RU79352U1 - LED HETEROSTRUCTURE - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, в частности, к светодиодам на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы.Задачей заявляемой полезной модели является минимизация механических напряжений на границе барьерного слоя применительно к светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой расположен после n-контактного слоя и перед активной областью.Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в светодиодной гетероструктуре на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN (0≤х≤1, 0≤y≤1) с р-n переходом, содержащей n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала InGaN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала AlGaN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, при этом барьерный слой по толщине имеет переменный состав в отношении алюминия, согласно полезной модели в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры после n-контактного слоя расположен барьерный слой, после барьерного слоя расположена активная область, а после активной области расположен р-контактный слой, при этом барьерный слой по толщине содержит первую зону, в которой содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе материала барьерного слоя, вторую зону, в которой содержание алюминия остается неизменным, и третью зону, в которой содержание алюминия уменьшается от максимального значения до нулевого.1 н.п.ф., 2 ил.The utility model relates to the field of semiconductor light-emitting devices, in particular, to LEDs based on solid solutions of metal nitrides of the third group. The objective of the claimed utility model is to minimize mechanical stresses at the boundary of the barrier layer in relation to the LED heterostructure in which the barrier layer is located after the n-contact layer and in front of the active region. The essence of the claimed utility model lies in the fact that in the LED heterostructure based on solid solutions of nitrides metals of the third group AlInGaN (0≤x≤1, 0≤y≤1) with a pn junction containing an n-contact layer made of GaN nitride material, an active region with quantum wells formed by layers made of InGaN nitride material, a barrier layer made of AlGaN nitride material, a p-contact layer made of GaN nitride material, while the barrier layer has a variable composition with respect to aluminum in thickness, according to a utility model, a barrier is located in the direction of epitaxial growth of the heterostructure after the n-contact layer layer, after the barrier layer there is an active region, and after the active region there is a p-contact layer, the thickness of the barrier layer contains the first zone in which the aluminum content increases from zero to a maximum value corresponding to the aluminum content in the composition of the barrier layer material , the second zone, in which the aluminum content remains unchanged, and the third zone, in which the aluminum content decreases from the maximum value to zero. 1 npf, 2 il.

Description

Полезная модель относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, в частности, к светодиодам на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы.The utility model relates to the field of semiconductor light-emitting devices, in particular, to LEDs based on solid solutions of metal nitrides of the third group.

Известны светодиодные гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN с р-n переходом, содержащие последовательность эпитаксиальных слоев, которые традиционно включают n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN.Known LED heterostructures based on solid solutions of metal nitrides of the third group AlInGaN with a pn junction containing a sequence of epitaxial layers that traditionally include an n-contact layer made of GaN nitride material, an active region with quantum wells formed by layers made of nitride material In _y Ga _1-y N, a barrier layer made of nitride material Al _x Ga _1-x N, a p-contact layer made of nitride material GaN.

При эпитаксиальном росте гетероструктуры в ее кристаллической решетке могут возникать дефекты, обусловленные различием химического состава материла ее слоев. В ходе эпитаксиального роста при переходе от одного слоя к другому происходит замена атомов одного элемента на атомы другого элемента или исключение одного из элементов из состава материала, что может вызвать механические напряжения, обусловленные различием постоянных кристаллических решеток. Указанные напряжения являются причиной возникновения разного рода дефектов (точечных дефектов, дислокации, микротрещин и др.) в светодиодной гетероструктуре.During the epitaxial growth of a heterostructure, defects in its crystal lattice may arise due to differences in the chemical composition of the material of its layers. During epitaxial growth, when passing from one layer to another, atoms of one element are replaced by atoms of another element or one of the elements is excluded from the composition of the material, which can cause mechanical stresses due to the difference in the constant crystal lattices. These stresses are the cause of various kinds of defects (point defects, dislocations, microcracks, etc.) in the LED heterostructure.

Вышеуказанные дефекты негативно сказываются на эффективности излучения света в рассматриваемых гетероструктурах. При этом в наибольшей степени на указанные характеристики влияют дефекты, возникающие в активной области, в которой происходит излучательная рекомбинация носителей заряда.The above defects adversely affect the efficiency of light emission in the heterostructures under consideration. Moreover, to the greatest extent these characteristics are affected by defects arising in the active region in which radiative recombination of charge carriers occurs.

Известны светодиодные гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы AlInGaN [например, RU 2262155, RU2277736, JP 2001085735], в которых в направлении эпитаксиального роста барьерный слой располагается после активной области, при этом для снижения механических напряжений в барьерном слое содержание алюминия в нем изменяется по толщине слоя.Known LED heterostructures based on solid solutions of metal nitrides of the third group AlInGaN [for example, RU 2262155, RU2277736, JP 2001085735], in which, in the direction of epitaxial growth, the barrier layer is located after the active region, while in order to reduce mechanical stresses in the barrier layer, the aluminum content in it varies by layer thickness.

В качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения авторами выбрана светодиодная гетероструктура на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤у≤1) с р-n переходом, описанная в JP 2001085735.As the closest analogue of the claimed technical solution, the authors chose a LED 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 pn junction described in JP 2001085735.

Данная гетероструктура содержит в направлении ее эпитаксиального роста n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN. Барьерный слой, расположенный после активной области, имеет переменный по толщине состав в отношении алюминия, а именно, содержание алюминия в барьерном слое линейно уменьшается от максимального на границе с активной областью до минимального на границе с р-контактным слоем.This heterostructure contains, in the direction of its epitaxial growth, an n-contact layer made of GaN nitride material, an active region with quantum wells formed by layers made of In _y Ga _1-y N nitride material, a barrier layer made of Al _x Ga nitride material _1-x N, p-contact layer made of GaN nitride material. The barrier layer located after the active region has a composition with a variable thickness with respect to aluminum, namely, the aluminum content in the barrier layer decreases linearly from the maximum at the boundary with the active region to the minimum at the boundary with the p-contact layer.

В рассматриваемой гетероструктуре на границе барьерного слоя, где он контактирует с р-контактный слоем, нет скачкообразного изменения состава материала, что способствует снижению вероятности генерации дефектов в барьерном слое. Однако, поскольку на другой границе барьерного слоя, где он контактирует с активной областью, содержание алюминия скачкообразно изменяется от нулевого до максимального, в рассматриваемой гетероструктуре все же велика вероятность появления дефектов, в том числе дефектов в кристаллической структуре активной области.In the heterostructure under consideration, at the boundary of the barrier layer, where it is in contact with the p-contact layer, there is no abrupt change in the composition of the material, which helps to reduce the probability of generation of defects in the barrier layer. However, since at the other boundary of the barrier layer, where it is in contact with the active region, the aluminum content abruptly changes from zero to maximum, in the heterostructure under consideration there is still a high probability of occurrence of defects, including defects in the crystal structure of the active region.

Следует отметить, что наличие сильных механических напряжений на границе барьерного слоя особенно критично для гетероструктур, в которых в направлении их эпитаксиального роста активная область располагается после барьерного слоя, поскольку обусловленные наличием напряжений дефекты предыдущего слоя (слоев) в значительной степени предопределяют появление дефектов в последующем слое (слоях).It should be noted that the presence of strong mechanical stresses at the boundary of the barrier layer is especially critical for heterostructures in which the active region is located after the barrier layer in the direction of their epitaxial growth, since the defects of the previous layer (layers) due to the presence of stresses largely determine the appearance of defects in the subsequent layer (layers).

Задачей заявляемой полезной модели является минимизация механических напряжений на границе барьерного слоя применительно к светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой расположен после n-контактного слоя и перед активной областью.The objective of the claimed utility model is to minimize mechanical stresses at the boundary of the barrier layer as applied to the LED heterostructure in which the barrier layer is located after the n-contact layer and in front of the active region.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в светодиодной гетероструктуре на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤x≤1, 0≤y≤1) с р-n переходом, содержащей n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, при этом барьерный слой по толщине имеет переменный состав в отношении алюминия, согласно полезной модели в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры после n-контактного слоя расположен барьерный слой, после барьерного слоя расположена активная область, а после активной области расположен р-контактный слой, при этом барьерный слой по толщине содержит первую зону, в которой содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе материала барьерного слоя, вторую зону, в которой содержание алюминия остается неизменным, и третью зону, в которой содержание алюминия уменьшается от максимального значения до нулевого.The essence of the claimed utility model is that in an LED 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 p-n a transition containing an n-contact layer made of GaN nitride material, an active region with quantum wells formed by layers made of In _y Ga _1-y N nitride material, a barrier layer made of Al _x Ga _1-x N nitride material, the p-contact layer made of GaN nitride material, while the thickness of the barrier layer is variable Av with respect to aluminum, according to a useful model, in the direction of epitaxial growth of the heterostructure after the n-contact layer, a barrier layer is located, after the barrier layer there is an active region, and after the active region there is a p-contact layer, while the barrier layer has a first zone in thickness where the aluminum content increases from zero to a maximum value corresponding to the aluminum content in the composition of the material of the barrier layer, the second zone in which the aluminum content remains Edit, and a third zone in which the aluminum content is decreased from a maximum value to zero.

В заявляемой светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой, выполненный из материала Al_xGa_1-xN, расположен после n-контактного слоя, а активная область расположена после барьерного слоя, для минимизации вероятности возникновения дефектов кристаллической решетки на границах барьерного слоя предлагается вышеописанная трехзонная структура барьерного слоя. Данная структура барьерного слоя обеспечивает достижение требуемого в составе материала барьерного слоя содержание алюминия при исключении возникновения скачкообразных изменений состава материала на его границах, где барьерный слой контактирует со слоями, не содержащими алюминий.In the inventive LED heterostructure in which a barrier layer made of Al _x Ga _1-x N material is located after the n-contact layer and the active region is located after the barrier layer, the above-described three-zone is proposed to minimize the likelihood of crystal lattice defects at the boundaries of the barrier layer structure of the barrier layer. This structure of the barrier layer ensures the achievement of the aluminum content required in the composition of the material of the barrier layer, with the exception of the occurrence of spasmodic changes in the composition of the material at its boundaries, where the barrier layer is in contact with layers that do not contain aluminum.

Данная структура барьерного слоя была подобрана авторами экспериментально. Как показали проведенные авторами исследования, в заявляемой гетероструктуре с вышеописанным трехзонным барьерном слоем значительно уменьшается количество дефектов кристаллической решетки, в том числе и в активной области. Это объясняется тем, что при постепенном увеличении содержания алюминия в составе барьерного слоя по мере его роста This structure of the barrier layer was experimentally selected by the authors. As shown by the authors of the study, in the inventive heterostructure with the above-described three-zone barrier layer, the number of defects of the crystal lattice is significantly reduced, including in the active region. This is due to the fact that with a gradual increase in the aluminum content in the composition of the barrier layer as it grows

до требуемого значения, выдерживании достигнутого требуемого содержания в пределах некоторой толщины барьерного слоя и постепенном снижении содержания алюминия в указанном слое до нулевого значения происходит лучшее согласование постоянных кристаллических решеток барьерного и прилегающих к нему с обеих его сторон слоев, не содержащих алюминия, благодаря чему минимизируется вероятность возникновения дефектов кристаллической решетки в барьерном слое и на его границах.to the required value, keeping the achieved required content within a certain thickness of the barrier layer and gradually reducing the aluminum content in the specified layer to zero, there is a better matching of the constant crystal lattices of the barrier and layers containing no aluminum adjacent to it on both sides of the layer, thereby minimizing the likelihood defects in the crystal lattice in the barrier layer and at its boundaries.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является минимизация концентрации дефектов кристаллической решетки в барьерном и вышележащих слоях применительно к светодиодной гетероструктуре, в которой барьерный слой расположен после n-контактного слоя и перед активной областью.Thus, the technical result achieved by using the claimed utility model is to minimize the concentration of crystal lattice defects in the barrier and overlying layers with respect to the LED heterostructure in which the barrier layer is located after the n-contact layer and in front of the active region.

На фиг.1 представлена схема заявляемой светодиодной гетероструктуры;Figure 1 presents a diagram of the inventive LED heterostructure;

на фиг.2 представлена графическая зависимость, показывающая характер изменения содержания алюминия по толщине барьерного слоя.figure 2 presents a graphical dependence showing the nature of the change in the aluminum content along the thickness of the barrier layer.

Заявляемая светодиодная гетероструктура с р-n переходом (см. фиг.1) последовательно в направлении ее эпитаксиального роста включает:The inventive LED heterostructure with a pn junction (see Fig. 1) sequentially in the direction of its epitaxial growth includes:

n-контактный слой 1, выполненный из нитридного материала (GaN) n-типа проводимости, служащий для растекания тока;n-contact layer 1 made of nitride material (GaN) n-type conductivity, used for spreading current;

барьерный слой 2, выполненный из нитридного материала (Al_xGa_1-xN) n-типа проводимости;a barrier layer 2 made of nitride material (Al _x Ga _1-x N) n-type conductivity;

активную область 3 с несколькими квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного нелегированного материала (In_yGa_1-yN), разделенными барьерами, выполненными из нитридного материала (GaN);active region 3 with several quantum wells formed by layers made of unalloyed nitride material (In _y Ga _1-y N), separated by barriers made of nitride material (GaN);

р-контактный слой 4, выполненный из нитридного материала (GaN) р-типа проводимости.p-contact layer 4 made of nitride material (GaN) p-type conductivity.

Указанная последовательность слоев используется, например, в одном их возможных вариантов реализации так называемой инверсной светодиодной гетероструктуры на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤у≤1) с р-n переходом, описанной, в частности, в RU 2306634 и представленной на фиг.1 описания к указанному патенту.The indicated sequence of layers is used, for example, in one of the possible embodiments of the so-called inverse LED 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 the pn junction described, in particular, in RU 2306634 and presented in figure 1 of the description of the specified patent.

Принципиальной особенностью инверсной полупроводниковой светоизлучающей гетероструктуры является то, что активная область в ней размещена в области р-типа проводимости, чтобы интенсивность рекомбинации носителей в активной области определялась не инжекцией дырок, а инжекцией электронов. Преимуществом рассматриваемой инверсионной гетероструктуры является ее высокая инжекционная эффективность.A fundamental feature of the inverse semiconductor light-emitting heterostructure is that the active region is located in the p-type region so that the carrier recombination intensity in the active region is determined not by hole injection, but by electron injection. An advantage of the considered inverse heterostructure is its high injection efficiency.

В светодиодной гетероструктуре (см. фиг.1) слои 1 и 2 образуют область n-типа проводимости, активная область 3 с квантовыми ямами и барьерами и р-контактный слой 4 образуют область р-типа проводимости.In an LED heterostructure (see FIG. 1), layers 1 and 2 form an n-type conductivity region, an active region 3 with quantum wells and barriers, and a p-contact layer 4 form a p-type conductivity region.

Верхние стрелки на фиг.1 обозначают инжекцию электронов в активную область, нижняя стрелка обозначают инжекцию дырок в активную область. Стрелка, расположенная под фигурой, обозначает направление эпитаксиального роста гетероструктуры.The upper arrows in figure 1 indicate the injection of electrons into the active region, the lower arrow indicate the injection of holes into the active region. The arrow below the figure indicates the direction of epitaxial growth of the heterostructure.

Барьерный слой 2 (см. фиг.2) в направлении его эпитаксиального роста содержит по толщине (X) три зоны. В первой зоне содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе рассматриваемого слоя. В частности, содержание алюминия линейно увеличивается от нуля по толщине первой зоны, составляющей, в частности, 2-6 нм, до величины 10-20%. Во второй зоне содержание алюминия остается неизменным по ее толщине, составляющей, в частности, 20-40 нм. В третьей зоне содержание алюминия линейно уменьшается от максимального значения до нулевого по ее толщине, составляющей, в частности, 1-5 нм.The barrier layer 2 (see FIG. 2) in the direction of its epitaxial growth contains three zones in thickness (X). In the first zone, the aluminum content increases from zero to a maximum value corresponding to the aluminum content in the composition of the considered layer. In particular, the aluminum content increases linearly from zero over the thickness of the first zone, in particular, 2-6 nm, to 10-20%. In the second zone, the aluminum content remains unchanged in its thickness, comprising, in particular, 20-40 nm. In the third zone, the aluminum content decreases linearly from the maximum value to zero in its thickness, which is, in particular, 1-5 nm.

Заявляемая светодиодная гетероструктура может быть получена методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке, в частности, выполненной из сапфира.The inventive LED heterostructure can be obtained by gas-phase epitaxy from organometallic compounds on a substrate, in particular, made of sapphire.

Светодиодная гетероструктура работает следующим образом.LED heterostructure works as follows.

При пропускании тока в прямом направлении электроны из области n-типа проводимости инжектируются в активную область, расположенную внутри области р-типа проводимости. В активную область также поступают дырки из области р-типа проводимости. При этом барьерный слой 2, расположенный в When passing current in the forward direction, electrons from the n-type conduction region are injected into the active region located inside the p-type conduction region. Holes from the region of p-type conductivity also enter the active region. In this case, the barrier layer 2 located in

области n-типа проводимости, препятствует проникновению дырок из р-области в n-область проводимости.region of n-type conductivity, prevents the penetration of holes from the p-region into the n-region of conductivity.

Движущиеся навстречу друг другу электроны и дырки рекомбинируют, передавая свою энергию квантам света. Рекомбинация носителей заряда происходит в квантовых ямах активной области, материал которых имеет ширину запрещенной зоны, меньшую, чем остальной материал активной области.Electrons and holes moving towards each other recombine, transferring their energy to light quanta. The recombination of charge carriers occurs in quantum wells of the active region, the material of which has a band gap that is smaller than the rest of the material of the active region.

Claims (1)

Полупроводниковая светоизлучающая гетероструктура на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N (0≤х≤1, 0≤y≤1) с р-n переходом, содержащая n-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, активную область с квантовыми ямами, образованными слоями, выполненными из нитридного материала In_yGa_1-yN, барьерный слой, выполненный из нитридного материала Al_xGa_1-xN, р-контактный слой, выполненный из нитридного материала GaN, при этом барьерный слой по толщине имеет переменный состав в отношении алюминия, отличающаяся тем, что в направлении эпитаксиального роста гетероструктуры после n-контактного слоя расположен барьерный слой, после барьерного слоя расположена активная область, а после активной области расположен р-контактный слой, при этом барьерный слой по толщине содержит первую зону, в которой содержание алюминия увеличивается от нулевого значения до максимального значения, соответствующего содержанию алюминия в составе материала барьерного слоя, вторую зону, в которой содержание алюминия остается неизменным, и третью зону, в которой содержание алюминия уменьшается от максимального значения до нулевого.

A semiconductor light-emitting 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 containing an n-contact layer made made of GaN nitride material, an active region with quantum wells formed by layers made of In _y Ga _1-y N nitride material, a barrier layer made of Al _x Ga _1-x N nitride material, a p-contact layer made of nitride material GaN, while the barrier layer in thickness has a variable composition with respect to aluminum, different in that, in the direction of epitaxial growth of the heterostructure after the n-contact layer, the barrier layer is located, after the barrier layer there is an active region, and after the active region there is a p-contact layer, while the barrier layer in thickness contains a first zone in which the aluminum content increases from a zero value to a maximum value corresponding to the aluminum content in the composition of the material of the barrier layer, a second zone in which the aluminum content remains unchanged, and a third zone in which aluminum decreases from the maximum value to zero.