Высокоэффективные излучающие приборы на основе гетероструктур AlGaInN

В последние годы достигнут значительный прогресс в технологии эпитаксиального выращивания гетероструктур AlGalnN, что привело к созданию на основе этих структур эффективных светодиодов, работающих в видимой, синей и ближней ультрафиолетовой областях спектра [1]. Такие светодиоды находят все большее широкое применение в системах индикации, подсветки, навигации и т. д. Наиболее важная область применения — создание на основе синих светодиодов AlGalnN источников белого света, способных составить конкуренцию традиционным лампам накаливания, флуоресцентным и галогеиовым лампам.

В большинстве случаев эффективность использования светодиодных систем возрастает с ростом мощности излучения самих светодиодов. Для достижения значительной мощности излучения светодиода необходимо обеспечить высокую внутреннюю квантовую эффективность исходной гетероструктуры AlGalnN, а также создать условия для эффективного вывода генерируемого света из кристалла. Важная особенность гетероструктур AlGalnN состоит в том, что в них, как правило, наблюдается довольно резкий спад внутренней квантовой эффективности с увеличением плотности тока накачки. Поэтому высокая мощность излучения не может достигаться только путем увеличения плотности тока накачки, необходимо также использовать кристаллы светодиодов с большой площадью излучающей поверхности. Однако, для кристаллов большой площади актуальна задача поддержания однородного распределения плотности тока накачки по площади излучающего р-п перехода. Проблема заключается в том, что светодиодные гетероструктуры, как правило, выращиваются на изолирующей сапфировой подложке, и проводимости тонкого (4−5мкм) слоя п-GaN недостаточно для обеспечения однородного распределения тока накачки по активной области в случае, если линейные размеры кристалла превышают 300−400 мкм.

В светодиодах высокой мощности должны быть решены еще несколько важных проблем. Так, в светодиодах на основе гетероструктур AlGalnN, чаще всего.

• выращенных на подложках из сапфира, эффективность вывода излучения ограничена эффектом полного внутреннего отражения генерируемого света на границах полупроводника с воздухом и с подложкой. Наиболее эффективные способы повышения эффективности вывода генерируемого излучения состоят в создании отражающих контактов, формировании оптических неоднородностей в структуре прибора, в частности, рассеивающего свет микрорельфа на поверхности кристалла.

Актуальной задачей является также минимизация последовательного электрического сопротивления светодиода и создания условий для эффективного отвода тепла от его активной области, т.к. требуемый диапазон токов составляет несколько ампер.

Отмеченные проблемы могут быть наиболее эффективно решены при использовании обращенной (флип-чип) конструкции излучающего кристалла, в котором обе контактные площадки к материалу пи ртипа расположены с одной (лицевой) стороны, и кристалл монтируется на теплоотвод своей лицевой стороной. При этом в качестве контакта к />-GaN используется комбинация металлов с высокой отражающей способностью, а свет выводится через прозрачную сапфировую подложку. Кроме того, при флип-чип монтаже минимизируется тепловое сопротивление между активной областью светодиода и теплоотводом, т.к. тепло от р* п перехода отводится через тонкий слой GaN, а не через сапфировую подложку, обладающую низкой теплопроводностью.

Таким образом, разработка конструкций и технологии изготовления светодиодов на основе гетероструктур AlGalnN, получение и исследование свойств низкоомных, отражающих и рассеивающих свет контактов к эпитаксиальным слоям GaN, направленные на достижение высоких значений эффективности и мощности излучения светодиодов, является актуальной задачей.

Цели работы.

— Увеличение эффективности вывода излучения из кристаллов светодиодов на основе гетероструктур AlGalnN (К = 430−470 им) путем оптимизации конструкции и технологии изготовления (применение флип-чип конструкции с двухуровневой меза-структурой).

— Разработка технологии получения и исследование характеристик низкоомных контактов к слоям GaN ри «-типа проводимостисоздание низкоомных контактов, обеспечивающих высокий коэффициент отражения света в синей области спектра.

• - Создание и исследование оптических свойств диффузно-рассеивающего и диффузно-отражающего микрорельефа на поверхности кристаллов светодиодов AlGalnN с целью увеличения внешней квантовой эффективности излучения.

— Исследование возможности достижения предельно высокой удельной и абсолютной мощности излучения кристаллов синих светодиодов на основе гетероструктур

AlGalnNразработка технологии изготовления кристаллов с площадью активной области ~ 1 мм², работающих при плотности тока накачки более 100 А/см2 и обеспечивающих мощность излучения свыше 500 мВт.

Научная новизна работы.

— Показано, что по сравнению со стандартными конструкциями светодиодов на основе AlGalnN в кристаллах с контактными площадками на поверхности структуры (геометрия флип-чип) существенное увеличение внешней квантовой эффективности излучения может быть достигнуто благодаря применению двухуровневой меза-структуры и отражающих омических контактов к слоям p-GaN и и-GaN.

— Предложены оригинальные системы омических контактов к слою и-GaN на основе Ti/Au и Ti/Ag, обеспечивающие удельное контактное сопротивление < 5-Ю" 6 Ом •см без применения высокотемпературного отжига (контакт Ti/Ag является отражающим).

— Показано, что создание рассеивающего свет микрорельефа на поверхности кристалла светодиода AlGalnN ведет к значительному увеличению эффективности излучения, при этом величина эффективности практически ire зависит от размера кристалла.

— Впервые на отдельном кристалле светодиода AlGalnN осуществлена операция лазерного удаления (lift-off) сапфировой подложки с последующим созданием рассеивающего свет микрорельефа на поверхности л-GaN.

— Предложена новая конструкция кристалла светодиода высокой мощности с площадью активной области 1 мм². Применение двухуровневой разводки контактов позволило обеспечить равномерное распределение тока накачки по поверхности кристалла и достичь значения выходной оптической мощности 550 мВт.

Практическая ценность работы.

— Разработана технология получения омических контактов к слою л-GaN на основе двухслойной металлизации Ti/Au и Ti/Ag, обеспечивающая удельное контактное с л сопротивление <5−10' Ом-см без применения высокотемпературного отжига, а также технология омического контакта к слою p-GaN на основе Ni/Ag с удельным сопротивлением < 1-Ю" 3 Ом •см. Контакты Ti/Ag и Ni/Ag обладают высоким коэффициентом отражения (~ 0,85) в синей области спектра. Разработанная технология может использоваться при изготовлении различных оптоэлектронных и электронных приборов на основе гетероструктур AlGalnN.

— Разработана конструкция и технология изготовления синих светодиодов AlGalnN средней мощности, работающих в непрерывном режиме при комнатной температуре и обеспечивающих выходную мощность излучения 150 мВт (ток накачки 800 А, максимальная внешняя квантовая эффективность 33%, дифференциальное сопротивление 1.8 Ом).

— Разработана оригинальная конструкция и технология изготовления синих светодиодов AlGalnN высокой мощности (конструкция с двухуровневой разводкой контактов). Максимальная мощность излучения в непрерывном режиме составляет 550 мВт (рабочая площадь — 1 мм, ток накачки — до 2 А, максимальная внешняя квантовая эффективность — 26%, тепловое сопротивление — 9−10 К/Вт, рекордно низкое дифференциальное сопротивление — 0.67 Ом).

— На основе разработанных кристаллов высокой мощности изготовлены белые светодиоды (кристалл синего светодиода, покрытый люминофором) с максимальной эффективностью излучения 33 Лм/Вт.

— Разработанная технология изготовления высокоэффективных синих и белых светодиодов на основе гетероструктур AlGalnN используется в ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника» в условиях серийного производства.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Омические контакты к я-GaN с низким удельным контактным сопротивлением, менее 5−10'6 Ом-см2, могут быть получены на основе двухслойных металлизаций Ti/Au и Ti/Ag без применения отжига при условии предварительной обработки поверхности полупроводника ионами Аг в плазме ВЧ разряда непосредственно перед напылением металлов.

2. В кристаллах светодиодов AlGalnN, применение отражающего рконтакта на основе Ni/Ag, вместо стандартного полупрозрачного контакта Ni/Au, обеспечивает однородное распределение тока накачки по активной области, ведет к значительному уменьшению последовательного сопротивления прибора и более чем двукратному возрастанию внешней квантовой эффективности излучения.

3. Для увеличения внешней квантовой эффективности излучения светодиодов AlGalnN флип-чип конструкции целесообразно использовать отражающий «-контакт на основе Ti/Ag.

4. Создание диффузно-отражающего^{-контакта} позволяет увеличить внешнюю квантовую эффективность кристалла светодиода AlGalnN в 1,5 раза.

5. Применение операции лазерного удаления сапфировой подложки с последующим созданием рассеивающего микрорельефа на поверхности и-GaN приводит к возрастанию внешней эффективности светодиода AlGalnN на 25−30%.

6. Применение флип-чип конструкции светодиода на основе AlGalnN с двухуровневой разводкой контактов позволяет получить высокую однородность распределения тока накачки по активной области и высокую мощность излучения, до 550 мВт.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на 12-й международной конференции «Nanostructures: Physics and Technology», Санкт-Петербург 2004 г.- на 2-й, 3-й, 4-й и 5-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», Санкт-Петербург 2003 г. и 2005 г., Москва 2004 г. и 2007 г.- на 5-й международной конференции «International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes: ISBLLED-2004» Gyeongju, Korea 2004 гна 5-й международной конференции «International Conference on Solid State Lighting», Bellingham, USA 2005, а также на научных семинарах лаборатории полупроводниковой квантовой электроники ФТИ им. А. Ф. Иоффе.

Результаты работы применяются в условиях серийного производства синих и белых светодиодов на основе гетероструктур AlGalnN в ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника».

Публикации.

По результатам исследований, вошедших в диссертационную работу, опубликовано 15 научных работ, список которых приведен в заключении по диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитированной литературы.

7. Результаты работы применяются в условиях серийного производства синих и белых светодиодов на основе AlGalnN в ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника».

Возможности оптимизации разработанной конструкции мощного светодиодного кристалла не исчерпаны и станут предметом дальнейших исследований. Основные резервы по дальнейшему повышению эффективности светодиодов связаны как с улучшением условий вывода света из светодиодного кристалла за счет дополнительных рассеивающих и отражательных элементов, так и с оптимизацией исходных полупроводниковых гетероструктур на основе AlGalnN. Тем не менее, разработанная на настоящий момент технология изготовления мощных синих и белых светодиодов может быть положена в основу промышленного выпуска твердотельных источников света, вполне конкурентно-способных на мировом рынке.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. С. А. Гуревич, Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, Е. М. Аракчеева, Е. М. Танклевская, А. Л. Закгейм, Е. Д. Васильева, Г. В. Иткинсон, «Высокомощные (70мВт) синие светодиоды на основе меза-структуры AlGAInN с отражающими контактами», Тезисы докладов 2-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 116 (Санкт-Петербург, 2003).

2. С. А. Гуревич, Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, Е. М. Аракчеева, Е. М. Танклевская, А. Л. Закгейм, Е. Д. Васильева, Г. В. Иткинсон, «Высокомощные (70мВт) синие светодиоды на основе меза-структуры AlGalnN с отражающими контактами», «Светодиоды и лазеры» 1−2,12 (2003).

3.1. P. Smimova, D.A. Zakheim, I.V. Rozhanskii, M. M. Kulagina, Е. М. Arakcheeva, S. А. Gurevich, A. L. Zakheim, E. D. Vasil’eva, G. V. Itkinson, «Large area InGaN/GaN MQW based LED with two-level contact topology for high-power applications», Proceedings of Intenational Symposium:" Nanostructures: Physics and Technology", St.-Petersburg, p. 99 (2004).

4. D.A.Zakheim, I.P.Smirnova, E.M.Arakcheeva, M.M.Kulagina, S.A.Gurevich, V.W.Lundin, A.F.Tsatsulnikov, A.V.Sakharov, A.F.Fomin, A.L.Zakheim, E.D.Vasil'eva and G.V.Itkinson,.

Fabrication of high-power flip-chip blue and white LEDs operating under high current density", Тезисы к «The 5th International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes: ISBLLED-2004», pp. 34−35 (Gyeongju, Korea, 2004).

5. Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, Е. М. Аракчеева, М. М. Кулагина, С. А. Гуревич, А. Л. Закгейм, Е. Д. Васильева, Г. В. Иткинсон, «Основные элементы технологии изготовления светодиодов большой мощности на основе AlGalnN», Тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 138 (Москва, 2004).

6. Г. А. Онушкин, A.JI. Закгейм, Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, И. В. Рожанский, А. Ф. Цацульников, В. В. Лундин, «Исследование микроэлектролюминесцентных характеристик мощных AlGalnN меза-планарных светодиодов». Тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 96 (Москва, 2004).

7. А. Л. Закгейм, Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, И. В. Рожанский, Е. М. Аракчеева, М. М. Кулагина, С. А. Гуревич, Е. Д. Васильева, Г. В. Иткинсон, «Высокомощные синие (350мВт) и белые (бОлм) меза-плапарные светодиоды на основе AlGalnN квантово-размерных гетероструктур», Тезисы докладов 3-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 139−140 (Москва, 2004).

8. D. A. Zakheim, I. P. Smirnova, Е. М. Arakcheeva, М. М. Kulagina, S. A. Gurevich, I. V. Rozhansky, V. W. Lundin, A. F. Tsatsulnikov, A. V. Sakharov, A. V. Fomin, A. L. Zakheim, E.

D. Vasil’eva, G. V. Itkinson, «Fabrication of high-power flip-chip blue and white LEDs operating under high current density», Physica status solidi ©, Vol. 1, No. 10,2401−2404 (2004).

9. Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, И. В. Рожанский, С. А. Гуревич, М. М. Кулагина,.

E.М.Аракчеева, Г. А. Онушкин, А. Л. Закгейм, Е. Д. Васильева, Г. В. Иткинсон, «Высокомощные синие флип-чип светодиоды на основе AlGalnN», ФТП, 39, вып. 7, стр. 885−889 (2005).

10. И. П. Смирнова, Д. А. Закгейм, М. М. Кулагина, Л. К. Марков, «Создание рассеивающего р-контакта в светодиодах на основе «. Тезисы докладов 4-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 134 (Санкт-Петербург, 2005).

11. Л. К. Марков, Д. А. Закгейм, Е. М. Аракчеева, И. П. Смирнова, М. Р. Рымалис, «Синие светодиоды меза-планарной конструкции па основе AlGalnN гетероструктур с удаленной сапфировой подложкой», Тезисы докладов 4-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 130 (Санкт-Петербург, 2005).

12. А. Л. Закгейм, Д. А. Закгейм, И. П. Смирнова, И. В. Рожанский, Г. А. Онушкин, С. А. Гуревич, Е. Д. Васильева, Г. В. Иткинсон. «Тепловые характеристики мощных AlInGaN светодиодов», Тезисы докладов 4-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 128 (Санкт-Петербург, 2005).

13. V.K. Malyutenko, O.Yu. Malyutenko, A.V. Zinovchuk, A.L. Zakheim, D.A. Zakheim, I.P. Smirnova, S.A. Gurevich «Remote temperature mapping of high-power InGaN/GaN MQW flip-chip design LEDs», Fifth International Conference on Solid State Lighting, Proc. of SPIE 5941, 59411K-1 (SPIE, Bellingham, WA, USA 2005).

14. И. П. Смирнова, JI.K. Марков, Д. А. Закгейм, Е. М. Аракчеева, М. Р. Рымалис.

Синие флип-чип светодиода на основе AlGalnN с удаленной сапфировой подложкой", ФТП, 40, вып. 11, 1397−1401 (2006).

15. И. П. Смирнова, Д. А. Закгейм, М. М. Кулагина, Е. М. Аракчеева «Оптимизация технологии изготовления отражающих контактов в флип-чип светодиодах большой мощности на основе AlGalnN», Тезисы докладов 5-й Всероссийской конференции «Нитриды Галлия, Индия и Алюминия — структуры и приборы», стр. 63 (Москва, 2007).

В заключение автор хотела бы выразить благодарность своему научному руководителю Сергею Александровичу Гуревичу, а также сотрудникам лаборатории полупроводниковой квантовой электроники Дмитрию Закгейму, Марине Кулагиной, Игорю Рожанскому и Льву Маркову за непосредственное участие в исследованиях и обсуждениях результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.