close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16464

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 16464
(13) C1
(19)
H 01L 33/20 (2010.01)
ГЕТЕРОПЕРЕХОДНЫЙ СВЕТОДИОД
(21) Номер заявки: a 20101542
(22) 2010.10.27
(43) 2012.06.30
(71) Заявитель: Сычик Василий Андреевич (BY)
(72) Автор: Сычик Василий Андреевич
(BY)
(73) Патентообладатель: Сычик Василий
Андреевич (BY)
(56) SU 1837369 A1, 1993.
BY 3790 C1, 2001.
RU 2400866 C1, 2010.
RU 2003113362 A, 2004.
RU 2402110 C1, 2010.
SU 1732402 A1, 1992.
JP 7147429 A, 1995.
KR 2006/0119738 A.
BY 16464 C1 2012.10.30
(57)
Гетеропереходный светодиод, содержащий полусферическое основание из узкозонного сильнолегированного полупроводника p + -типа, на выпуклой поверхности которого последовательно сформированы i-слой широкозонного полупроводника собственной
проводимости и слой узкозонного сильнолегированного полупроводника n + -типа, на который, равно как и на указанное основание, нанесен омический контакт, при этом i-слой и
слой полупроводника n + -типа выполнены толщиной от 1,0 до 1,6 Ld и от 0,5 до 0,9 Ld соответственно, где Ld - диффузионная длина носителей заряда.
Фиг. 1
Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к полупроводниковым светодиодам, и может быть использовано в системах освещения в качестве мощных источников
света.
Известен светодиод с p-n переходом, который содержит подложку n-типа проводимости политипа 4H, слой n-типа проводимости политипа 4H, легированный Ga, N, Sn, слой
p-типа проводимости политипа 4H, легированного Al, Sn, контакты к слоям n- и p-типа
BY 16464 C1 2012.10.30
проводимости. Однако такой светодиод обладает сложной конструкцией, низким КПД,
поскольку используются высокоомные слои политипа 4H, на которые падает основная
часть питающего электрического напряжения.
Также известен полупроводниковый светодиод с p-n переходом [2], который содержит
слой n-типа проводимости, расположенный на нем слой p-типа проводимости, омические
контакты к ним. В этом светодиоде с p-n переходом также отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между омическими контактами и p-n переходом, что обуславливает резкое снижение рабочего тока и прикладываемого к и p-n
переходу напряжения, то есть снижение интенсивности светового излучения и КПД.
Прототипом предлагаемого изобретения является гетеропереходный светодиод [3],
который сформирован на подложке n-типа, на которой последовательно нанесены базовый слой n-типа, дополнительный базовый слой p-типа широкозонного полупроводника,
узкозонный базовый слой p-типа, широкозонный базовый слой p-типа и слой обратной
проводимости по отношению к базовой области, то есть n-типа проводимости.
Недостатки прототипа:
а) отсутствуют сильнолегированные низкоомные слои между омическими контактами
и p-n гетеропереходом, что обуславливает резкое снижение рабочего тока и прикладываемого к p-n гетеропереходу напряжения, то есть снижение светового излучения и КПД;
б) невысокая выходная мощность оптического излучения, поскольку используемые
полупроводниковые слои слаболегированы, обладают большим внутренним сопротивлением;
в) невысокая излучающая поверхность светодиода.
Техническим результатом изобретения является повышение мощности выходного светового излучения и КПД.
Поставленная задача достигается тем, что гетеропереходный светодиод, содержащий
полусферическое основание из узкозонного сильнолегированного полупроводника p + типа, на выпуклой поверхности которого последовательно сформированы i-слой широкозонного полупроводника собственной проводимости и слой узкозонного сильнолегированного полупроводника n + -типа, на который, равно как и на указанное основание,
нанесен омический контакт, при этом i-слой и слой полупроводника n + -типа выполнены
толщиной от 1,0 до 1,6 Ld и от 0,5 до 0,9 Ld соответственно, где Ld - диффузионная длина
носителей заряда.
Сущность изобретения поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция полупроводникового светодиода, а на фиг. 2 изображена его зонная диаграмма.
Конструктивно гетеропереходный светодиод состоит из полупроводникового сильнолегированного основания p + -типа 1, имеющего полусферическую форму, на котором последовательно сформированы i-слой 2 собственной проводимости и сильнолегированный
n + -слой 3. По периметру на n + -слой 3 у его основания нанесен металлический омический
контакт 4, а на плоской части полупроводникового основания p + -типа 1 сформирован металлический омический контакт 5. Омический контакт 5 снабжен внешним выводом 6, а к
омическому контакту 4 подведен внешний вывод 7. Сформированная конструкция гетеропереходного светодиода помещается в корпус 8 из оптически прозрачного органического
материала. Для повышения коэффициента инжекции носителей заряда из n + -слоя 3 и полупроводникового основания p + -типа 1 в i-слой 2 собственной проводимости и повышения КПД n + -слой 3 и полупроводниковое основание p + -типа 1 выполнены из узкозонного
полупроводника, а i-слой 2 собственной проводимости изготовлен из широкозонного полупроводника, i-слой 2 собственной проводимости образует с n + -слоем 3 первый гетеропереход, а с полупроводниковым основанием p + -типа 1 второй гетеропереход, то есть
сформирована двойная p + -i, i-n + гетероструктурой. Полупроводниковое основание p + типа 1, i-слой 2 собственного полупроводника и n + -слой 3 выполнены из полупроводников, обладающих большой подвижностью носителей заряда, большой диффузионной дли2
BY 16464 C1 2012.10.30
ной, низкой концентрацией собственных носителей заряда. Толщина i-слоя 2 определяется
стопроцентной рекомбинацией инжектированных в его область через прямосмещенные
n + -i первый гетеропереход электронов и второй p + -i гетеропереход дырок и, как показали
результаты эксперимента, составляет (1,0 ÷ 1,6) Ld, где Ld - диффузионная длина носителей заряда. Полупроводниковое основание p + -типа 1 представляет узкозонный сильнолегированный акцепторной примесью полупроводник с концентрацией примеси
NA ~
= 10 20 ÷ 10 21 см-3, размеры которого (диаметр) определяются требуемыми мощностью
светового излучения и КПД, причем диаметр этого основания может находиться в пределах от 1 мм до 10 см. Оно размещено на металлическом омическом контакте 5. Сильнолегированный n + -слой 3 узкозонного полупроводника сформирован на i-слое 2 собственной
проводимости широкозонного полупроводника путем эпитаксии и введения донорной
~ 1020 ÷ 10 21 см-3, обладает малым сопротивлением
примеси с высокой концентрацией N D =
и создает с металлическим слоем 5 омический контакт. Внешние выводы гетеропереходного светодиода - это металлические проволочные или полосковые конструкции.
Гетеропереходный светодиод работает следующим образом.
При подаче питающего напряжения прямой полярности U через внешние выводы 6 и
7 на гетеропереходный светодиод потенциальные барьеры n + -i и p + -i гетеропереходов φ01
и φ02 снижаются соответственно на величину eU1 и eU2, то есть φ1 = φ01 – eU1 и φ2 = φ02 eU2. Поскольку ток в p + -i-n + гетероструктуре неизменный, то соответственно
U1 ~
= U 2 = U/2 , где U1 и U2 падения напряжений на n + -i и p + -i гетеропереходах. Потоки
инжектированных электронов из n + -слоя 3 и полупроводникового основания p + -типа 1 в
i-слой 2 собственной проводимости составляют
(1)
  eU  
In ~
= Ip ~
= Is exp
 − 1 ,
  2kT  
где Is - ток насыщения гетероперехода.
Концентрации инжектированных электронов и дырок в i-слой 2 собственной проводимости составят
(2)
  eU  
~ n exp eU  − 1 ; ∆p ~
n
exp
,
∆n =
=
1
−


i1 
i2 


  2kT  
  2kT  
где ni1, ni2 - концентрация собственных носителей заряда в n+ -слое 3 и полупроводниковом основании p + -типа 1.
В i-слое 2 собственной проводимости инжектированные электроны и дырки полностью рекомбинируют друг с другом по механизму зона-зона с выделением в каждом акте
рекомбинации квантов света. Длина волны выделяемого светового излучения
(3)
λ = hc/Eg,
где h - постоянная Планка, c - скорость света, Eg - ширина запрещенной зоны i-слоя 2 собственной проводимости. Поскольку сильнолегированные n + -слой 3 и полупроводниковое
основание p + -типа 1 обладают высокой электропроводностью и падения напряжения на
этих слоях минимальны, то ток через гетеропереходный светодиод, а следовательно мощность и яркость его светового излучения экспоненциально возрастают с повышением приложенного напряжения питания, что обуславливает повышение КПД. Излучающая
поверхность гетеропереходного светодиода S = 2πR2, а для аналогов S = πR2, то есть она в
два раза выше, чем у прототипа и аналогов.
Создано экспериментальное устройство - гетеропереходный светодиод, выполненный
на полупроводниковом основании полусферической формы p + -типа из узкозонного полу= 5 ⋅ 1020 см-3,
проводника - германия с Eg = 0,66 эВ, легированного Al до концентрации N A ~
омическим контактом которого является слой Al толщиной 2,0 мкм.
Диаметр полупроводникового основания р + -типа 1 составляет 1 см2, его боковая поверхность SБ ≈ 2πR2, где R - радиус основания 1. i-слой 3 собственной проводимости вы3
BY 16464 C1 2012.10.30
полнен из широкозонного полупроводника GaAs с Eg = 1,43 эВ с проводимостью
ni = Pi ≈ 10 см-3 и толщиной 1,5 мкм. n+ -слой 3 из узкозонного полупроводника Ge с
Eg = 0,66 эВ, легированного сурьмой до концентрации N D ~
= 5 ⋅ 10 21 см-3, сформирован на iслое 3. Омическим контактом к Ge является слой сурьмы шириной 2 мм, толщиной
0,3 мкм и верхним слоем Al толщиной 1,5 мкм.
Внешними выводами является Al плющенка шириной 1 мм, соединенная с металлическим омическим контактом ультразвуковой сваркой.
Экспериментальный гетеропереходный светодиод размером полезной площади
S = 6,28 см2 при величине протекающего прямого тока в интервале 50 ÷ 100 мА обеспечивает генерацию оптического излучения в видимой области спектра Ф мощностью светового излучения Р ≈ 1-5 Вт, яркостью В = 200 ÷ 300 кд/см2. КПД гетеропереходного
светодиода достигает 30 %, а КПД аналогов не превышает 15 %.
Технико-экономические преимущества предлагаемого гетеропереходного светодиода
в сравнении с прототипом и аналогами:
1. Более чем в два раза возрастает яркость выходного светового излучения.
2. Более чем в три раза возрастает мощность светового излучения.
3. Более чем в 1,5 раза возрастает КПД.
4. В два раза возрастает активная площадь светового излучения.
Промышленное освоение предлагаемого гетеропереходного светодиода возможно на
предприятиях электронной промышленности.
Источники информации:
1. А.с. СССР 1774400, МПК H 01L 33/00, 1992.
2. А.с. СССР 867249, МПК H 01L 33/00, 1991.
3. А.с. СССР 1837369, МПК H 01L 33/00, 1993.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
89 Кб
Теги
by16464, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа