RU2494498C2 - Semiconductor light-emitting device - Google Patents

Semiconductor light-emitting device Download PDF

Info

Publication number
RU2494498C2
RU2494498C2 RU2011106966/28A RU2011106966A RU2494498C2 RU 2494498 C2 RU2494498 C2 RU 2494498C2 RU 2011106966/28 A RU2011106966/28 A RU 2011106966/28A RU 2011106966 A RU2011106966 A RU 2011106966A RU 2494498 C2 RU2494498 C2 RU 2494498C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
light
semiconductor device
emitting semiconductor
layer
substrate
Prior art date
Application number
RU2011106966/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011106966A (en
Inventor
Юрий Георгиевич Шретер
Юрий Тоомасович Ребане
Алексей Владимирович Миронов
Original Assignee
Юрий Георгиевич Шретер
Юрий Тоомасович Ребане
Алексей Владимирович Миронов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Георгиевич Шретер, Юрий Тоомасович Ребане, Алексей Владимирович Миронов filed Critical Юрий Георгиевич Шретер
Priority to RU2011106966/28A priority Critical patent/RU2494498C2/en
Priority to PCT/RU2012/000147 priority patent/WO2012115541A2/en
Publication of RU2011106966A publication Critical patent/RU2011106966A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2494498C2 publication Critical patent/RU2494498C2/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • H01L33/24Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate of the light emitting region, e.g. non-planar junction
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/20Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies with a particular shape, e.g. curved or truncated substrate
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0062Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0066Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound
    • H01L33/007Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds with a substrate not being a III-V compound comprising nitride compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/005Processes
    • H01L33/0062Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds
    • H01L33/0075Processes for devices with an active region comprising only III-V compounds comprising nitride compounds
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
    • H01L33/26Materials of the light emitting region
    • H01L33/30Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
    • H01L33/32Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/50Wavelength conversion elements
    • H01L33/505Wavelength conversion elements characterised by the shape, e.g. plate or foil
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
    • H01L33/58Optical field-shaping elements

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Led Devices (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: semiconductor light-emitting device according to the invention comprises: a substrate; a first layer of an n-type conductivity semiconductor formed on the substrate; a second layer of a p-type conductivity semiconductor; an active layer between the first and second layers; a conducting layer on the second layer; a first contact deposited on the substrate; a second contact deposited on the conducting layer, wherein the substrate has at least one through-hole made in form of a truncated inverted pyramid. The first, second, active and conducting layers are deposited on both the horizontal portions of the substrate and the inner faces of the holes.
EFFECT: high efficiency of semiconductor light-emitting devices, while suppressing negative effects associated with vertices of inverted surface pyramids.
19 cl, 3 ex, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к области светоизлучающих устройств, в особенности к светоизлучающим полупроводниковым диодам с высокой эффективностью.The invention relates to the field of light-emitting devices, in particular to light-emitting semiconductor diodes with high efficiency.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Полупроводниковый светодиодный чип является основным компонентом технологии твердотельного освещения. Напряжение, приложенное между двумя контактами светодиодных чипов, индуцирует электрический ток через р-n переход, и светодиодный чип излучает свет из-за излучательной рекомбинации электронов и дырок.A semiconductor LED chip is a major component of solid state lighting technology. The voltage applied between the two contacts of the LED chips induces an electric current through the pn junction, and the LED chip emits light due to radiative recombination of electrons and holes.

Преимуществами светодиодных чипов являются продолжительный период службы, высокая надежность, высокий коэффициент электрооптического преобразования и малое потребление электрической энергии.The advantages of LED chips are a long service life, high reliability, high coefficient of electro-optical conversion and low electrical energy consumption.

Светодиодные чипы, излучающие инфракрасный, красный и зеленый свет производятся и продаются очень давно, тогда как технология производства светодиодных чипов на основе нитридов третьей группы (III-нитриды), излучающих ультрафиолетовый, синий, зеленый и белый свет значительно улучшилась в последнее время (US 7642108, US 7335920, US 7365369, US 7531841, US 6614060). Вследствие этого светодиодные чипы получили широкое распространение и применяются в различных областях, включая освещение.LED chips emitting infrared, red and green light have been produced and sold for a very long time, while the technology for the production of LED chips based on the third group nitrides (III nitrides) emitting ultraviolet, blue, green and white light has improved significantly recently (US 7642108 US 7335920, US 7365369, US 7531841, US 6614060). As a result, LED chips are widespread and are used in various fields, including lighting.

Обычно светодиодные чипы изготавливаются с помощью планарной технологии выращивания кристаллов из газовой фазы, и имеют плоские верхнюю и нижнюю поверхности, через которые свет выходит наружу.Usually, LED chips are made using planar technology for growing crystals from the gas phase, and have flat upper and lower surfaces through which light comes out.

Плоские поверхности светодиодного чипа приводят к тому, что свет, излученный под углом, превышающим угол полного внутреннего отражения, не может выйти наружу и поглощается внутри светодиодного чипа, что снижает его эффективность.The flat surfaces of the LED chip cause the light emitted at an angle greater than the angle of total internal reflection, cannot go outside and absorbed inside the LED chip, which reduces its efficiency.

Для преодоления этого недостатка в US 5087949 было предложено использовать светодиодные чипы, имеющие форму выпуклых усеченных пирамид, содержащих наклонные плоскости, через которые свет может покинуть светодиодный чип не испытывая полного внутреннего отражения.To overcome this drawback, in US 5087949, it was proposed to use LED chips in the form of convex truncated pyramids containing inclined planes through which light can leave the LED chip without experiencing total internal reflection.

Однако, использование светодиодных чипов, имеющих форму одной выпуклой усеченной пирамиды, требует существенно большего расхода полупроводникового материала по сравнению с обычным тонкопленочным плоским чипом, а также сопряжено с необходимостью дорогостоящей резки V-образных канавок.However, the use of LED chips in the form of a single convex truncated pyramid requires a significantly higher consumption of semiconductor material compared to a conventional thin-film flat chip, as well as the need for expensive cutting of V-grooves.

Для преодоления этих проблем в US 7446345 и US 7611917 было предложено использовать светодиодные чипы, содержащие множественные V-образные поверхностные дефекты (питы), имеющие форму инвертированных пирамид. В светодиодных чипах с множественными питами слоистая светодиодная структура, включающая активный слой с квантовыми ямами, выращивается на плоских участках светодиодных чипов и простирается также внутрь инвертированных поверхностных пирамид, сформированных V-образными поверхностными питами. После выращивания активного слоя, инвертированные поверхностные пирамиды заращиваются, и формируется плоская поверхность чипа. Данный подход позволяет увеличить площадь активного слоя, приходящуюся на единицу площади чипа, и тем самым повысить внутренний квантовый выход светодиодного чипа, однако эффективность экстракции света при этом не увеличивается.To overcome these problems in US 7446345 and US 7611917 it was proposed to use LED chips containing multiple V-shaped surface defects (pits) in the form of inverted pyramids. In LED chips with multiple pits, a layered LED structure including an active layer with quantum wells is grown on the flat areas of the LED chips and also extends into the inverted surface pyramids formed by V-shaped surface pits. After growing the active layer, the inverted surface pyramids are healed and a flat chip surface is formed. This approach allows you to increase the active layer area per unit area of the chip, and thereby increase the internal quantum yield of the LED chip, however, the light extraction efficiency does not increase.

Увеличения экстракции света при одновременном повышении квантового выхода можно добиться, используя светодиодные чипы с незарощенными инвертированными поверхностными пирамидами, сформированными V-образными поверхностными питами, как это было предложено в статьях Т. Wunderer, M. Feneberg, F. Lipskil, J. Wang, R.A.R. Leutel, S. Schwaiger, K. Thonke, A. Chuvilin, U. Kaiser, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, G.J. Beirne, M. Jetter, P. Michler, L. Schade, C. Vierheilig, U.T. Schwarz, A.D. Drager, A. Hangleiter, and F. Scholz, Phys. Status Solidi B, 1-12 (2010) и Т. Wunderer, J. Wang, F. Lipskil, S. Schwaiger, A. Chuvilin, U. Kaiser, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, S.S.Shirokov, A.E. Yunovich and F. Scholz, Phys. Status Solidi C7, 2140-2143 (2010).The increase in light extraction while increasing the quantum yield can be achieved using LED chips with ungrown inverted surface pyramids formed by V-shaped surface pits, as was proposed in articles by T. Wunderer, M. Feneberg, F. Lipskil, J. Wang, R.A.R. Leutel, S. Schwaiger, K. Thonke, A. Chuvilin, U. Kaiser, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, G.J. Beirne, M. Jetter, P. Michler, L. Schade, C. Vierheilig, U.T. Schwarz, A.D. Drager, A. Hangleiter, and F. Scholz, Phys. Status Solidi B, 1-12 (2010) and T. Wunderer, J. Wang, F. Lipskil, S. Schwaiger, A. Chuvilin, U. Kaiser, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, SSShirokov, Ae Yunovich and F. Scholz, Phys. Status Solidi C7, 2140-2143 (2010).

Однако использование полных инвертированных пирамид, как было предложено выше, имеет существенный недостаток, связанный с тем, что инвертированные поверхностные пирамиды служат стоком для дислокации, загрязняющих примесей и других дефектов. В результате положительный эффект от увеличения площади активного слоя, приходящейся на единицу площади чипа компенсируется понижением внутреннего квантового выхода из-за накопления дефектов вблизи вершин инвертированных поверхностных пирамид. Кроме этого, повышение коэффициента экстракции света из-за наличия наклонных плоскостей в инвертированных пирамидах ограничивается тем, что свет сильно поглощается вблизи вершин пирамид, где наклонные плоскости сопрягаются между собой.However, the use of complete inverted pyramids, as suggested above, has a significant drawback due to the fact that inverted surface pyramids serve as a drain for dislocations, contaminants, and other defects. As a result, the positive effect of increasing the active layer area per unit area of the chip is compensated by a decrease in the internal quantum yield due to the accumulation of defects near the vertices of the inverted surface pyramids. In addition, the increase in the coefficient of light extraction due to the presence of inclined planes in inverted pyramids is limited by the fact that light is strongly absorbed near the vertices of the pyramids, where the inclined planes are conjugated with each other.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности светоизлучающих полупроводниковых приборов при одновременном подавлении негативных эффектов, связанных с вершинами инвертированных поверхностных пирамид.The present invention is to increase the efficiency of light-emitting semiconductor devices while suppressing the negative effects associated with the vertices of inverted surface pyramids.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Для решения этой задачи предложено светоизлучающее полупроводниковое устройство, содержащее:To solve this problem, a light emitting semiconductor device is proposed, comprising:

- подложку;- substrate;

- первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа, сформированный на подложке;- the first layer of a semiconductor with n-type conductivity formed on a substrate;

- второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа;- a second p-type semiconductor layer;

- активный слой, расположенный между первым и вторым слоями;- an active layer located between the first and second layers;

- проводящий слой, расположенный на втором слое,- a conductive layer located on the second layer,

- первый контакт, нанесенный на подложку,- the first contact deposited on the substrate,

- второй контакт, нанесенный на проводящий слой,a second contact applied to the conductive layer,

причем подложка содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый, второй, активный и проводящий слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани отверстий.moreover, the substrate contains at least one through hole made in the form of a truncated inverted pyramid, while the first, second, active and conductive layers are deposited on both horizontal sections of the substrate and on the inner faces of the holes.

Предпочтительно количество граней упомянутых пирамид лежит в пределах от 3 до 24, длина боковой стороны основания пирамид лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм, угол наклона боковых граней упомянутых пирамид по отношению к поверхности подложки лежит в пределах от 10° до 90°, высота отсеченной части пирамиды составляет от 5% до 50% от ее полной высоты, а толщина подложки лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм.Preferably, the number of faces of said pyramids ranges from 3 to 24, the length of the side of the base of the pyramids ranges from 10 μm to 1 mm, the angle of inclination of the side faces of these pyramids with respect to the surface of the substrate ranges from 10 ° to 90 °, height the cut off part of the pyramid is from 5% to 50% of its full height, and the thickness of the substrate lies in the range from 10 μm to 1 mm.

Предпочтительно сквозные отверстия расположены в виде двумерной решетки.Preferably, the through holes are arranged in the form of a two-dimensional lattice.

Подложка может быть выполнена из нитрида галлия, либо из карбида кремния, либо из оксида алюминия.The substrate may be made of gallium nitride, or of silicon carbide, or of aluminum oxide.

В предпочтительном варианте проводящий слой является прозрачным или полупрозрачным. Предпочтительно проводящий слой может быть выполнен из оксида индия с оловом (ITO) или из металла толщиной от 50 до 400 Ангстрем.In a preferred embodiment, the conductive layer is transparent or translucent. Preferably, the conductive layer may be made of indium oxide with tin (ITO) or of metal with a thickness of 50 to 400 Angstroms.

Первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа может быть выполнен из нитрида галлия легированного кремнием.The first layer of n-type semiconductor can be made of gallium nitride doped with silicon.

Второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа может быть выполнен из легированного магнием нитрида галлия.The second layer of p-type semiconductor can be made of gallium nitride doped with magnesium.

Активный слой может быть выполнен из нитрида галлия (GaN) и твердого раствора нитрида бор-алюминий-галлий-индия (BxAlyGazIn1-zN).The active layer can be made of gallium nitride (GaN) and a solid solution of boron-aluminum-gallium-indium nitride (B x Al y Ga z In 1-z N).

Предпочтительно активный слой выполнен составным и состоит из слоев из полупроводника со структурой фазы цинковой обманки и слоев со структурой фазы вюрцита.Preferably, the active layer is made integral and consists of layers of a semiconductor with a zinc blende phase structure and layers with a wurtzite phase structure.

В предпочтительном варианте активный слой может содержать множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор-алюминий-галлий-индия (BxAlyGazIn1-zN).In a preferred embodiment, the active layer may contain many quantum wells made of a solid solution of boron-aluminum-gallium-indium nitride (B x Al y Ga z In 1-z N).

Еще в одном предпочтительном варианте активный слой содержит одну широкую яму и множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор-алюминий-галлий-индия (BxAlyGazIn1-zN).In another preferred embodiment, the active layer contains one wide well and many quantum wells made of a solid solution of boron-aluminum-gallium-indium nitride (B x Al y Ga z In 1-z N).

Светоизлучающее устройство может дополнительно содержать слой люминофора, расположенный на верхней поверхности чипа для конверсии голубого света в белый свет.The light emitting device may further comprise a phosphor layer located on the upper surface of the chip to convert blue light to white light.

Светоизлучающее устройство может дополнительно содержать оптический рассеиватель света, расположенный на верхней поверхности чипа для получения белого света из смеси разноцветных световых потоков, излучаемых из граней пирамид и из плоских участков вне пирамид.The light-emitting device may further comprise an optical light diffuser located on the upper surface of the chip to produce white light from a mixture of multi-colored light fluxes emitted from the faces of the pyramids and from flat areas outside the pyramids.

Предпочтительно второй контакт, нанесенный на проводящий слой, выполнен несплошным с возможностью частичного пропускания света.Preferably, the second contact applied to the conductive layer is non-continuous with partial light transmission.

Настоящее изобретение предлагает светодиодные чипы с набором сквозных отверстий в форме усеченных инвертированных пирамид, на боковых гранях которых сформирована слоистая светодиодная структура. В таких чипах отсутствует вершина, собирающая дислокации, загрязняющие примеси и другие дефекты.The present invention provides LED chips with a set of through holes in the form of truncated inverted pyramids, on the side faces of which a layered LED structure is formed. In such chips there is no peak collecting dislocations, contaminants and other defects.

Основой предложенного светоизлучающего полупроводникового устройства является проводящая полупроводниковая подложка, содержащая сквозные отверстия, выполненные в форме усеченных инвертированных пирамид, выходящих на верхнюю и нижнюю поверхности светодиодного чипа.The basis of the proposed light-emitting semiconductor device is a conductive semiconductor substrate containing through holes made in the form of truncated inverted pyramids extending to the upper and lower surfaces of the LED chip.

В усеченных инвертированных пирамидах отсутствует вершина, в которой смыкаются наклонные грани и собираются дислокации, загрязняющие примеси и другие дефекты. Наклонные грани смыкаются с отверстиями на нижней поверхности плоского чипа. Отверстия обеспечивают свободный выход света из светодиодного чипа наружу без сильного поглощения в вершинах пирамид.In the truncated inverted pyramids, there is no peak at which inclined faces meet and dislocations, contaminants and other defects are collected. Inclined faces close to the holes on the bottom surface of the flat chip. Holes provide free exit of light from the LED chip to the outside without strong absorption at the tops of the pyramids.

Настоящее изобретение отличается от существующих аналогов, тем, что светодиодный чип является не сплошным, а содержит сквозные отверстия, которые выполнены в виде усеченных инвертированных пирамид.The present invention differs from existing analogues in that the LED chip is not continuous, but contains through holes, which are made in the form of truncated inverted pyramids.

Использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью, близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет. В то же время, в отношении экстракции света, использование инвертированных усеченных пирамид столь же эффективно, как и выпуклых усеченных пирамид, и коэффициент экстракции света в светодиодных чипах с инвертированными усеченными пирамидами значительно превосходит соответствующий коэффициент для светодиодных чипов с инвертированными полными пирамидами.The use of truncated pyramids makes it possible to avoid contact of the active layer with the region close to the top of the pyramid, where the increased rate of nonradiative recombination due to the presence of dislocations and contaminants reduces the internal quantum yield and reduces the coefficient of conversion of electric energy into light. At the same time, with regard to light extraction, the use of inverted truncated pyramids is as effective as convex truncated pyramids, and the coefficient of light extraction in LED chips with inverted truncated pyramids significantly exceeds the corresponding coefficient for LED chips with inverted full pyramids.

Кроме этого, использование несплошного светодиодного чипа со сквозными отверстиями, позволяет существенно улучшить его охлаждение путем прокачивания воздуха, инертного газа или жидкости через эти отверстия. В результате светодиодный чип может работать при больших плотностях тока, отдавать большую световую мощность и обладать большей яркостью свечения.In addition, the use of a non-continuous LED chip with through holes allows to significantly improve its cooling by pumping air, inert gas or liquid through these holes. As a result, the LED chip can operate at high current densities, give more light power and have a higher brightness.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Настоящее изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на Фиг.1-5.The present invention is illustrated by the drawings shown in FIGS. 1-5.

На Фиг.1 представлена схема проводящей подложки светодиодного чипа с набором сквозных отверстий в форме усеченных инвертированных пирамид.Figure 1 presents a diagram of a conductive substrate of an LED chip with a set of through holes in the form of truncated inverted pyramids.

На Фиг.2 представлена схема усеченной инвертированной пирамиды со слоистой светодиодной структурой, сформированной на ее боковых гранях.Figure 2 presents a diagram of a truncated inverted pyramid with a layered LED structure formed on its side faces.

На Фиг.3 представлена схема разреза, в области одной из усеченных инвертированных пирамид, светодиодного чипа из примера 1. который генерирует голубой свет.Figure 3 presents a sectional diagram, in the region of one of the truncated inverted pyramids, the LED chip of example 1. which generates blue light.

На Фиг.4 представлена схема разреза, в области одной из усеченных инвертированных пирамид, светодиодного чипа из примера 2. который генерирует белый свет с помощью люминофора.Figure 4 presents a sectional diagram in the region of one of the truncated inverted pyramids, the LED chip from example 2. which generates white light using a phosphor.

На Фиг.5 представлена схема разреза, в области одной из усеченных инвертированных пирамид, светодиодного чипа из примера 3. который генерирует белый свет без использования люминофора.5 is a sectional diagram, in the region of one of the truncated inverted pyramids, of the LED chip from Example 3. which generates white light without using a phosphor.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Основой предложенного светоизлучающего полупроводникового устройства является проводящая полупроводниковая подложка 100, содержащая сквозные отверстия 101, выполненные в форме усеченных инвертированных пирамид. Фиг.1.The basis of the proposed light-emitting semiconductor device is a conductive semiconductor substrate 100 containing through holes 101 made in the form of truncated inverted pyramids. Figure 1.

На гранях 104 усеченных инвертированных пирамид 101, формируется светодиодная структура 200, показанная на Фиг.2. Светодиодная структура 200 состоит из первого слоя 201 полупроводника с проводимостью n-типа, второго слоя 203 полупроводника с проводимостью р-типа, активного слоя 202, расположенного между первым и вторым слоями, и прозрачного проводящего слоя 204, расположенного на втором слое 203 полупроводника с проводимостью р-типа.On the faces 104 of the truncated inverted pyramids 101, an LED structure 200 is formed as shown in FIG. 2. The LED structure 200 consists of a first semiconductor layer 201 with n-type conductivity, a second p-type semiconductor layer 203, an active layer 202 located between the first and second layers, and a transparent conductive layer 204 located on the second conductivity semiconductor layer 203 p-type.

Проводящая подложка 100 содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый 201, второй 203, активный 202 и проводящий 204 слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани сквозных отверстий 101, выполненных в форме усеченных инвертированных пирамид, как показано на схеме разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид. Фиг.3.The conductive substrate 100 contains at least one through hole made in the form of a truncated inverted pyramid, with the first 201, second 203, active 202 and conductive 204 layers applied both to the horizontal sections of the substrate and to the inner faces of the through holes 101, made in the form of truncated inverted pyramids, as shown in the section diagram of the LED chip 300 in the region of one of the truncated inverted pyramids. Figure 3.

Два металлических контакта 302 и 303, которые обеспечивают подвод тока к светодиодной структуре, наносятся снизу на подложку 100 и сверху на горизонтальный участок прозрачного проводящего слоя 204, см. Фиг.3.Two metal contacts 302 and 303, which provide current supply to the LED structure, are applied from below to the substrate 100 and from above to a horizontal portion of the transparent conductive layer 204, see FIG. 3.

Настоящее изобретение будет пояснено ниже на нескольких примерах вариантов его осуществления. Следует отметить, что последующее описание этих вариантов осуществления является лишь иллюстративным и не является исчерпывающим.The present invention will be explained below with a few examples of options for its implementation. It should be noted that the following description of these embodiments is merely illustrative and not exhaustive.

Пример 1. Светодиодный чип с одиннадцатью отверстиями в форме инвертированных усеченных. шестиугольных пирамид, генерирующий голубой свет.Example 1. An LED chip with eleven holes in the shape of an inverted truncated. hexagonal pyramids generating blue light.

Общая схема проводящей подожки 100 светодиодного чипа, генерирующего голубой свет, приведена на Фиг.1. Подложка светодиодного чипа состоит из прямоугольной пластины полупроводникового кристалла нитрида галлия размером 3×2 мм, и с толщиной 200 мкм и поверхностью перпендикулярной кристаллической оси с [0 0 0 1]. На пластине сформированы одиннадцать отверстий в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с гранями, совпадающими с кристаллическими плоскостями {1 -1 0 1}, и углом наклона боковых граней по отношению к плоскости (0 0 0 1), θ=61,96°, со сторонами основания, ориентированными вдоль кристаллических направлений <1 1 -2 0>, и с длиной сторон основания Rb=200 мкм. Инвертированные усеченные шестиугольные пирамиды упакованы в треугольную двумерную решетку с периодом 500 мкм.A general diagram of a conductive arm 100 of an LED chip generating blue light is shown in FIG. The substrate of the LED chip consists of a rectangular plate of a semiconductor crystal of gallium nitride with a size of 3 × 2 mm, and with a thickness of 200 μm and a surface perpendicular to the crystalline axis with [0 0 0 1]. Eleven holes were formed on the plate in the form of inverted truncated hexagonal pyramids with faces coinciding with the crystal planes {1 -1 0 1} and the angle of inclination of the side faces with respect to the plane (0 0 0 1), θ = 61.96 °, with the sides of the base, oriented along the crystalline directions <1 1 -2 0>, and with the length of the sides of the base R b = 200 μm. Inverted truncated hexagonal pyramids are packed in a triangular two-dimensional lattice with a period of 500 μm.

Схема разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид приведена на Фиг.3. Слоистая структура светодиодного чипа состоит из проводящей подложки 100 нитрида галлия n-типа толщиной 100 мкм, на которую снизу нанесен металлический контакт 302, слоя 201 из высококачественного нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, нелегированного активного слоя 202 GaN толщиной 0,1 мкм с пятью квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, слоя 203 GaN р-типа толщиной 0,1 мкм с Al0.4Ga0.6N барьером толщиной 5 нм на границе с активным слоем 202, проводящего слоя 204 из оксида индия с оловом (ITO) толщиной 1 мкм, на который сверху нанесен металлический контакт 303.The cross-sectional diagram of the LED chip 300 in the region of one of the truncated inverted pyramids is shown in FIG. 3. The layered structure of the LED chip consists of a conductive substrate 100 of n-type gallium nitride with a thickness of 100 μm, on which a metal contact 302 is applied from below, a layer 201 of high-quality n-type gallium nitride with a thickness of 2 μm, an undoped active layer 202 GaN with a thickness of 0.1 μm with five In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells with a width of 2 nm, a p-type 203 GaN layer 0.1 μm thick with an Al 0.4 Ga 0.6 N 5 nm barrier at the interface with the active layer 202, a conducting layer of indium oxide tin 204 (ITO ) 1 μm thick, on which a metal contact 303 is applied on top.

При приложении постоянного напряжения между контактами 302 и 303 в светодиодном чипе 300 протекает ток, при этом электроны из контакта 302 перетекают сначала в проводящую подложку 100 нитрида галлия n-типа, затем в слой 201 высококачественного нитрида галлия n-типа, и далее попадают в активный слой 202 нелегированного GaN с пятью квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с дырками, испуская голубой свет. В свою очередь, дырки из проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO), формирующего прозрачный омический контакт перетекают в слой 203 GaN р-типа, преодолевают Al0.4Ga0.6N барьер, предотвращающий утечку электронов в слой 203 GaN р-типа, и также попадают в активный слой нелегированного слоя 202 GaN с пятью квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с электронами, испуская голубой свет.When a constant voltage is applied, current flows between the contacts 302 and 303 in the LED chip 300, while the electrons from the contact 302 first flow into the conductive substrate 100 of n-type gallium nitride, then into the layer 201 of high-quality n-type gallium nitride, and then fall into the active layer 202 of undoped GaN with five In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells 2 nm wide, where they recombine with holes, emitting blue light. In turn, holes from the conducting layer of indium oxide tin (ITO) 204, which forms a transparent ohmic contact, flow into the p-type GaN layer 203, overcome the Al 0.4 Ga 0.6 N barrier preventing electron leakage into the p-type GaN layer 203, and also fall into the active layer of an undoped 202 GaN layer with five In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells 2 nm wide, where they recombine with electrons, emitting blue light.

Из-за присутствия в инвертированных пирамидах наклонных плоскостей с большим углом наклона θ=61,96° коэффициент экстракции света из светодиодного чипа 300 значительно превышает коэффициент экстракции света для обычного плоского чипа.Due to the presence of inclined planes with a large angle of inclination θ = 61.96 ° in the inverted pyramids, the light extraction coefficient from the LED chip 300 is significantly higher than the light extraction coefficient for a conventional flat chip.

Кроме этого, в пяти квантовых ямах In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, сформированных в слое 202 нелегированного GaN, на боковых гранях пирамиды, образованных кристаллическими плоскостями {1 -1 0 1}, из-за разворота этих плоскостей относительно полярной плоскости (О 0 0 1), сильно подавлено встроенное электрическое поле, связанное со спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, что способствует повышению внутреннего квантового выхода света из активного слоя 202.In addition, in five In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells with a width of 2 nm, formed in a layer of 202 undoped GaN, on the side faces of the pyramid formed by the {1 -1 0 1} crystal planes, due to the rotation of these planes relative to the polar plane (О 0 0 1), the built-in electric field associated with spontaneous and piezoelectric polarization is strongly suppressed, which helps to increase the internal quantum yield of light from the active layer 202.

Также использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет.Also, the use of truncated pyramids makes it possible to avoid contact of the active layer with the region close to the top of the pyramid, where the increased rate of nonradiative recombination due to the presence of dislocations and contaminants reduces the internal quantum yield and reduces the coefficient of conversion of electric energy into light.

Пример 2. Светодиодный чип с восьмью отверстиями в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид, генерирующий белый свет с использованием люминофора.Example 2. An eight-hole LED chip in the shape of an inverted truncated hexagonal pyramid that generates white light using a phosphor.

Общая схема подложки 100 светодиодного чипа, генерирующего белый свет, приведена на Фиг.1. Положка светодиодного чипа состоит из прямоугольной пластины полупроводникового кристалла нитрида галлия размером 1×1 мм и с толщиной 200 мкм и поверхностью перпендикулярной кристаллической оси с [0 0 0 1]. На пластине сформированы восемь отверстий в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с гранями, совпадающими с кристаллическими плоскостями {3 3 -6 2} и углом наклона боковых граней по отношению к плоскости (0 0 0 1), θ=78,42°, со сторонами основания, ориентированными вдоль кристаллических направлений <1 -1 0 0>, и с длиной сторон основания Rb=100 мкм. Инвертированные усеченные шестиугольные пирамиды упакованы в треугольную двумерную решетку с периодом 300 мкм.The general layout of the substrate 100 of an LED chip generating white light is shown in FIG. The position of the LED chip consists of a rectangular plate of a semiconductor crystal of gallium nitride with a size of 1 × 1 mm and a thickness of 200 μm and a surface perpendicular to the crystalline axis with [0 0 0 1]. Eight holes are formed on the plate in the form of inverted truncated hexagonal pyramids with faces coinciding with the crystal planes {3 3 -6 2} and the angle of inclination of the side faces with respect to the plane (0 0 0 1), θ = 78.42 °, with sides the base, oriented along the crystalline directions <1 -1 0 0>, and with the length of the sides of the base R b = 100 μm. Inverted truncated hexagonal pyramids are packed in a triangular two-dimensional lattice with a period of 300 μm.

Схема разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид приведена на Фиг.4. Слоистая структура светодиодного чипа состоит из проводящей подложки 100 нитрида галлия n-типа толщиной 100 мкм, на которую снизу нанесен металлический контакт 302, слоя 201 высококачественного нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, нелегированного слоя 202 GaN толщиной 0,1 мкм, с одной широкой ямой In0.1Ga0.9N шириной 20 нм и тремя квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, слоя 203 GaN р-типа толщиной 0,1 мкм, проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO) толщиной 1 мкм, на который сверху нанесен металлический контакт 303, на котором лежит слой 401 люминофора.A section diagram of a LED chip 300 in the region of one of the truncated inverted pyramids is shown in FIG. 4. The layered structure of the LED chip consists of a conductive substrate 100 of n-type gallium nitride with a thickness of 100 μm, on which a metal contact 302 is applied from below, a layer 201 of high-quality n-type gallium nitride with a thickness of 2 μm, an unalloyed layer of 202 GaN with a thickness of 0.1 μm, with one a wide In 0.1 Ga 0.9 N well with a width of 20 nm and three In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells with a width of 2 nm, a p-type 203 GaN layer 0.1 μm thick, a conductive indium oxide layer 204 with tin (ITO) 1 μm thick, on which is placed on top of a metal contact 303, on which lies the phosphor layer 401.

Монтаж светодиодного чипа 300 в светодиоде или светодиодной лампе производится на зеркальную отражающую поверхность, например полированную алюминиевую или медную пластину.The LED chip 300 is mounted in an LED or LED lamp on a mirror reflective surface, such as a polished aluminum or copper plate.

При приложении постоянного напряжения между контактами 302 и 303, в светодиодном чипе 300 протекает ток, при этом электроны из контакта 302 перетекают сначала в проводящую подложку 100 нитрида галлия n-типа, затем в слой 201 высококачественного нитрида галлия n-типа, и далее попадают в активный слой 202 нелегированного GaN, где сначала захватываются в широкую ямой In0.1Ga0.9N шириной 20 нм, а затем туннелируют в три квантовые ямы In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с дырками, испуская голубой свет. В свою очередь дырки из проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO), формирующего прозрачный омический контакт перетекают в слой 203 GaN р-типа, попадают в активный слой 202 нелегированного GaN и захватываются тремя квантовыми ямами In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, где рекомбинируют с электронами, испуская голубой свет. Голубой свет, испускаемый светодиодным чипом 300, попадает в слой 401 люминофора, либо сразу, либо после нескольких отражений от нижней зеркальной поверхности и боковых граней инвертированной усеченной пирамиды. В слое 401 люминофора голубой свет возбуждает люминофор и преобразуется в белый свет.When a constant voltage is applied between the contacts 302 and 303, current flows in the LED chip 300, while the electrons from the contact 302 first flow into the conductive substrate 100 of n-type gallium nitride, then into the layer 201 of high-quality gallium nitride of the n-type, and then fall into active layer 202 of undoped GaN, where they are first captured in a wide In 0.1 Ga 0.9 N well with a width of 20 nm, and then tunnel into three In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells with a width of 2 nm, where they recombine with holes, emitting blue light. In turn, holes from the conducting layer of indium oxide tin (ITO) 204, which forms a transparent ohmic contact, flow into the p-type GaN layer 203, fall into the undoped GaN active layer 202, and are captured by two 2 nm wide In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells, where they recombine with electrons, emitting blue light. The blue light emitted by the LED chip 300 enters the phosphor layer 401, either immediately or after several reflections from the lower mirror surface and the side faces of the inverted truncated pyramid. In the phosphor layer 401, blue light excites the phosphor and is converted to white light.

Из-за присутствия в инвертированных пирамидах наклонных плоскостей с большим углом наклона θ=78,42°, коэффициент экстракции света из светодиодного чипа 300 значительно превышает коэффициент экстракции света для обычного плоского чипа.Due to the presence of inclined planes with a large angle of inclination θ = 78.42 ° in the inverted pyramids, the light extraction coefficient from the LED chip 300 is significantly higher than the light extraction coefficient for a conventional flat chip.

Кроме этого, в трех квантовых ямах In0.2Ga0.8N шириной 2 нм, сформированных в слое 202 нелегированного GaN, на боковых гранях пирамид, образованных кристаллическими плоскостями {3 3 -6 2}, из-за разворота этих плоскостей относительно полярной плоскости (0 0 0 1), сильно подавлено встроенное электрическое поле, связанное со спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, что способствует повышению внутреннего квантового выхода света из активного слоя 202.In addition, in three In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells 2 nm wide, formed in a layer of 202 undoped GaN, on the lateral faces of the pyramids formed by {3 3 -6 2} crystal planes, due to the rotation of these planes relative to the polar plane (0 0 0 1), the built-in electric field associated with spontaneous and piezoelectric polarization is strongly suppressed, which helps to increase the internal quantum yield of light from the active layer 202.

Также использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет.Also, the use of truncated pyramids makes it possible to avoid contact of the active layer with the region close to the top of the pyramid, where the increased rate of nonradiative recombination due to the presence of dislocations and contaminants reduces the internal quantum yield and reduces the coefficient of conversion of electric energy into light.

Пример 3. Светодиодный чип с восьмью отверстиями в форме инвертированных усеченных шестиугольных пирамид, генерирующий белый свет без использования люминофора.Example 3. An LED chip with eight holes in the form of inverted truncated hexagonal pyramids that generates white light without using a phosphor.

Общая схема подложки 100 светодиодного чипа, генерирующего белый свет, приведена на Фиг.1. Подложка светодиодного чипа состоит из прямоугольной пластины полупроводникового кристалла нитрида галлия размером 2×2 мм, и с толщиной 100 мкм и поверхностью перпендикулярной кристаллической оси с [0 0 0 1]. На пластине сформированы восемь инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с гранями, совпадающими с кристаллическими плоскостями {1 1 -2 2}, и углом наклона боковых граней по отношению к плоскости (0 0 0 1), θ=58,41°, со сторонами основания, ориентированными вдоль кристаллических направлений <1 -1 0 0>, и с длиной стороны основания Rb=150 мкм. Инвертированные усеченные шестиугольные пирамиды упакованы в треугольную двумерную решетку с периодом 500 мкм.The general layout of the substrate 100 of an LED chip generating white light is shown in FIG. The substrate of the LED chip consists of a rectangular plate of a gallium nitride semiconductor crystal with a size of 2 × 2 mm, and with a thickness of 100 μm and a surface perpendicular to the crystal axis with [0 0 0 1]. Eight inverted truncated hexagonal pyramids with faces coinciding with the crystal planes {1 1 -2 2} and an angle of inclination of the side faces with respect to the plane (0 0 0 1), θ = 58.41 °, with the sides of the base, are formed on the plate oriented along the crystalline directions <1 -1 0 0>, and with the length of the side of the base R b = 150 microns. Inverted truncated hexagonal pyramids are packed in a triangular two-dimensional lattice with a period of 500 μm.

На Фиг.5 приведена схема разреза светодиодного чипа 300 в области одной из усеченных инвертированных пирамид. Слоистая структура светодиодного чипа состоит из проводящей подложки 100 нитрида галлия n-типа толщиной 100 мкм, на которую снизу нанесен металлический контакт 302, слоя 201 высококачественного нитрида галлия n-типа толщиной 2 мкм, слоя 202 нелегированного GaN толщиной 0,1 мкм, с одной широкой ямой In0.1Ga0.9N шириной 20 нм и тремя квантовыми ямами In0.15Ga0.85N, с переменной шириной, составляющей 2 нм на гранях инвертированных усеченных шестиугольных пирамид с совпадающих с кристаллическими плоскостями {1 1 -2 2} и 4 нм вне пирамид на горизонтальной кристаллической плоскости (0 0 0 1), слоя 203 GaN р-типа толщиной 0,1 мкм, слоя 204 оксида индия с оловом (ITO) толщиной 1 мкм, на который сверху нанесен металлический сетчатый контакт 501, электрически соединенный с усиленным металлическим контактом 303, на котором расположен оптический рассеиватель 502 света.Figure 5 shows a sectional diagram of an LED chip 300 in the region of one of the truncated inverted pyramids. The layered structure of the LED chip consists of a conductive substrate 100 of n-type gallium nitride with a thickness of 100 μm, on which a metal contact 302 is applied from below, a layer 201 of high-quality n-type gallium nitride with a thickness of 2 μm, an undoped GaN layer 202 with a thickness of 0.1 μm, with one a wide In 0.1 Ga 0.9 N well with a width of 20 nm and three In 0.15 Ga 0.85 N quantum wells with a variable width of 2 nm at the faces of inverted truncated hexagonal pyramids coinciding with the crystal planes {1 1 -2 2} and 4 nm outside the pyramids on horizontal crystalline plane (0 0 0 1), p-type GaN layer 203 0.1 μm thick, indium tin layer 204 (ITO) 20 μm thick, on which a metal mesh contact 501 is applied, electrically connected to a reinforced metal contact 303 on which the optical light diffuser 502 is located.

Монтаж светодиодного чипа 300 в светодиоде или светодиодной лампе, производится на зеркальную отражающую поверхность, например, полированную алюминиевую или медную пластину.Installation of the LED chip 300 in an LED or LED lamp is performed on a mirror reflective surface, for example, a polished aluminum or copper plate.

При приложении постоянного напряжения между контактами 302 и 303 в светодиодном чипе 300 протекает ток, при этом электроны из контакта 302 перетекают сначала в проводящую подложку 100 нитрида галлия n-типа, затем в высококачественный слой 201 нитрида галлия n-типа, и далее попадают в активный слой 202 нелегированного GaN, где сначала захватываются в широкую яму In0.1Ga0.9N шириной 20 нм, а затем туннелируют в три квантовые ямы In0.2Ga0.8N с шириной 2 нм на гранях пирамид и 4 нм на участках горизонтальной плоскости вне пирамид, где рекомбинируют с дырками, испуская голубой свет на гранях пирамид и желтый - на участках горизонтальной плоскости вне пирамид. В свою очередь дырки из проводящего слоя 204 оксида индия с оловом (ITO), формирующего прозрачный омический контакт, перетекают в слой 203 GaN р-типа, попадают в активный слой 202 нелегированного GaN и захватываются тремя квантовыми ямами In0.2Ga0.8N с переменной шириной, где рекомбинируют с электронами, испуская голубой и желтый свет.Голубой и желтый свет, испускаемый светодиодным чипом 300, попадает в оптической рассеиватель 502 света либо сразу, либо после нескольких отражений от нижней зеркальной поверхности и боковых граней инвертированной усеченной пирамиды. В оптическом рассеивателе 502 света голубой и желтый свет смешивается и преобразуется в белый свет.When a constant voltage is applied, current flows between the contacts 302 and 303 in the LED chip 300, while the electrons from the contact 302 first flow to the n-type gallium nitride conductive substrate 100, then to the high-quality n-type gallium nitride layer 201, and then fall into the active layer 202 of undoped GaN, where they are first captured into a wide In 0.1 Ga 0.9 N well with a width of 20 nm, and then tunnel into three In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells with a width of 2 nm on the faces of the pyramids and 4 nm on the horizontal plane sections outside the pyramids, where recombine with holes, emit I have blue light on the faces of the pyramids and yellow on sections of the horizontal plane outside the pyramids. In turn, holes from the conducting layer of indium oxide tin (ITO) 204, which forms a transparent ohmic contact, flow into the p-type GaN layer 203, fall into the undoped GaN active layer 202, and are captured by three variable width In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells where they recombine with the electrons, emitting blue and yellow light. The blue and yellow light emitted by the LED chip 300 enters the optical light diffuser 502 either immediately or after several reflections from the lower mirror surface and the side faces of the inverted truncated th pyramids. In the optical light diffuser 502, blue and yellow light are mixed and converted to white light.

Из-за присутствия в инвертированных пирамидах наклонных плоскостей с большим углом наклона θ=58,41°, коэффициент экстракции света из светодиодного чипа 300 значительно превышает коэффициент экстракции света для обычного плоского чипа.Due to the presence of inclined planes with a large angle of inclination θ = 58.41 ° in the inverted pyramids, the light extraction coefficient from the LED chip 300 is significantly higher than the light extraction coefficient for a conventional flat chip.

Кроме этого, в трех квантовых ямах In0.2Ga0.8N, шириной 2 нм, сформированных в слое 202 нелегированного GaN, на боковых гранях пирамид, образованных кристаллическими плоскостями {1 1 -2 2}, из-за разворота этих плоскостей относительно полярной плоскости (0 0 0 1), сильно подавлено встроенное электрическое поле, связанное со спонтанной и пьезоэлектрической поляризацией, что способствует повышению внутреннего квантового выхода света из активного слоя 202.In addition, in three In 0.2 Ga 0.8 N quantum wells, 2 nm wide, formed in a layer 202 of undoped GaN, on the side faces of the pyramids formed by the {1 1 -2 2} crystal planes, due to the rotation of these planes relative to the polar plane ( 0 0 0 1), the built-in electric field associated with spontaneous and piezoelectric polarization is strongly suppressed, which helps to increase the internal quantum yield of light from the active layer 202.

Также использование усеченных пирамид позволяет избежать контакта активного слоя с областью близкой к вершине пирамиды, где повышенная скорость безизлучательной рекомбинации из-за наличия дислокации и загрязняющих примесей, снижает внутренний квантовый выход, и уменьшает коэффициент преобразования электрической энергии в свет.Also, the use of truncated pyramids makes it possible to avoid contact of the active layer with the region close to the top of the pyramid, where the increased rate of nonradiative recombination due to the presence of dislocations and contaminants reduces the internal quantum yield and reduces the coefficient of conversion of electric energy into light.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано примерами вариантов осуществления изобретения, необходимо отметить, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено приведенными примерами.Although the present invention has been described and illustrated by examples of embodiments of the invention, it should be noted that the present invention is in no way limited to the examples given.

Claims (19)

1. Светоизлучающее полупроводниковое устройство, содержащее:
- подложку;
- первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа, сформированный на подложке;
- второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа;
- активный слой, расположенный между первым и вторым слоями;
- проводящий слой, расположенный на втором слое,
- первый контакт, нанесенный на подложку,
- второй контакт, нанесенный на проводящий слой, причем подложка содержит, по меньшей мере, одно сквозное отверстие, выполненное в форме усеченной инвертированной пирамиды, при этом первый, второй, активный и проводящий слои нанесены как на горизонтальные участки подложки, так и на внутренние грани отверстий.
1. A light emitting semiconductor device, comprising:
- substrate;
- the first layer of a semiconductor with n-type conductivity formed on a substrate;
- a second p-type semiconductor layer;
- an active layer located between the first and second layers;
- a conductive layer located on the second layer,
- the first contact deposited on the substrate,
- a second contact deposited on the conductive layer, and the substrate contains at least one through hole made in the form of a truncated inverted pyramid, while the first, second, active and conductive layers are applied both to horizontal sections of the substrate and to the inner faces holes.
2. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором количество граней упомянутых пирамид лежит в пределах от 3 до 24, длина боковой стороны основания пирамид лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм, угол наклона боковых граней упомянутых пирамид по отношению к поверхности подложки лежит в пределах от 10 до 90°, высота отсеченной части пирамиды составляет от 5 до 50% от ее полной высоты.2. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which the number of faces of the pyramids lies in the range from 3 to 24, the length of the side of the base of the pyramids lies in the range of 10 μm to 1 mm, the angle of inclination of the side faces of the pyramids with respect to the surface of the substrate lies in the range from 10 to 90 °, the height of the cut off part of the pyramid is from 5 to 50% of its full height. 3. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором сквозные отверстия расположены в виде двумерной решетки.3. The light emitting semiconductor device according to claim 1, in which the through holes are arranged in the form of a two-dimensional lattice. 4. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором толщина подложки лежит в пределах от 10 мкм до 1 мм.4. The light emitting semiconductor device according to claim 1, in which the thickness of the substrate lies in the range from 10 μm to 1 mm 5. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором подложка выполнена из нитрида галлия.5. The light emitting semiconductor device according to claim 1, in which the substrate is made of gallium nitride. 6. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором подложка выполнена из карбида кремния.6. The light emitting semiconductor device according to claim 1, in which the substrate is made of silicon carbide. 7. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором подложка выполнена из оксида алюминия.7. The light emitting semiconductor device according to claim 1, wherein the substrate is made of alumina. 8. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором проводящий слой является прозрачным или полупрозрачным.8. The light emitting semiconductor device according to claim 1, in which the conductive layer is transparent or translucent. 9. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.8, в котором проводящий слой выполнен из оксида индия с оловом (ITO).9. The light emitting semiconductor device of claim 8, wherein the conductive layer is made of indium tin oxide (ITO). 10. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.8, в котором проводящий слой выполнен из металла толщиной от 50 до 400Å.10. The light emitting semiconductor device of claim 8, in which the conductive layer is made of metal with a thickness of from 50 to 400 Å. 11. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором первый слой из полупроводника с проводимостью n-типа выполнен из нитрида галлия, легированного кремнием.11. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which the first layer of a semiconductor with n-type conductivity is made of gallium nitride doped with silicon. 12. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором второй слой из полупроводника с проводимостью р-типа выполнен из легированного магнием нитрида галлия.12. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, wherein the second p-type semiconductor layer is made of magnesium doped gallium nitride. 13. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой выполнен из нитрида галлия (GaN) и твердого раствора нитрида бор - алюминий - галлий - индия (BxAlyGazIn1-zN).13. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which the active layer is made of gallium nitride (GaN) and a solid solution of boron nitride - aluminum - gallium - indium (B x Al y Ga z In 1-z N). 14. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой выполнен составным, состоящим из слоев из полупроводника со структурой фазы цинковой обманки и слоев со структурой фазы вюрцита.14. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which the active layer is made composite, consisting of layers of a semiconductor with a zinc blende phase structure and layers with a wurtzite phase structure. 15. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой содержит множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор - алюминий - галлий - индия (BxAlyGazIn1-zN).15. The light emitting semiconductor device according to claim 1, in which the active layer contains many quantum wells made of a solid solution of boron nitride - aluminum - gallium - indium (B x Al y Ga z In 1-z N). 16. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором активный слой содержит одну широкую яму и множество квантовых ям, выполненных из твердого раствора нитрида бор - алюминий - галлий -индия (BxAlyGazIn1-zN).16. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which the active layer contains one wide well and many quantum wells made of a solid solution of boron nitride - aluminum - gallium indium (B x Al y Ga z In 1-z N). 17. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором оно дополнительно содержит слой люминофора, расположенный на верхней поверхности чипа, для конверсии голубого света в белый свет.17. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which it further comprises a phosphor layer located on the upper surface of the chip, for the conversion of blue light into white light. 18. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором оно дополнительно содержит оптический рассеиватель света, расположенный на верхней поверхности чипа, для получения белого света из смеси разноцветных световых потоков, излучаемых из граней пирамид и из плоских участков вне пирамид.18. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which it further comprises an optical light diffuser located on the upper surface of the chip, to obtain white light from a mixture of multi-colored light fluxes emitted from the faces of the pyramids and from flat areas outside the pyramids. 19. Светоизлучающее полупроводниковое устройство по п.1, в котором второй контакт выполнен несплошным с возможностью частичного пропускания света. 19. The light-emitting semiconductor device according to claim 1, in which the second contact is made continuous with the possibility of partial transmission of light.
RU2011106966/28A 2011-02-24 2011-02-24 Semiconductor light-emitting device RU2494498C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011106966/28A RU2494498C2 (en) 2011-02-24 2011-02-24 Semiconductor light-emitting device
PCT/RU2012/000147 WO2012115541A2 (en) 2011-02-24 2012-02-24 Light-emitting semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011106966/28A RU2494498C2 (en) 2011-02-24 2011-02-24 Semiconductor light-emitting device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011106966A RU2011106966A (en) 2012-08-27
RU2494498C2 true RU2494498C2 (en) 2013-09-27

Family

ID=46489455

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011106966/28A RU2494498C2 (en) 2011-02-24 2011-02-24 Semiconductor light-emitting device

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2494498C2 (en)
WO (1) WO2012115541A2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2690036C1 (en) * 2018-07-25 2019-05-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method for production of nitride light-emitting diode
RU2721166C1 (en) * 2019-10-14 2020-05-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method for production of nitride light-emitting diode

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2530487C1 (en) * 2013-06-04 2014-10-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур Российской академии наук" Method of producing nitride light-emitting diode
CN114914337A (en) * 2021-02-10 2022-08-16 深圳第三代半导体研究院 Light emitting device and method of manufacturing the same
US20240154063A1 (en) * 2021-04-15 2024-05-09 Enkris Semiconductor, Inc. Semiconductor structures and manufacturing methods thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030001161A1 (en) * 2001-06-12 2003-01-02 Pioneer Corporation Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same
RU2200358C1 (en) * 2001-06-05 2003-03-10 Хан Владимир Александрович Semiconductor light-emitting diode
WO2004057680A1 (en) * 2002-12-20 2004-07-08 Technische Universität Braunschweig Radiation-emitting semiconductor body and method for production thereof
JP2006339534A (en) * 2005-06-03 2006-12-14 Sony Corp Light emitting diode, manufacturing method therefor, light emitting diode back light, light emitting diode lighting device, light emitting diode display and electronic apparatus
CN101315968A (en) * 2008-07-04 2008-12-03 西安电子科技大学 Production method of GaN multi-layer quantum point photoelectric material
US7611917B2 (en) * 2005-04-29 2009-11-03 Cree, Inc. Methods of forming light emitting devices with active layers that extend into opened pits

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5087949A (en) 1989-06-27 1992-02-11 Hewlett-Packard Company Light-emitting diode with diagonal faces
AU747260B2 (en) 1997-07-25 2002-05-09 Nichia Chemical Industries, Ltd. Nitride semiconductor device
GB9912583D0 (en) 1999-05-28 1999-07-28 Arima Optoelectronics Corp A light emitting diode having a two well system with asymmetric tunneling
US7279718B2 (en) 2002-01-28 2007-10-09 Philips Lumileds Lighting Company, Llc LED including photonic crystal structure
US7335920B2 (en) 2005-01-24 2008-02-26 Cree, Inc. LED with current confinement structure and surface roughening
KR100833309B1 (en) 2006-04-04 2008-05-28 삼성전기주식회사 Nitride semiconductor light emitting device
US20110114917A1 (en) * 2008-07-21 2011-05-19 Pan Shaoher X Light emitting device
KR101521259B1 (en) * 2008-12-23 2015-05-18 삼성전자주식회사 Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
KR20100093872A (en) * 2009-02-17 2010-08-26 삼성엘이디 주식회사 Nitride semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
US20100308300A1 (en) * 2009-06-08 2010-12-09 Siphoton, Inc. Integrated circuit light emission device, module and fabrication process

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2200358C1 (en) * 2001-06-05 2003-03-10 Хан Владимир Александрович Semiconductor light-emitting diode
US20030001161A1 (en) * 2001-06-12 2003-01-02 Pioneer Corporation Nitride semiconductor device and method for manufacturing the same
WO2004057680A1 (en) * 2002-12-20 2004-07-08 Technische Universität Braunschweig Radiation-emitting semiconductor body and method for production thereof
US7611917B2 (en) * 2005-04-29 2009-11-03 Cree, Inc. Methods of forming light emitting devices with active layers that extend into opened pits
JP2006339534A (en) * 2005-06-03 2006-12-14 Sony Corp Light emitting diode, manufacturing method therefor, light emitting diode back light, light emitting diode lighting device, light emitting diode display and electronic apparatus
CN101315968A (en) * 2008-07-04 2008-12-03 西安电子科技大学 Production method of GaN multi-layer quantum point photoelectric material

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2690036C1 (en) * 2018-07-25 2019-05-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method for production of nitride light-emitting diode
RU2721166C1 (en) * 2019-10-14 2020-05-18 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук Method for production of nitride light-emitting diode

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012115541A3 (en) 2012-12-27
WO2012115541A2 (en) 2012-08-30
RU2011106966A (en) 2012-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5908558B2 (en) Photoelectric device and manufacturing method thereof
KR100845856B1 (en) LED package and method of manufacturing the same
US9099629B2 (en) Semiconductor light emitting device and light emitting apparatus
KR101469979B1 (en) group 3 nitride-based semiconductor light emitting diodes and methods to fabricate them
US9099624B2 (en) Semiconductor light emitting device and package
CN100386899C (en) Efficient full-bright all-reflection light-emitting-diode and making method
KR102075147B1 (en) Light emitting device and light emitting device package
US20150188015A1 (en) GaN-based Light Emitting Diode with Current Spreading Structure
US20130015465A1 (en) Nitride semiconductor light-emitting device
CN102270633A (en) High-power flip-chip array LED chip and manufacturing method thereof
KR101552104B1 (en) Semiconductor Light Emitting Device
RU2494498C2 (en) Semiconductor light-emitting device
US8395173B2 (en) Semiconductor light-emitting element, method of manufacturing same, and light-emitting device
KR20150097322A (en) Nano-sturucture semiconductor light emitting device
KR20090115906A (en) Methods of surface texture for group 3-nitride semiconductor light emitting diode
TWI515929B (en) Patterned?base material?and light emitting diode component for lightemitting angle of convergence
KR20180074198A (en) Semiconductor light emitting device
WO2017101522A1 (en) Light emitting diode and method for manufacturing same
Wei et al. Improving light output of vertical-stand-type InGaN light-emitting diodes grown on a free-standing GaN substrate with self-assembled conical arrays
US8735923B2 (en) Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof
KR20110132161A (en) Semiconductor light emitting diode and method of manufacturing thereof
KR101171326B1 (en) Luminescence device and Method of manufacturing the same
CN102522468A (en) Light emitting diode with good n-type ohmic contact and manufacturing method thereof
CN202332853U (en) Large-power inverse array LED (Light-Emitting Diode) chip
CN107464864A (en) Light emitting diode and preparation method thereof