RU83655U1

RU83655U1 - LED HETEROSTRUCTURE WITH MULTIPLE INGAN / GAN QUANTUM PITS

Info

Publication number: RU83655U1
Application number: RU2008129924/22U
Authority: RU
Inventors: Максим Георгиевич Агапов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эпи-Тех"
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2009-06-10

Abstract

1. Светодиодная гетероструктура с множественными InGaN/GaN квантовыми ямами, включающая расположенную на сапфировой подложке гетероструктуру, состоящую из низкотемпературного буферного слоя нитрида галлия, слоя нелегированного нитрида галлия (концентрация носителей - 8·1016 см-3), n-GaN слоя (легированного кремнием концентоации носителей - 2-5·1018 см-3), 5 периодов квантовых ям (n-GaN слой, InGaN - квантовая яма с содержанием индия в диапазоне от 4 до 6% и переменным составом легирующей примеси в барьерах, изменяемой по линейному закону, нелегированная GaN - «прикрышка»), n-GaN слоя (легированный кремнием, концентрация носителей - 1017 см-3) являющегося финальным барьером к выращенной сверхрешетке, слоя AlGaN имеющего р-проводимость (процентное содержание Al - 20%) и финального слоя p-GaN (легированного магнием, концентрация носителей - 2·1017 см-3). ! 2. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что рабочая поверхность сапфировой подложки имеет ориентацию (0001) и разориентацию 0,3° по направлению к оси М. ! 3. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что содержит низкотемпературный буферный слой нитрида галлия для снятия внутренних напряжений. ! 4. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительную сверхрешетку с изменяемым составом по индию в пределах от 1 до 5% для снятия внутренних напряжений. ! 5. Светодиодная гетероструктура по п.1, отличающаяся тем, что активная зона выполнена в виде сверхрешетки, состоящей из 5 квантовых ям, каждая из которых сформирована 3 слоями - n-GaN слоя, InGaN - квантовой ямы, нелегированной GaN - «прикрышки». ! 6. Светодиодная гетероструктура по п.5, отличающаяся тем, что концентрация �1. LED heterostructure with multiple InGaN / GaN quantum wells, 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 · 1016 cm-3), n-GaN layer (silicon doped with silicon) carrier concentrations - 2-5 · 1018 cm-3), 5 periods of quantum wells (n-GaN layer, InGaN - quantum well with indium content in the range from 4 to 6% and a variable composition of the dopant in the barriers, which varies linearly, undoped GaN - "pr sponge "), an n-GaN layer (silicon doped, carrier concentration 1017 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 , the concentration of carriers is 2 · 1017 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 �

Description

Полезная модель относится к светодиодным гетероструктурам с квантовыми ямами.The utility model relates to LED quantum well heterostructures.

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 .

В качестве аналогов объекта исследования выявлены следующие патенты РФ.The following patents of the Russian Federation are identified as analogues of the object of study.

Патент №2006130967 "Полупроводниковая структура имеющая активные зоны" (Германия, заявитель - РВЕ Спэйс Солар Пауэр ГМБХ, подклассы H01L 33/00). Имеющая активные зоны полупроводниковая структура в виде многоволнового диода, излучающего или поглощающего определенное число длин световых волн, такого как светодиод или фотодиод, содержащая подложку с, по меньшей мере, двумя активными зонами, каждая из которых эмитирует или поглощает излучение разной длины волны, причем первая (нижняя) активная зона выращена на поверхности подложки, по меньшей мере, одна дополнительная (верхняя) активная зона выращена эпитаксиально, и при этом активные зоны последовательно соединены от нижней активной зоны до верхней активной зоны посредством, по меньшей мере, одного разделительного слоя, служащего в качестве низкоомного сопротивления, причем этот разделительный слой выполнен как обратнополяризованный nр- или рn-переход в виде разделительного диода или Patent No. 2006130967 "A semiconductor structure having active zones" (Germany, Applicant - PBE Space Solar Power GMBH, subclasses H01L 33/00). A semiconductor structure having active zones in the form of a multi-wave diode emitting or absorbing a certain number of light wavelengths, such as an LED or photodiode, containing a substrate with at least two active zones, each of which emits or absorbs radiation of a different wavelength, the first the (lower) active zone is grown on the surface of the substrate, at least one additional (upper) active zone is grown epitaxially, and while the active zones are connected in series from the lower active th zone to the top of the core by at least one spacer layer serving as a low impedance resistance, wherein the separating layer is designed as obratnopolyarizovanny nr- or pn-junction diode as a spacer or

туннельного диода, причем между нижней активной зоной и верхней активной зоной эпитаксиально выращены одна или более дополнительных активных зон, причем самая нижняя активная зона имеет узкую энергетическую запрещенную зону, а каждая из последующих активных зон имеет соответственно более широкую энергетическую запрещенную зону, чем предыдущая активная зона, и при этом использованные для выращивания или эпитаксии разделительных диодов или туннельных диодов полупроводниковые материалы имеют либо непрямой межзонный переход, либо энергетическую запрещенную зону, которая в каждом случае лежит немного выше, чем у использованных под ними полупроводниковых материалов, отличающаяся тем, что на активной зоне выращен поглощающий слой из такого же материала, что и рn-слой активной зоны.tunnel diode, and between the lower active zone and the upper active zone epitaxially grown one or more additional active zones, the lowest active zone has a narrow energy forbidden zone, and each of the subsequent active zones has a correspondingly wider energy forbidden zone than the previous active zone and the semiconductor materials used for growing or epitaxy of separation diodes or tunnel diodes have either an indirect interband transition or an energy eticheskuyu bandgap, which in each case is slightly higher than that used under these semiconductor materials, characterized in that in the core absorbing layer is grown of the same material as the pn-layer core.

Патент №2315135 "Метод выращивания неполярных эпитаксиальных гетероструктур на основе нитридов III группы" (Россия, патентообладатель - Абрамов Владимир Семенович, подклассы H01L 33/00). Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых материалов и приборов методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений, а именно к изготовлению гетероструктур на основе элементов III группы и приборов на их основе, таких как белые светодиоды, лазеры и т.д. Метод выращивания неполярных эпитаксиальных гетероструктур для белых светоизлучающих диодов на основе соединений и твердых растворов нитридов элементов III группы включает газофазное осаждение одного или более слоев гетероструктур, представленных формулой AlXGal-XN, где 0<х≤1, на подложку, в качестве которой используют подложку а-лангасита, с рассогласованием с-параметров решетки «подложка - эпитаксиальный слой AlXGal-XN, не более чем в пределах от -2,3% при х=1 до +1,7% при х=0 и рассогласованием коэффициентов теплового расширения в направлении вдоль оси с не более чем в пределах от +49% при х=1 до -11% при х=0. Изобретение позволяет получать гетороструктуры с низкой плотностью дефектов и механических напряжений.Patent No. 2315135 “Method for growing nonpolar epitaxial heterostructures based on Group III nitrides” (Russia, patent holder - Vladimir Semenovich Abramov, subclasses H01L 33/00). The invention relates to a technology for the manufacture of semiconductor materials and devices by gas-phase epitaxy from organometallic compounds, and in particular to the manufacture of heterostructures based on elements of group III and devices based on them, such as white LEDs, lasers, etc. The method of growing nonpolar epitaxial heterostructures for white light-emitting diodes based on compounds and solid solutions of nitrides of group III elements involves the gas-phase deposition of one or more layers of heterostructures represented by the formula AlXGal-XN, where 0 <x≤1, on a substrate using a substrate a -langasite, with mismatch of c-parameters of the lattice “substrate - AlXGal-XN epitaxial layer, not more than in the range from -2.3% at x = 1 to + 1.7% at x = 0 and the mismatch of thermal expansion coefficients in the direction along the c axis is not more than + 49% at x = 1 to -11% at x = 0. The invention allows to obtain heterostructures with a low density of defects and mechanical stresses.

В качестве аналогов объекта исследования выявлены следующие патенты США.The following US patents have been identified as analogues of the object of study.

Патент 7,332,366 "Светоизлучающее полупроводниковое устройство на основе III-нитридов "(Япония, патентообладатель - фирма Toyoda Gosei Co., Ltd, подклассы H01L 29/40). Светоизлучающее полупроводниковое устройство последовательно состоит из: сапфирой подложки, буферного слоя AlN, GaN слоя легированного кремнием, AlGaInN слоя легированного кремнием, AlGaInN слоя легированного кремнием и цинком, AlGaInN слоя легированного магнием. AlN слой имеет толщину 500 ангстрем. GaN слой имеет толщину около 2 микрон и концентрацию электронов около 2*10¹⁸ см^-3. Следующие слои n-типа проводимости имеют соответственно толщину и концентрацию носителей 2 Patent 7,332,366 "III-nitride-based light emitting semiconductor device" (Japan, patent holder - Toyoda Gosei Co., Ltd, subclasses H01L 29/40). A light-emitting semiconductor device consistently consists of: a sapphire substrate, an AlN buffer layer, a GaN layer doped with silicon, an AlGaInN layer doped with silicon, an AlGaInN layer doped with silicon and zinc, an AlGaInN layer doped with magnesium. The AlN layer has a thickness of 500 angstroms. The GaN layer has a thickness of about 2 microns and an electron concentration of about 2 * 10 ¹⁸ cm ^-3 . The following n-type conductivity layers have, respectively, the thickness and concentration of carriers 2

и 0.5 микрон, 2*10¹⁸ см^-3, р-слой имеет толщину 1 микрон и концентрацию дырок 2*10¹⁷см^-3. Состав Al, Ga и In в каждом слое подбирается так чтобы минимизировать напряжения в n-AlGaInN слое. Светодиод имеет конструкцию позволяющую увеличить эффективность люминесценции и получить более чистый голубой цветand 0.5 microns, 2 * 10 ¹⁸ cm ^-3 , the p-layer has a thickness of 1 micron and a hole concentration of 2 * 10 ¹⁷ cm ^-3 . The composition of Al, Ga, and In in each layer is selected so as to minimize stresses in the n-AlGaInN layer. The LED has a design that allows you to increase the luminescence efficiency and get a cleaner blue color

Патент 7,339,195 "Полупроводниковый светоизлучающий прибор и метод его изготовления" (Япония, патентообладатель - фирма Sony Corporation., подклассы H01L 27/15). Полупроводниковый светоизлучающий прибор изготовлен из полупроводников типа А3В5, содержит активный слой состоящий из слоев содержащих InGaN; промежуточных слоев так же содержащих InGaN, но отличных по составу; прикрывающего слоя AlGaN p-типа проводимости, на который дальнейшем будет нанесен контакт.Patent 7,339,195 "Semiconductor light-emitting device and method for its manufacture" (Japan, patent holder - Sony Corporation., Subclasses H01L 27/15). The semiconductor light-emitting device is made of type A3B5 semiconductors, it contains an active layer consisting of layers containing InGaN; intermediate layers also containing InGaN, but different in composition; covering layer of p-type AlGaN, on which contact will be applied.

В качестве аналогов объекта исследования выявлены следующие патенты европейского патентного агентстваThe following patents of the European Patent Agency were identified as analogues of the object of study

Патент US2007290214 "Светоизлучающая диодная структура" (Тайвань, заявитель - фирма Epileds Tech Inc., подклассы H01L 33/00, H01L 27/15, H01L 29/26, H01L 31/12, H01L 29/02, H01L 31/12). Светодиодная структура состоящая из последовательности слоев: зародышевый слой осажденный на подложке; активный слой осажденный между верхним и нижним ограничивающими слоями, причем активный слой в основном состоит из полупроводников типа А3В5; контактный слой состоящий из последовательности слоев осажденных на верхнем ограничевающем слое; прозрачный электрод осажденный на контактном слое; и электрод контактирующий с проводящим буферным слоем.Patent US2007290214 "Light-emitting diode structure" (Taiwan, Applicant - Epileds Tech Inc., subclasses H01L 33/00, H01L 27/15, H01L 29/26, H01L 31/12, H01L 29/02, H01L 31/12). LED structure consisting of a sequence of layers: a germ layer deposited on a substrate; an active layer deposited between the upper and lower bounding layers, the active layer mainly consisting of type A3B5 semiconductors; a contact layer consisting of a sequence of layers deposited on the upper confining layer; a transparent electrode deposited on the contact layer; and an electrode in contact with the conductive buffer layer.

Патент US2008035953 "Светоизлучающий диод на основе нитрида галлия и метод его изготовления" (Корея, заявитель - фирма Samsung Electro Mech., подклассы H01L 33/00, H01L 21/20). Вертикальная светодиодная структура на основе GaN содержит последовательно: n-электрод, n-GaN слой имеющий неоднородную поверхность с двумя типами неоднородности различного периода, причем неоднородности одного сорта содержатся внутри неоднородностей второго сорта; активный слой; p-GaN слой; р-электрод; поддерживающий слой образованный на р-электроде.Patent US2008035953 "Light emitting diode based on gallium nitride and a method for its manufacture" (Korea, the applicant is Samsung Electro Mech., Subclasses H01L 33/00, H01L 21/20). The GaN-based vertical LED structure contains in series: an n-electrode, an n-GaN layer having an inhomogeneous surface with two types of heterogeneity of a different period, the heterogeneities of one sort being contained within the inhomogeneities of the second kind; active layer; p-GaN layer; p-electrode; a support layer formed on the p-electrode.

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*10¹⁰ 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, 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 ¹⁰ cm ^-3 ). The latter produces the growth of a low-defect layer of gallium nitride doped with silicon (carrier concentration - 2-5 * 10 ¹⁸ cm ^-3 ), which has n-conductivity. Then the active region of the LED structure is grown,

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% при этом концентация легирующей примеси в барьерах изменяется по линейному закону и нелегированную GaN - «прикрышку». Следующим выращивается слой нитрида галлия имеющий n-проводимость, легированный кремнием, являющийся финальным барьером к выращенной сверхрешетке (концентрация носителей - 10¹⁷см^-3). Формирование гетероструктуры оканчивается выращиванием слоя AlGaN имеющего р-проводимость (процентное содержание Аl=20%) и финального слоя нитрида галлия легированного магнием (концентрация носителей - 2*10¹⁷ см^-3) обладающего р-проводимостью.representing 5 periods of quantum wells, each period contains an n-doped barrier layer of gallium nitride, InGaN - a quantum well with an indium content in the range from 4 to 6%, while the concentration of the dopant in the barriers varies linearly and undoped GaN is a “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 Al = 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 дислокаций 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 density of dislocations, 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 10' см^-2 и получению совершенной кристаллической структуры. Наряду с этим в конструкции создаются пять периодов квантовых ям с переменным составом легирующей примеси, образующих сверхрешетку, способствующую увеличению внешней квантовой эффективности прибора.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 'cm ^-2 and to obtain a perfect crystalline structure. Along with this, five periods of quantum wells with a variable composition of the dopant, forming a superlattice, which increase the external quantum efficiency of the device, are created in the design.

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 с переменным составом легирующей примеси в барьерах, слоя твердого раствора AlGaN р-типа проводимости и слоя нитрида галлия р-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 a solid solution of In _x Ga _1-x N in GaN with a variable composition of the dopant in the barriers, a layer of p-type AlGaN solid solution and a p- gallium nitride layer

типа проводимости, легированного магнием. Величина параметра «х» определяет соотношение индия и галлия и варьируется для получения требуемой длины волны в заданном диапазоне 450-480 нм.type of conductivity doped with magnesium. The value of the parameter "x" determines the ratio of indium and gallium and varies to obtain the desired wavelength in a given range of 450-480 nm.

Claims

1. LED heterostructure with multiple InGaN / GaN quantum wells, 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 silicon carrier concentration - 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% and a variable composition of the dopant in the barriers, which varies linearly unalloyed GaN - “Cover”), the n-GaN layer (silicon-doped, the carrier concentration is 10 ¹⁷ cm ^-3 ), which is the final barrier to the grown superlattice, the AlGaN layer with p-conductivity (Al content is 20%) and the final p-GaN layer ( doped with magnesium, the concentration of carriers is 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. The 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%.

7. The LED heterostructure according to claim 5, characterized in that the concentration of the dopant in the barriers varies linearly.