СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД
LIGHT-EMITTING DIODE

III
Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно к светоизлучающим диодам, содержащим эпитаксиальные структуры на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (AN).
Оптические характеристики светоизлучающего диода и его выходная мощность в значительной степени определяются допустимой величиной питающего тока и условиями его протекания через светодиод, на которые оказывают влияние конфигурация и место расположения положительного и отрицательного электродов - металлических p- и n-контактных площадок к слоям соответственно p- и n-типа проводимости, с помощью которых осуществляется соединение светодиода с источником тока.
В светодиодных эпитаксиальных структурах (светоизлучающих кристаллов) на основе нитрида галлия слой p-типа проводимости характеризуется низкой электропроводностью, так что подводимый к светодиоду ток практически не растекается по указанному слою, а протекает в непосредственной близости от металлических p-контактных площадок (площадки) вертикально вниз через активную область с p-n-переходом, растекается по слою n-типа проводимости, имеющему относительно большую, электропроводность, и течет к n-контактным площадкам (площадке). При этом в проекции на горизонтальную плоскость сечения светодиода область, в которой осуществляется генерация света (площадь p-n-перехода), геометрически повторяет область, занимаемую p-контактными площадками (площадкой), и не включает область, занимаемую n-контактными площадками (площадкой).
Средняя плотность тока в активной области определяется соотношением тока питания и площади, занимаемой p-контактными площадками (площадкой). Помимо средней плотности тока важной характеристикой тока, влияющей на равномерность инжекции носителей и, соответственно, на равномерность интенсивности излучения, является однородность плотности тока в активной области, характеризующая равномерность его распределении. Следует отметить, что неравномерность распределения тока в активной области приводит к снижению общей эффективности светодиода и уменьшению срока его эксплуатации.
Плотность тока достигает максимума вблизи n-контактных площадок (площадки) и экспоненциально спадает по мере удаления от них (от нее). При этом однородность плотности тока зависит не только от площади и положения, но и от формы n-контактных площадок (площадки).
Таким образом, геометрия, размеры и расположение n-контактных площадок (площадки) должны, по возможности, обеспечивать однородность плотности тока в активной области (равномерность его распределения по площади p-n-перехода), а также малое значение контактного сопротивления к n-слою проводимости при относительно небольшой площади, чтобы занимать как можно меньше площади активной области светодиода.
Известен светодиод на основе нитридных соединений AlInGaN [US 6518598], в котором p- и n-контактным площадкам, расположенным, соответственно, на уровне слоев p- и n-типа проводимости, придана форма "расширяющейся спирали". Указанная конфигурация контактных площадок способствует обеспечению однородности плотности тока в активной области. Однако данная конструкция светодиода имеет сложную топологию, что снижает технологичность его изготовления и надежность работы. Кроме того, при указанной конфигурации контактных площадок не удается достигнуть относительно большой площади p-n-перехода.
Известен светоизлучающий диод на основе нитридных соединений AlInGaN [US 6521914], который содержит расположенные на уровне нижнего эпитаксиального слоя n-типа проводимости металлические n-контактные площадки и расположенные на уровне верхнего эпитаксиального слоя p-типа проводимости металлические p-контактные площадки, при этом в проекции на горизонтальную плоскость сечения светодиода области, занимаемые указанными площадками, расположены чередующимися полосами, образуя встречно-штыревую (гребенчатую) конфигурацию.
Рассматриваемый светодиод обеспечивает возможность пропускания значительного по величине тока питания и имеет относительно низкое электрическое сопротивление. Однако в данной конструкции светодиода также не удается достигнуть относительно большой площади p-n-перехода.
Известен светоизлучающий диод на основе нитридных соединений AlInGaN [RU 2247444], который содержит металлические n-контактные площадки к слою n-типа проводимости, размещенные в углублениях, сформированных в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости, а также металлический p-контактный слой, предназначенный для использования его в качестве положительного электрода, нанесенный поверх слоя p-типа проводимости. При этом n-контактные площадки электрически соединены с помощью металлических шин, проходящих поверх p-контактного слоя по изоляционным полосам, нанесенным на участки p-контактного слоя, над которыми проходят металлические шины.
Используемые в данном светодиоде n-контактные площадки могут быть выполнены в виде фрагментов, в горизонтальном сечении светодиода имеющих форму кругов, расположенных в указанном сечении рядами, или имеющих Г-образную форму, расположенных в центральной части указанного сечения и образующих углы квадрата.
В данном светодиоде p-контактный слой образует p-контактную площадку, площадь которой в проекции на горизонтальную площадь сечения светодиода занимает значительную часть его площади, что способствует увеличению площади p-n-перехода. При этом металлический p-контактный слой, выполняющий роль положительного электрода, дополнительно служит в качестве отражающего слоя, что способствует снижению световых потерь.
Однако, как показали исследования авторов, в данном светодиоде не обеспечивается однородность плотности тока в активной области. При круговой форме n-контактных площадок максимальная плотность тока достигается по их периметру, а в прочих зонах плотность тока меньше. При использовании Г-образных фрагментов, расположенных указанным выше образом, в проекции на горизонтальное сечение светодиода в центральной зоне активной области плотность тока значительно больше, чем в ее прочих зонах.
Кроме того, наличие комбинации из сформированных поверх p-контактного слоя изоляционных полос и проходящих поверх них металлических шин усложняет технологию изготовления светодиода и снижает его эксплуатационную надежность.
Известен светоизлучающий диод на основе нитридных соединений AlInGaN [US 8368100], выбранный в качестве ближайшего аналога.
Рассматриваемый светодиод содержит эпитаксиальную структуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы, включающую расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с p-n-переходом, слой p-типа проводимости, а также металлические n-контактные площадки, размещенные в углублениях, сформированных в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости, имеющие в проекции на горизонтальную плоскость сечения светодиода круглую форму и расположенные в указанной плоскости рядами.
Кроме того, светодиод содержит металлический p-контактный слой, предназначенный для использования его в качестве положительного электрода, нанесенный поверх слоя p-типа проводимости, изоляционный слой, покрывающий металлический p-контактный слой и внутреннюю боковую поверхность углублений, сформированных в эпитаксиальной структуре, и металлический n-контактный слой, предназначенный для использования его в качестве отрицательного электрода, покрывающий изоляционный слой и контактирующий с каждой металлической n-контактной площадкой.
Особенностью данного светодиода является наличие p- и n-контактных слоев, выполняющих роль положительного и отрицательного электродов, а также являющихся отражающими слоями, обеспечивающими снижение световых потерь. При этом p-контактный слой образует p-контактную площадку, площадь которой в проекции на горизонтальную плоскость сечения светодиода занимает большую часть его площади, что способствует достижению относительно большой площади p-n-перехода.
За счет наличия n-контактного слоя в рассматриваемом светодиоде нет необходимости организовывать специальные межсоединения между n-контактными площадками, что упрощает конструкцию светодиода.
Однако указанные форма и расположение n-контактных площадок не обеспечивают высокой однородности плотности тока в активной области и относительно малого последовательного электрического сопротивления току при протекании его по n-контактному слою к n-контактным площадкам.
Задачей заявляемого изобретения является повышение однородности плотности тока в активной области светодиода и уменьшение последовательного электрического сопротивления.
Сущность изобретения заключается в том, что в светоизлучающем диоде, содержащем эпитаксиальную структуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы, включающую расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с p-n-переходом, слой p-типа проводимости, а также металлические контактные площадки к слою n-типа проводимости, размещенные в углублениях, сформированных в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости, при этом светоизлучающий диод содержит металлический p-контактный слой, предназначенный для использования его в качестве положительного электрода, нанесенный поверх слоя p-типа проводимости, изоляционный слой, покрывающий металлический p-контактный слой и внутреннюю боковую поверхность углублений, сформированных в эпитаксиальной структуре, и металлический n-контактный слой, предназначенный для использования его в качестве отрицательного электрода, покрывающий изоляционный слой и контактирующий с каждой металлической контактной площадкой к слою n-типа проводимости, согласно изобретению металлические контактные площадки к слою n-типа проводимости в горизонтальной плоскости сечения светоизлучающего диода имеют вид двух узких протяженных полос, каждая из которых расположена на периферии одной из половин указанного сечения и проходит вдоль большей части ее границы с отступом от нее, первый и второй концевые участки одной полосы расположены с зазором соответственно относительно первого и второго концевого участка второй полосы, при этом указанные полосы образуют фигуру, конфигурация которой соответствует конфигурации периметра светоизлучающего диода, имеющую разрыв в серединной ее части.
В частном случае выполнения изобретения светоизлучающий диод содержит дополнительную металлическую контактную площадку к слою n- типа проводимости, имеющую в горизонтальной плоскости сечения светоизлучающего диода вид узкой протяженной полосы, расположенной в центральной части указанного сечения и ориентированной вдоль линии разрыва, имеющегося в фигуре, образованной двумя расположенными на периферии протяженными полосами.
В заявляемом светодиоде p-контактный слой образует p-контактную площадку, площадь которой в проекции на горизонтальную плоскость сечения светодиода занимает большую часть его площади. При этом суммарная площадь n-контактных площадок, выполненных в виде двух узких полос, занимает очень малую часть площади светодиода. Указанные факторы способствует увеличению площади p-n-перехода заявляемого светодиода и, соответственно, величины генерируемого светового потока.
Используемые в заявляемом светодиоде металлические p- и n-контактные слои выполняют роль положительного и отрицательного электродов, с помощью которых светодиод подключается к источнику тока. При этом отсутствует необходимость использования специальных межсоединений между n-контактными площадками, что упрощает конструкцию светодиода.
Указанные слои выполняют также функцию отражения генерируемого в активной области светодиода излучения, что способствует снижению световых потерь. Для изготовления данных слоев преимущественно используют металлы с высоким коэффициентом отражения света в диапазоне длин волн собственного излучения светодиода. При этом рассматриваемые p- и n-контактные слои могут представлять собой многослойные системы и содержать элементы, предназначенные для последующего монтажа кристаллов в светоизлучающем приборе.
Указанные конфигурация и место расположения n-контактных площадок, имеющих в горизонтальном сечении светодиода вид двух периферийных узких полос, проходящих вдоль границ периметра горизонтального сечения светодиода с отступом от них, были выбраны авторами расчетно-экспериментальным путем и, как показали исследования авторов, являются оптимальными с точки зрения обеспечения относительно высокой однородности плотности тока в активной области и достижения относительно малого последовательном сопротивлении току, протекающему по n-контактному слою к n-контактным площадкам.
Благодаря наличию зазоров между концевыми участками n-контактных площадок обеспечивается электрическая связанность p-контактной площадки.
Конкретные значения геометрических параметров, характеризующих конфигурацию и месторасположения n-контактных площадок, такие как ширина n-контактных площадок, величина удаления n-контактных площадок от границ (краев) горизонтального сечения светодиода, определяются в процессе компьютерного моделирования с учетом таких величин, как площадь светодиода, ток питания (рабочий ток), допустимое контактное сопротивление n-контактных площадок, характеристика однородности плотности тока в активной области, например, средняя плотность тока и/или допустимая величина среднего квадратичного отклонения плотности тока в активной области.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение однородности плотности тока в активной области светодиода и уменьшение последовательного электрического сопротивления току при протекании его по n-контактному слою к n-контактным площадкам.
В случае, когда площадь светодиода в горизонтальном сечении имеет относительно большую величину, целесообразным с точки зрения достижения более высокой однородности плотности тока в активной области является формирование дополнительной описанной выше узкой n-контактной площадки в центральной части указанной площади сечения.
Как показывает практика, формирование такой дополнительной n-контактной площадки следует осуществлять, если размеры сечения светодиода превышает 650×650 мкм.
На фиг.1 представлен общий вид заявляемого светодиода (вид спереди в разрезе); на фиг.2 представлен вид горизонтального сечения светодиода на уровне расположения p-контактного слоя; на фиг.3 представлена характеристика распределения интенсивности излучения (I) светодиода, в относительных единицах, в зависимости от расстояния (d) до края активной области светодиода в мкм (в сечении активной области по плоскости А-А, показанной на фиг.2); на фиг.4 представлена характеристика распределения интенсивности излучения (I) светодиода, в относительных единицах, в зависимости от расстояния (d) до края активной области светодиода в мкм (в сечении активной области по плоскости В-В, показанной на фиг.2).
Светоизлучающий диод содержит расположенную на подложке 1 эпитаксиальную структуру на основе твердых растворов нитридов металлов третьей группы. Указанная структура включает расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой 2 n-типа проводимости, активный слой 3 с p-n-переходом, слой 4 p-типа проводимости, металлический p-контактный слой 5, изоляционный слой 6 и металлический n-контактный слой 7. В эпитаксиальной структуре сформированы углубления (позицией не обозначены) до уровня слоя 2 n-типа проводимости, в которых размещены металлические n-контактные площадки 8. Металлический n-контактный слой 7 контактирует с каждой n-контактной площадкой 8, в частности, роль n-контакных площадок выполняют участки указанного слоя 7, находящиеся в непосредственном контакте с открытыми участками слоя n-типа проводимости.
Для подвода тока к p-контактному слою 5 светодиод содержит расположенные на краевых участках поверхности светодиода металлические p-контакты 9, контактирующие с p-контактным слоем 5 и со средством подвода тока (на чертеже не показано). В частности, указанные p-контакты 9 охватывают боковую поверхность эпитаксиальной структуры, выполняя функцию отражения света и способствуя тем самым снижению потерь света.
Металлические n-контактные площадки 8 (фиг.2) в горизонтальной плоскости сечения (в проекции на активную область) имеют вид двух узких протяженных полос 10 и 11. Каждая полоса 10, 11 расположена на периферии одной из половин горизонтального сечения светодиода (горизонтального сечения активной области) и проходит вдоль большей части внешней границы указанной половины сечения с отступом от указанной границы. Первый и второй концевые участки полосы 10 расположены с зазором (на чертеже позицией не обозначен) соответственно относительно первого и второго концевого участка полосы 11. При этом указанные полосы 10 и 11 образуют фигуру, конфигурация которой соответствует конфигурации периметра светоизлучающего диода (его активной области) в горизонтальной плоскости, имеющую разрыв а-а в серединной части указанной фигуры.
2
2
В частности, для светодиода (фиг.2) общей площадью 1.3 мм, имеющего площадь активной области 1 мм, расчетно-экспериментальным путем были выбраны ширина и величина указанного выше отступа, в частности, в пересчете на отступ от границ активной области, которые составили соответственно 18 и 140 мкм.
Поскольку рассматриваемый светодиод имеет относительно большую площадь в горизонтальном сечении (относительно большую площадь активной области), он содержит дополнительную металлическую n-контактную площадку 8, имеющую в горизонтальной плоскости сечения светоизлучающего диода вид узкой протяженной полосы 12, расположенной в центральной части указанного сечения и ориентированной вдоль линии разрыва а-а. Расчетно-экспериментальным путем были выбраны ширина полосы и ее протяженность, которые составили соответственно 18 и 350 мкм.
Устройство работает следующим образом.
При подключении p-контактного слоя 5 с помощью средства токоподвода, в частности, с помощью p-контакта 9, к положительному полюсу источника тока, а n-контактного слоя 7 с помощью средства токоподвода (на чертеже не показано) к отрицательному полюсу источника тока, через светодиод течет ток. Подводимый к светодиоду ток растекается по p-контактному слою 5 и протекает вертикально вниз через слой 4 p-типа проводимости, активный слой 3 с p-n-переходом, растекается по слою 2 n-типа проводимости и течет к n-контактным площадкам 8. При этом в активной области светодиода генерируется световое излучение.
Как показывают эксперименты (см. фиг.3 и фиг.4), интенсивность излучения, генерируемого в активной области светодиода, как в сечении А-А, так и в сечении В-В является достаточно равномерной («провалы» характеристики интенсивности излучения на фиг.1 и фиг.2 соответствуют участкам, занятым n-контактными площадками 8).
Поскольку характеристики интенсивности излучения светодиода определяются характеристиками распределения тока в активной области, можно сделать вывод, что заявляемый светодиод обладает относительно высокой однородностью плотности тока в активной области.