Высокоэффективный светоизлучающий многослойный полупроводниковый светодиод

Полезная модель относится к оптоэлектронике и может быть использована для повышения эффективности цветных и белых выпускаемых в настоящее время светодиодов.
Эффективность светодиодов (lm/W) - величина, используемая для определения эффективности преобразования электрической энергии в свет.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является светодиод на длине волны 460 нм [Luo Yi, Bai Yiming, Han Yanjun Han, Li Hongtao Li, et. al, “Light extraction efficiency enhancement of GaN-based blue LEDs based on ITO/ InxO ohmic contacts with microstructure formed by annealing in oxygen,” OPTICS EXPRESS 24, A797-A809, 2016], который обладает относительно небольшой эффективностью, что является существенным недостатком. Он состоит из сапфировой подложки, многослойной полупроводниковой структуры и верхнего слоя из оксида индия-олова (ITO). В данной полезной модели будет показано, что замена внешнего слоя ITO в цветных и белых светодиодах на композитный слой из полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице (PMMA+Ag) позволяет более чем в три раза увеличить их эффективность.
На фигуре 1 схематично показана схема предлагаемой полезной модели, которая может быть использована для трехкратного увеличения эффективности многослойных полупроводниковых светоизлучающих светодиодов. Структура включает в себя следующие конструктивные элементы: 1 - подложка из сапфира, 2 - многослойная полупроводниковая структура, 3 - слой PMMA+Ag. Будем считать, что оптические свойства многослойного светодиода определяются оптическими свойствами верхнего слоя (слой ITO), а свет под различными углами падает с внутренней стороны светодиода, рассматривая ее как полубесконечную среду с показателем преломления .
Характерные отличия заявляемой полезной модели от указанного аналога заключаются в том, что отражательная и пропускательная способности внешнего слоя светодиода из материала PMMA+Ag не зависят от:
a) угла падения,
b) толщины слоя,
c) длины волны в интервале от 400 до 1200 нм,
d) оптических свойств обрамляющих сред.
Для получения слоев на различных поверхностях нами разработана технология пневматического распыления наносуспензии с наночастицами серебра [O.N. Gadomsky, N.M. Ushakov, Nanocomposite antireflection coating in the form of thick film and the method of its making Ru, 2456710 from 20.07.2012; V. E. Katnov, O. N. Gadomsky, S. N. Stepin., R.R. Katnova, Method of the making of the antireflection coating Ru, 2554608 from 27.06.2015]. Этот метод нанесения слоев значительно дешевле метода вакуумного напыления слоев, применяемого в настоящее время для производства светодиодов.
Обозначим через  эффективность светодиода, верхний слой которого определяется детерминированным показателем преломления ( для слоя ITO), а через  - эффективность светодиода, верхний слой которого заменен на слой из полиметилметакрилата с наночастицами серебра в полимерной матрице. Данный материал обладает случайным квазинулевым показателем преломления, принимающим значения в интервале , где  и зависит от угла , определяющим направления подсветки слоя со стороны активной области внутри светодиода [Гадомский О.Н., Гадомская И.В., Щукарев И.А. Оптика и Спектроскопия, Обтекание светом плоской границы раздела вакуум-оптическая среда с квазинулевым показателем преломления, Т. 120, №. 5, с. 831-838, 2016]. Активной областью в светодиоде, представленном на фиг. 1, является семь квантовых ям, генерирующих фотоны на длине волны  нм.
Известно, что относительная эффективность светодиода имеет вид:
, (1)
где  - пропускательная способность слоя с детерминированным показателем преломления, вычисленным с помощью классической формулы [Born M., Wolf E., Principles of Optics, Pergamon Press, Oxford, 1969],  - амплитуда напряженности электрического поля, имеющая гауссовую форму и определяющая излучение от активной области светодиода.
Известно, что пропускательная способность  композитного слоя со стороны подложки (среда 3) имеет вид:
, (2)
где  - показатель преломления среды над внешним слоем светодиода,  - угол падения света, исходящего из активной области светодиода,  - угол, в направлении которого фиксируется свет от светодиода в среде 1,  - область допустимых значений случайного показателя преломления композитного слоя,  - площадь поперечного сечения потока фотонов из активной области светодиода,  - площадь поперечного сечения потока фотонов во внешнюю среду. Отношение  показывает, что площадь поперечного сечения потока фотонов в средах 1 и 3 неодинаковая из-за эффекта локализации фотонов. Сечение проходящего через слой с квазинулевым показателем преломления светового пучка всегда больше сечения падающего пучка, т.е. . Это обусловлено фокусировкой фотонов на внешней границе слоя в соответствии с теоремой погашения [Гадомский О.Н., Гадомская И.В., Щукарев И.А. Оптика и Спектроскопия, Обтекание светом плоской границы раздела вакуум-оптическая среда с квазинулевым показателем преломления, Т. 120, №. 5, с. 831-838, 2016]. Локализация фотонов на внешней границе слоя, в соответствие с принципом неопределенностей, приводит к расширению пучка и на выходе из слоя формируется световой пучок с сечением .
На фигуре 2 изображены пропускательная (a) и отражательная (b) способности композитного PMMA+Ag слоя в зависимости от угла облучения слоя светом со стороны активной области светодиода. Пунктирной кривой обозначена пропускательная способность слоя ITO. Толщина слоя ITO и композитного слоя равна  нм, показатель преломления подстилающей среды , показатель преломления среды 1 (воздух) ,  нм.
На фигуре 3 изображены пропускательная способность композитного PMMA+Ag слоя в зависимости от угла падения света со стороны активной области светодиода. Пунктирной линией обозначена пропускательная способность слоя ITO. Толщина слоя ITO и композитного слоя равна  нм, , . a)  нм, b)  нм.
Фиг. 4 поясняет смысл эффекта локализации фотонов на границе композитного PMMA+Ag слоя со случайным квазинулевым показателем преломления при падении потока фотонов из активной области светодиода на нижнюю границу композитного слоя. Это означает, что композитный слой PMMA+Ag фокусирует поток фотонов и на выходе из светодиода будет распространяться направленный поток фотонов.  - площадь поперечного сечения потока фотонов из активной области светодиода,  - площадь поперечного сечения потока фотонов во внешнюю среду.
Как видно из фиг. 2, 3, пропускательная способность светодиода достигает максимума, равного 87.5% при , и быстро уменьшается до нуля при угле  рад. При этом пропускательная способность верхнего слоя с квазинулевым показателем преломления при различных углах за исключением узкой области вблизи  рад равна единице. Это означает, что относительная эффективность светодиода , то есть применение композитного слоя PMMA+Ag позволяет более чем в три раза увеличить эффективность светодиодов.
Излучаемые светодиодом световые фотоны могут выходить во внешнюю среду в заданном телесном угле около 5-45°, при этом площадь внешней поверхности активной области в светодиодах равна . Это достигается за счет эффекта полного внутреннего отражения, когда свет из слоя с показателем преломления  попадает в слой с меньшим показателем преломления. Благодаря этому эффекту достигается направленное излучение во внешнюю среду, однако, фотоны из активной области, падающие на границу 2-3 внешнего слоя под углами, превышающими предельный угол эффекта полного внутреннего отражения, направляются в обратную сторону из-за отражения, что значительно снижает эффективность светодиода.
Принципиально иная физическая ситуация имеет место в светодиоде, где внешним слоем является композитный слой со случайным квазинулевым показателем преломления (PMMA+Ag). Внешней границей в светодиодах является граница 2-3 (фиг. 4). Фотоны из активной области падают под различными углами , в общем случае, от нуля до  на границу 2-3 композитного слоя и фокусируются в точке . Как показано в [Гадомский О.Н., Гадомская И.В., Щукарев И.А. Оптика и Спектроскопия, Обтекание светом плоской границы раздела вакуум-оптическая среда с квазинулевым показателем преломления, Т. 120, №. 5, с. 831-838, 2016], с помощью теоремы погашения внешнее излучение погашается не на всей поверхности, как это имеет место во френелевской оптике [Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: 1973, 719 с.], а в точке  плоскости падения. Локализация фотонов в точке, благодаря принципу неопределенностей для координаты и импульса фотонов, приводит к расширению пучка фотонов с радиусом пучка , где  - толщина композитного слоя,  - действительный угол преломления света в слое. Это означает, что с помощью композитного PMMA+Ag слоя достигается высокоэффективное преобразование фотонов из активной области светодиода в направленное внешнее излучение в пределах углов, не превышающих предельный угол, определяемый из соотношения . На фиг. 2, 3 толщина слоя была выбрана такой же, как и толщина слоя ITO, то есть  нм.