Устройство полупроводникового светодиода

Полезная модель относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, устройствам полупроводниковых светодиодов.
При изготовлении полупроводниковых светодиодов имеется проблема эффективного выхода излучения из объема светоизлучающего кристалла в окружающую среду. Возникшее в объеме полупроводникового светодиода излучение выходит в окружающее пространство через границу раздела между полупроводником и воздухом. Излучение возникает вследствие эффекта электролюминесценции определенной зоны в электронно-дырочном переходе полупроводника при прохождении через переход прямого тока вследствие рекомбинации электронно-дырочных пар. Угловое распределение интенсивности излучения при электролюминесценции изотропное, ламбертовское, и световые потоки падают на границу изнутри под всеми возможными углами.
Эффективность вывода излучения невысока 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.
2
Современные светодиоды с большой площадью излучающей зоны имеют почти плоскую конструкцию. Кристаллы светодиодов имеют толщину 100-250 мкм при площади излучающей поверхности до 1 мм.
Увеличение внешнего квантового выхода излучения светодиодов, на основе полупроводников с высокими показателями преломления, достигается созданием рельефов на поверхности полного внутреннего отражения, использованием рассеивающих свет, и люминесцирующих сред. [Yeeu-Chang Lee, and Sheng-Han Tu Improving the Light-Emitting Efficiency of GaN LEDs Using Nanoimprint Lithography // Chapter from the book Recent Advances in Nanofabrication Techniques and Applications, Edited by Prof. Bo Cui, InTech, 2011, рр. 173-196].
Известны светодиоды с повышенной эффективностью выхода излучения. [Синие флип-чип светодиоды на основе AlGaInN с удаленной сапфировой подложкой / И.П. Смирнова и др. // ФТП. - 2006. - Т. 40, Вып. 111. - С. 1397-1401; Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC / И.П. Смирнова и др. // ФТП. - 2010. - Т. 44, Вып. 5. - С. 684-687.]. Например, обнаружено увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов, у которых на внешней стороне подложки SiC, нанесен рельеф с характерным размером меньше длины волны светодиода.
Известны сверхяркие светодиоды, компании CREE, у которых, на внешней поверхности кристалла, сформирована микролинзовая поверхность. [Елисеев И. Обзор светодиодной продукции компании CREE // Новости электроники. - 2009. - № 9. - С. 5-12; Никифоров С.Г. Проблемы, теория и реальность светодиодов для современных систем отображения информации высшего качества // Компоненты и технологии. - 2005. - № 5. - С. 48-57], например, с использованием массивов микросфер [Wei T. B. et al. Selectively grown photonic crystal structures for high efficiency InGaN emitting diodes using nanospherical-lens lithography // Appl. Phys. Lett. - 2012. - V. 101, N. 21. - P. 211111 - 211111-5; Yiyu Ou, Xiaolong Zhu, Valdas Jokubavicius, Rositza Yakimova, N. Asger Mortensen, Mikael SyvaЁjaЁrvi, Sanshui Xiao & Haiyan Ou Broadband Antireflection and Light Extraction Enhancement in Fluorescent SiC with Nanodome Structures // Scientific Reports, 4, 1-4. [4662]. DOI: 10.1038/srep04662.].
Недостатком аналогов является невысокая эффективность вывода излучения из объема кристалла.
В работе [Патент РФ 2545492] описана конструкция полупроводникового светодиода, выбранная в качестве прототипа представленной полезной модели. Светодиод, излучает через рассеивающую поверхность прозрачной пластины, и в которой находится светогенерирующая область, при этом 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.
Недостатком прототипа является невысокая эффективность вывода излучения из объема кристалла.
Относительно недавно, в работe [Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk'yanchuk, // J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 457 (2000)], впервые, было обращено внимание на наличие сильной локальной области концентрации оптического излучения вблизи теневой поверхности сферической диэлектрической частицы. Позднее этот эффект получил название «фотонной струи», при исследовании рассеяния лазерного излучения на прозрачных кварцевых микроцилиндрах [Z. Chen, A. Taflove, V. Backman, Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique // Optics Express, 12, N. 7, 1214-1220, (2004)] и позднее на сферических частицах.
Фотонная струя возникает в области теневой поверхности диэлектрических микросферических частиц - в т.н. ближней зоне дифракции - и характеризуется сильной пространственной локализацией и высокой интенсивностью оптического поля в области фокусировки. Было показано, что при падении плоской волны на сфероидальную частицу достижимо пространственное разрешение до трети длины волны, что ниже классического дифракционного предела.
Позднее возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц, многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления, а также «обрезанных» полусфер, дисков, цилиндра-сферы [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28.; I.V. Minin and O.V. Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016].
.
Так же было обнаружено, что фотонные струи могут быть сформированы несимметричными мезоразмерными диэлектрическими частицами [И.В. Минин, О.В. МининФотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии". 2014, №4, С.4-10; V.Pacheco-Pena, M. Beruete, I. V. Minin, O. V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. V.105, 084102 (2014)], например, кубом, пирамидой, аксиконом, призмой и т.д.
Принципиальное отличие мезочастицы сферической формы от мезочастицы в форме куба, состоит в том, что формирование фотонной струи начинается для сферической частицы диаметром порядка λ, а кубической- порядка 0,5 λ, где λ длина волны используемого излучения.
Для мезоразмерной частицы с характерным размером порядка длины волны излучения интенсивность света непосредственно на границе частицы превосходит падающую интенсивность примерно в 7-8 раз, для частицы с характерными размерами порядка двух длин волн - примерно в 20 раз. Для частиц большего размера величина этого отношения увеличивается еще сильнее.
Задачей, решаемой в данной полезной модели, является создание конструкции светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения из объема кристалла.
p/
p
Задача решается тем, что в устройстве полупроводникового светодиода, излучающего через рассеивающую поверхность прозрачной пластины на которой закреплен слой прозрачных частиц с большим чем у окружающей среды коэффициентом преломления N и светогенерирующая область, в соответствии с полезной моделью слой прозрачных диэлектрических частиц выполнен в форме монослоя частиц с коэффициентом перекрытия слоя δ, лежащего в диапазоне примерно от 0,6 до 0,9, где δ = SS, S - сумма проекций всех частиц на плоскость, перпендикулярную направлению распространения излучения, S - площадь слоя, частицы имеют относительный коэффициент преломления лежащего в диапазоне порядка от 1,2 до 1,7 и с характерным размером порядка длины волны используемого излучения.
Предлагается так же, что частицы выполнены в форме куба и расположены в монослое частиц с произвольной ориентацией боковых граней в плоскости перпендикулярной направлению распространения излучения и основанием параллельным плоскости прозрачной пластины на которой они закреплены.
Предложенное устройство поясняется с помощью фигур 1, 2, и 3. На фигуре 1 показано устройство светодиода, на фигуре 2 показан пример расположения монослоя кубических диэлектрических частиц на поверхности подложки кристалла с произвольной ориентацией боковых граней, на фигуре 3 приведен пример формирования «фотонной струи» мезоразмерной частицей в виде сферы (а), куба (б), правильного шестиугольника (в-г) и пирамиды (д-е) с характерными размерами равными λ области с повышенной интенсивностью излучения с поперечными размерами порядка λ/3 - λ/4 на внешней границе поверхности.
Здесь 1 - анод, 2 - светоизлучающая область, слои InGaN, 3 - подложка кристалла светодиода, 4 - катод, 5 - монослой диэлектрических мезоразмерных частиц на поверхности подложки кристалла 3.
При подключении светодиода к электрической цепи при помощи электродов катода 4 и анода 1 в зоне 2, содержащей слои InGaN, возникает излучение. На выходную поверхность кристалла 3 сгенерированное оптическое излучение падает под всеми возможными углами. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения проходит через гладкую плоскую поверхность менее 5% возникшего светового потока. Наличие монослоя мезоразменых диэлектрических частиц 5 на поверхности подложки кристалла светодиода 3 приводит к рассеянию падающего на частицу света, при относительном кэффициенте преломления материала частиц более 1.
p
В результате проведенных исследований было обнаружено, что если слой прозрачных диэлектрических частиц выполнен в форме монослоя частиц с коэффициентом перекрытия слоя δ лежащего в диапазоне примерно от 0,6 до 0,9, где δ = Sp/S, S - сумма проекций всех частиц на плоскость, перпендикулярную направлению распространения излучения, S - площадь слоя, то коэффициент отражения от поверхности подложки кристалла светодиода уменьшается, наступает его «просветление». При коэффициенте перекрытия слоя δ=0 рассеивающие частицы на поверхности кристалла отсутствуют и при δ=1 поверхность кристалла покрыта сплошным слоем диэлектрика с толщиной равной характерному размеру частицы. При этом эффект «просветления» поверхности кристалла уменьшается.
При относительном коэффициенте преломления N материала частиц, лежащем в диапазоне порядка от 1,2 до 1,7 и с характерным размером порядка длины волны используемого излучения, такие мезочастицы могут формировать фотонные струи, создавая яркие точки свечения по своей внешней поверхности. При выполнении частиц, например, в форме куба, было установлено, что такие фотонные струи могут формироваться при падении на него светового излучения в широком диапазоне углов ±(40-60) градусов. При относительном коэффициенте преломления N материала частицы менее 1,2 формируется фотонная струя со слабой концентрацией оптического поля, а при относительном коэффициенте преломления N более порядка 1,7 фотонная струя формируется в теле частицы. Кроме того, при малом относительном коэффициенте преломления частицы эффект просветления поверхности кристалла незначителен.
В результате исследований, было установлено, что индивидуальные мезоразмерные частицы, объединенные в кластер частиц, являются зависимыми частицами, формирующими фотонные струи, при этом возможны различные коллективные эффекты.
Так в кластере из мезоразмерных частиц было замечено увеличение длины формируемой фотонной струи, изменение ее интенсивности, при этом максимум интенсивности поля может переместиться к поверхности сферической частицы. Основные параметры фотонной струи зависят от относительного коэффициента преломления материала частицы, величины ее характерного размера, пространственной структуры кластера микросфер, интерференционных эффектов между фотонными струями, расстояния между частицами и т.д.
С целью уменьшения коллективных эффектов, предлагается так же, что частицы выполнены в форме куба и расположены в монослое частиц с произвольной ориентацией боковых граней в плоскости перпендикулярной направлению распространения излучения и основанием параллельным плоскости прозрачной пластины, на которой они закреплены.
Однако, кроме частиц в форме куба, могут быть использованы и частицы иной формы, например, в форме пирамиды и т.д.
Исследования показали, что наиболее предпочтительно использование частиц, формирующих монослой на поверхности подложки кристалла с формой близкой к кубу или пирамиде, по сравнению со сферическими частицами.
2
В качестве материала мезоразмерных частиц могут использоваться различные материалы, например, SiO с коэффициентом преломления 1,538 на длине волны 0,7 мкм, полиэстер, с коэффициентом преломления 1.59 на длине волны 0,532 мкм, различные виды стекол, ситаллы, кварц, полиметилметакрилат, полистирол, поликарбонаты [Справочник конструктора оптико-механ. приборов/Под ред. В.А. Панова. - Л.: Машиностроение, 1980.] с относительными коэффициентами преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7.
Изготовление мезоразмерных частиц возможно, например, методами фотолитографии [патент РФ № 2350996, авт. Генцелев А.Н., Гольденберг Б.Г., Кондратьев В.И., Петрова Е.В. Способ изготовления литографической маски для LIGA-технологий; Janne-Mieke Meijer, Dmytro V. Byelov, Laura Rossi, Anatoly Snigirev, Irina Snigireva, Albert P. Philipsea and Andrei V. Petukhov. Self-assembly of colloidal hematite cubes: a microradian X-ray diffraction exploration of sedimentary crystals // Soft Matter, 2013, 9, 10729-10738] и т.д.
Нанесение тонкого фотоэмиссионного слоя на монослой мезоразмерных частиц возможно одним из известных способов, например приведенных в [патентах РФ № 1816329 авт. Костин А.Б., Котелянский И. М., Лузанов В.А., Филимонова Т.А. Способ изготовления фотокатода; № 2248066 авт. Милешкина Н.В., Калганов В.Д. Способ изготовления фотополевого катода; Брендель В. М, Букин В.В., Гарнов С.В., Багдасаров В.Х., Денисов Н.Н., Гаранин С.Г., Терехин В.А., Трутнев Ю.А. Метод лазерного напыления УФ фотокатодов на основе галогенидов щелочных металлов // Кватновая электроника, 2012, т. 42, № 12, с. 1128-1132].
Таким образом, устройство полупроводникового светодиода по данной полезной модели обеспечивает повышенную эффективность внешнего квантового выхода светодиода, более высокую направленностью вышедшего из светодиода излучения. А так же показана реализуемость полезной модели и показана достижимость целей полезной модели.
Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления эффективных светодиодов.
Техническим результатом изобретения является конструкция светодиода с повышенным внешним квантовым выходом и с более высокой направленностью вышедшего из светодиода излучения.