Результат интеллектуальной деятельности: ИНФРАКРАСНЫЙ СВЕТОДИОД

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к полупроводниковым приборам и может быть использовано при разработке и изготовлении светоизлучающих диодов и различных устройств на их основе.

Известен инфракрасный светодиод (см. JP 2010251792, МПК H01L 33/405, H01L 33/14 опубл. 04.11.2010), включающий подложку GaAs, брегговский отражатель, AlGaInP активную область, состоящую из светоизлучающей области, заключенной в два барьерных слоя с различным типом легирования, широкозонное окно, выполненное из GaP с небольшим содержанием Al и In или из Al_xGa_1-xAs, верхний электрод, расположенных над широкозонным окном и нижний электрод на тыльной поверхности подложки.

Недостатком известного светодиода являются большие оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя и поглощающегося в подложке GaAs.

Известен светодиод (см. US 8101447, МПК H01L 33/20, H01L 33/10, опубл. 24.01.2012), включающий подложку GaAs, SiC, Si или AlN с вытравленными лунками, слой A3 В5 n-типа проводимости, активную область, слой А3 В5 р-типа проводимости, расположенные в вытравленных лунках, верхний электрод р-типа проводимости, смонтированный на проводящую подложку с металлическим отражателем из Au, Al или Cu и нижний электрод n-типа проводимости на поверхности слоя А3 В5 n-типа проводимости.

Недостатком известного светодиода являются оптические потери излучения, отражающегося от металлического отражателя из Au, Al или Cu, обладающего коэффициентом отражения ≈90%.

Известен светодиод (см. US 2020411725, МПК H01L 33/46, опубл. 31.12.2020), включающий светоизлучающую область, брегговский отражатель, состоящий из первой области, второй и третьей области, включающий слои из первого материала с низким коэффициентом преломления, и слои из второго материала с высоким коэффициентом преломления, при этом слои из первого материала включают первую группу, имеющую оптическую толщину более 0,25λ+10%, вторую группу, имеющую оптическую толщину в диапазоне от 0,25λ-10% до 0,25λ+10%, и третью группу, имеющую оптическую толщину менее 0,25λ-10%, первая область включает попеременно расположенные первую и вторую группы, вторая область включает третью группу, первые слои материала в третьей области состоят из первого материала, имеющий оптическую толщину менее 0,25λ и более 0,25λ, а следующие слои имеют меньшую среднюю оптическую толщину, чем первая группа слоев из первого материала.

Недостатками известного светодиода являются высокие оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя.

Известен светодиод (см. JP 2017126792, МПК H01L 33/46, опубл. 20.07.2017), включающий подложку, светоизлучающую структуру, расположенную на подложке и включающую в себя активный слой, расположенный между полупроводниковым слоем первого типа проводимости и полупроводниковым слоем второго типа проводимости; и брэгговский отражатель, обладающий коэффициентом отражения 90% или более для первого диапазона длин волн синего света, второго диапазона длин волн зеленого света и третьего диапазона длин волн красного света.

Недостатками известного светодиода являются высокие оптические потери в инфракрасным диапазоне излучения, прозрачного для брегговского отражателя.

Известен инфракрасный светодиод (см. KR 101393606, МПК H01L 33/10, опубл. 17.06.2014), включающий подложку GaAs, первый брегговский отражатель, светоизлучающую гетероструктуру, второй брегговский отражатель, верхний электрод на поверхности второго брегговского отражателя, нижний электрод на тыльной поверхности подложки GaAs. При этом брегговские отражатели состоят из слоев AlAs и AlGaAs с содержанием галлия в AlGaAs большем, чем алюминия.

Преимуществом известного светоизлучающего диода является снижение оптических потерь генерированного излучения путем отражения излучения, распространяющегося в сторону подложки, от первого брегговского отражателя и излучения, распространяющегося в сторону верхнего электрода, от второго брегговского отражателя. Недостатками известного светодиода являются высокие оптические потери излучения, прозрачного для брегговских отражателей, а также поглощающегося в подложке и в верхнем электроде.

Известен светодиод (см. JP 4952883, МПК H01S 5/183, опубл. 13.06.2012), включающий подложку-носитель со слоем металлического отражателя из Au или Cr, первый барьерный слой, активную область, второй барьерный слой, контактный слой, верхний электрод кольцевой формы на поверхности контактного слоя и сплошной нижний электрод на тыльной поверхности подложки-носителя.

Недостатком известного светодиода являются оптические потери излучения, отражающегося от металлического отражателя из Au или Cr с коэффициентом отражения ≈90%.

Известен светодиод (см. KR 1020120014750, МПК H01L 33/10, опубл. 20.02.2012), включающий подложку-носитель, слой металлического отражателя, брегговский отражатель, светоизлучающую гетероструктуру с активной областью, прозрачный проводящий слой и фронтальный защитный слой.

Недостатком известного светодиода являются оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя и отражающегося от металлического отражателя с коэффициентом отражения ≈90%.

Известен светодиод (см. CN 112410349, МПК H01L 33/10, H01L 33/00, опубл. 17.09.2021), включающий эпитаксиальную подложку, первый брегговский отражатель, n-AlInP барьерный слой, светоизлучающий слой, р-AlInP барьерный слой, второй брегговский отражатель, p-GaP контактный слой, р-электрод на поверхности p-GaP, n-электрод на тыльной поверхности подложки. При этом длина волны отражения первого брегговского отражателя равна длине волны второго брегговского отражателя, минимальное расстояние между первым брегговским отражателем и светоизлучающим слоем равно расстоянию между светоизлучающим слоем и вторым брегговским отражателем.

Недостатком известного светодиода является увеличение последовательного сопротивления структуры при включении в ее состав более одного брегговского отражателя, а также оптические потери отражения, прозрачного для первого и второго брегговских отражателей.

Известен инфракрасный светодиод (см. KR 101499951, МПК H01L 33/20, H01L 33/22, H01L 33/36, опубл. 06.03.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Светодиод-прототип включает последовательно расположенные световыводящий слой с фронтальным металлическим контактом, активную узкозонную область, окруженную барьерными широкозонными слоями, брегговский отражатель, отражательный слой и серебряное зеркало.

Недостатком известного инфракрасного светодиода-прототипа являются нежелательные оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя, ведущие к снижению внешней квантовой эффективности.

Задачей настоящего изобретения является разработка инфракрасного светодиода с увеличенной внешней квантовой эффективностью.

Поставленная задача достигается тем, что инфракрасный светодиод включает последовательно расположенные световыводящий слой с фронтальным металлическим контактом, активную узкозонную область, окруженную барьерными широкозонными слоями, брегговский отражатель, отражательный слой и серебряное зеркало. Новым в светодиоде является то, что световыводящий слой выполнен из AlGaAs с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию излучаемых квантов на величину, равную ширине спектральной полосы излучения на уровне мощности, равном половине мощности излучения. Активная область выполнена из квантовых ям InGaAs, разделенных слоями AlGaAs. Брегговский отражатель выполнен из (10-20) пар слоев Al_0.9Ga_0.lAs и Al_0.1Ga_0.9As с толщинами соответственно равными:

h₁=λ/Кn₁ и h₂=λ/Кn₂,

где λ - длина волны максимума излучения светодиода,

n₁ - показатель преломления слоев Al_0.9Ga_0.1As,

n₂- показатель преломления слоев Al_0.1Ga_0.9As,

К=3-3.6.

Отражательный слой выполнен из AlGaAs с содержанием AlAs более 75% толщиной h₃, удовлетворяющей соотношению:

λ/n₃<h₃<2λ/n₃,

где n₃ - показатель преломления отражательного AlGaAs слоя.

К отражательному слою прилегает контактный слой AlGaAs с шириной запрещенной зоны, равной энергии квантов генерируемого излучения и толщиной (200-400) нм, соединенный с серебряным зеркалом матрицей цилиндрических металлических контактов с диаметром, установленным в (5-10) раз меньшим расстояния между цилиндрическими металлическими контактами, при этом между цилиндрическими металлическими контактами выполнен слой диэлектрика толщиной, равной толщине цилиндрических металлических контактов.

Световыводящий слой и барьерный слои могут быть выполнены n-типом проводимости, активная область может быть выполнена нелегированной, а все остальные слои структуры светодиода могут быть выполнены р-типом проводимости.

Световыводящий AlGaAs слой может быть выполнен толщиной (2-8) мкм. Активная область может включать (5-10) квантовых ям InGaAs толщиной (3-5) нм каждая.

Цилиндрические металлические контакты могут быть выполнены диаметром (10-30) мкм.

Техническим результатом, обеспечиваемым совокупностью существенных признаков, являются снижение оптических потерь генерированного в активной области излучения и распространяющегося в сторону, противоположную световыводящей поверхности, что достигается путем реализации трех стадий отражения излучения последовательно от трех отражателей.

Первая стадия отражения излучения происходит путем отражения от брегговского отражателя лучей, распространяющихся в телесном угле (35-75) угловых градусов по отношению к плоскостям эпитаксиальных слоев структуры.

Вторая стадия отражения латеральных лучей, распространяющихся в телесном угле в диапазоне от нуля до (30-35) угловых градусов, осуществляется отражающим слоем с содержанием AlAs более 75%. Данная стадия отражения латеральных лучей в диапазоне углов падения от нуля до (30-35) угловых градусов реализуется за счет эффекта полного внутреннего отражения от границы со слоем AlGaAs с меньшей оптической плотностью, по сравнению с оптической плотностью среды, из которой излучение падает на этот слой.

Третья стадия отражения реализуется слоем тыльного серебряного зеркала, отражающего лучи, прошедшие сквозь брегговский отражатель и через границу с отражательным слоем.

Таким образом, осуществляется реализация трех стадий отражения лучей, генерированных в активной области и распространяющихся в сторону, противоположную световыводящей поверхности светодиода, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение внешней квантовой эффективности инфракрасного светодиода.

Световыводящий фронтальный слой светодиода выполнен из материала AlGaAs с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию излучаемых квантов на величину, равную ширине полосы излучения на уровне мощности, равном половине мощности излучения, что обеспечивает прозрачность этого слоя для излучения с длиной волны (750-950) нм, снижение оптических потерь и увеличенное значение внешней квантовой эффективности инфракрасного светодиода.

Под световыводящим слоем расположены слои с квантоворазмерной активной областью, заключенной между ограничивающими широкозонными барьерными слоями AlGaAs. Такая конструкция этой части светодиода обеспечивает достижение высокого, близкого в 100% внутреннего квантового выхода генерированного излучения с длиной волны (750-880) нм при достаточно низких плотностях тока (менее 1 А/см²).

Разработанный брегговский отражатель обеспечивает отражение лучей, генерированных в активной области с коэффициентом отражения К_отр≅90% в телесном угле (35-75) угловых градусов, в котором находится около 50% изотропного генерированного излучения.

Под брегговским отражателем расположен отражательный слой AlGaAs с содержанием AlAs более 75%, обеспечивающий отражение латеральных лучей в телесном угле в диапазоне от нуля до 30-35 угловых градусов, в котором находится (40-45) % генерированного изотропного излучения.

Под отражательным слоем выполнен контактный слой AlGaAs с шириной запрещенной зоны, равной энергии квантов генерируемого излучения и толщиной (200-400) нм, прозрачный для генерируемого излучения, защищающий отражательный слой и обеспечивающий изготовление матрицы низкоомных цилиндрических металлических контактов. Данная конструкция матрицы цилиндрических металлических контактов с диаметром в (5-10) раз меньшим расстояния между металлическими контактами, что обеспечивает снижение оптических потерь до величины менее (1-4) % на поглощение излучения в этих контактах.

Под контактным слоем расположено серебряное зеркало, отражающее кванты излучения, не отраженного брегговским отражателем и отражающим слоем, защищенное от деградации слоем диэлектрика и электрически соединенное с контактным слоем матрицей цилиндрических металлических контактов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:

на фиг. 1 изображена структура инфракрасного светодиода (1 - световыводящий фронтальный слой AlGaAs, 2 - фронтальный барьерный слой AlGaAs, 3 - активная узкозонная область, состоящая из InGaAs квантовых ям, 4 - тыльный барьерный слой AlGaAs, 5 - брегговский отражатель, 6 - отражательный слой, 7 - контактный слой AlGaAs, 8 - цилиндрические металлические контакты, 9 - слой диэлектрика, 10 - серебряное зеркало, 11 - фронтальный металлический контакт.

на фиг. 2 приведены токовые зависимости внешней квантовой эффективности инфракрасных светодиодов с различными тыльными отражателями: 12 - в светодиоде только с одним брегговским отражателем, 13 - в светодиоде с одним тыльным серебряным зеркалом, 14 - в светодиоде на основе настоящей конструкции.

Настоящий инфракрасный светодиод с длиной волны излучения (750-950) нм включает последовательно расположенные световыводящий слой 1, фронтальный барьерный широкозонный слой 2 из AlGaAs, активную узкозонную область 3, тыльный барьерный широкозонный слой 4 из AlGaAs, брегговский отражатель 5, отражательный слой 6, контактный слой 7, цилиндрические металлические контакты 8, пространство между которыми заполнено слоем 9 диэлектрика, серебряное зеркало 10, фронтальный металлический контакт 11. Световыводящий слой 1 выполнен на основе AlGaAs с шириной запрещенной зоны, превышающей энергию излучаемых квантов на величину, равную ширине спектральной полосы излучения на уровне мощности, равном половине мощности излучения. Активная узкозонная область 3 выполнена на основе нескольких квантовых ям InGaAs, разделенных слоями AlGaAs. Брегговский отражатель 5 выполнен из (10-20) пар слоев Al_0.9Ga_0.1As и Al_0.1Ga_0.9As с толщинами h₁ и h₂ слоев соответственно равными:

h₁=λ/Kn₁ и h₂=λ/Кn₂,

где λ - длина волны максимума излучения светодиода,

n₁ - показатель преломления слоев Al_0.9Ga_0.1As,

n₂ - показатель преломления слоев Al_0.1Ga_0.9As,

К=3-3.6.

Отражательный слой 6 выполнен из AlGaAs с содержанием AlAs более 75% при толщине h₃, удовлетворяющей соотношению:

λ/n₃<h₃<2λ/n₃,

где n₃ - показатель преломления отражательного AlGaAs слоя 6.

К отражательному слою 6 снизу прилегает контактный слой 7 из AlGaAs с шириной запрещенной зоны, равной энергии квантов генерируемого излучения и толщиной (200-400) нм. Контактный слой 7 из AlGaAs соединен с серебряным зеркалом 10 матрицей цилиндрических металлических контактов 8 с диаметром, в (5-10) раз меньшим расстояния между цилиндрическими металлическими контактами 8. Между цилиндрическими металлическими контактами 8 выполнен слой 9 диэлектрика толщиной, равной толщине цилиндрических металлических контактов 8. В настоящем инфракрасном светодиоде с длиной волны излучения (750-950) нм ширина запрещенной зоны световыводящего слоя 1 установлена превышающей энергию квантов излучения на величину, равную ширине спектральной полосы излучения на уровне мощности излучения, равном половине мощности. Выполнение этого условия обеспечивает прозрачность световыводящего слоя 1 для генерируемого излучения и способствует высокой внешней квантовой эффективности. Активная узкозонная область 3, окруженная барьерными широкозонными слоями 2, 4, выполнена нелегированной, состоящей из нескольких квантовых ям, и заключена с двух сторон барьерными широкозонными слоями 2, 4, что обеспечивает достижение близкого к 100% внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации при плотностях тока менее 1 А/см², то есть менее 10 мА при площади светодиода 1 мм². В настоящем инфракрасном светодиоде брегговский отражатель 5 состоит из (10-20) пар чередующихся слоев р-Al_0.9Ga_0.1As и p-Al_0.1Ga_0.9As с толщинами h₁ и h₂ слоев соответственно равными h₁=λ/Kn₁ и h₂=λ/Кn₂ со значениями коэффициента К, установленными в диапазоне от К=3 до К=3.6.

При значении К=3 брегговский отражатель 5 обеспечивает отражение генерированных лучей, распространяющихся под углами 50±20 угловых градусов, к гетерограницам эпитаксиальных слоев, то есть внутри телесного угла (30-70) угловых градусов. В данном телесном угле содержится около 50% генерируемого изотропного излучения.

При увеличении значения коэффициента К до значения К=3.6 брегговский отражатель 5 отражает лучи в телесном угле 65±20°, в котором содержится менее 40% генерируемого излучения. При значениях К>3.6 доля отраженных от брегговского отражателя 5 лучей уменьшается. Так, при К=4 брегговский отражатель 5 отражает лучи в телесном угле ±20° по отношению к нормали к гетерограницам. В данном телесном угле содержится менее 5% изотропного излучения.

Уменьшение значения коэффициента К<3 нецелесообразно с технологической точки зрения, так как это приводит к увеличению толщины слоев брегговского отражателя 5 и существенному увеличению омического сопротивления структуры светодиода, что, в свою очередь, приводит к снижению КПД светодиода.

В настоящем инфракрасном светодиоде под брегговским отражателем 5 расположен отражательный слой 6 из AlGaAs с содержанием AlAs более 75%, обеспечивающий полное внутреннее отражение латеральных лучей, распространяющихся от активной узкозонной области 3 в диапазоне углов от нуля до 30-35 угловых градусов по отношению к границам. Под отражательным слоем 6 выполнен контактный слой 7 из AlGaAs. Функцией этого слоя 7 является защита отражательного слоя 6 и обеспечение возможности снижения контактного сопротивления при последующем осаждении матрицы цилиндрических металлических контактов 8. Ширина запрещенной зоны контактного слоя 7 установлена равной энергии квантов генерируемого излучения и толщиной (200-400) нм, что обеспечивает прозрачность этого слоя 7 для излучения и отсутствие омических потерь на контактах к слою 7. На контактный слой 7 нанесены цилиндрические металлические контакты 8. Толщина цилиндрических металлических контактов 8 является минимальной для достижения необходимого низкого омического сопротивления цилиндрических металлических контактов 8 к слою 7. Диаметр цилиндрических контактов 8 установлен в 5-10 раз меньшим расстояния между цилиндрическими металлическими контактами 8. Эта геометрия контактной матрицы обеспечивает минимальные потери генерируемого излучения на поглощение в цилиндрических металлических контактах 8, составляющие менее (1-4) % от падающего на эти контакты излучения, прошедшего сквозь брегговский отражатель 5 и отражательный слой 6. В местах, свободных от цилиндрических контактов 8, нанесен защитный слой 9 диэлектрика толщиной, равной толщине цилиндрических контактов 8. Это обеспечивает планарность системы «контакты+диэлектрик» и эффективную защиту напыляемого на эту систему отражательного слоя серебряного зеркала 10. Роль тыльного серебряного зеркала 10 в инфракрасном светодиоде состоит в отражении лучей, проникающих сквозь брегговский отражатель 5 и отражательный слой 6. Это лучи, распространяющиеся в направлении, близком к нормали, к эпитаксиальным слоям в телесном угле (75-90) угловых градусов к границам эпитаксиальных слоев. Серебряное зеркало 10 также отражает часть (порядка 10%) лучей, распространяющихся в телесном угле (75-35) угловых градуса вследствие того, что коэффициент отражения брегговского отражателя 5 составляет величину порядка 90%, то есть сквозь брегговский отражатель 5 проникает ~ 10% лучей, распространяющихся в этом телесном угле.

Инфракрасный светодиод работает следующим образом. При пропускании прямого тока светодиод генерирует изотропное излучение с длиной волны в диапазоне (750-950) нм, определяемом параметрами активной области 3. При попадании излучения на световыводящую поверхность слоя 1 из кристалла выходит только небольшая часть излучения (порядка 2%), падающая на световыводящую поверхность слоя 1 под углами меньше угла полного отражения, составляющего ±16 угловых градусов. Остальное излучение распространяется в тыльную сторону светодиода. Часть этого излучения (~ 45%) в телесном угле от (30-45) до (70-85) угловых градусов отражается от брегговского отражателя 5 и направляется в сторону световыводящей поверхности слоя 1 светодиода. Часть излучения, прошедшего сквозь брегговский отражатель 5, претерпевает полное внутреннее отражение от отражательного слоя 6 AlGaAs с содержанием AlAs более 75%. Остальная часть излучения, не отраженного от брегговского отражателя 5 и от отражательного слоя 6, отражается от тыльного серебряного зеркала 10 с коэффициентом отражения порядка 95%. В результате такого трехстадийного внутреннего отражения внешний квантовый выход излучения увеличивается от ~ 2% (в светодиодах без внутренних отражателей) до величины более 37% в настоящем инфракрасном светодиоде.

Пример 1. Был изготовлен инфракрасный светодиод с длиной волны максимума излучения 810 нм на основе структуры, включающей световыводящий слой AlGaAs, толщиной 2 мкм, фронтальный барьерный широкозонный слой AlGaAs, активную узкозонную область на основе шести квантовых ям InGaAs толщиной 3 нм каждая, тыльный барьерный широкозонный слой AlGaAs, брегговский отражатель, выполненный из 10 пар слоев Al_0.9Ga_0.1As и A.l_0.1Ga_0.9As с параметром К=3.6, обеспечивающий отражение лучей внутри телесного угла 45°-85°, отражательный слой AlGaAs с содержанием AlAs 75%. К брегговскому отражателю примыкает контактный слой из AlGaAs толщиной 200 нм, на поверхности которого сформированы цилиндрические металлические контакты диаметром 20 мкм, выполненные из Ag(Mn)/Ni/Au. Пространство между цилиндрическими металлическими контактами заполнено слоем диэлектрика на основе Si₃N₄. На поверхность цилиндрических металлических контактов нанесен слой серебряного зеркала. Фронтальный металлический контакт сформирован на основе слоев Au(Ge)/Ni/Au.

Пример 2. Был изготовлен инфракрасный светодиод с длиной волны максимума излучения 850 нм, включающий структуру, подобную изготовленной в примере 1, отличающуюся увеличенным содержанием InAs в квантовых ямах, выполненных толщиной 5 нм каждая. Брегговский отражатель выполнен из 20 пар слоев с параметром К=3, который обеспечил отражение лучей внутри телесного угла 30°-70°. Содержание AlAs в отражательном слое установлено равным 90%. Контактный слой из AlGaAs выполнен толщиной 400 нм. Цилиндрические металлические контакты выполнены диаметром 30 мкм из NiCr/Ag/NiCr/Au. Пространство между цилиндрическими металлическими контактами заполнено слоем диэлектрика на основе TiO_x/SiO₂. Фронтальный металлический контакт сформирован на основе слоев Pd/Ge/Au.

Пример 3. Был изготовлен инфракрасный светодиод с длиной волны максимума излучения 880 нм с толщиной световыводящего слоя, составляющей 8 мкм. Брегговский отражатель выполнен из 16 пар слоев Al_0.9Ga_0.1As и Al_0.1Ga_0.9As с параметром К=3.2, который обеспечил отражение лучей внутри телесного угла 34°-74°. Содержание AlAs в отражательном слое установлено равным 95%. Контактный слой из AlGaAs выполнен толщиной 300 нм. Цилиндрические металлические контакты выполнены диаметром 10 мкм из NiCr/Ag/NiCr/Au. Пространство между цилиндрическими металлическими контактами заполнено слоем диэлектрика на основе SiO₂. Фронтальный металлический контакт сформирован на основе слоев Pd/Ge/Au.

Изготовленные инфракрасные светодиоды имели повышенную внешнюю квантовую эффективность 35-37%.