Светоизлучающий полупроводниковый прибор на основе элементов ii-vi групп

Светоизлучающий полупроводниковый прибор на основе элементов ii-vi групп

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к светоизлучающему полупроводниковому прибору на основе элементов II-VI групп, люминесцентному материалу, способу получения такого люминесцентного материала, а также к способу получения слоя II-VI полупроводника для такого полупроводникового прибора.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как ожидается, широкозонные соединения элементов II-VI групп являются одними из наиболее насущных материалов для высокоэффективных оптоэлектронных приборов, таких как светоизлучающие диоды (СИД) (light-emitting diode, LED) и лазерные диоды (ЛД) (laser diode, LD), работающие в синем или ультрафиолетовом спектральном диапазоне. Тонкие пленки обычно выращивали с использованием традиционного способа парофазной эпитаксии (vapor-phase epitaxy, VPE). С развитием науки и технологии в отношении приготовления материалов возникли новые и повышенные требования. По этой причине были разработаны новые методы эпитаксиального выращивания, включая эпитаксию по методу горячей стенки (hot-wall epitaxy, HWE), химическое осаждение из паров металлоорганических соединений (metal organic chemical vapor deposition, MOCVD), молекулярно-лучевую эпитаксию (molecular-beam epitaxy, MBE), молекулярно-лучевую эпитаксию из металлоорганических соединений (metal organic molecular-beam epitaxy, MOMBE) и эпитаксию атомных слоев (atomic layer epitaxy, ALE). При использовании этих способов выращивания толщина пленки может быть регулируемой, и может быть повышено качество. Примерами II-VI полупроводников являются ZnS, ZnO, ZnSe, ZnTe и CdTe.

Полупроводниковые материалы на оксиде цинка, содержащие цинк и кислород в качестве составляющих элементов, привлекли значительное внимание в связи с тем, что они могут излучать не только синий свет, но и излучение в ближней ультрафиолетовой области с длиной волны 400 нанометров или менее, благодаря их широкой запрещенной зоне, подобно таким полупроводниковым материалам, как нитрид галлия и тому подобные. Кроме того, не ограничиваясь использованием в качестве светоизлучающего прибора, также предполагалось их применение для фотодетектора, пьезоэлектрического прибора, прозрачного проводящего электрода, активного прибора и тому подобного. Для формирования такого полупроводникового материала на оксиде цинка обычно изучались разнообразные способы, такие как метод MBE с использованием сверхвысокого вакуума, напыление, испарение в вакууме, золь-гель процесс, способ MO-CVD и тому подобные. В отношении светоизлучающего прибора широко применяется способ MBE с использованием сверхвысокого вакуума с точки зрения кристалличности структуры.

Кроме того, US 4278913 описывает люминофор на основе оксида цинка, излучающий желтый свет высокой яркости при возбуждении низкоскоростными электронами: xM^IIF₂.yM^IIIF₃.ZnO, причем M^II представляет собой по меньшей мере один двухвалентный металл, выбранный из группы, состоящей из бериллия, магния, кальция, стронция, бария, цинка и олова, M^III представляет собой по меньшей мере один трехвалентный металл, выбранный из группы, состоящей из алюминия, галлия, индия, таллия, иттрия и сурьмы, и x и y представляют собой числа, удовлетворяющие условиям 0,0001≤x+y≤0,1, 0≤x и 0<y. Люминофор на основе оксида цинка используют в качестве флуоресцентного экрана в возбуждаемом низкоскоростными электронами флуоресцентном устройстве отображения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В настоящее время мир осветительной аппаратуры находится в середине перехода от ламп накаливания и (компактных) ламп дневного света к твердотельной осветительной аппаратуре, главным образом обеспечиваемой светоизлучающими диодами (СИД). Большинство СИД, имеющихся на рынке, основано на нитриде галлия (GaN). В то время как GaN представляет собой превосходный излучатель, ему присущи некоторые недостатки. Основную проблему составляет чувствительность к дефектам в кристаллической решетке, которые, как правило, являются вредными для эмиссионных свойств слоев GaN. Пока еще GaN является наиболее пригодным III-V материалом для изготовления СИД, поскольку фактически он является одним из наиболее дефектоустойчивых III-V материалов. Для предотвращения потери излучения концентрация дефектов должна поддерживаться низкой путем эпитаксиального выращивания слоев GaN. Однако эпитаксиальное выращивание препятствует изготовлению приборов с большой площадью. В дополнение, покрытые GaN пластины обычно разрезают на мелкие детали (типично 1×1 мм), чтобы гарантировать приемлемый выход в функциональных приборах и чтобы гарантировать оптимальное использование материалов ввиду того, что галлий является относительно редким и дорогостоящим элементом.

Требование в отношении малых площадей обладает рядом недостатков. Для достижения достаточного светового выхода СИД на GaN, как правило, работают при высоких плотностях мощности, приводящих к нагреванию приборов, что снижает их эффективность и требует использования механизмов для рассеивания теплоты, таких как теплоотводы. Высокий световой выход с малой площади фактически делает их точечными источниками, что делает дискомфортным смотреть непосредственно на них, когда они используются для применений общего освещения. Фактически, СИД высокой мощности классифицируются наравне с лазерами в отношении безопасности для глаз. Поэтому для применений в освещении обычно требуются некоторые типы светорассеяния и уменьшения ослепляющего света. Один подход к разрешению этих проблем состоит в получении больших светоизлучающих поверхностей, которые могут быть приведены в действие при значительно меньших плотностях мощности. Как было упомянуто выше, источники света на основе GaN с большой площадью в настоящее время являются невозможными и не существуют.

Одна из причин уязвимости к дефектам в кристаллической решетке GaN происходит от низкой энергии связи экситона, которая ниже kT. Эта низкая величина означает, что при комнатной температуре экситоны склонны расщепляться на отдельные электроны и дырки, прежде чем они получают возможность излучательно рекомбинировать. Разделенные носители заряда затем захватываются дефектными центрами, приводя к безызлучательному распаду. Очевидно, что этот процесс интенсифицируется при повышенных температурах, при которых обычно работают СИД на GaN.

На другой стороне спектра находятся органические СИД (ОСИД или OLED) с энергией связи экситона 0,5 эВ, намного более высокой, чем kT, допускающей излучение света из по существу аморфной среды, что делает возможными применения осветительной аппаратуры с большой площадью. Однако ОСИД требуют (дорогостоящей) герметизации вследствие реакционноспособной природы используемых электродных материалов.

Оксид цинка в течение длительного времени исследовали как материал, который может оказаться наилучшим в обеих областях. Подобно GaN, он представляет собой широкозонный полупроводник (~3,3 эВ), но ZnO обладает высокой энергией связи экситона в 60 мэВ (в 2,4 раза выше kT при комнатной температуре). Эта величина означает, что дефекты должны быть менее вредными для излучения света, тем самым допуская переключение от способов эпитаксиального выращивания к более дешевым методам осаждения на больших площадях, таким как напыление, результатом которого, как правило, являются поликристаллические слои. Кроме того, ZnO является недорогим, распространенным и высокостабильным, что делает его привлекательным вариантом в качестве потенциального светоизлучающего материала в приборах с большой площадью.

Оксид цинка может быть нанесен с использованием методов осаждения на больших площадях, таких как напыление, которое обычно имеет результатом поликристаллические слои. Кроме того, ZnO является недорогим, общедоступным и высокостабильным, что делает его привлекательным вариантом в качестве потенциального светоизлучающего материала в приборах с большой площадью. Однако, несмотря на эти перспективы, ZnO имеет несколько проблем как потенциальный люминофор, которые все еще не были разрешены. Во-первых, основное (вблизи запрещенной зоны) излучение находится в УФ-области спектра (~385 нм), и, во-вторых, квантовый выход этого излучения очень низок. Сообщалось о 3%-ном выходе от порошка при комнатной температуре, но, как правило, наблюдались более низкие значения.

Общеизвестной добавкой является сера, которая приводит к сильному широкополосному излучению от ZnO, сосредоточенному около 500 нм при квантовом выходе ~50%. Хотя приготовление порошка ZnO:S с высокой люминесценцией является довольно простым, осаждение тонких пленок подобного состава является затруднительным.

Поэтому представляют интерес такие добавки к ZnO, которые улучшают излучение в видимой области спектра и квантовый выход материала, в то же время совместимые с методами осаждения на больших площадях, такими как напыление. Поэтому один аспект изобретения состоит в создании альтернативного (светоизлучающего) полупроводникового прибора, которое к тому же, предпочтительно, по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков. Кроме того, один аспект изобретения заключается в создании альтернативного люминесцентного материала, который к тому же, предпочтительно, по меньшей мере частично устраняет один или более из вышеописанных недостатков. Кроме того, один аспект состоит в создании способа получения такого люминесцентного материала, в особенности в виде слоя на подложке, который может быть использован в качестве активного слоя в таком альтернативном полупроводниковом приборе.

В первом аспекте изобретение предусматривает светоизлучающий полупроводниковый прибор, содержащий пакет (слоев), причем пакет (слоев) включает катод (который, в частности может, быть катодным слоем), полупроводниковый слой, содержащий эмиссионный (оксидный) материал с излучением в диапазоне 300-900 нм, (оксидный) изолирующий слой и анод (который, в частности, может быть анодным слоем), при этом катод находится в электрическом контакте с полупроводниковым слоем, при этом анод находится в электрическом контакте с изолирующим слоем, таким как металлоксидный слой, и при этом изолирующий слой имеет толщину в диапазоне до 50 нм (т.е. >0 нм и ≤50 нм), и при этом полупроводниковый слой содержит слой легированного алюминием оксида цинка-магния с 1-350 млн^-1 Al.

Этот подход представляет собой реализацию диода посредством встраивания изолирующего слоя в пакет слоев прибора, т.е. диода со структурой «металл-диэлектрик-полупроводник-металл» (МДПМ). В принципе, катод или анод могут быть из любого материала, который пригоден в качестве материала катода или анода соответственно. В особенности, по меньшей мере один из катода или анода является прозрачным. В одном варианте осуществления катод содержит ZnO, легированный алюминием, или оксид индия-олова (indium tin oxide, ITO). Поэтому в одном варианте осуществления катод является прозрачным. Здесь термин «прозрачный» означает, что слой является прозрачным для излучения активного слоя. В одном дополнительном варианте осуществления анод может быть из благородного металла, такого как золото или платина, или их комбинации.

Пригодные для полупроводникового слоя материалы могут представлять собой, в частности, эмиссионный материал, выбранный из группы, состоящей из оксидов, сульфидов или селенидов цинка или кадмия, таких как оксид цинка, оксид цинка-магния, сульфид цинка, селенид цинка, оксид кадмия, сульфид кадмия и селенид кадмия, в частности, ZnO, (Zn,Mg)О, ZnS, ZnSe, CdO, CdS, CdSe. Кроме того, также могут быть применены оксисульфиды, такие как оксисульфид гадолиния. Кроме того, также могут быть использованы легированные варианты этих материалов, такие как ZnO:Al, (Zn,Mg)О:Al, ZnO:Mn, (Zn,Mg)О:Mn и т.д. Таким образом, в одном варианте осуществления эмиссионный материал выбирают из группы, состоящей из ZnO, (Zn,Mg)О, ZnS, ZnSe, CdO, CdS, CdSe и легированных вариантов любого из них (таких как ZnO:Al, (Zn,Mg)О:Al, ZnO:Mn, (Zn,Mg)О:Mn и т.д.). Также могут быть применены другие полупроводниковые материалы, которые проявляют излучение в видимой области спектра. Необязательно, также могли бы быть использованы теллуриды, такие как ZnTe.

Таким образом, в конкретном варианте осуществления полупроводниковый слой содержит эмиссионный материал, выбранный из группы, состоящей из оксида цинка (магния) и оксида кадмия. Полупроводниковый слой здесь также обозначается как «активный слой». В одном варианте осуществления слой является незернистым слоем, таким как слой, получаемый посредством CVD или напылением (и отжигом) или другими известными в области техники методами, такими, как описываются здесь. Однако в другом варианте осуществления слой содержит дисперсный слой, такой как слой, содержащий полупроводниковые наночастицы. В другом варианте осуществления слой содержит (полупроводниковые) квантовые точки. В частности, слой представляет собой сплошной слой, с пористостью максимально 5%.

Термин «(оксидный) эмиссионный материал» означает, что эмиссионный материал может представлять собой металлооксидный материал, такой как ZnO. Однако эмиссионный слой также может содержать сульфидный или селенидный эмиссионный материал, и т.д., также смотри выше.

Полупроводниковый слой содержит эмиссионный материал с излучением в диапазоне 300-900 нм, таким как в диапазоне 300-800 нм, подобно 400-700 нм. В частности, полупроводниковый слой имеет по меньшей мере часть своего излучения в видимой области оптического спектра. Подобным образом, это может быть применимо к люминесцентному материалу, как описано ниже.

Употребляемый здесь термин «белый свет» известен специалисту в этой области техники. Он относится, в частности, к свету, имеющему коррелированную цветовую температуру (correlated color temperature, CCT) между примерно 2000 и 20000 К, в частности 2700-20000 К, для общего освещения в особенности в диапазоне от примерно 2700 К и 6500 К, а для целей задней (фоновой) подсветки в особенности в диапазоне примерно 7000 К и 20000 К, и в особенности в пределах примерно 15 SDCM (стандартное отклонение согласования цветов, standard deviation of color matching) от BBL (линия цветности черного тела, black body locus), в особенности в пределах примерно 10 SDCM от BBL, еще более конкретно в пределах примерно 5 SDCM от BBL. Термины «фиолетовый свет» или «фиолетовое излучение» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 380-440 нм. Термины «синий свет» или «синее излучение» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 440-490 нм (включая в себя некоторые фиолетовые и голубые оттенки). Термины «зеленый свет» или «зеленое излучение» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 490-560 нм. Термины «желтый свет» или «желтое излучение» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 560-590 нм. Термины «оранжевый свет» или «оранжевое излучение» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 590-620. Термины «красный свет» или «красное излучение» в особенности относятся к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 620-750 нм. Термины «видимый» свет или «видимое излучение» имеют отношение к свету, имеющему длину волны в диапазоне примерно 380-750 нм.

Конкретные варианты осуществления активного слоя (материала) разъясняются ниже, но сначала обсуждается изолирующий слой.

Как указано выше, в особенности хорошие результаты получены благодаря присутствию (оксидного) изолирующего слоя, который также может быть назван барьерным слоем. Термин «оксидный изолирующий слой» означает, что барьерный слой представляет собой металлоксидный слой. Этот слой также может содержать множество слоев, необязательно, оксидов различных металлов. Термины «металлоксидный» и «оксид металла» также могут относиться к смешанному оксиду металлов. Этот изолирующий слой предпочтительно не должен влиять на оптические свойства активного слоя. Другими словами, изолирующий слой предпочтительно не должен влиять на положение полосы излучения активного слоя. В частности, изолирующий слой или барьерный слой практически не взаимодействует с активным слоем, также ни во время нанесения изолирующего слоя на активный слой, ни во время нанесения активного слоя на изолирующий слой («инвертированная структура»). Поэтому весьма желательно иметь блокирующий слой, который стабилен на воздухе и не перемешивается с нижележащим активным слоем, таким как слой люминофора ZnO (смотри ниже) при отжиге (также смотри ниже). Хорошим кандидатом для такого слоя является ZrO, который представляет собой стехиометрический оксид с очень ограниченной растворимостью в ZnO. В частности, оксидный изолирующий слой выбирают из группы, состоящей из SiO₂, MgO, SrTiO₃, ZrO₂, HfO₂ и Y₂O₃. В дополнительном варианте изолирующий слой представляет собой диэлектрический материал с широкой запрещенной зоной, например, с запрещенной зоной по меньшей мере 5 эВ, в особенности по меньшей мере 5,5 эВ. Изолирующий слой также может содержать неоксидный материал.

Кроме того, желательно, чтобы положение валентной зоны и зоны проводимости изолирующего слоя было расположено так, что зона проводимости (материала) изолирующего слоя находится выше, чем зона проводимости (материала) активного слоя. Кроме того, положение валентной зоны (материала) изолирующего слоя может быть вблизи валентной зоны (материала) активного слоя.

В частности, эмиссионный материал имеет зону проводимости при CBp (conduction band) эВ и валентную зону при VBp (valence band) эВ от уровня вакуума, с CBp>VBp, причем барьерный слой имеет зону проводимости при CBb эВ и валентную зону при VBb эВ от уровня вакуума, с CBb>VBb, причем CBb>CBp, в частности, при этом CBb≥CBp+0,25 эВ. Кроме того, в варианте осуществления в особенности VBb≤VBp+1,5 эВ, еще более конкретно VBb≤VBp+1 эВ. Уровень вакуума при 0 В взят за контрольный.

Vc и Vb обычно имеют отрицательные значения. Поэтому, когда Vc>Vb, этим подразумевается, что |Vc| меньше, чем |Vb|. Такие условия могут давать лучшие результаты, исходя из эффективности прибора. Например, зона проводимости барьерного слоя, которая находится слишком близко или даже ниже зоны проводимости активного слоя, может приводить к неэффективному излучению света по сравнению с барьерными слоями, как указанно выше, поскольку исчез барьер, необходимый для блокирования переноса электронов в активный слой. В частности, CBb≥CBp+0,35 эВ, еще более конкретно CBb≥CBp+0,5 эВ. Кроме того, как было указано выше, в особенности VBb≤VBp+1,5 эВ, еще более конкретно VBb≤VBp+1 эВ.

В качестве одного примера излучающий материал (активного слоя) может иметь зону проводимости при -4 эВ и валентную зону при -7 эВ; поэтому CBp>VBp. Кроме того, барьерный слой может иметь, например, зону проводимости при -3 эВ и валентную зону, например, при -6 эВ или -8 эВ. Поэтому CBb>VBb. Кроме того, также применимы CBb≥CBp+0,25 эВ и VBb≤VBp+1 эВ.

В частности, толщина изолирующего слоя находится в рамках туннельного предела. Поэтому изолирующий слой имеет толщину, которая в частности, равна или меньше чем 50 нм, такую как равная или меньшая 30 нм, например, в частности, в диапазоне 2-30 нм, например, по меньшей мере 4 нм.

Здесь авторы изобретения также представляют новый класс люминофоров на основе оксида цинка с повышенным квантовым выходом и излучением в видимой части спектра, которые также пригодны для методов осаждения прочных тонких слоев с большой площадью, таких как напыление, и которые также могут быть использованы в качестве материала для активного слоя в описанном выше приборе. Повышенное излучение достигается введением как магния, так и следовых количеств алюминия, с последующим отжигом в невосстановительной атмосфере, в частности на воздухе. Повышенное излучение не представляется происходящим от самих Al или Mg, но приписывается излучающим дефектам в (модифицированной) кристаллической решетке ZnO, на природу и число которых, как представляется, влияют добавки. Как представляется, оба присутствующих Al и Mg имеют синергический эффект. Эти материалы на основе ZnO являются перспективными кандидатами для эмиссионного слоя в СИД большой площади. Эмиссионный слой здесь также называется «активным слоем». Термин «активный слой» означает, что этот слой в полупроводниковом приборе будет проявлять желательную люминесценцию (излучение), когда полупроводниковый прибор приводится в действие в надлежащих условиях. В частности, слой представляет собой тонкую пленку, такую как имеющая толщину в диапазоне 50 нм - 1000 нм (1 мкм). В частности, слой является сплошным слоем с пористостью максимум 5%.

В дополнительном аспекте изобретение предусматривает (светоизлучающий) полупроводниковый прибор (здесь также называемый «прибором»), содержащий в качестве активного слоя слой на основе оксида цинка или оксида цинка-магния, в частности, слой на основе оксида цинка-магния, причем слой на основе оксида цинка-магния содержит (или в особенности состоит из него) слой легированного алюминием оксида цинка-магния, имеющий 1-350 млн^-1 Al. Оксид цинка-магния в слое легированного алюминием оксида цинка-магния относится к типу ZnO; соответственно более точно (Zn,Mg)О; то есть, в частности, обеспечен слой (Zn,Mg)О:Al. Вместо или в дополнение к легирующей примеси Al также могут быть применены другие легирующие примеси, такие как Mn (марганец).

В частности, изобретение предусматривает полупроводниковый прибор, содержащий слой на основе оксида цинка-магния в качестве активного слоя, причем слой на основе оксида цинка-магния содержит (еще более конкретно, состоит из) слой легированного алюминием оксида цинка-магния, имеющий номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0<x≤0,3. Фраза «Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al» также, как известно в области техники, может быть выражена как Zn_1-xMg_xO:Al (1-350 млн^-1). Здесь применен термин «номинальный состав», так как показанный здесь состав относится к навешенному составу. Поэтому номинальный состав также мог бы быть выражен как «(1-х)ZnO*xMgO с 1-350 млн^-1 Al».

Оказалось, что обеспечивается относительно высокоэффективный активный слой, который имеет желательные свойства в отношении эффективности (выхода) и электрического сопротивления. Кроме того, такой слой может быть получен относительно просто. Слои без Mg или без Al являются менее эффективными. Кроме того, слои, имеющие боле высокое содержание Al, могут иметь нежелательные свойства проводимости.

Представляется, что Mg (магний) по меньшей мере частично может быть встроен в кристаллическую решетку ZnO (альтернативно, можно сказать, что MgO растворяется в решетке ZnO). Количество Mg в номинальном составе обозначено как х, которое, в частности, находится в диапазоне 0<x≤0,3, и более того на максимуме 0,2. Лучшие оптические свойства могут быть получены в диапазоне 0,02<x≤0,2. Собственное значение х может составлять, в частности, 0,1-0,2, такое как примерно 0,15 для слоя, тогда как для поликристаллического материала значение х может составлять, в частности, 0,04 или ниже. Собственное значение имеет отношение к значению х смешанного оксида. Присутствие Mg в оксиде цинка может быть определено из XRD (рентгеновской дифракции) или SIMS, RBS или ICP/MS, смотри также ниже.

Что касается Al (алюминия), то представляется, что содержание 1-350 млн^-1 (частей на миллион) Al, в частности, 1-200 млн^-1, еще более конкретно 1-100 млн^-1, дает хорошие оптические свойства и также не приводит к высокой удельной проводимости, которая нежелательна и которая может возникать, когда используют большие количества Al. Количество Al в диапазоне 2-100 млн^-1, таком как 5-100, может быть особенно пригодным, еще более конкретно может быть использовано в диапазоне 2-80 млн^-1, таком как 2-70, таком как 10-60 млн^-1, подобно 20-60 млн^-1, в особенности таком как 30-50 млн^-1. В одном варианте осуществления содержание алюминия составляет по меньшей мере 10 млн^-1. Алюминий может частично присутствовать в кристаллической решетке оксида цинка-магния как легирующая примесь. Al может замещать Zn или Mg в их положениях в решетке или может образовывать или занимать междоузельные положения в решетке. Присутствие Al может быть отражено при SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry, масс-спектрометрия вторичных ионов) или RBS (Rutherford backscattering, обратное резерфордовское рассеяние) материала. Необязательно, для обнаружения присутствия Al может быть использована лазерная абляция с ICP/MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой). Значение в млн^-1 легирующей примеси приводится по отношению к суммарному молярному количеству системы. Таким образом, 10 мкмол Al в 1 моле Zn_1-xMg_xO:Al приведут к значению 10 млн^-1 Al, то есть, Zn_1-xMg_xO:Al(10 млн^-1).

Таким образом, в одном конкретном варианте осуществления оксид цинка-магния содержит 5-100 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0,02<x≤0,2 (номинальный состав). Кроме того, в частности, содержание серы в оксиде цинка-магния (слое на его основе) составляет менее 50 млн^-1. Более высокие содержания серы могут привести к системам, которые не могут легко образовать желательный состав слоя. Для полупроводниковых применений толщина слоя легированного алюминием оксида цинка-магния может быть в диапазоне 50-1000 нм, таком как по меньшей мере 100 нм. Способ, которым могут быть сформированы такие активные слои, дополнительно разъясняется ниже.

Полупроводниковый прибор с таким активным слоем из слоя легированного алюминием оксида цинка-магния может быть преимущественно использован для генерирования видимого света, в частности, имеющего доминантную длину волны в диапазоне длин волн 500-650 нм. Термин «доминантная длина волны» означает, что максимальная интенсивность излучения находится в пределах указанной спектральной области. Кроме того, оказалось, что слой легированного алюминием оксида цинка-магния, имеющий номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, в котором значение х находится в диапазоне 0<x≤0,3, может быть выгодно применен в качестве активного слоя в СИД с большой площадью, причем СИД с большой площадью по меньшей мере имеет площадь кристалла по меньшей мере 1 см².

Исходным условием для ZnO является применение в осветительной аппаратуре с большой площадью благодаря энергии связи экситона 60 мэВ, превышающей kT. В СИД III-V (таких как GaN) энергия связи является меньшей, чем kT. Поэтому для высокой эффективности фотолюминесценции необходимо избегать неизлучающих дефектов. Требуются эпитаксиально выращенные тонкие пленки; технология не может быть масштабирована до больших площадей. Однако в ОСИД энергия связи экситона составляет примерно 0,5 эВ. Свет может быть генерирован в аморфных пленках, которые изготовлены обработкой в режиме «с рулона на рулон». Проблемой для ОСИД является высокая стоимость и герметизация.

Высокая энергия связи делает ZnO дефектоустойчивым исходным материалом. Эпитаксиальные тонкие пленки не требуются; высокая эффективность может быть получена с поликристаллическими тонкими пленками, осажденными на большой площади. Многочисленные статьи сообщают об излучении света из поликристаллических оксидных СИД, изготовленных различными способами осаждения. Достигнутая в настоящее время эффективность является низкой, но не обязательно имеется фундаментальное ограничение. Когда эффективность может быть оптимизирована, это будет прокладывать путь к твердотельной осветительной аппаратуре с большой площадью. Преимуществами являются недорогие и стабильные в окружающей среде диоды, которые могут быть изготовлены на большой площади с использованием промышленно разработанных методов осаждения.

Как может быть известно в данной области техники, слой на основе ZnO может быть проложен между электродами полупроводникового прибора. Также может быть внесена дополнительная модификация слоя на основе ZnO для создания полупроводникового прибора. Например, необязательно могут быть нанесены один или более слоев, блокирующих электроны или дырки. Это может повышать эффективность. Один или более блокирующих электроны или дырки слоев могут быть размещены в различных положениях внутри пакета.

Таким образом, в варианте осуществления изобретение предусматривает светоизлучающий полупроводниковый прибор, в котором полупроводниковый слой содержит слой легированного алюминием оксида цинка-магния, имеющий 1-350 млн^-1 Al. В особенности полупроводниковый слой имеет номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, в котором х находится в диапазоне 0<x≤0,3.

В частности, пакет слоев содержит катод, полупроводниковый слой, содержащий эмиссионный (оксидный) материал, (оксидный) изолирующий слой и анод (и подложку). Необязательно, между подложкой и катодом или анодом могут присутствовать один или более других (функциональных) слоев. Кроме того, необязательно, между катодом и полупроводниковым слоем могут присутствовать один или более других функциональных слоев. В частности, между полупроводниковым слоем и (оксидным) изолирующим слоем (барьерным слоем) и между барьерным слоем и анодом не присутствуют никакие дополнительные другие слои. Однако, в дополнение к изолирующему слою между полупроводниковым слоем и анодом (или в качестве альтернативы ему), в пакете слоев прибора могут присутствовать один или более дополнительных (или прочих) других блокирующих слоев, которые не обязательно находятся в контакте с анодом (или катодом). Однако один на аноде предпочтительно наносят, чтобы содействовать инжекции дырок и облегчать ее.

Изобретение также предусматривает (дисперсный) люминесцентный материал как таковой, а значит, не только в качестве активного (тонкого) слоя в полупроводниковом приборе. Поэтому, как указано выше, изобретение также предусматривает люминесцентный материал, содержащий оксид цинка-магния, легированный Al. Оксид цинка-магния представляет собой материал типа ZnO; следовательно, в частности, обеспечен (Zn,Mg)O:Al. Таким образом, изобретение также предусматривает люминесцентный материал, содержащий легированный Al оксид цинка-магния, имеющий номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0<x≤0,3. Он может быть дисперсным или зернистым материалом. Предпочтительные диапазоны в отношении содержания Mg и содержания Al являются такими же, как указано выше для слоя легированного алюминием оксида цинка-магния. Например, оксид цинка-магния (люминесцентный материал) может содержать 5-40 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0,02<x≤0,2.

Тот факт, что применяют номинальный состав «Zn_1-xMg_xO», не исключает (малых) нестехиометрических вариаций, таких как порядка максимум 5%. Кроме того, этот химический номинальный состав не исключает присутствия иных легирующих примесей, нежели алюминий (и магний). Например, может присутствовать также сера. Однако в варианте осуществления сера не присутствует.

Изобретение также предусматривает способ получения светоизлучающего полупроводникового прибора, как описано здесь. Таким образом, в дополнительном аспекте изобретение предусматривает способ получения светоизлучающего полупроводникового прибора, включающий обеспечение подложки и формирование пакета слоев на подложке, причем пакет слоев содержит катод, полупроводниковый слой, содержащий эмиссионный материал с излучением в диапазоне 300-900 нм, (оксидный) изолирующий слой и анод, причем катод находится в электрическом контакте с полупроводниковым слоем, причем анод находится в электрическом контакте с изолирующим слоем, и причем изолирующий слой имеет толщину в диапазоне до 50 нм. Такой прибор может быть выполнен по традиционным технологиям производства полупроводников, хотя формирование полупроводникового слоя, то есть, активного слоя, может быть, в частности, выполнено посредством импульсного лазерного осаждения (pulsed laser deposition, PLD) и радиочастотного (radio frequency, RF) напыления. Таким образом, в варианте осуществления формирование слоя включает метод осаждения, выбранный из группы, состоящей из импульсного лазерного осаждения (PLD) и радиочастотного (RF) напыления. Другими методами, которые также могут быть использованы, являются, например, атомно-слоевое осаждение (atomic layer deposition, ALD), химическое осаждение из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD) и варианты способа CVD, такие как CVD металлоорганических соединений (MOCVD) или стимулированное плазмой CVD (PECVD), гидротермальное выращивание, пиролиз распыляемого вещества и т.д.; как правило, может быть применен любой метод физического и химического испарения. Подобным образом, это может быть применено для одного или более других слоев в пакете.

В варианте осуществления получение включает формирование катода на подложке, полупроводникового слоя на катоде, (оксидного) изолирующего слоя на полупроводниковом слое и анода на (оксидном) изолирующем слое, с последующим отжигом пакета слоев, причем отжиг выполняют при температуре в диапазоне 400-1100°C. Однако также возможна обратная последовательность наращивания.

Как было указано выше, для зоны проводимости и валентной зоны изолирующего слоя применимо, в частности, CBb>CBp, в особенности CBb≥CBp+0,25, и/или VBb≤VBp+1,5 эВ, еще более конкретно VBb≤VBp+1 эВ. Обозначение «CBb» относится к зоне проводимости барьера; «CBp» относится к зоне проводимости активного слоя (фосфоресцентного слоя); подобным образом, «VBb» относится к валентной зоне барьера и «VBp» относится к валентной зоне активного слоя. Например, (оксидный) изолирующий слой выбирают из группы, состоящей из SiO₂, MgO, SrTiO₃, ZrO₂, HfO₂ и Y₂O₃. Пригодные эмиссионные материалы также определены выше.

В конкретном варианте осуществления полупроводниковый слой (сформированный таким образом) имеет номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0<x≤0,3. В дополнительном варианте осуществления способ включает (а) обеспечение состава, содержащего Zn, Mg и Al, имеющего номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0<x≤0,3, необязательно, термическую обработку этого состава при повышенных температурах, и (b) после этого отжиг необязательно термически обработанного состава для обеспечения упомянутого легированного алюминием оксида цинка-магния.

Как было указано выше, изобретение также предусматривает способ получения легированного алюминием оксида цинка-магния, такой как описано выше. Таким образом, в дополнительном аспекте изобретение предусматривает способ получения легированного алюминием оксида цинка-магния, причем включающий (а) обеспечение состава, содержащего Zn, Mg и Al, имеющего номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0<x≤0,3, необязательно, термическую обработку этого состава при повышенных температурах, и (b) после этого отжиг необязательно термически обработанного состава для обеспечения упомянутого легированного алюминием оксида цинка-магния.

Еще более конкретно, изобретение предусматривает способ получения легированного алюминием оксида цинка-магния, имеющего номинальный состав Zn_1-xMg_xO с 1-350 млн^-1 Al, причем х находится в диапазоне 0<x≤0,3. Он может включать в себя способ генерирования (дисперсного) люминесцентного материала, но также может включать в себя способ получения тонкого слоя на подложке. В частности, способ содержит термообработку (в особенности в окислительных условиях) состава, содержащего Zn, Mg и Al, с предварительно заданным номинальным составом при повышенных температурах, и затем отжиг термообработанного состава для обеспечения упомянутого легированного алюминием оксида цинка-магния. Фраза «состав, содержащий Zn, Mg и Al» может, в частности, относиться к одному или более соединениям, содержащим Zn, Mg и/или Al соответственно. Они также могут быть указаны как прекурсор(ы), смотри ниже.

Термин «состав» в варианте осуществления может относиться к комбинации одного или более прекурсоров люминесцентного материала, таких как оксиды металлов или соли металлов, такие как нитраты, сульфаты, хлориды, фториды, бромиды, гидроксиды, карбоксилаты, такие как оксалаты, и т.д. и т.п. Необязательно, в качестве прекурсора мог бы быть применен также сульфид (или, также необязательно, селенид и/или теллурид), такой как сульфид цинка. В частности, применяют один или более из оксида, нитрата, хлорида, гидроксида и карбоксилата (такого как оксалат) металла. Также могут быть применены комбинации двух или более из прекурсоров таких типов. Благодаря термической обработке может быт