DIODO EMISOR DE LUZ CON UN SUSTRATO DE CARBURO DE SILICIO.
Un diodo (100) emisor de luz que emite luz en la porción de 400-550 nm de un espectro visible,
comprendiendo dicho diodo (100) emisor de luz:
un sustrato (101);
una estructura tampón (102) de nucleación dispuesta en una superficie superior de dicho sustrato (101);
una heteroestructura de diodo de unión P-N dispuesta en dicha estructura tampón (102), que comprende:
una primera capa (104) de revestimiento; y
una segunda capa (106) de revestimiento, escogidas dicha primera capa (104) de revestimiento y dicha segunda capa (106) de revestimiento entre al menos uno de nitruros binarios del Grupo III y nitruros ternarios del Grupo III;
una primera capa ventana (107) formada de GaN dopado con Mg y dispuesta en dicha heteroestructura de diodo de unión P-N;
una segunda capa ventana (108) formada de GaN dopado con Mg y dispuesta en dicha primera capa ventana (107);
una capa conductora (109) formada de NiO/Au y dispuesta en dicha segunda capa ventana (108);
una primera abertura (110) formada en un lado del diodo (100) emisor de luz y a través de dicha capa conductora (119), de forma que hay dispuesto un primer contacto (109) de conexión eléctrica en una superficie superior de dicha segunda capa ventana (108);
un primer electrodo (110) dispuesto en dicho primer contacto (109) de conexión eléctrica;
una segunda abertura (113) formada en otro lado del diodo (100) emisor de luz, estando formada dicha segunda abertura (113) hasta dicha primera capa (104) de revestimiento en la que está dispuesto el segundo contacto (111) de conexión eléctrica; y
un segundo electrodo (115) dispuesto en dicho segundo contacto (111) de conexión eléctrica,
caracterizado porque:
el sustrato (101) es un SiC sin dopar y la estructura tampón (102) de nucleación es un tampón de nucleación de nitruro;
la superficie superior de dicha capa conductora (119) es una superficie superior del diodo (100) emisor de luz, y
formando dicha segunda abertura (113) un rebaje de tres paredes en dicho diodo (100) emisor de luz
Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US03/15603.
Solicitante: LUMEI OPTOELECTRONICS CORPORATION.
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 9650 TELSTAR AVENUE,EL MONTE, CA 91731.
Inventor/es: LIU,HENG.
Fecha de Publicación: .
Fecha Concesión Europea: 23 de Diciembre de 2009.
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L33/32 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 33/00 Dispositivos semiconductores que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie especialmente adaptados para la emisión de luz; Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Detalles (H01L 51/50 tiene prioridad; dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores formados en o sobre un sustrato común y que incluyen componentes semiconductores con al menos una barrera de potencial o de superficie, especialmente adaptados para la emisión de luz H01L 27/15; láseres de semiconductor H01S 5/00). › que contienen nitrógeno.
Clasificación PCT:
- H01L33/00 H01L […] › Dispositivos semiconductores que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie especialmente adaptados para la emisión de luz; Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Detalles (H01L 51/50 tiene prioridad; dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores formados en o sobre un sustrato común y que incluyen componentes semiconductores con al menos una barrera de potencial o de superficie, especialmente adaptados para la emisión de luz H01L 27/15; láseres de semiconductor H01S 5/00).
Clasificación antigua:
- H01L33/00 H01L […] › Dispositivos semiconductores que tienen al menos una barrera de potencial o de superficie especialmente adaptados para la emisión de luz; Procesos o aparatos especialmente adaptados para la fabricación o tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Detalles (H01L 51/50 tiene prioridad; dispositivos que consisten en una pluralidad de componentes semiconductores formados en o sobre un sustrato común y que incluyen componentes semiconductores con al menos una barrera de potencial o de superficie, especialmente adaptados para la emisión de luz H01L 27/15; láseres de semiconductor H01S 5/00).
Fragmento de la descripción:
Diodo emisor de luz con un sustrato de carburo de silicio.
La presente invención versa acerca de un dispositivo de diodo emisor de luz (LED) y acerca de un procedimiento para producir y hacer funcionar el mismo. Más en particular, la presente invención versa acerca de un LED que tiene características de salida y un diseño mejorados. Aún más en particular, la presente invención versa acerca de un LED formado sobre un sustrato de carburo de silicio de elevada resistividad con una estructura lateral del dispositivo.
Antecedentes de la invención
La eficacia de un diodo emisor de luz (LED) está limitada por un número de factores que constituyen retos continuos para los ingenieros de dispositivos de LED. Entre ellos, la luz generada puede ser absorbida por las capas de material semiconductor que constituyen el LED, y puede ser ocluida por los electrodos que son requeridos para llevar una corriente de activación a la región activa del dispositivo.
Se ha utilizado comúnmente el carburo de silicio (SiC) con una resistencia relativamente baja (es decir, fuertemente dopado) como un material de sustrato conductor para LED de alta luminancia en la gama espectral azul, verde y casi ultravioleta. Para los LED en esta gama espectral, se ha utilizado nitruro de galio (GaN) como un material básico emisor de luz. Las estructuras LED basadas en GaN son crecidas normalmente en el sustrato, capa a capa, mediante tratamiento de deposición de vapor, que es normalmente un procedimiento de deposición metaloorgánica de vapor químico (MOCVD).
La Fig. 1 muestra un diagrama esquemático de un dispositivo convencional 10 de LED, o un chip de LED, construido sobre un sustrato sustancialmente conductor 20 de SiC. Hay dispuestos dos electrodos 21, 22, que sirven de contactos óhmicos, en lados opuestos del sustrato 20. Uno de los electrodos 21, al que se denomina en el presente documento el electrodo superior 21, está colocado en el lado del sustrato 20 sobre el que está construido el LED (es decir, el MOCVD o la cara de la capa epitaxial). El otro electrodo 22 es denominado en el presente documento el electrodo inferior 22 y está colocado en el lado del sustrato 20 opuesto a la cara de la capa epitaxial. Hay dispuesta una capa tampón 23 en el sustrato 20 de SiC, y hay dispuesta una estructura 24 emisora de luz en la capa tampón. La estructura 24 emisora de luz incluye una región activa 26 flanqueada por una capa 25 de revestimiento de tipo N y una capa 27 de revestimiento de tipo P.
Existen problemas de rendimiento asociados a este diseño del dispositivo. Para hacer crecer material de GaN de alta calidad sobre el sustrato de SiC se necesita considerar un desacoplamiento de retícula del 3%. Los desacoplamientos de retícula inducen tensión en la estructura cristalina que da lugar a defectos de la estructura cristalina que limitan el rendimiento o degradan la fiabilidad del dispositivo electrónico.
Normalmente, se utiliza una capa de nitruro de aluminio (AlN) con únicamente un desacoplamiento de retícula del 1% al SiC como una capa de transición entre el SiC y el GaN. Dado que el AlN es muy resistivo, los LED fabricados con una capa de transición de AlN exhiben un voltaje directo muy elevado que tiene como resultado un consumo elevado de energía y una baja eficacia.
Para reducir el resistividad de la capa de transición, se puede emplear una capa de nitruro de aluminio-galio (AlGaN). El AlGaN puede ser dopado de tipo N y crear una conductividad mucho mayor que el AlN. Sin embargo, dado que se debe abordar el asunto del desacoplamiento de retícula, el compuesto utilizado de AlGaN sigue requiriendo una composición elevada de aluminio (Al). Esto tiene como resultado una mejora limitada del voltaje directo.
Un segundo problema es que para formar un recorrido de flujo de corriente de baja resistencia desde el electrodo superior al electrodo inferior durante el funcionamiento del dispositivo, se requiere que el sustrato de SiC esté fuertemente dopado. Cuando el sustrato está fuertemente dopado el SiC se vuelve más absorbente de la energía lumínica, especialmente en la gama de luz azul-verde y cercana a ultravioleta, con una longitud de onda de aproximadamente 400-550 nm, lo que reduce la eficacia del sustrato como un transmisor de luz. Por lo tanto, es inevitable un equilibrio entre la salida de luz y el voltaje directo. Por lo tanto, lo que se necesita es una arquitectura de LED que proporcione una salida mejorada de luz.
Se considera que el documento WO 02/09185 es la técnica anterior más próxima, y da a conocer un diodo emisor de luz conforme al preámbulo de la reivindicación 1.
Resumen de la invención
La presente invención proporciona un diodo emisor de luz conforme a la reivindicación independiente 1. Las realizaciones preferentes adicionales son dadas en las reivindicaciones dependientes.
Se puede comprender la invención reivindicada en vista de las realizaciones de un diodo emisor de luz descrito más adelante. En general, las realizaciones descritas describen realizaciones preferentes de la invención. Sin embargo, el lector atento observará que algunos aspectos de las realizaciones descritas se extienden más allá del alcance de las reivindicaciones. En la medida en que las realizaciones descritas se extiendan en efecto más allá del alcance de las reivindicaciones, se deben considerar las realizaciones descritas como información de fondo suplementaria y no constituyen definiciones de la invención per se. Esto también es válido para la "Breve descripción de los dibujos" subsiguiente al igual que la "Descripción detallada de la invención".
Serán evidentes y se apreciarán otros objetivos y logros junto de con una comprensión más completa de la invención al hacer referencia a la siguiente descripción y a las reivindicaciones tomadas en conjunto con los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es una vista de corte transversal de un LED convencional.
La Fig. 2A es una vista en planta superior de un LED de acuerdo con la presente invención.
La Fig. 2B es una vista esquemática de corte transversal del LED de la Fig. 2A.
Descripción detallada de la invención
La Fig. 2 muestra una vista esquemática de corte transversal de una realización de un LED de acuerdo con la presente invención y que se designa en su conjunto como 100. El LED está construido sobre un sustrato 101. Preferentemente, el sustrato 101 está sin dopar y es de SiC de cristal único que tiene una resistividad mayor que 0,09 ohmio-cm. El SiC está seleccionado debido a su elevado índice de refracción y su estrecho acoplamiento de retícula de nitruro de galio (un desacoplamiento del 3,5%) y compuestos relacionados de nitruro III-V. También se pueden utilizar otros sustratos conocidos por los expertos en la técnica para equiparar de forma sustancial las características del SiC.
Normalmente, se hace crecer al sustrato 101 mediante transferencia por vapor, una técnica bien conocida por los expertos en la técnica y que no será expuesto adicionalmente en el presente documento. Dichos sustratos pueden ser adquiridos en Sterling Semiconductor, sito en 22660 Executive Drive, Suite 101 Sterling, Virginia, 20166-9535, EE. UU. o en II-VI Inc., ubicados en 375 Saxonburg Blvd., Saxonburg, Pensilvania 16056, EE. UU. Las capas semiconductoras adicionales descritas en la presente sección son crecidas utilizando una deposición metaloorgánica de vapor químico (MOCVD), una técnica bien conocida en la técnica y que tampoco será expuesto adicionalmente en el presente documento. También se pueden emplear otras técnicas y procedimientos bien conocidos para crecer las capas epitaxiales sobre el sustrato 101.
El diodo 100 emisor de luz incluye el sustrato 101 que tiene una superficie inferior 130 o emisora de luz y una superficie superior 132. Además, el LED 100 incluye una estructura tampón 102 de nucleación que puede entrar en contacto con el sustrato 101 y está formada preferentemente de GaN, AlN, nitruro de indio (InN), nitruros ternarios del Grupo III que tienen la fórmula AxB1-xN, en la que A y B son elementos del Grupo III y en la que x es uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno, nitruros cuaternarios del Grupo III que tienen la fórmula AxByC1-x-yN, en la que A, B y C son elementos del Grupo III, la suma de x e y es uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno, y 1 es mayor que la suma de x e y, y aleaciones de SiC con dichos nitruros ternarios y cuaternarios del Grupo III.
Reivindicaciones:
1. Un diodo (100) emisor de luz que emite luz en la porción de 400-550 nm de un espectro visible, comprendiendo dicho diodo (100) emisor de luz:
2. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que se escoge dicha estructura tampón entre nitruro de galio, nitruro de indio, nitruros ternarios del Grupo III que tienen una fórmula AxB1-xN, en la que A y B son elementos del Grupo III y en la que x es uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno, nitruros cuaternarios del Grupo III que tienen la fórmula AxByC1-x-yN, en la que A, B y C son elementos del Grupo III, x e y son uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno, y uno es mayor que una suma de x e y, y aleaciones de SiC con dichos nitruros ternarios y cuaternarios del Grupo III.
3. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha heteroestructura de diodo de unión P-N comprende una heteroestructura doble, comprendiendo adicionalmente dicha heteroestructura doble una capa activa, estando escogida dicha capa activa de nitruros binarios del Grupo III, nitruros ternarios del Grupo III, nitruros cuaternarios del Grupo III, y aleaciones de SiC con dichos nitruros, y estando escogidas adicionalmente dicha primera capa de revestimiento y dicha segunda capa de revestimiento de los nitruros cuaternarios del Grupo III, y aleaciones de SiC con dichos nitruros.
4. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha estructura tampón comprende una única capa de nitruro de aluminio.
5. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 3, que comprende adicionalmente una capa epitaxial de nitruro de galio dispuesta entre dicha estructura tampón y dicha heteroestructura doble.
6. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha heteroestructura de diodo de unión P-N comprende una heteroestructura doble, comprendiendo dicha heteroestructura doble:
7. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha heteroestructura de diodo de unión P-N comprende una heteroestructura doble, comprendiendo dicha heteroestructura doble:
8. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 6, en el que cada una de las capas primera y segunda de revestimiento se atiene a una fórmula A1xGa1-xN, en la que x es uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno.
9. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 6, en el que cada una de las capas primera y segunda de revestimiento tiene una anchura de banda mayor que dicha capa activa.
10. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 6, en el que dicha primera capa de revestimiento tiene un tipo de conductividad opuesto a dicha segunda capa de revestimiento.
11. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 6, en el que dicha primera capa de revestimiento es de tipo P y dicha capa activa y dicha segunda capa de revestimiento son de tipo N.
12. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 6, en el que dicha primera capa de revestimiento es de tipo N y dicha capa activa y dicha segunda capa de revestimiento son de tipo P.
13. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 6, en el que dicha capa activa tiene una composición InxGa1-xN, en la que x es una fracción entre cero y uno.
14. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que una superficie emisora de luz de dicho sustrato de SiC es una entre abradida y texturada.
15. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 14, en el que dicha superficie emisora de luz de dicho sustrato de SiC minimiza la reflexión de retorno al sustrato de SiC y dicha estructura emisora de luz.
16. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 15, en el que hay dispuestos un contacto óhmico con dicha primera capa de revestimiento y un contacto óhmico con dicha segunda capa de revestimiento en un lado de una capa epitaxial.
17. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha primera capa de revestimiento está formada de nitruro de galio dopado con silicio.
18. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha capa activa está formada de un pozo cuántico múltiple de nitruro de galio indio/nitruro de galio de tipo N dopado con silicio.
19. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha segunda capa de revestimiento está formada de nitruro de aluminio galio dopado con magnesio.
20. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicha primera capa ventana está formada de nitruro de galio dopado con magnesio y dicha segunda capa ventana está formada de un nitruro de galio relativamente aún más dopado con magnesio.
21. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, que comprende además un contacto reflectante de conexión eléctrica dispuesto en dicha primera capa de revestimiento.
22. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que dicho sustrato tiene una resistividad mayor que 0,09 ohmio-cm.
23. Un diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 1, en el que el sustrato sin dopar de SiC tiene un lado de capa epitaxial y un lado emisor de luz; y la estructura tampón de nucleación dispuesta en dicho sustrato en dicho lado de capa epitaxial; en el que dicho lado emisor de luz de dicho sustrato de SiC está dotado de aspereza.
24. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 23, en el que dicha estructura tampón está escogida entre nitruro de galio, nitruro de indio, nitruros ternarios del Grupo III que tienen una fórmula AxB1-xN, en la que A y B son elementos del Grupo III y en la que x es uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno, nitruros cuaternarios del Grupo III que tienen una fórmula AxByC1-x-yN, en la que A, B y C son elementos del Grupo III; x e y son uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno, y uno es mayor que una suma de x e y, y aleaciones de SiC con dichos nitruros ternarios y cuaternarios del Grupo III.
25. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 23, en el que dicha heteroestructura de diodo de unión P-N comprende una heteroestructura doble, siendo escogida dicha heteroestructura doble que comprende una capa activa entre nitruros binarios del Grupo III y nitruros ternarios del Grupo III y nitruros cuaternarios del Grupo III, y aleaciones de SiC con dichos nitruros, y en el que dicha primera capa de revestimiento y dicha segunda capa de revestimiento están seleccionadas adicionalmente de un grupo que comprende aleaciones de SiC con dichos nitruros.
26. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 23, en el que dicha estructura tampón comprende nitruro de aluminio.
27. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 23, en el que dicha heteroestructura de diodo de unión P-N comprende una heteroestructura doble, comprendiendo dicha heteroestructura doble:
28. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 23, en el que dicha heteroestructura de diodo de unión P-N comprende una heteroestructura doble, comprendiendo dicha heteroestructura doble:
29. El diodo emisor de luz conforme a la reivindicación 27, en el que cada una de dichas capas primera y segunda de revestimiento se atiene a una fórmula A1xGa1-xN, en la que x es uno entre cero, uno y una fracción entre cero y uno.
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