Светоизлучающее полупроводниковое устройство



Светоизлучающее полупроводниковое устройство
Светоизлучающее полупроводниковое устройство
Светоизлучающее полупроводниковое устройство
Светоизлучающее полупроводниковое устройство
Светоизлучающее полупроводниковое устройство

 

H01L33/24 - Полупроводниковые приборы по меньшей мере с одним потенциальным барьером или с поверхностным барьером, предназначенные для светового излучения, например инфракрасного; специальные способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы таких приборов (соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42; полупроводниковые лазеры H01S 5/00; электролюминесцентные источники H05B 33/00)

Владельцы патента RU 2494498:

Шретер Юрий Георгиевич (RU)
Ребане Юрий Тоомасович (RU)
Миронов Алексей Владимирович (RU)

Светоизлучающее полупроводниковое устройство согласно изобретению содержит: подложку; первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа, сформированный на подложке; второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа; активный слой, расположенный между первым и вторым слоями; проводящий слой, расположенный на втором слое; первый контакт, нанесенный на подложку; второй контакт, нанесенный на проводящий слой, при этом подложка содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый, второй, активный и проводящий слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани отверстий. Изобретение обеспечивает повышение эффективности светоизлучающих полупроводниковых приборов при одновременном подавлении негативных эффектов, связанных с вершинами инвертированных поверхностных пирамид 18 з.п. ф-лы, 3 пр., 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области светоизлучающих устройств, в особенности к светоизлучающим полупроводниковым диодам с высокой эффективностью.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Полупроводниковый светодиодный чип является основным компонентом технологии твердотельного освещения. Напряжение, приложенное между двумя контактами светодиодных чипов, индуцирует электрический ток через р-n переход, и светодиодный чип излучает свет из-за излучательной рекомбинации электронов и дырок.

Преимуществами светодиодных чипов являются продолжительный период службы, высокая надежность, высокий коэффициент электрооптического преобразования и малое потребление электрической энергии.

Светодиодные чипы, излучающие инфракрасный, красный и зеленый свет производятся и продаются очень давно, тогда как технология производства светодиодных чипов на основе нитридов третьей группы (III-нитриды), излучающих ультрафиолетовый, синий, зеленый и белый свет значительно улучшилась в последнее время (US 7642108, US 7335920, US 7365369, US 7531841, US 6614060). Вследствие этого светодиодные чипы получили широкое распространение и применяются в различных областях, включая освещение.

Обычно светодиодные чипы изготавливаются с помощью планарной технологии выращивания кристаллов из газовой фазы, и имеют плоские верхнюю и нижнюю поверхности, через которые свет выходит наружу.

Плоские поверхности светодиодного чипа приводят к тому, что свет, излученный под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения, не может выйти наружу и поглощается внутри светодиодного чипа, что снижает его эффективность.

Для преодоления этого недостатка в US 5087949 было предложено использовать светодиодные чипы, имеющие форму выпуклых усеченных пирамид, содержащих наклонные плоскости, через которые свет может покинуть светодиодный чип не испытывая полного внутреннего отражения.

Однако, использование светодиодных чипов, имеющих форму одной выпуклой усеченной пирамиды, требует существенно большего расхода полупроводникового материала по сравнению с обычным тонкопленочным плоским чипом, а также сопряжено с необходимостью дорогостоящей резки V-образных канавок.

Для преодоления этих проблем в US 7446345 и US 7611917 было предложено использовать светодиодные чипы, содержащие множественные V-образные поверхностные дефекты (питы), имеющие форму инвертированных пирамид. В светодиодных чипах с множественными питами слоистая светодиодная структура, включающая активный слой с квантовыми ямами, выращивается на плоских участках светодиодных чипов и простирается также внутрь инвертированных поверхностных пирамид, сформированных V-образными поверхностными питами. После выращивания активного слоя, инвертированные поверхностные пирамиды заращиваются, и формируется плоская поверхность чипа. Данный подход позволяет увеличить площадь активного слоя, приходящуюся на единицу площади чипа, и тем самым повысить внутренний квантовый выход светодиодного чипа, однако эффективность экстракции света при этом не увеличивается.

Увеличения экстракции света при одновременном повышении квантового выхода можно добиться, используя светодиодные чипы с незарощенными инвертированными поверхностными пирамидами, сформированными V-образными поверхностными питами, как это было предложено в статьях Т. Wunderer, M. Feneberg, F. Lipskil, J. Wang, R.A.R. Leutel, S. Schwaiger, K. Thonke, A. Chuvilin, U. Kaiser, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, G.J. Beirne, M. Jetter, P. Michler, L. Schade, C. Vierheilig, U.T. Schwarz, A.D. Drager, A. Hangleiter, and F. Scholz, Phys. Status Solidi B, 1-12 (2010) и Т. Wunderer, J. Wang, F. Lipskil, S. Schwaiger, A. Chuvilin, U. Kaiser, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, S.S.Shirokov, A.E. Yunovich and F. Scholz, Phys. Status Solidi C7, 2140-2143 (2010).

Однако использование полных инвертированных пирамид, как было предложено выше, имеет существенный недостаток, связанный с тем, что инвертированные поверхностные пирамиды служат стоком для дислокации, загрязняющих примесей и других дефектов. В результате положительный эффект от увеличения площади активного слоя, приходящейся на единицу площади чипа компенсируется понижением внутреннего квантового выхода из-за накопления дефектов вблизи вершин инвертированных поверхностных пирамид. Кроме этого, повышение коэффициента экстракции света из-за наличия наклонных плоскостей в инвертированных пирамидах ограничивается тем, что свет сильно поглощается вблизи вершин пирамид, где наклонные плоскости сопрягаются между собой.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности светоизлучающих полупроводниковых приборов при одновременном подавлении негативных эффектов, связанных с вершинами инвертированных поверхностных пирамид.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для решения этой задачи предложено светоизлучающее полупроводниковое устройство, содержащее:

- подложку;

- первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа, сформированный на подложке;

- второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа;

- активный слой, расположенный между первым и вторым слоями;

- проводящий слой, расположенный на втором слое,

- первый контакт, нанесенный на подложку,

- второй контакт, нанесенный на проводящий слой,

причем подложка содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый, второй, активный и проводящий слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани отверстий.

Предпочтительно количество граней упомянутых пирамид лежит в пределах от 3 до 24, длина боковой стороны основания пирамид лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм, угол наклона боковых граней упомянутых пирамид по отношению к поверхности подложки лежит в пределах от 10° до 90°, высота отсеченной части пирамиды составляет от 5% до 50% от ее полной высоты, а толщина подложки лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм.

Предпочтительно сквозные отверстия расположены в виде двумерной решетки.

Подложка может быть выполнена из нитрида галлия, либо из карбида кремния, либо из оксида алюминия.

В предпочтительном варианте проводящий слой является прозрачным или полупрозрачным. Предпочтительно проводящий слой может быть выполнен из оксида индия с оловом (ITO) или из металла толщиной от 50 до 400 Ангстрем.

Первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа может быть выполнен из нитрида галлия легированного кремнием.

Второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа может быть выполнен из легированного магнием нитрида галлия.

Активный слой может быть выполнен из нитрида галлия (GaN) и твердого раствора нитрида бор-алюминий-галлий-индия (BxAlyGazIn1-zN).

Предпочтительно активный слой выполнен составным и состоит из слоев из полупроводника со структурой фазы цинковой обманки и слоев со структурой фазы вюрцита.

В предпочтительном варианте активный слой может содержать множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор-алюминий-галлий-индия (BxAlyGazIn1-zN).

Еще в одном предпочтительном варианте активный слой содержит одну широкую яму и множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор-алюминий-галлий-индия (BxAlyGazIn1-zN).

Светоизлучающее устройство может дополнительно содержать слой люминофора, расположенный на верхней поверхности чипа для конверсии голубого света в белый свет.

Светоизлучающее устройство может дополнительно содержать оптический рассеиватель света, расположенный на верхней поверхности чипа для получения белого света из смеси разноцветных световых потоков, излучаемых из граней пирамид и из плоских участков вне пирамид.

Предпочтительно второй контакт, нанесенный на проводящий слой, выполнен несплошным с возможностью частичного пропускания света.

Настоящее изобретение предлагает светодиодные чипы с набором сквозных отверстий в форме усеченных инвертированных пирамид, на боковых гранях которых сформирована слоистая светодиодная структура. В таких чипах отсутствует вершина, собирающая дислокации, загрязняющие примеси и другие дефекты.

Основой предложенного светоизлучающего полупроводникового устройства является проводящая полупроводниковая подложка, содержащая сквозные отверстия, выполненные в форме усеченных инвертированных пирамид, выходящих на верхнюю и нижнюю поверхности светодиодного чипа.

В усеченных инвертированных пирамидах отсутствует вершина, в которой смыкаются наклонные грани и собираются дислокации, загрязняющие примеси и другие дефекты. Наклонные грани смыкаются с отверстиями на нижней поверхности плоского чипа. Отверстия обеспечивают свободный выход света из светодиодного чипа наружу без сильного поглощения в вершинах пирамид.

Настоящее изобретение отличается от существующих аналогов, тем, что светодиодный чип является не сплошным, а содержит сквозные отверстия, которые выполнены в виде усеченных инвертированных пирамид.

Использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью, близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет. В то же время, в отношении экстракции света, использование инвертированных усеченных пирамид столь же эффективно, как и выпуклых усеченных пирамид, и коэффициент экстракции света в светодиодных чипах с инвертированными усеченными пирамидами значительно превосходит соответствующий коэффициент для светодиодных чипов с инвертированными полными пирамидами.

Кроме этого, использование несплошного светодиодного чипа со сквозными отверстиями, позволяет существенно улучшить его охлаждение путем прокачивания воздуха, инертного газа или жидкости через эти отверстия. В результате светодиодный чип может работать при больших плотностях тока, отдавать большую световую мощность и обладать большей яркостью свечения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на Фиг.1-5.

На Фиг.1 представлена схема проводящей подложки светодиодного чипа с набором сквозных отверстий в форме усеченных инвертированных пирамид.

На Фиг.2 представлена схема усеченной инвертированной пирамиды со слоистой светодиодной структурой, сформированной на ее боковых гранях.

На Фиг.3 представлена схема разреза, в области одной из усеченных инвертированных пирамид, светодиодного чипа из примера 1. который генерирует голубой свет.

На Фиг.4 представлена схема разреза, в области одной из усеченных инвертированных пирамид, светодиодного чипа из примера 2. который генерирует белый свет с помощью люминофора.

На Фиг.5 представлена схема разреза, в области одной из усеченных инвертированных пирамид, светодиодного чипа из примера 3. который генерирует белый свет без использования люминофора.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основой предложенного светоизлучающего полупроводникового устройства является проводящая полупроводниковая подложка 100, содержащая сквозные отверстия 101, выполненные в форме усеченных инвертированных пирамид. Фиг.1.

На гранях 104 усеченных инвертированных пирамид 101, формируется светодиодная структура 200, показанная на Фиг.2. Светодиодная структура 200 состоит из первого слоя 201 полупроводника с проводимостью n-типа, второго слоя 203 полупроводника с проводимостью р-типа, активного слоя 202, расположенного между первым и вторым слоями, и прозрачного проводящего слоя 204, расположенного на втором слое 203 полупроводника с проводимостью р-типа.

Проводящая подложка 100 содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый 201, второй 203, активный 202 и проводящий 204 слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани сквозных отверстий 101, выполненных в форме усеченных инвертированных пирамид, как показано на схеме разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид. Фиг.3.

Два металлических контакта 302 и 303, которые обеспечивают подвод тока к светодиодной структуре, наносятся снизу на подложку 100 и сверху на горизонтальный участок прозрачного проводящего слоя 204, см. Фиг.3.

Настоящее изобретение будет пояснено ниже на нескольких примерах вариантов его осуществления. Следует отметить, что последующее описание этих вариантов осуществления является лишь иллюстративным и не является исчерпывающим.

Пример 1. Светодиодный чип с одиннадцатью отверстиями в форме инвертированных усеченных. шестиугольных пирамид, генерирующий голубой свет.

Общая схема проводящей подожки 100 светодиодного чипа, генерирующего голубой свет, приведена на Фиг.1. Подложка светодиодного чипа состоит из прямоугольной пластины полупроводникового кристалла нитрида галлия размером 3×2 мм, и с толщиной 200 мкм и поверхностью перпендикулярной кристаллической оси с [0 0 0 1]. На пластине сформированы одиннадцать отверстий в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с гранями, совпадающими с кристаллическими плоскостями {1 -1 0 1}, и углом наклона боковых граней по отношению к плоскости (0 0 0 1), θ=61,96°, со сторонами основания, ориентированными вдоль кристаллических направлений <1 1 -2 0>, и с длиной сторон основания Rb=200 мкм. Инвертированные усеченные шестиугольные пирамиды упакованы в треугольную двумерную решетку с периодом 500 мкм.

Схема разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид приведена на Фиг.3. Слоистая структура светодиодного чипа состоит из проводящей подложки 100 нитрида галлия n-типа толщиной 100 мкм, на которую снизу нанесен металлический контакт 302, слоя 201 из высококачественного нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, нелегированного активного слоя 202 GaN толщиной 0,1 мкм с пятью квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, слоя 203 GaN р-типа толщиной 0,1 мкм с Al0.4Ga0.6N барьером толщиной 5 нм на границе с активным слоем 202, проводящего слоя 204 из оксида индия с оловом (ITO) толщиной 1 мкм, на который сверху нанесен металлический контакт 303.

При приложении постоянного напряжения между контактами 302 и 303 в светодиодном чипе 300 протекает ток, при этом электроны из контакта 302 перетекают сначала в проводящую подложку 100 нитрида галлия n-типа, затем в слой 201 высококачественного нитрида галлия n-типа, и далее попадают в активный слой 202 нелегированного GaN с пятью квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с дырками, испуская голубой свет. В свою очередь, дырки из проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO), формирующего прозрачный омический контакт перетекают в слой 203 GaN р-типа, преодолевают Al0.4Ga0.6N барьер, предотвращающий утечку электронов в слой 203 GaN р-типа, и также попадают в активный слой нелегированного слоя 202 GaN с пятью квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с электронами, испуская голубой свет.

Из-за присутствия в инвертированных пирамидах наклонных плоскостей с большим углом наклона θ=61,96° коэффициент экстракции света из светодиодного чипа 300 значительно превышает коэффициент экстракции света для обычного плоского чипа.

Кроме этого, в пяти квантовых ямах In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, сформированных в слое 202 нелегированного GaN, на боковых гранях пирамиды, образованных кристаллическими плоскостями {1 -1 0 1}, из-за разворота этих плоскостей относительно полярной плоскости (О 0 0 1), сильно подавлено встроенное электрическое поле, связанное со спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, что способствует повышению внутреннего квантового выхода света из активного слоя 202.

Также использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет.

Пример 2. Светодиодный чип с восьмью отверстиями в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид, генерирующий белый свет с использованием люминофора.

Общая схема подложки 100 светодиодного чипа, генерирующего белый свет, приведена на Фиг.1. Положка светодиодного чипа состоит из прямоугольной пластины полупроводникового кристалла нитрида галлия размером 1×1 мм и с толщиной 200 мкм и поверхностью перпендикулярной кристаллической оси с [0 0 0 1]. На пластине сформированы восемь отверстий в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с гранями, совпадающими с кристаллическими плоскостями {3 3 -6 2} и углом наклона боковых граней по отношению к плоскости (0 0 0 1), θ=78,42°, со сторонами основания, ориентированными вдоль кристаллических направлений <1 -1 0 0>, и с длиной сторон основания Rb=100 мкм. Инвертированные усеченные шестиугольные пирамиды упакованы в треугольную двумерную решетку с периодом 300 мкм.

Схема разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид приведена на Фиг.4. Слоистая структура светодиодного чипа состоит из проводящей подложки 100 нитрида галлия n-типа толщиной 100 мкм, на которую снизу нанесен металлический контакт 302, слоя 201 высококачественного нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, нелегированного слоя 202 GaN толщиной 0,1 мкм, с одной широкой ямой In0.1Ga0.9N шириной 20 нм и тремя квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, слоя 203 GaN р-типа толщиной 0,1 мкм, проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO) толщиной 1 мкм, на который сверху нанесен металлический контакт 303, на котором лежит слой 401 люминофора.

Монтаж светодиодного чипа 300 в светодиоде или светодиодной лампе производится на зеркальную отражающую поверхность, например полированную алюминиевую или медную пластину.

При приложении постоянного напряжения между контактами 302 и 303, в светодиодном чипе 300 протекает ток, при этом электроны из контакта 302 перетекают сначала в проводящую подложку 100 нитрида галлия n-типа, затем в слой 201 высококачественного нитрида галлия n-типа, и далее попадают в активный слой 202 нелегированного GaN, где сначала захватываются в широкую ямой In0.1Ga0.9N шириной 20 нм, а затем туннелируют в три квантовые ямы In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с дырками, испуская голубой свет. В свою очередь дырки из проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO), формирующего прозрачный омический контакт перетекают в слой 203 GaN р-типа, попадают в активный слой 202 нелегированного GaN и захватываются тремя квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с электронами, испуская голубой свет. Голубой свет, испускаемый светодиодным чипом 300, попадает в слой 401 люминофора, либо сразу, либо после нескольких отражений от нижней зеркальной поверхности и боковых граней инвертированной усеченной пирамиды. В слое 401 люминофора голубой свет возбуждает люминофор и преобразуется в белый свет.

Из-за присутствия в инвертированных пирамидах наклонных плоскостей с большим углом наклона θ=78,42°, коэффициент экстракции света из светодиодного чипа 300 значительно превышает коэффициент экстракции света для обычного плоского чипа.

Кроме этого, в трех квантовых ямах In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, сформированных в слое 202 нелегированного GaN, на боковых гранях пирамид, образованных кристаллическими плоскостями {3 3 -6 2}, из-за разворота этих плоскостей относительно полярной плоскости (0 0 0 1), сильно подавлено встроенное электрическое поле, связанное со спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, что способствует повышению внутреннего квантового выхода света из активного слоя 202.

Также использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет.

Пример 3. Светодиодный чип с восьмью отверстиями в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид, генерирующий белый свет без использования люминофора.

Общая схема подложки 100 светодиодного чипа, генерирующего белый свет, приведена на Фиг.1. Подложка светодиодного чипа состоит из прямоугольной пластины полупроводникового кристалла нитрида галлия размером 2×2 мм, и с толщиной 100 мкм и поверхностью перпендикулярной кристаллической оси с [0 0 0 1]. На пластине сформированы восемь инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с гранями, совпадающими с кристаллическими плоскостями {1 1 -2 2}, и углом наклона боковых граней по отношению к плоскости (0 0 0 1), θ=58,41°, со сторонами основания, ориентированными вдоль кристаллических направлений <1 -1 0 0>, и с длиной стороны основания Rb=150 мкм. Инвертированные усеченные шестиугольные пирамиды упакованы в треугольную двумерную решетку с периодом 500 мкм.

На Фиг.5 приведена схема разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид. Слоистая структура светодиодного чипа состоит из проводящей подложки 100 нитрида галлия n-типа толщиной 100 мкм, на которую снизу нанесен металлический контакт 302, слоя 201 высококачественного нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, слоя 202 нелегированного GaN толщиной 0,1 мкм, с одной широкой ямой In0.1Ga0.9N шириной 20 нм и тремя квантовыми ямами In0.15Ga0.85N, с переменной шириной, составляющей 2 нм на гранях инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с совпадающих с кристаллическими плоскостями {1 1 -2 2} и 4 нм вне пирамид на горизонтальной кристаллической плоскости (0 0 0 1), слоя 203 GaN р-типа толщиной 0,1 мкм, слоя 204 оксида индия с оловом (ITO) толщиной 1 мкм, на который сверху нанесен металлический сетчатый контакт 501, электрически соединенный с усиленным металлическим контактом 303, на котором расположен оптический рассеиватель 502 света.

Монтаж светодиодного чипа 300 в светодиоде или светодиодной лампе, производится на зеркальную отражающую поверхность, например, полированную алюминиевую или медную пластину.

При приложении постоянного напряжения между контактами 302 и 303 в светодиодном чипе 300 протекает ток, при этом электроны из контакта 302 перетекают сначала в проводящую подложку 100 нитрида галлия n-типа, затем в высококачественный слой 201 нитрида галлия n-типа, и далее попадают в активный слой 202 нелегированного GaN, где сначала захватываются в широкую яму In0.1Ga0.9N шириной 20 нм, а затем туннелируют в три квантовые ямы In0.2Ga0.8N с шириной 2 нм на гранях пирамид и 4 нм на участках горизонтальной плоскости вне пирамид, где рекомбинируют с дырками, испуская голубой свет на гранях пирамид и желтый - на участках горизонтальной плоскости вне пирамид. В свою очередь дырки из проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO), формирующего прозрачный омический контакт, перетекают в слой 203 GaN р-типа, попадают в активный слой 202 нелегированного GaN и захватываются тремя квантовыми ямами In0.2Ga0.8N с переменной шириной, где рекомбинируют с электронами, испуская голубой и желтый свет.Голубой и желтый свет, испускаемый светодиодным чипом 300, попадает в оптической рассеиватель 502 света либо сразу, либо после нескольких отражений от нижней зеркальной поверхности и боковых граней инвертированной усеченной пирамиды. В оптическом рассеивателе 502 света голубой и желтый свет смешивается и преобразуется в белый свет.

Из-за присутствия в инвертированных пирамидах наклонных плоскостей с большим углом наклона θ=58,41°, коэффициент экстракции света из светодиодного чипа 300 значительно превышает коэффициент экстракции света для обычного плоского чипа.

Кроме этого, в трех квантовых ямах In0.2Ga0.8N, шириной 2 нм, сформированных в слое 202 нелегированного GaN, на боковых гранях пирамид, образованных кристаллическими плоскостями {1 1 -2 2}, из-за разворота этих плоскостей относительно полярной плоскости (0 0 0 1), сильно подавлено встроенное электрическое поле, связанное со спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, что способствует повышению внутреннего квантового выхода света из активного слоя 202.

Также использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано примерами вариантов осуществления изобретения, необходимо отметить, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено приведенными примерами.

1. Светоизлучающее полупроводниковое устройство, содержащее:
- подложку;
- первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа, сформированный на подложке;
- второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа;
- активный слой, расположенный между первым и вторым слоями;
- проводящий слой, расположенный на втором слое,
- первый контакт, нанесенный на подложку,
- второй контакт, нанесенный на проводящий слой, причем подложка содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый, второй, активный и проводящий слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани отверстий.

2. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором количество граней упомянутых пирамид лежит в пределах от 3 до 24, длина боковой стороны основания пирамид лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм, угол наклона боковых граней упомянутых пирамид по отношению к поверхности подложки лежит в пределах от 10 до 90°, высота отсеченной части пирамиды составляет от 5 до 50% от ее полной высоты.

3. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором сквозные отверстия расположены в виде двумерной решетки.

4. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором толщина подложки лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм.

5. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором подложка выполнена из нитрида галлия.

6. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором подложка выполнена из карбида кремния.

7. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором подложка выполнена из оксида алюминия.

8. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором проводящий слой является прозрачным или полупрозрачным.

9. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.8, в котором проводящий слой выполнен из оксида индия с оловом (ITO).

10. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.8, в котором проводящий слой выполнен из металла толщиной от 50 до 400Å.

11. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа выполнен из нитрида галлия, легированного кремнием.

12. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа выполнен из легированного магнием нитрида галлия.

13. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой выполнен из нитрида галлия (GaN) и твердого раствора нитрида бор - алюминий - галлий - индия (BxAlyGazIn1-zN).

14. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой выполнен составным, состоящим из слоев из полупроводника со структурой фазы цинковой обманки и слоев со структурой фазы вюрцита.

15. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой содержит множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор - алюминий - галлий - индия (BxAlyGazIn1-zN).

16. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой содержит одну широкую яму и множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор - алюминий - галлий -индия (BxAlyGazIn1-zN).

17. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором оно дополнительно содержит слой люминофора, расположенный на верхней поверхности чипа, для конверсии голубого света в белый свет.

18. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором оно дополнительно содержит оптический рассеиватель света, расположенный на верхней поверхности чипа, для получения белого света из смеси разноцветных световых потоков, излучаемых из граней пирамид и из плоских участков вне пирамид.

19. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором второй контакт выполнен несплошным с возможностью частичного пропускания света.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к светоизлучающим диодам и, в частности, к технологии улучшения извлечения света. Технический результат заключается в повышении яркости за счет устранения желто-зеленого цвета.

Изобретение может быть использовано в излучателях или в фотоприемниках среднего инфракрасного диапазона. Способ изготовления полупроводниковой структуры на основе селенида свинца, содержащей подложку и пленку селенида свинца, включает формирование поликристаллической пленки селенида свинца и ее последующую термическую обработку в кислородсодержащей среде, при этом согласно изобретению поликристаллическую пленку селенида свинца формируют на подложке, выполненной из материала, имеющего температурный коэффициент линейного расширения, лежащий в диапазоне от 10·10-6 °С-1 до 26·10-6 °С-1.

Изобретение относится к способам изготовления светоизлучающего элемента с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра. .

Изобретение относится к способам изготовления светоизлучающего элемента с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра. .

Изобретение относится к способам изготовления светоизлучающего элемента с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра. .

Изобретение относится к способам изготовления светоизлучающего элемента с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра. .

Осветительное устройство (10), включающее в себя: светоизлучающий диод (20) (СИД), излучающий излучение СИД (21), передающее основание (50), включающее в себя люминесцентный материал (51), где люминесцентный материал (51) расположен, чтобы поглощать, по крайней мере, часть излучения СИД (21) и излучать излучение люминесцентного материала (13), при этом СИД (20) и люминесцентный материал (51) расположены, чтобы генерировать свет (115) предварительно установленного цвета; просвечивающее выходное окно (60), расположенное, чтобы передавать, по крайней мере, часть света (115); углубление СИД (11) и углубление рассеивателя (12), при этом углубление СИД (11) имеет боковую стенку углубления СИД (45) и поперечное сечение углубления СИД (211), углубление рассеивателя (12) имеет боковую стенку углубления рассеивателя (41) и поперечное сечение углубления рассеивателя (212), передающее основание (50) находится далее по ходу относительно СИД (20) и ранее по ходу относительно просвечивающего выходного окна (60); углубление СИД (11) находится ранее по ходу относительно передающего основания (50) и далее по ходу относительно СИД (20); углубление рассеивателя (12) находится далее по ходу относительно передающего основания (50) и ранее по ходу относительно просвечивающего выходного окна (60); а отношение поперечного сечения углубления рассеивателя (212) и поперечного сечения углубления СИД (211) находится в интервале от 1,01 до 2. Изобретение обеспечивает возможность создания осветительного устройства, которое имеет практически неокрашенный внешний вид в выключенном состоянии. 11 з.п. ф-лы, 1 пр., 1 табл., 2 ил.

Способ изготовления светоизлучающего устройства с преобразованной длиной волны содержит: светоизлучающий диод для эмитирования светового излучения с первой длиной волны, имеющего светоизлучающую поверхность, на данной поверхности расположен материал, преобразующий длину волны, который приспособлен для приема светового излучения, эмитируемого указанным светоизлучающим диодом, и преобразования по меньшей мере части указанного воспринятого светового излучения в световое излучение со второй длиной волны; размещение, по меньшей мере на части внешней поверхности указанного светоизлучающего устройства с преобразованной длиной волны, светоотверждаемого покровного материала, облучение которого световым излучением с указанной первой длиной волны эффективной интенсивности вызывает отверждение указанного светоотверждаемого покровного материала; и отверждение по меньшей мере части указанного светоотверждаемого покровного материала облучением указанного материала посредством указанного светоизлучающего диода, чтобы образовать отвержденный материал, блокирующий световое излучение. Также предложены два варианта светоизлучающего устройства с преобразованной длиной волны. Изобретение может быть применено для предотвращения селективным образом выхода непреобразованного светового излучения из устройства, в результате чего светоизлучающий диод с преобразованием длины волны эмитирует по существу лишь преобразованное световое излучение. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Описываются новые полициклические азотсодержащие гетероароматические соединения - тетрацианозамещенные 1,4,9b-триазафеналены общей формулы 1 где R означает - фенил, замещенный NO2, галогеном, С1-4алкилом или группой -OR1, где R1 - метил, - нафтил или - гетероарил состава C4H3S, и способ их получения исходя из соответствующих R-замещенных 1,1,2,2-тетрацианоциклопропанов при их кипячении в 1,2-дихлорбензоле. Описываемые соединения могут быть использованы в качестве флуоресцентных индикаторов для оптохемосенсоров нового поколения или в качестве материала для светоизлучающих диодов. 2 н.п. ф-лы, 12 пр., 37 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам. Светотрназистор белого света представляет собой полупроводниковое устройство, предназначенное для светового излучения на основе транзисторной структуры с чередующимся типом проводимости, образующей активную область, генерирующую синее свечение. Светотрназистор имеет корпус с размещенным в нем чипом с последовательно соединенными областью с первым типом проводимости, являющуюся эмиттером, областью со вторым типом проводимости, являющуюся базой, и второй областью с первым типом проводимости, являющуюся коллектором. Каждая из областей имеет омический контакт, вынесенный наружу корпуса, при этом чип с эмиттером уменьшенной толщины, соединенным через базу с коллектором, помещен в оптически прозрачный компаунд, в верхнюю часть которого имплантирован люминофор. Изобретение обеспечивает возможность управлять током базы светотранзистора и, как следствие, управлять током его цепи эмиттер-коллектор, тем самым управлять интенсивностью свечения активной области светотранзистора, что позволяет создавать различные режимы свечения светотранзистора, в том числе и стабилизировать свечение на заданном уровне. 1 ил.
Изобретение может быть использовано при детектировании ионизирующего излучения и для создания источников белого света на основе нитридных гетеропереходов. Предложена гибкая (самонесущая) поликарбонатная пленка, наполненная неорганическими люминофорами из твердых растворов алюминатов и силикатов редкоземельных элементов. Пленка формируется методом литья из раствора суспензии поликарбоната и люминофора в хлорированных алифатических растворителях и содержит поликарбонат от 10 до 14% массовых, неорганический люминофор со структурой граната 4-8% массовых, пластификатор на основе акрило-нитрил-стирольной композиции 0,08-0,8%, поверхностно-активное вещество полиоксимоноолеат 0,5-2% и растворитель на основе хлорированных алифатических растворителей из группы метиленхлорида и\или хлороформа, дополняя ее состав до 100%. Изобретение обеспечивает возможность создания полимерной люминесцентной гибкой самонесущей поликарбонатной пленки, пригодной для использования в сцинтилляторах, в которых контактирование осуществляется механическим закреплением, а также в полупроводниковых осветительных структурах, в которых осуществляется адгезионное закрепление пленки, имеющей оптический контакт с гетероструктурой. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 7 пр.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при изготовлении устройств общего и местного освещения. Люминесцентный композитный материал содержит полимерную основу 1 из оптически прозрачного полимерного материала и многослойную полимерную пленку, содержащую люминофоры, из трех слоев: оптически прозрачная полимерная пленка 2; полимерная композиция 3, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция 4 с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев, и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм. Слои многослойной полимерной пленки могут также располагаться в следующем порядке: полимерная композиция 3, включающая неорганический люминофор, полимерная композиция 4 с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, оптически прозрачная полимерная пленка 2. Светоизлучающее устройство содержит расположенный удаленно от источника света люминесцентный композитный материал. Источник света выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения 430-470 нм. Изобретение позволяет получить белое излучение с индексом цветопередачи более 80. Светоизлучающие устройства имеют срок службы более 50000 ч, световую отдачу более 100 Лм/Вт, коррелированную цветовую температуру 2500-5000 К. 4 н. 44 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к люминисцентным материалам и их применению в светоизлучающих диодных устройствах. Предложен материал желтого послесвечения, имеющий химическую формулу aY2O3·bAl2O3·cSiO2:mCe·nB·xNa·yP, где a, b, c, m, n, x и y являются коэффициентами, причем a не меньше 1, но не больше 2, b не меньше 2, но не больше 3, c не меньше 0,001, но не больше 1, m не меньше 0,0001, но не больше 0,6, n не меньше 0,0001, но не больше 0,5, x не меньше 0,0001, но не больше 0,2, и y не меньше 0,0001, но не больше 0,5, причем Y, Al и Si являются основными элементами, а Ce, B, Na и P являются активаторами. Предложен также способ получения заявленного материала, а также светоизлучающее диодное устройство с его использованием. Технический результат - возможность изготовления светодиодов переменного тока из люминисцентных материалов. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 табл., 6 ил., 14 пр.

Согласно изобретению предложен способ изготовления светоизлучающего устройства (СИД). Данный способ содержит этапы: обеспечения подложки, на которой установлен, по меньшей мере, один светоизлучающий диод и; установки коллиматора, по меньшей мере, частично окружающего сбоку упомянутый, по меньшей мере, один светоизлучающий диод, и сформированный с помощью, по меньшей мере, одного самонесущего элемента стены из материала толщиной в диапазоне от 100 до 500 мкм. Упомянутый коллиматора присоединяют к упомянутому, по меньшей мере, одному светоизлучающему диоду и упомянутой подложке, используя пропускающий связующий материал. Также предложено устройство, изготовленное согласно описанному способу. Изобретение обеспечивает упрощение изготовления СИД. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к твердотельным источникам света на основе органических светоизлучающих диодов (ОСИД), которые используются для создания цветных информационных экранов и цветовых индикаторных устройств с высокими потребительскими свойствами, а также экономичных и эффективных источников света. Предложен органический светоизлучающий диод, содержащий несущую основу, выполненную в виде прозрачной подложки с размещенными на ней прозрачным слоем анода и металлическим слоем катода, между которыми расположен светоизлучающий слой, выполненный на основе дендронизованного полиарилсилана общей формулы (I) или (II), где n - целое число от 5 до 1000. Технический результат - расширение ассортимента ОСИД с высокими рабочими характеристиками, в частности, с диапазоном излучения от 400 до 700 нм, что позволяет использовать их в качестве источников света. 6 з.п. ф-лы, 3 ил., 6 пр.

Способ изготовления светоизлучающего устройства согласно изобретению содержит следующие этапы: обеспечение кристалла светоизлучающего диода (СИД) на опоре (22), причем между кристаллом СИД и опорой существует зазор, причем кристалл СИД имеет нижнюю поверхность, обращенную к опоре, и верхнюю поверхность, противоположную нижней поверхности, формование материала (54) прокладки поверх кристалла СИД так, что материал прокладки запечатывает кристалл СИД и, по существу, полностью заполняет зазор между кристаллом СИД и опорой, и удаление материала (54) прокладки, но меньшей мере, с верхней поверхности кристалла СИД, причем кристалл СИД содержит эпитаксиальные слои (10), выращенные на ростовой подложке, причем поверхность ростовой подложки является верхней поверхностью кристалла СИД, при этом способ дополнительно содержит этап удаления ростовой подложки с эпитаксиальных слоев после формования материала (54) прокладки поверх кристалла СИД. Также предложены промежуточный способ изготовления светоизлучающего устройства, светоизлучающее устройство до сингуляции, светоизлучающее устройство, содержащее именно перевернутый кристалл. Таким образом использованная в изобретении обработка на уровне пластины одновременно многих СИД значительно сокращает время изготовления и позволяет использовать для прокладки широкий диапазон материалов, поскольку допускает широкий диапазон вязкости. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх