УСТРОЙСТВО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО СВЕТОДИОДА
SEMICONDUCTOR LED DEVICE

Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к устройствам полупроводниковых светодиодов.
При создании полупроводниковых светодиодов существует проблема обеспечения эффективного выхода излучения из объема светоизлучающего кристалла в окружающую среду. Эффективность не высока в связи со значительным отражением света от поверхности кристалла, обычно изготовленного из полупроводника с высоким значением показателя преломления. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения лучи, падающие на поверхность изнутри кристалла под углами больше критического угла полного отражения, возвращаются в кристалл; через гладкую поверхность кристалла выходит менее 5% возникшего в кристалле излучения. Предложено несколько вариантов конструкции светодиодов с повышенной внешней квантовой эффективностью за счет создания рельефа на выходной поверхности излучающего полупроводникового кристалла.
В качестве аналога выбрана конструкция светодиода EZBrightTM компании Cree, представленная в работе [А.Г. Полищук, А.Н. Туркин. Новое поколение светодиодов компании Cree для освещения. Автоматизация в промышленности. Июль 2009]. Излучающая структура слоев GaN и его твердых растворов эпитаксиально выращена на SiC подложке толщиной 100 мкм; после формирования излучающей структуры SiC подложка стравливается через маску до 35 мкм с образованием упорядоченной микролинзовой системы, которая обеспечивает собирание светового потока с поверхности структуры.
Недостатком аналога является необходимость прибегать для формирования рельефа к фотолитографии и глубокому травлению полупроводниковой пластины в ходе изготовления кристалла, сложность технологии создания рельефа.
В работе [И.П. Смирнова и др. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC // ФТП. - 2010. - Т.44, вып.5. - С.684-687] описана конструкция светодиода, выбранная в качестве прототипа представленного изобретения: на внешней стороне прозрачных подложек имеется рельеф из материала подложек в виде беспорядочно и случайно расположенных выступов и впадин с характерными размерами меньше длины волны излучаемого света; представлен метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Получающийся рельеф имеет характер беспорядочно расположенных микроразмерных выступов и впадин из материала полупроводниковой подложки кристалла на ее выходной поверхности. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%.
Недостатком прототипа является сложность технологии получения рельефа.
Задачей, решаемой в данном изобретении, является создание конструкции светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения из объема кристалла и возможностью его изготовления по более простой технологии.
Задача решается тем, что в устройстве полупроводникового светодиода, излучающего через рассеивающую поверхность прозрачной пластины и содержащего в ней светогенерирующую область, в соответствии с изобретением на поверхности пластины в качестве рассеивателя закреплен слой прозрачных частиц с большим, чем у окружающей среды, показателем преломления и меньшим длины волны зазором между частицей и поверхностью.
Предлагается также, что размеры частиц сравнимы с длиной волны света в среде и больше ее.
Предлагается также, что слой частиц расположен в приповерхностной зоне шириной меньше длины волны и частицы имеют поперечник с размерами меньше длины волны в среде.
Предлагается также, что закрепление частиц выполнено слоем прозрачного полимера.
Предложенное устройство поясняется с помощью фигур 1, 2, 3 и 4.
1
2
На фигуре 1 показано устройство светодиода. Здесь 1 - подложка кристалла светодиода, 2 - частицы на поверхности 3 подложки, n, n - показатели преломления окружающей среды и подложки кристалла.
3
На фигуре 2 - поверхность пластины кристалла светодиода с микрочастицами и ход лучей при прохождении излучения через поверхность. Здесь 4 - микрочастицы на поверхности, 5 - падающие на частицы изнутри подложки лучи, 6 и 7 - преломленный после однократного отражения от грани частицы луч и после двукратного отражения, n - показатель преломления частиц на поверхности.
4
На фигуре 3 - поверхность пластины кристалла светодиода с наночастицами в зоне туннелирования электромагнитной волны при полном внутреннем отражении света на поверхности и ход лучей при прохождении излучения через поверхность. Здесь 8 - слой среды с показателем преломления n, в которую погружены наночастицы, 9 и 9′ - падающие под углом больше критического угла падения и отраженные от поверхности лучи, 10 и 11 - рассеянные наночастицей лучи внутрь подложки и в окружающее пространство, d - толщина слоя 8, h - толщина зоны туннелирования света.
4
На фигуре 4 - схема расположения прозрачного слоя полимера, скрепляющего частицы с поверхностью кристалла светодиода. Здесь 12 - скрепляющий прозрачный слой, имеющий показатель преломления n.
При подключении светодиода к электрической цепи при помощи электродов катода и анода в зоне, содержащей слои InGaN, возникает излучение; направления распространения лучей ламбертовское, равномерное в пределах телесного угла 4πср. На выходную поверхность 3 кристалла 1 лучи падают под всеми возможными углами. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения проходит через гладкую плоскую поверхность менее 5% возникшего светового потока. Наличие частиц с показателем преломления, большим показателя окружающей среды, приводит к рассеянию падающего на частицу света, если зазор между частицей и поверхностью меньше длины волны света в среде.
На фигуре 2 показано, что при отсутствии зазора или малом зазоре частица - поверхность лучи 5 изнутри подложки 1 проникают в частицы 4 и при падении на грани частицы изнутри преломляются в окружающую среду, отраженное от грани излучение повторно попадет на грань частицы и может вновь испытать преломление с выходом в окружающую среду. Таким образом, наличие частиц на поверхности увеличивает выход излучения из кристалла светодиода. Размеры частиц в рассматриваемом случае могут быть сравнимы с длиной волны или быть больше длины волны. Конфигурация частиц может быть произвольной, однако поверхность соприкосновения частицы и кристалла должна пропускать излучение из кристалла в частицу. Частица должна быть или припечена к поверхности, при этом величина зазора минимизируется вследствие частичного расплавления частицы или подложки или прохождения диффузионных процессов при повышенной температуре припекания, или приклеена к поверхности прозрачным клеем, затекающим также в зазоры. Клей должен быть прозрачным и в оптимальном случае иметь показатель преломления, близкий показателю частицы и подложки или больший.
На фигуре 3 на поверхности подложки 1 расположены наночастицы с размерами менее длины волны света в среде. Показанные кружочками наночастицы располагаются в зоне шириной h туннелирования световой волны, падающей изнутри кристалла светодиода на выходную поверхность. Закрепление частиц на поверхности может быть произведено прозрачным слоем 8 толщиной d, показатель преломления которого должен быть меньше или больше показателя наночастиц (иначе не будет рассеяния света на наночастицах). Туннелирующие лучи 9-9′ проникают за поверхность подложки и возвращаются в подложку. Проходя во внешней среде некоторое расстояние вдоль поверхности. Они могут подвергаться рассеянию на наночастицах, давая лучи 10. направленные в подложку, и лучи 11, направленные от подложки. Таким образом, туннелирующие лучи дают вклад в увеличение внешней квантовой эффективности светодиода.
На фигуре 4 микрочастицы 4 приклеены полимерным слоем 12 к подложке 1. Полимерный слой может заполнять всю поверхность подложки или быть только под частицей; в последнем случае полимер может быть нанесен на частицы предварительно, до их распределения по поверхности.
Проведем оценку эффективности вывода излучения из светодиода за счет механизма рассеяния света на наночастицах в зоне туннелирования. Весь поток излучения, падающего изнутри диэлектрика с высоким показателем преломления на границу раздела со средой с низким значением показателя преломления под углами более критического угла полного внутреннего отражения, временно оказывается в среде вне диэлектрика, затем возвращается в диэлектрик.
Амплитуда E электрической компоненты световой волны в области туннелирования определяется уравнением:
0
TE
E=Eexp(-y/d),
TE
где y - расстояние от поверхности, d - расстояние, на котором амплитуда уменьшается в e раз от значения на поверхности. Уменьшение интенсивности I световой волны на расстоянии x от поверхности определяется формулой:
0
0
TE
2
I/I=(E/E)=exp(-2y/d),
0
TE
x
I - интенсивность излучения, падающего на поверхность, d=1/α; здесь ,
<mrow><msub><mi>k</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>n</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>k</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>n</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow>
2
где
,
, θ - угол падения излучения на выходную поверхность изнутри кристалла.
TE
x
2
Подсчет дает значения d=48 нм и l=96 нм при использовании карбида кремния (n=2,55) и угле падения 450.
TE
Ширина зоны туннелирования d достаточна для размещения в ней наночастиц. Наночастицы будут возмущать электромагнитное поле в этой зоне; оценки показывают, что наночастицы увеличивают ширину зоны.
x
Излучение проходит в адсорбированном на поверхности слое наночастиц путь l (сдвиг луча Гооса-Генхена):
x
TE
l=2dtgθ,
где θ - угол падения излучения на поверхность.
Наночастицы заполняют собой зону туннелирования; зона туннелирования может представлять собой слой диэлектрика с показателем преломления, меньшим чем у кристалла светодиода, или поверхностный слой окружающей среды, например воздуха. Излучение взаимодействует с частицами в зоне туннелирования, свет может подвергаться рассеянию. Рассеянный частицей свет может распространяться во все стороны в пределах телесного угла 4π рад; угол рассеяния и коэффициент рассеяния зависят от соотношения размера частицы и длины волны излучения.
p
В случае прозрачных частиц сечение рассеяния излучения частицей во всех направлениях σ (суммарный поток электромагнитной энергии, рассеянный частицей во всех направлениях, отнесенный к единице интенсивности падающего потока) равно:
p
a
2
σ=πK(ρ)
Для частиц карбида кремния радиусом 35-70 нм K(ρ)=0,07-1.
<mrow><msub><mi>k</mi><mi>p</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>θ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
a
p
Используя полученные величины, можно найти, что если наночастицы располагаются на поверхности подложки в один слой, коэффициент рассеяния
при изменении угла падения излучения изнутри на выходную поверхность в пределах 20-90 угл градусов (=70 нм) изменяется от 0,4 до 1. Здесь I - интенсивность рассеянного света.
Расчет подтверждает высокую эффективность вывода излучения из объема кристалла светодиода.
Для изготовления светодиода могут быть использованы выпускаемые промышленностью пластины карбида кремния полупроводникового качества, наночастицы карбида кремния с поперечником 50-60 нм и микрочастицы карбида кремния с поперечником 1-3 мкм.
Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.
Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления эффективных светодиодов, возможно использование при создании оптических устройств с антибликовыми покрытиями.
Техническим результатом изобретения является конструкция светодиода с повышенным внешним квантовым выходом и простой технологией изготовления.