Патент на изобретение №2392695

(54) СВЕТОДИОД БЕЛОГО СВЕЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДА ЭЛЕМЕНТОВ III ГРУППЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптоэлектронике. Светодиод белого свечения содержит слой полупроводника n-типа, одну или более структур с квантовыми ямами, сформированных поверх слоя полупроводника n-типа, слой полупроводника p-типа, сформированный на структуре с квартовыми ямами, первый электрод, сформированный на полупроводнике p-типа, и второй электрод, сформированный на по меньшей мере части слоя полупроводника n-типа. Каждая структура с квантовыми ямами включает в себя слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, слой барьера In_yGa_1-yN (x>0,3 или х=0,3) и квантовые точки In_zGa_1-zN, где x.1. В изобретении предложены два варианта светодиодов и два варианта структур с квантовыми ямами Изобретение позволяет создать светодиоды белого свечения, которые просты в изготовлении, имеют высокие характеристики светоотдачи и цветопередачи, а также обладают требуемой надежностью для обеспечения таких применений, как источники света для освещения и жидкокристаллические устройства отображения (дисплеи). 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

Область техники

[0001] Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам и способам изготовления данных устройств, более конкретно к светодиодам белого свечения.

Предпосылки изобретения

[0002] Светоизлучающие диоды или просто светодиоды (СД) широко используются в оптических устройствах отображения (дисплеях), светофорах, запоминающих устройствах для хранения данных, системах связи, осветительных устройствах и медицинском оборудовании. Существующие в настоящее время применения светодиодов белого свечения («белых СД») включают приборные панели автомобилей и подсветку жидкокристаллических (ЖК) дисплеев. Важной для светодиодов белого свечения задачей является увеличение уровня светоотдачи для того, чтобы обеспечить замену ламп накаливания, поскольку светодиоды имеют меньшие размеры, более высокую эффективность и примерно в 50 раз больший срок службы по сравнению с обычными электрическими лампочками.

[0003] Традиционные светодиоды белого свечения обычно изготавливаются двумя способами. В первом способе три отдельных светодиодных кристалла помещаются в один светодиодный корпус, при этом в результате комбинирования излучений красного кристалла, сине-зеленого кристалла и синего кристалла получается белое свечение. Другой широко используемый способ изготовления светодиодов белого свечения связан с использованием одного светодиодного кристалла на основе GaN очень яркого синего или ультрафиолетового (УФ) свечения, который покрыт флуоресцирующими материалами, такими как люминофоры и органические красители. Использование флуоресцирующего материала вызывает проблемы с надежностью и потерями энергии в результате преобразования УФ или синих фотонов в желтые или более длинноволновые фотоны. Кроме того, этап монтажа в корпус приобретает критическое значение для обеспечения соответствия цветовых характеристик и качества светодиода.

[0004] Традиционный подход к изготовлению светодиодов белого свечения был исследован Ченом (Chen) и др. (патент США 6163038). Данный патент описывает светодиод белого свечения и способ изготовления светодиода белого свечения, который сам по себе может излучать белый свет благодаря наличию в структуре этого светодиода по меньшей мере двух запрещенных энергетических зон. Однако данная технология для получения белого свечения использует только множественные квантовые ямы (МКЯ) (Multiple Quantum Well – MQWs). Чен и др. только упоминают выращивание МКЯ, излучающих свет разных цветов, посредством регулирования параметров роста, не уточняя, каким образом это достигается. Чену и др. не удалось изготовить МКЯ, излучающие свет, непрерывно перекрывающий весь видимый диапазон. То есть Чен и др. просто используют один светодиодный кристалл для получения света с множеством пиков в спектре, которые затем комбинируются. Таким образом, необходимо использовать конкретную длину волны светового излучения (например, 370-500 нм) в качестве основы.

[0005] Связанная с этой технология изготовления усовершенствованных светодиодов была предложена Чуа (Chua) и др. (патент США 6645885), которая относится к формированию квантовых точек нитрида индия (InN) и нитрида индия-галлия (InGaN), выращиваемых посредством металлоорганической газофазной эпитаксии. Данный патент описывает квантовые точки нитрида индия (InN) и богатого индием нитрида индия-галлия (InGaN), встроенные в одну единственную или множественные квантовые ямы (КЯ) In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN, сформированные при использовании по меньшей мере одного из триметилиндия (TMIn), триэтилиндия (TEIn) и этилдиметилиндия (EDMIn) в качестве снижающего поверхностную активность вещества во время выращивания методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD), и длина волны фотолюминесценции из данных точек находится в пределах от 480 до 530 нм. Регулируемые количества TMIn и/или других прекурсоров индия важны при инициировании формирования бездислокационных квантовых точек (КТ), поскольку имеются последующие потоки аммиака и TMIn. Данный способ может быть использован для выращивания активных слоев светодиодов синего и зеленого свечения. Однако данная технология не позволяет изготавливать диод, который генерирует белый свет. Белый свет требует диапазона 400-750 нм. А технология, предложенная Чуа и др., охватывает меньший диапазон длин волн от 480 до 530 нм и не может быть использована для генерирования белого света.

[0006] Следовательно, современные полупроводниковые технологии отображения требуют новых светодиодов белого свечения, которые просты в изготовлении, имеют высокие характеристики светоотдачи и цветопередачи, а также обладают требуемой надежностью для обеспечения таких применений, как источники света для освещения и жидкокристаллические устройства отображения (дисплеи).

Раскрытие изобретения

[0007] Следовательно, изобретение направлено на создание светодиода белого свечения («белого СД»), который по существу устраняет одну или более проблем, обусловленных ограничениями и недостатками существующего уровня техники.

[0008] Задачей изобретения является создание светодиода, который сочетает в одном кристалле все излучения видимой части спектра.

[0009] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения светодиод белого свечения содержит слой полупроводника n-типа, одну или более структур с квантовыми ямами, слой полупроводника p-типа, первый электрод и второй электрод. Каждая структура с квантовыми ямами содержит слой квантовой ямы In_xGa_1-xN и слой барьера In_yGa_1-yN, где x>0,3 или х=0,3 и x>y, и заключает в себе (охватывает) квантовые точки In_zGa_1-zN, где x1. Структуры c квантовыми ямами сформированы поверх слоя полупроводника n-типа. Слой полупроводника p-типа сформирован поверх структур с квантовыми ямами. Первый электрод сформирован поверх полупроводника p-типа. Второй электрод сформирован поверх по меньшей мере части поверхности слоя проводника n-типа.

[0010] В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения светодиод белого свечения содержит слой полупроводника n-типа, одну или более структур с квантовыми ямами, слой полупроводника p-типа, первый электрод и второй электрод. Каждая структура с квантовыми ямами содержит слой квантовой ямы In_xGa_1-xN и слой барьера In_yGa_1-yN, где x>y, и заключает в себе (охватывает) квантовые точки In_zGa_1-zN, где x1. Слой квантовой ямы In_xGa_1-xN содержит легирующую примесь p-типа. Структуры с квантовыми ямами сформированы поверх слоя полупроводника n-типа. Слой полупроводника p-типа сформирован поверх структур с квантовыми ямами. Первый электрод сформирован поверх полупроводника p-типа. Второй электрод сформирован поверх по меньшей мере части поверхности слоя проводника n-типа.

[0011] В диоде в соответствии с указанными аспектами слой квантовой ямы In_xGa_1-xN содержит легирующую примесь p-типа и легирующую примесь n-типа, и х>0,3 или х=0,3. Каждая структура с квантовыми ямами имеет непрерывный спектр излучения в диапазоне от 420 до 750 нм. Квантовые точки сформированы пропусканием сначала потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn при первом расходе и первом времени для образования зародышей, а затем пропусканием потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn с TMG и аммиаком при втором расходе для того, чтобы заставить зародыши расти и захватываться в слой квантовой ямы. Количество структур с квантовыми ямами составляет в пределах примерно от 1 до 30. Толщина слоя квантовых ям In_xGa_1-xN составляет примерно от 1 до 10 нм, а толщина слоя квантового барьера In_yGa_1-yN составляет примерно от 5 до 30 нм. Может быть удовлетворено соотношение 1>х>y>0 или y=0. Слой полупроводника n-типа сформирован на подложке, и эта подложка выполнена из одного из сапфира, SiC, GaN и ZnO. В качестве легирующих примесей использован по меньшей мере один из бисциклопентадиенилмагния (Cp₂Mg), диэтилцинка (DEZn) и силана. Светодиод излучает свет в диапазоне примерно от 400 до 750 нм. Мольная доля InN слоя ямы x важна для расширения диапазона излучения до более длинных волн. При более высоком x в слое квантовой ямы In_xGa_1-xN длина волны излучения расширяется до более длинных волн. Если x равно или больше 0,3, диапазон спектра излучения из структуры с МКЯ расширяется до 600 нм или более. Включение Zn или Zn и Si в слой квантовой ямы In_xGa_1-xN важно для повышения мощности излучения из структуры с МКЯ, особенно для диапазона более длинных волн.

[0012] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена структура с квантовыми ямами, которая излучает белый свет. Эта структура с квантовыми ямами содержит: слой квантовой ямы In_xGa_1-xN; богатые индием квантовые точки InGaN, встроенные в слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, где x>0,3 или х=0,3; и слой квантового барьера In_yGa_1-yN поверх квантовых точек и слоя квантовой ямы.

[0013] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения предложена структура с квантовыми ямами, которая излучает белый свет. Эта структура с квантовыми ямами содержит слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, богатые индием квантовые точки InGaN, встроенные в слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, и слой квантового барьера In_yGa_1-yN поверх квантовых точек и слоя квантовой ямы. Богатые индием квантовые точки InGaN легированы легирующей примесью p-типа.

[0014] В указанных аспектах слой квантовой ямы InGaN легирован легирующей примесью p-типа. Слой квантовой ямы InGaN легирован легирующей примесью p-типа и n-типа. Структура с квантовыми ямами выполнена излучающей свет непрерывно в диапазоне от 420 до 750 нм. Квантовые точки сформированы пропусканием сначала потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn при первом расходе и первом времени для образования зародышей, а затем пропусканием потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn с TMG и аммиаком при втором расходе для того, чтобы заставить зародыши расти и захватываться в квантовые ямы. Толщина слоя квантовой ямы In_xGa_1-xN составляет примерно от 1 до 10 нм, а толщина слоя квантового барьера In_yGa_1-yN составляет примерно от 5 до 30 нм.

[0015] Дополнительные признаки и преимущества изобретения будут изложены в нижеследующем описании и частично будут понятны из описания или могут быть выяснены в результате практического осуществления изобретения. Задачи и преимущества изобретения будут решены и достигнуты посредством структуры, указанной, в частности, в описании и формуле изобретения, а также на прилагаемых чертежах.

[0016] Необходимо понимать, что приведенное выше общее описание и приведенное ниже подробное описание изобретения являются примерными и пояснительными и предназначены для дополнительного объяснения заявленного изобретения.

Краткое описание чертежей

[0017] Сопроводительные чертежи, которые приведены здесь для обеспечения дополнительного понимания изобретения, входят в содержание и являются частью настоящей заявки, иллюстрируют варианты реализации изобретения и вместе с описанием служат для объяснения сущности изобретения.

На этих чертежах:

Фиг.1 изображает схему светодиода белого свечения с КТ, захваченными слоем ямы In_xGa_1-xN, где x>0,3 или х=0,3, на активном слое в соответствии с изобретением;

Фиг.2 изображает схему структуры с квантовыми ямами (КЯ), содержащей КТ, захваченные легированным примесями Zn и Si слоем ямы, в соответствии с изобретением;

Фиг.3 изображает спектр электролюминесценции при комнатной температуре светодиода белого свечения в соответствии с изобретением;

Фиг.4 изображает спектр фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре структуры с множественными квантовыми ямами с легированным примесью Zn слоем ямы в соответствии с изобретением; и

Фиг.5 изображает спектр фотолюминесценции (ФЛ) при комнатной температуре структуры с множественными квантовыми ямами с легированным примесями Zn и Si слоем ямы в соответствии с изобретением.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

[0018] Ниже будут подробно описаны предпочтительные варианты реализации изобретения, примеры которых проиллюстрированы на сопроводительных чертежах.

[0019] В соответствии с изобретением диод изготавливается с использованием эпитаксиальных методов. Диод по изобретению использует квантовые точки (КТ) для получения электролюминесценции из p-n-перехода, имеющей широкий непрерывный пик в диапазоне, по меньшей мере, от 420 до 750 нм.

[0020] КТ можно определить как частицу вещества настолько малую, что добавление или удаление одного электрона изменяет ее свойства некоторым полезным образом. Альтернативно квантовые точки могут рассматриваться как очень маленькие приборы, т.е. клетки, в которых заключено небольшое число, даже вплоть до одного, свободных электронов. Обычно КТ имеют размеры порядка нанометров. То есть квантовые точки могут иметь размеры от 1 до 200 нм. Во многих применениях их типичный размер находится в пределах от 20 до 80 нм.

[0021] Используя процессы эпитаксиального выращивания, квантовые точки могут выращиваться во многих случаях с удержанием (носителей) во всех трех измерениях в окружающем материале. При литографически заданных КТ квантовая яма обеспечивает удерживающий потенциал вдоль направления выращивания, в то время как вызванный электростатическими силами потенциальный барьер обеспечивает поперечное удержание.

[0022] Эпитаксиальное выращивание тонких пленок или КТ из нитридов или оксидов может осуществляться с использованием химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MOCVD). В MOCVD используется поток газа-носителя, содержащий разбавленную смесь органических прекурсоров металлов. Газовая смесь поступает в реакционную камеру при давлении в пределах от 50 до 750 Торр, при этом температуры подложки составляют в пределах от 500 до 1200°С для обычно используемых нитридных материалов элементов III-V групп. Аммиак (NH₃) может быть использован в качестве источника азота для формирования слоев нитридов, таких как GaN, InGaN или InN. Эти реакционноспособные газы разлагаются и осаждаются тонкими эпитаксиальными слоями нитридных материалов III-V групп (например, GaN, AlGaN, InGaN и др.) с толщиной от нескольких нанометров до нескольких микрометров в зависимости от необходимости.

[0023] Фиг.1 представляет собой схему, иллюстрирующую светодиод белого свечения в соответствии с изобретением.

[0024] Фиг.1 изображает подложку 1, которой может быть сапфир, карбид кремния (SiC), оксид цинка (ZnO), отдельностоящий GaN или другие подложки. Буферным слоем 2 является буферный слой упомянутого GaN, выращенный при низкой температуре около 600°С. Слой 3 GaN n-типа выращивают при высокой температуре около 1000°С. Слой 3 может быть легирован примесью Si для получения высокой проводимости n-типа. Когда подложкой 1 является отдельностоящий GaN, буферный слой 2 не требуется. Слой 4 представляет собой слой барьера GaN или InGaN. После того, как выращен слой 4 барьера, пропускают прекурсор индия, такой как TMIn, формируя «затравку» для формирования богатых индием КТ 5. Данный процесс называется «выбросом» индия. Слой 6 представляет собой слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, имеющий высокую мольную долю индия, где x>0,3 или х=0,3. Поверх слоя 6 выращен другой слой 7 барьера GaN или InGaN. Слой 6 может быть легирован примесью p-типа, такой как Zn, для получения более высокой эмиссии на длинных волнах. Для получения еще более высокой эмиссии слой 6 может быть легирован как примесью p-типа, так и примесью n-типа. Легирующей примесью p-типа может быть Zn, а легирующей примесью n-типа может быть Si. Слой 8 представляет собой легированный примесью Mg слой GaN p-типа, выращенный при температуре около 1000°С. Слоем 8 может быть слой InGaN p-типа, выращенный при температуре в диапазоне от 650 до 850°С. Этот выращенный при низкой температуре слой InGaN p-типа предпочтителен в том случае, если интенсивность эмиссии из структуры с МКЯ чувствительна к термической истории после формирования этой структуры с МКЯ. Первый электрод 9а сформирован на верху слоя 8. Второй электрод 9b сформирован поверх слоя 3.

[0025] На фиг.1 слой 8 p-типа и слой 3 n-типа могут переключаться при переключении электродов 9а и 9b.

[0026] Относительно шероховатая поверхность низкотемпературного (НТ) слоя барьера GaN или InGaN (слоя 4 на фиг.1) может способствовать более длительному удерживанию на поверхности налетающих атомов индия, которые образуются за счет расщепления (разложения) прекурсора TMIn, тем самым увеличивая внедрение индия, что также приводит в результате к красному смещению в эмиссии.

[0027] Хотя в качестве прекурсора часто используется триметилиндий (TMIn), могут быть использованы также и другие металлоорганические соединения индия, такие как триэтилиндий (TEIn) и этилдиметилиндий (EDMIn). Эти металлоорганические соединения могут использоваться отдельно или в смесях.

[0028] В настоящем изобретении богатые индием КТ сформированы и захвачены в одной единственной или множественных квантовых ямах In_xGa_1-xN/GaN или In_xGa_1-xN/In_yGa_1-yN, которые обычно излучают длинноволновый свет (желтый и красный). КТ порождают путем пропускания потока TMIn (триметилиндия) или других прекурсоров индия, действующих в качестве зародышей. Излучение белого цвета может быть получено путем изменения длины волны и интенсивности распределения излучения. Это может быть достигнуто посредством регулирования условий на этапе порождения КТ, таких как температура, давление в реакторе, парциальное давление TMIn, длительность потока TMIn во время выброса индия. Это может быть также достигнуто посредством регулирования параметров эпитаксиального выращивания слоя ямы, таких как температура, давление в реакторе, парциальное давление NH₃, парциальное давление металлоорганического(их) прекурсора(ов) индия (TMIn, TEIn или EDMIn) и длительность выращивания квантовой ямы InGaN. Путем варьирования этих параметров могут быть сформированы КТ с различающимися содержанием индия и размерами.

[0029] При формировании богатых индием КТ интересны два соображения. Во-первых, важными являются количество TMIn, действующего в качестве зародыша, и длительность потока TMIn. Слишком большой поток будет создавать капли индия, которые мешают формированию богатых индием КТ. Эффект квантового ограничения (удержания квантов) КТ является причиной того, почему КТ обладают очень высокой эффективностью люминесценции при комнатной температуре. Во-вторых, последовательные потоки TMIn, TMGa и аммиака также являются очень важными для формирования квантовых точек (КТ) и квантовой ямы с захваченными в ней КТ. Обычно выращивание квантовой ямы должно проводиться при высоком парциальном давлении аммиака.

[0030] Для управления излучением важно парциальное давление металлоорганического(их) прекурсора(ов) индия, такого как TMIn, при выращивании квантовой ямы, которой захватываются богатые In КТ. Более высокое парциальное давление TMIn во время выращивания квантовой ямы дает более высокую мощность излучения из структуры с квантовыми ямами с КТ. Содержание In x в слое ямы может быть измерено при помощи дифракции рентгеновских лучей (XRD), масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) или спектроскопии потерь энергии электронов (EELS). Когда КТ захватываются квантовой ямой, растущей при таком парциальном давлении TMIn, которое обеспечивает содержание индия x в квантовой яме In_xGa_1-xN, равное 0,3 или большее, чем 0,3, излучение на длинных волнах резко усиливается, особенно в диапазоне от 500 до 750 нм. Более высокое парциальное давление TMIn во время захвата КТ делает более высоким результирующее содержание In в КТ. Фиг.3 изображает спектр электролюминесценции (ЭЛ) из светодиода белого свечения, схематически проиллюстрированного на фиг.1. В данном случае в качестве активного слоя были использованы три периода структуры с множественными квантовыми ямами (МКЯ). Парциальное давление TMIn и TMGa во время выращивания квантовых ям составляло 1,9 Па и 1,1 Па соответственно. Спектр ЭЛ непрерывно охватывает широкий диапазон от 420 до 750 нм. Был также опробован другой режим роста во время выращивания квантовых ям с парциальным давлением TMIn 1,1 Па и парциальным давлением TMGa 1,1 Па. В данном случае спектр находится в диапазоне от 450 до 580 нм. Более высокое парциальное давление TMIn во время выращивания квантовых ям является эффективным для усиления эмиссии более длинных волн.

[0031] Фиг.2 изображает другой предпочтительный вариант реализации изобретения. На этом чертеже показана схематичная структура вокруг слоя квантовой ямы. Для завершения светодиода будут необходимы, по меньшей мере, электроды, в соответствии со структурой, показанной на фиг.1.

[0032] На фиг.2 слоем 10 является подложка, которой предпочтительно является сапфир, SiC, отдельностоящий GaN или ZnO. Слой 20 является буферным, выращенным при низкой температуре, обычно находящейся в пределах от 450 до 600°С. Слоем 30 является слой GaN n-типа, выращенный при температуре около 1030°С. Обычной легирующей примесью слоя 30 является Si. Слоем 40 является слой GaN или InGaN. Слоем 50 является слой барьера In_yGa_1-yN, в котором y предпочтительно находится в пределах от 0,01 до 0,1, выращенный при температуре примерно от 700 до 800°С. После выращивания слоя 5 формируют богатые индием КТ 60, используя поток прекурсора индия перед выращиванием слоя ямы. Поверх КТ формируют слой 70 квантовой ямы In_xGa_1-xN, где x больше, чем y, и предпочтительно больше, чем 0,3. Слой 70 легирован примесью Zn для усиления эмиссии на длинных волнах. Слоем 80 является другой барьер In_yGa_1-yN, обычно подобный слою 50. Слоем 90 является верхний слой p-GaN или p-InGaN, выращенный при температурах в диапазоне между 700 и 1100°С.

[0033] На фиг.2 подложкой 10 может быть любой материал, подходящий для выращивания GaN, такой как сапфир, SiC, отдельностоящий GaN, ZnO и другие альтернативные материалы с толщиной примерно от 200 мкм (микрометров) до 500 мкм. Низкотемпературным буферным слоем 20, который имеет толщину примерно от 20 до 100 нм, может быть также многослойный буферный слой AlGaN/GaN. Слоем 30 может быть беспримесный (нелегированный) GaN, GaN с примесью Si или GaN с примесью Mg. Концентрация Si в данном слое находится в пределах от 2×10¹⁷ см^-3 до 9×10¹⁸ см^-3. Концентрация Mg находится в пределах от 5×10¹⁷ см^-3 до 3×10²⁰ см^-3. Его толщина находится в пределах от 1 до 10 мкм. Слоем 40 может быть GaN, InGaN или AlGaN с толщиной примерно от 5 до 30 нм. Слоями 50 и 80 вместо InGaN может быть GaN. Верхним слоем 90 толщиной от 10 до 1000 нм может также быть AlGaN.

[0034] Для расширения диапазона люминесценции важно легирование слоя 70 примесью Zn. Фиг.4 изображает спектры фотолюминесценции из структур с МКЯ, проиллюстрированных на фиг.2, при различном парциальном давлении DEZn во время выращивания слоев квантовых ям. В данном случае эмиссионный слой состоит из четырех периодов МКЯ, и при выращивании всех слоев ямы парциальное давление TMGa и TMIn поддерживали на уровне 0,27 и 1,1 Па соответственно. При этом более высокое парциальное давление DEZn приводит в результате к более высокой концентрации легирующей примеси Zn в квантовой яме и, следовательно, к большей эмиссии в диапазоне от 550 до 750 нм.

[0035] Одновременное легирование слоя 70 примесями Zn и Si является эффективным для усиления эмиссии. Фиг.5 изображает спектры фотолюминесценции из структур с МКЯ, проиллюстрированных на фиг.2, при различном парциальном давлении силана. В данном случае эмиссионный слой состоит из четырех периодов МКЯ, и при выращивании всех слоев ямы парциальное давление TMGa, TMIn и DEZn поддерживали на уровне 0,27, 1,1 и 6,7×10^-4 Па соответственно. При этом более высокое парциальное давление силана приводит в результате к более высокому содержанию легирующей примеси Si в квантовой яме и, следовательно, к более высокой мощности излучения.

[0036] Введение слоя 40 на фиг.2 важно для расширения диапазона люминесценции. Без ограничения изобретения какой-либо теорией, считается, что низкотемпературный слой GaN (слой 40 на фиг.2) частично релаксирует (снимает) деформацию сжатия между ямой InGaN и барьером. Эта релаксация деформации сжатия может привести к фазовому сдвигу в люминесценции. Релаксация деформации сжатия может также усилить фазовое разделение InGaN в соответствии с теорией Карпова (MRS Internet J Nitride Semicond. Res., 16 (1998)), по которой деформация сжатия может подавлять фазовое разделение InGaN.

[0037] Относительно шероховатая поверхность низкотемпературного (НТ) слоя GaN (слоя 40 на фиг.2) может способствовать удерживанию на поверхности в течение более длительного времени налетающих атомов индия, которые образуются за счет расщепления прекурсора TMIn, тем самым увеличивая внедрение индия, что будет также приводить в результате к фазовому смещению люминесценции.

[0038] Ниже будет описан способ выращивания светодиода белого свечения (белого СД) в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения.

[0039] Сначала поверх сапфировой подложки выращивают низкотемпературный буферный слой, а затем высокотемпературный слой GaN n-типа, причем последний процесс обычно осуществляют при температуре примерно 1000°С. Затем температуру понижают до примерно 700-800°С для выращивания слоя барьера GaN или InGaN. Выращенный при низкой температуре буфер необходим в том случае, когда их выращивают на сапфировой подложке.

[0040] После выращивания слоя барьера в реакционную камеру в присутствии аммиака вдувают соответствующее количество TMIn или другого(их) металлоорганического(их) прекурсора(ов) индия. Атомы индия из TMIn собираются вместе (агрегируются) на атомной поверхности барьеров InGaN, образуя «затравки» для последующего выращивания КТ.

[0041] В предпочтительном варианте реализации изобретения один белый СД был выращен по технологии MOCVD на сапфировых подложках (0001). Технологию MOCVD осуществляли с использованием триметилгаллия (TMG), триметилиндия (TMIn) и аммиака (NH₃) в качестве прекурсоров. В случае данного белого СД сначала на буферном слое GaN толщиной 25 нм вырастили беспримесный объемный GaN толщиной 2 мкм. Температуры выращивания буферного слоя GaN и высокотемпературного слоя GaN соответственно составляют от 500 до 560°С и от 1000 до 1100°С. После выращивания слоя GaN температуру выращивания понизили до примерно 700°С (в пределах от 650 до 750°С) для осаждения барьера GaN или InGaN и ямы InGaN. Содержание индия в барьере InGaN является меньшим, чем в яме. После выращивания барьера GaN или InGaN и перед выращиванием ямы с высоким содержанием индия пропускали поток TMIn в течение короткого времени, изменяющегося в пределах от 2 до 5 секунд, при отключенном потоке TMGa. Данный процесс называется «выбросом» индия. Такой выброс будет создавать затравки для роста КТ InGaN с различными размерами и содержаниями индия. Длительность выброса может варьироваться для формирования затравок в каждом слое. Толщина ямы была равна примерно 3 нм. Выращивание барьера GaN, выброс индия и выращивание ямы InGaN повторяли четыре раза.

[0042] Выброс индия может быть осуществлен в течение любого подходящего времени, изменяющегося в пределах от 0,5 секунды до 1 минуты или более. Однако предпочтительно, если время выброса индия составляет от 2 до 5 секунд. Предпочтительный расход металлоорганического соединения индия во время выброса индия составляет менее 100 мкмол/мин (микромолей/мин). Толщина ямы может быть равна примерно 0,5-10 нм, предпочтительно 2-4 нм, а наиболее предпочтительно – примерно 3 нм.

[0043] Затем сверху на четырех периодах МКЯ In_xGa_1-xN/GaN выращивали легированный примесью Mg высокотемпературный слой GaN. В качестве газа-носителя для выращивания GaN и InGaN были использованы, соответственно, H₂ и N₂. В заключение на полупроводнике p-типа сформировали первый электрод, а на участке легированного примесью Si слоя GaN сформировали второй электрод.

[0044] Для легирования различных структур по изобретению могут быть использованы различные металлоорганические материалы. Например, для получения легированного примесью Mg GaN в слое 3 или слое 8 по фиг.1 может быть использован бисциклопентадиенилмагния (CP₂Mg). Для обеспечения легирующей примеси p-типа в слое 8 может быть также использован, например, диэтилцинк (DEZn). Силан также может быть использован в качестве легирующей примеси, например, для формирования легированного примесью Si GaN в слое 3.

[0045] В этом примере предпочтительного варианта реализации использованы четыре структуры с квантовыми ямами. Однако может быть использовано любое подходящее количество структур с квантовыми ямами. Практически может быть использовано от 1 до 60 структур с квантовыми ямами. Предпочтительно используется от 1 до 30 структур с квантовыми ямами.

[0046] В изобретении толщина слоя квантовой ямы In_xGa_1-xN составляет в пределах от 0,5 до 20 нм, а предпочтительно – от 1 до 10 нм. Толщина слоя барьера In_yGa_1-yN может составлять в пределах от 2 до 60 нм, а предпочтительно – от 5 до 30 нм. В предпочтительном варианте реализации изобретения слой квантовой ямы In_xGa_1-xN имеет больший состав по сравнению со слоем барьера In_yGa_1-yN, так что 1>х>y>0 или y=0. Также состав слоя квантовой ямы In_xGa_1-xN предпочтительно больше 0,3 (х>0,3). Предпочтительно, слой квантовой ямы In_xGa_1-xN легирован примесью Zn. Более предпочтительным является одновременное легирование примесью Si в слое квантовой ямы In_xGa_1-xN.

[0047] Фиг.3 изображает спектр электролюминесценции белого СД, выполненного в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения. Фиг.3 изображает диапазон длин волн излучения, который находится в пределах от 420 до 750 нм, что охватывает основные цвета: синий, зеленый и красный. В результате диод дает белое свечение.

[0048] То есть диод по изобретению может излучать белый свет в диапазоне от примерно 420 до 750 нм посредством регулирования параметров выброса индия, таких как количество прекурсоров In, длительность выброса и температура. Более высокое содержание In в квантовой яме и легирующие примеси Zn и Si в этом слое резко усиливают эмиссию, особенно в спектральном диапазоне красного цвета. Управление содержанием In, концентрацией Zn и концентрацией Si в слое ямы может осуществляться посредством регулирования парциального давления, соответственно, прекурсора In (такого как TMIn), прекурсора Zn (такого как DEZn) и прекурсора Si (такого как силан). Комбинированное регулирование данных параметров выращивания обеспечивает возможность управления показателем цвета излучения в широком диапазоне, а также управления мощностью излучения. Данный белый СД излучает белый свет сам по себе и не требует комбинации отдельных светодиодов или, в качестве альтернативы, использования флуоресцирующего материала, излучающего белый цвет. Таким образом, светодиод по изобретению является более дешевым, более удобным в изготовлении, более стабильным и обладает более длительным сроком службы.

[0049] В результате этого изобретение обладает очевидными преимуществами по сравнению с обычными известными излучающими устройствами, которые имеют единичные центры излучения, так что белый свет можно получать только посредством комбинирования нескольких устройств или посредством преобразования цвета с использованием люминофора. В отличие от этого изобретение использует КТ различных размеров, давая световые излучения разных цветов, которые объединяются на одном кристалле с получением белого свечения. Следовательно, изобретение отличается компактностью, эффективностью, яркостью и низкой стоимостью.

[0050] Специалистам в данной области техники будет понятно, что в жидкокристаллическом устройстве отображения (дисплее), использующем двойные световые блоки по изобретению, могут быть выполнены различные модификации и изменения без отхода от сущности и объема изобретения. Таким образом, предполагается, что изобретение охватывает такие модификации и изменения изобретения при условии, что они оказываются в пределах объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.

Формула изобретения

1. Светодиод белого свечения, содержащий:
слой полупроводника n-типа;
одну или более структур с квантовыми ямами, каждая из которых содержит слой квантовой ямы In_xGa_1-xN и слой барьера In_yGa_1-yN, где x>0,3 или x=0,3, и структура с квантовыми ямами заключает в себе квантовые точки In_zGa_1-zN, где x1, причем структуры с квантовыми ямами сформированы поверх слоя полупроводника n-типа;
слой полупроводника p-типа, сформированный поверх структур с квантовыми ямами;
первый электрод, сформированный поверх полупроводника p-типа; и
второй электрод, сформированный поверх по меньшей мере части поверхности второго участка слоя полупроводника n-типа.

2. Светодиод белого свечения, содержащий:
слой полупроводника n-типа;
одну или более структур с квантовыми ямами, каждая из которых содержит слой квантовой ямы In_xGa_1-xN и слой барьера In_yGa_1-yN, где x>у, причем структура с квантовыми ямами заключает в себе квантовые точки In_xGa_1-zN, где x1, слой ямы In_xGa_1-xN содержит легирующую примесь p-типа, и структуры с квантовыми ямами сформированы поверх слоя полупроводника n-типа;
слой полупроводника p-типа, сформированный поверх структур с квантовыми ямами;
первый электрод, сформированный поверх полупроводника p-типа; и
второй электрод, сформированный поверх по меньшей мере части поверхности слоя полупроводника n-типа.

3. Светодиод по п.2, в котором слой квантовой ямы In_xGa_1-xN содержит как легирующую примесь p-типа, так и легирующую примесь n-типа.

4. Светодиод по п.1, в котором слой квантовой ямы In_xGa_1-xN содержит легирующую примесь p-типа, и x>0,3 или x=0,3.

5. Светодиод по п.1, в котором слой квантовой ямы In_xGa_1-xN содержит как легирующую примесь p-типа, так и легирующую примесь n-типа, и x>0,3 или х=0,3.

6. Светодиод по п.1, в котором структуры с квантовыми ямами имеют непрерывный спектр излучения в диапазоне от 420 до 750 нм.

7. Светодиод по любому из пп.1, 2 и 6, в котором квантовые точки сформированы пропусканием сначала потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn при первом расходе и первом времени для образования зародышей, а затем пропусканием потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn с TMG и аммиаком при втором расходе для того, чтобы заставить зародыши расти и захватываться в слой квантовой ямы.

8. Светодиод по п.7, в котором количество структур с квантовыми ямами составляет в пределах примерно от 1 до 30.

9. Светодиод по п.7, в котором толщина слоя квантовой ямы In_xGa_1-xN составляет примерно от 1 до 10 нм, а толщина слоя квантового барьера In_yGa_1-yN составляет примерно от 5 до 30 нм.

10. Светодиод по п.7, в котором 1>x>у>0 или у=0.

11. Светодиод по п.7, в котором слой полупроводника n-типа сформирован на подложке, и эта подложка выполнена из одного из сапфира, SiC, GaN и ZnO.

12. Светодиод по п.7, в котором во время выращивания слоя квантовой ямы в качестве легирующих примесей использован по меньшей мере один из бисциклопентадиенилмагния, диэтилцинка и силана.

13. Структура с квантовыми ямами, которая излучает белый свет, которая содержит:
слой квантовой ямы In_xGa_1-xN;
богатые индием квантовые точки InGaN, встроенные в слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, где x>0,3; и
слой квантового барьера In_yGa_1-yN поверх квантовых точек и слоя квантовой ямы.

14. Структура с квантовыми ямами, которая излучает белый свет, которая содержит:
слой квантовой ямы In_xGa_1-xN, легированный легирующей примесью p-типа;
богатые индием квантовые точки InGaN, встроенные в слой квантовой ямы In_xGa_1-xN; и
слой квантового барьера In_yGa_1-yN поверх квантовых точек и слоя квантовой ямы.

15. Структура с квантовыми ямами по п.14, в которой слой квантовой ямы InGaN содержит легирующую примесь n-типа.

16. Структура с квантовыми ямами по п.13, в которой слой квантовой ямы InGaN содержит легирующую примесь p-типа.

17. Структура с квантовыми ямами по п.13, в которой слой квантовой ямы InGaN содержит как легирующую примесь p-типа, так и легирующую примесь n-типа.

18. Структура с квантовыми ямами по любому из пп.13 и 14, причем эта структура с квантовыми ямами выполнена излучающей свет в диапазоне от 420 до 750 нм, и этот свет имеет непрерывный спектр излучения в диапазоне от 420 до 750 нм.

19. Структура с квантовыми ямами по любому из пп.13 и 14, в которой квантовые точки сформированы пропусканием сначала потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn и EDMIn при первом расходе и первом времени для образования зародышей, а затем пропусканием потока по меньшей мере одного из TMIn, TEIn или EDMIn с TMG и аммиаком при втором расходе для того, чтобы заставить зародыши расти и захватываться в квантовые ямы.

20. Структура с квантовыми ямами по любому из пп.13 и 14, в которой толщина слоя квантовой ямы In_xGa_1-xN составляет примерно от 1 до 10 нм, а толщина слоя квантового барьера In_yGa_1-yN составляет примерно от 5 до 30 нм.

21. Структура с квантовыми ямами по любому из пп.13 и 14, в которой 1>x>у>0 или у=0.

22. Структура с квантовыми ямами по любому из пп.13 и 14, в которой во время выращивания слоя квантовой ямы в качестве легирующих примесей использован по меньшей мере один из бисциклопентадиенилмагния, диэтилцинка и силана.

РИСУНКИ