СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД

Изобретение относится к области полупроводниковых излучающих приборов, а более конкретно к светодиодам на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (А^IIIN).

В последние годы широкое распространение получили светодиоды ультрафиолетового, синего и зеленого спектральных диапазонов на основе эпитаксиальной гетероструктуры с р-n-переходом в системе твердых растворов AlInGaN, выращенной на монокристаллической подложке. В указанных светодиодах в качестве материала подложки наиболее часто используются сапфир Аl₂О₃ [см., например, US 5563422] или карбид кремния SiC [см., например, US 2002/0121642 A1].

В указанных приборах подложки и эпитаксиальные слои имеют сильно отличающиеся друг от друга постоянные кристаллической решетки и коэффициенты термического расширения. Это неизбежно приводит к большой плотности дислокации (порядка 10⁹-10¹⁰ см^-2) и к появлению других типов дефектов (например, дефектов упаковки и инверсионных доменов) в объеме прибора, что принципиально ограничивает такие параметры приборов, как внутренняя квантовая эффективность излучения, ресурс его работы и др. Кроме того, в силу низкой проводимости слоев р-типа конструкция вышеприведенных светодиодов, в которых излучение выводится через верхний р-слой, предусматривает использование полупрозрачных металлических контактов, вносящих большие оптические и электрические потери.

В настоящее время разрабатываются технологии получения подложек из объемных монокристаллов нитрида галлия GaN и нитрида алюминия AlN с малой плотностью дислокации [см., например, способ получения AlN-подложки методом сублимации, описанный в RU 2158789]. Указанные подложки чрезвычайно перспективны для использования их в светодиодах с AlInGaN-эпитаксиальной гетероструктурой, так как эпитаксиальный рост светодиодных структур осуществляется на “родных” для них подложках, в результате чего минимизируется количество дефектов в объеме светодиода и повышается его внутренняя квантовая эффективность. О разработке такого светодиода говорится, в частности, в работе [PARC & Crystal IS demonstrate AIN-based UVLED, III-Vs Review, vol.15. No 4 (2002) p.20].

Однако данному светодиоду присущи недостатки конструкции, связанные с выводом излучения через полупрозрачный металлический р-контакт.

Известны светодиоды с AlGaInN эпитаксиальной гетероструктурой, выращенной на прозрачной сапфировой подложке, имеющие так называемую обращенную конструкцию, в которой свет выводится через прозрачную подложку, а обе контактные площадки (уже не полупрозрачные, а, преимущественно, отражающие) расположены со стороны эпитаксиальных слоев (тыльной стороны кристалла) и используются для последующего монтажа кристалла на коммутационную плату по способу “флип-чип” [см., например, US 6169294 В; US 6514782 Bl; J.C. Bat et al. High Efficiency Monochromatic and White InGaN Flip-Chip Dice. http://www.lumiled.com/pdfs/techpaperspres/ISCS2001.pdf. J. Wierer, D. Steigewald et. al. High-power AlGaInN flip-chip light emitting diodes. Appl.Phys.Lett., v.78, (2001), 3379].

В качестве прототипа авторами выбран имеющий обращенную конструкцию AlGaInN-светодиод на сапфировой подложке [US 6521914 В2]. В рассматриваемой конструкции светодиода отсутствуют оптические и электрические потери, связанные с выводом излучения через полупрозрачный контакт, однако она сохраняет недостатки, обусловленные высокой степенью дефектности эпитаксиальной гетероструктуры, выращиваемой на “чужой” подложке. Кроме того, для данной конструкции светодиода становится существенным следующий механизм ограничения вывода генерируемого излучения из объема кристалла: в силу разницы коэффициентов преломления сапфировой подложки (n~1.8) и AlGaInN эпитаксиальных слоев (n~2,3) происходит захват излучения в образующийся вследствие этого волновод, где излучение теряется за счет объемного и поверхностного (на контактах) поглощения. Особенно существенен этот механизм для мощных излучающих кристаллов большой площади. Не решает проблемы и обсуждаемое в описании прототипа использование подложки из SiC (n~2.6), поскольку она обладает недостаточной прозрачностью даже в зеленой области спектра и становится абсолютно непригодной для ультрафиолетово-синего диапазона.

Помимо оптических ограничений, к конструктивному недостатку прототипа следует отнести непланарность (разновысотность) n- и р-контактных площадок, возникающую при стравливании части структуры для выхода на n-контактный слой. Непланарность контактов требует специальных мер при монтаже светоизлучающего кристалла на коммутационную плату.

Задачей заявляемого изобретения является повышение квантовой эффективности AlGaInN-светодиода и упрощение его монтажа на коммутационную плату.

Сущность изобретения заключается в том, что в светоизлучающем диоде, включающем подложку, эпитаксиальную гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N, (0≤x≤1, 0≤у≤1) с р-n-переходом, образованную последовательностью эпитаксиальных слоев n- и р-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, согласно изобретению подложка выполнена из монокристалла нитрида металла третьей группы А^IIIN, в эпитаксиальных слоях со стороны наружной поверхности сформирована мезаструктура, в которой вытравлена канавка на глубину, большую глубины залегания р-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.

Целесообразно, чтобы в случае, если площадь той области мезаструктуры, которая имеет металлический контакт только на своей наружной поверхности, превышает 0.1 мм², в ней были выполнены внутренние канавки, разделяющие ее на совокупность мезаструктур.

Возможен вариант выполнения светодиода, у которого высота мезаструктуры превышает толщину эпитаксиальных слоев.

Целесообразно, чтобы, в случае выполнения подложки из проводящего материала, глубина канавки и/или глубина внутренних канавок, разделяющих мезаструктуру на совокупность мезаструктур, превышала толщину эпитаксиальных слоев.

Целесообразно, чтобы боковые стенки мезаструктуры, и/или боковые стенки канавки, и/или боковые стенки внутренних канавок, разделяющих мезаструктуру на совокупность мезеструктур, составляли угол 25-60° с вертикалью к плоскости подложки.

Целесообразно, чтобы на поверхности подложки методом травления был создан микрорельеф с характерным размером 0.1-0.3 мкм.

Целесообразно, чтобы толщина подложки была достаточна для придания ей формы полусферы с центром, совпадающим с геометрическим центром той области мезоструктуры, которая имеет металлический контакт только на своей наружной поверхности, или с геометрическим центром совокупности мезоструктур.

Благодаря использованию в заявляемом устройстве AlGaInN эпитаксиальной гетероструктуры, выращенной на подложке из монокристалла нитрида металла третьей группы А^IIIN, обеспечивается высокая внутренняя квантовая эффективность светодиода, обусловленная низким количеством дефектов в объеме прибора, а также благоприятными условиями выхода излучения из эпитаксиальных слоев в подложку из-за близости значений коэффициентов преломления эпитаксиальной гетероструктуры и подложки. Улучшению оптических характеристик светодиода способствует также то, что металлические контакты расположены со стороны эпитаксиальных слоев, при этом свет выводится через прозрачную подложку.

За счет формирования со стороны наружной поверхности эпитаксиальных слоев мезаструктуры, боковые стенки которой выполняют роль микрорефлекторов, направляя генерируемое внутри кристалла излучение в сторону лицевой (световыводящей) поверхности, повышается внешняя квантовая эффективность заявляемого светодиода. Выполнение в эпитаксиальных слоях канавки, имеющей глубину, большую глубины залегания р-n-перехода, обуславливает разделение эпитаксиальных слоев на две области. При этом за счет наличия указанной канавки оказывается возможным обеспечить планарность (размещение на одинаковой высоте) металлических контактов, один из которых располагается на наружной поверхности эпитаксиальных слоев одной области (излучающей области), а другой расположен на наружной поверхности другой области и спущен по боковой стенке канавки на ее дно, благодаря чему обеспечивается удобство монтажа светодиода на коммутационную плату.

На фиг.1 представлен общий вид светодиода сверху (со стороны эпитаксиальных слоев и контактов); на фиг.2а представлено сечение светодиода, на котором схематично изображены пути распространения и выхода наружу генерируемого излучения; на фиг.2б - то же для светодиода, выбранного в качестве прототипа; на фиг.3, фиг.4, фиг.5, и фиг.6 - то же для различных вариантов выполнения светодиода.

Светодиод содержит (фиг.1, фиг.2а, фиг.3-6) подложку 1, изготовленную из монокристалла нитрида металла третьей группы А^IIIN, в частности из объемного слитка нитрида алюминия AlN, полученного по технологии, описанной в [RU 2158789]. Светодиод также содержит эпитаксиальную гетероструктуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы Al_xIn_yGa_1-(x+y)N, (0≤х≤1, 0≤у≤1), выращенную методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений на подложке 1, включающую (фиг.2а, фиг.3-5) ближайший к подложке n-Al_xGa_1-xN блокирующий слой 2, n-In_xGa_1-xN активный слой 3 и p-Al_xGa_1-xN блокирующий слой 4. Светодиод также содержит металлический р-контакт 5 и металлический n-контакт 6. В указанных эпитаксиальных слоях со стороны наружной поверхности сформирована мезаструктура, в которой вытравлена канавка 7, разделяющая эпитаксиальные слои (фиг.1) на область А (излучающую) и область Б (контактную). При этом n-контакт 6 расположен на поверхности эпитаксиальных слоев, лежащих в области Б, и спущен по боковой стенке канавки 7 на ее дно. Р-контакт расположен на поверхности эпитаксиальных слоев области А мезаструктуры.

Как показали экспериментальные исследования авторов, в случае, если площадь области А мезаструктуры превышает 0.1 мм², целесообразным является разделение ее на совокупность мезаструктур 8 меньшей площади (фиг.3) с помощью вытравливаемых внутренних канавок 9.

Те же номера позиций использованы для обозначения тех же самых элементов конструкции светодиода, выбранного в качестве прототипа (фиг.2б), в котором подложка 1 выполнена из сапфира.

Устройство работает следующим образом.

Осуществляют монтаж светодиода по способу “флип-чип”, при этом контакты 5 и 6, расположенные на одном уровне, припаиваются к соответствующим электродам коммутационной платы. При протекании через светодиод электрического тока он начинает излучать свет.

На фиг.2а, фиг.3-6 стрелками I, II, III обозначены различные пути распространения и выхода наружу генерируемого заявляемым светодиодом излучения. На фиг.26 - то же для светодиода на сапфировой подложке, выбранного в качестве прототипа.

Для заявляемого светодиода коэффициенты преломления n подложки 1 из объемного нитрида алюминия AlN и AlGaInN эпитаксиальных слоев 2, 3, 4 отличаются слабо (n составляют величину ~2.3). Близость коэффициентов преломления обуславливает то, что (фиг.2а) оптическая граница эпитаксиального слоя 2 с подложкой 1 практически отсутствует, и лучи под любыми углами, например, I или II проходят границу эпитаксиальный слой - подложка без преломления и выводятся в подложку. Лучи II, вышедшие в подложку, но распространяющиеся под углом, большим полного внутреннего отражения для границы подложка - воздух, испытывают полное внутреннее отражение и не могут покинуть кристалл с первого прохода, однако в рассматриваемых ниже вариантах выполнения заявляемого изобретения имеются конструктивные особенности, позволяющие уменьшить такие потери излучения.

В светодиоде (фиг.2б), выбранном в качестве прототипа, у сапфировой подложки значение n имеет величину ~1.8. Это означает, что угол полного внутреннего отражения α_c на границе эпитаксиальный слой 2 - сапфировая подложка 1, определяемый как α_c=arcsin(1.8/2.4), составляет величину ≈48°, и соответственно доля света, захватываемого в волновод из общего потока излучения, составляет по известным выражениям 4sin²24°≈66%. Как иллюстрируется фиг.2б, для лучей III, захваченных в волновод и испытывающих многократные отражения на пути к торцу светодиода, велика вероятность поглощения как в объеме эпитаксиальных слоев из-за большой длины пробега, так и при отражениях от металлического контакта.

На фиг.3 представлено сечение светодиода, в котором область А мезаструктуры (фиг.1) большой площади разделена на более мелкие мезаструктуры 8 за счет вытравленных в эпитаксиальных слоях внутренних канавок 9. В таком варианте конструкции светодиода для скользящих (идущих под небольшими углами к плоскости подложки) лучей сокращается длина пробега по наиболее поглощающей области светодиода - легированным эпитаксиальным слоям. Кроме того, внутренние канавки 9 создают дополнительные границы мезаструктур 8, при этом увеличивается вероятность выхода генерируемых лучей из кристалла через указанные границы, а также вероятность изменения направления распространения в сторону подложки при отражении от этих границ. Проведенные авторами расчеты показывают, что увеличение эффективности вывода излучения с уменьшением площади мезаструктуры в сильной степени зависит от конкретного значения коэффициента поглощения света k в эпитаксиальных слоях. Для реальных значений k выгодно, чтобы площадь элементарной мезаструктуры 8 не превышала 0.1 мм.

На фиг.4 представлено сечение светодиода, в котором в области А высота Н мезаструктуры превышает толщину эпитаксиальных слоев. Возможность формирования мезаструктуры с такой большой высотой Н, также как и возможность вытравливания канавок 7 и внутренних канавок 9, глубина которых превышает толщину эпитаксиальных слоев (на фиг.4 не показано), обусловлена использованием в заявляемом изобретении нитридных подложек, для которых известны способы сухого или химического травления на заданные глубины. Увеличение высоты Н мезаструктуры, равно как увеличение глубины канавок 7 и 9, увеличивает долю лучей, отраженных боковыми стенками мезаструктуры или боковыми стенками указанных канавок в сторону подложки 1 и меняющими при этом свое направление так, что они встречают границу подложка - воздух под углом, меньшим угла полного внутреннего отражения. Схематически это иллюстрируются на фиг.4, где луч II, падающий на тот участок боковой стенки мезаструктуры, на котором ее высота превышает толщину эпитаксиальных слоев, выходит из светодиода, а симметричный ему луч III, падающий на участок боковой стенки мезаструктуры, расположенный на высоте, не превышающей толщину эпитаксиальных слоев, не может покинуть светодиод. Таким образом, увеличение высоты мезаструктуры способствует повышению квантовой эффективности светодиода. Все вышесказанное справедливо также в отношении глубины канавок 7 и 9. Более точное представление о влиянии высоты мезаструктуры и глубины канавок на эффективность вывода света дают проведенные авторами расчеты в рамках модели трассировки генерируемого излучения, которые подтверждают заметное увеличение оптической эффективности конструкции при возрастании указанных параметров. При этом следует отметить, что выполнение канавок 7 и 9 с глубиной, превышающей толщину эпитаксиальных слоев, возможно только для случая проводящей подложки (например, подложки из GaN), где ток может течь не только по эпитаксиальным слоям, но и в подложке. Для случая изолирующей подложки (например, для подложки из AlN) глубина канавок 7 и 9 ограничена достижением n-слоя, поскольку при несоблюдении этого условия исчезает возможность протекания тока через кристалл.

На фиг.5 представлено сечение светодиода, на котором показан угол α наклона боковых стенок мезаструктуры в области А относительно вертикали к плоскости подложки 1. При этом на поверхности подложки 1 методами маскирования и травления создан микрорельеф 10 с характерным размером 0.1-0.3 мкм.

Заданную величина угла α получают за счет выбора маскирования и режимов травления. Из геометрических соображений, иллюстрируемых фиг.5, видно, что угол α должен быть таким, чтобы скользящий луч I (параллельный плоскости эпитаксиальных слоев) испытал при падении на боковую стенку мезаструктуры полное внутреннее отражение и оказался повернутым в сторону подложки 1. При коэффициенте преломления AlInGaN эпитаксиальных слоев n~2.3, легко показать, что угол α должен быть не менее 25. Выполненные авторами расчеты в модели с трассировкой всех лучей, генерируемых в объеме кристалла, показывают, что оптимальные углы наклона боковой стенки мезаструктуры лежат в диапазоне 25-60°. Все вышесказанное также справедливо в отношении диапазона оптимальных значений угла (на фиг.5 не показан) наклона боковых стенок канавок 7 и 9.

Микрорельеф 10, вызывая рассеяние лучей II, не вышедших с первого прохода из кристалла, увеличивает вероятность их выхода после нескольких проходов за счет случайной смены направления распространения и попадания в угол меньше критического, чем достигается увеличение эффективности вывода излучения из светодиода.

На фиг.6 представлено сечение светодиода, в котором внешняя поверхность подложки 1 выполнена криволинейной, в частности, имеет форму полусферы, центр которой совпадает с геометрическим центром излучающей области А мезастркутуры. Такая форма наружной поверхности подложки 1, выполненной из нитрида алюминия AlN, который является относительно мягким материалом, может быть получена механической шлифовкой. В случае правильно выбранной кривизны наружной поверхности подложки 1, как это показано на фиг.5, все лучи, идущие из центра излучающей области, имеющей в поперечном сечении максимальный линейный размер d, например, лучи I или II, падают на границу подложка - воздух под прямым углом и, следовательно, покидают кристалл (потери на френелевском отражении составляют ~16%). Для того, чтобы луч III, идущий из края излучающей области, встретил внешнюю границу под углом β, меньшим критического (для материала AlN этот угол составляет ~25°), необходимо выполнение следующего условия: диаметр полусферической поверхности D≥1.9d. При реальных площадях кристалла ~1 мм² толщина подложки 1 для формирования необходимой полусферы должна быть в пределах 3 мм, что не вызывает проблем при использовании подложек из нитридов металлов, вырезаемых из объемных слитков.