⁶ cm ^-3 ), n-GaN layer (doped with silicon , carrier concentrations - 2-5 · 10 ¹⁸ cm ^-3 ), 5 periods of quantum wells (n-GaN layer, InGaN - quantum well with indium content in the range from 4 to 6%, undoped GaN - “cover”), n- GaN layer (doped with silicon, carrier concentration - 10 ¹⁷ cm ^-3 ) which is the final barrier to the grown superlattice, an AlGaN layer with p-conductivity (Al percentage - 20%) and a final p-GaN layer (magnesium doped, carrier concentration - 2 · 10 ¹⁷ cm ^-3 ).

2. The LED heterostructure according to claim 1, characterized in that the working surface of the sapphire substrate has an orientation (0001) and a misorientation of 0.3 ° towards the M axis.

3. The LED heterostructure according to claim 1, characterized in that it contains a low-temperature buffer layer of gallium nitride, to relieve internal stresses.

4. LED heterostructure according to claim 1, characterized in that it contains an additional superlattice with a variable composition in India in the range from 1 to 5% to relieve internal stresses.

5. The LED heterostructure according to claim 1, characterized in that the active zone is made in the form of a superlattice consisting of 5 quantum wells, each of which is formed by 3 layers - an n-GaN layer, InGaN - a quantum well, undoped GaN - “covers”.

6. LED heterostructure according to claim 5, characterized in that the concentration of indium varies from 4 to 6%.