RU2545492C1 - Устройство полупроводникового светодиода - Google Patents
Устройство полупроводникового светодиода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2545492C1 RU2545492C1 RU2013154196/28A RU2013154196A RU2545492C1 RU 2545492 C1 RU2545492 C1 RU 2545492C1 RU 2013154196/28 A RU2013154196/28 A RU 2013154196/28A RU 2013154196 A RU2013154196 A RU 2013154196A RU 2545492 C1 RU2545492 C1 RU 2545492C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- light
- crystal
- layer
- led
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Led Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, устройствам полупроводниковых светодиодов. В устройстве полупроводникового светодиода, излучающего через рассеивающую поверхность прозрачной пластины и содержащего в ней светогенерирующую область, в соответствии с изобретением, на поверхности пластины в качестве рассеивателя закреплен слой прозрачных частиц с большим, чем у окружающей среды, показателем преломления и меньшим длины волны зазором между частицей и поверхностью. Изобретение обеспечивает возможность создания конструкции светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения из объема кристалла и возможностью его изготовления по более простой технологии. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к микроэлектронике, оптической и оптоэлектронной технике, к устройствам полупроводниковых светодиодов.
При создании полупроводниковых светодиодов существует проблема обеспечения эффективного выхода излучения из объема светоизлучающего кристалла в окружающую среду. Эффективность не высока в связи со значительным отражением света от поверхности кристалла, обычно изготовленного из полупроводника с высоким значением показателя преломления. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения лучи, падающие на поверхность изнутри кристалла под углами больше критического угла полного отражения, возвращаются в кристалл; через гладкую поверхность кристалла выходит менее 5% возникшего в кристалле излучения. Предложено несколько вариантов конструкции светодиодов с повышенной внешней квантовой эффективностью за счет создания рельефа на выходной поверхности излучающего полупроводникового кристалла.
В качестве аналога выбрана конструкция светодиода EZBrightTM компании Cree, представленная в работе [А.Г. Полищук, А.Н. Туркин. Новое поколение светодиодов компании Cree для освещения. Автоматизация в промышленности. Июль 2009]. Излучающая структура слоев GaN и его твердых растворов эпитаксиально выращена на SiC подложке толщиной 100 мкм; после формирования излучающей структуры SiC подложка стравливается через маску до 35 мкм с образованием упорядоченной микролинзовой системы, которая обеспечивает собирание светового потока с поверхности структуры.
Недостатком аналога является необходимость прибегать для формирования рельефа к фотолитографии и глубокому травлению полупроводниковой пластины в ходе изготовления кристалла, сложность технологии создания рельефа.
В работе [И.П. Смирнова и др. Увеличение квантовой эффективности флип-чип AlGaInN-светодиодов путем реактивного ионного травления внешней стороны подложек SiC // ФТП. - 2010. - Т.44, вып.5. - С.684-687] описана конструкция светодиода, выбранная в качестве прототипа представленного изобретения: на внешней стороне прозрачных подложек имеется рельеф из материала подложек в виде беспорядочно и случайно расположенных выступов и впадин с характерными размерами меньше длины волны излучаемого света; представлен метод создания рассеивающего свет микрорельефа на внешней стороне подложек SiC для уменьшения потерь при выводе света из светодиодного кристалла, связанных с эффектом полного внутреннего отражения в структурах AlGaIn/GaN. Предложено использовать тонкие слои фоторезиста в качестве случайных масок для процесса реактивного ионного травления подложки из карбида кремния. Получающийся рельеф имеет характер беспорядочно расположенных микроразмерных выступов и впадин из материала полупроводниковой подложки кристалла на ее выходной поверхности. Оптимизацией режимов травления на поверхности подложки SiC получен микрорельеф с требуемыми параметрами, что привело к увеличению внешней квантовой эффективности светоизлучающих кристаллов более чем на 25%.
Недостатком прототипа является сложность технологии получения рельефа.
Задачей, решаемой в данном изобретении, является создание конструкции светодиода с увеличенной эффективностью вывода излучения из объема кристалла и возможностью его изготовления по более простой технологии.
Задача решается тем, что в устройстве полупроводникового светодиода, излучающего через рассеивающую поверхность прозрачной пластины и содержащего в ней светогенерирующую область, в соответствии с изобретением на поверхности пластины в качестве рассеивателя закреплен слой прозрачных частиц с большим, чем у окружающей среды, показателем преломления и меньшим длины волны зазором между частицей и поверхностью.
Предлагается также, что размеры частиц сравнимы с длиной волны света в среде и больше ее.
Предлагается также, что слой частиц расположен в приповерхностной зоне шириной меньше длины волны и частицы имеют поперечник с размерами меньше длины волны в среде.
Предлагается также, что закрепление частиц выполнено слоем прозрачного полимера.
Предложенное устройство поясняется с помощью фигур 1, 2, 3 и 4.
На фигуре 1 показано устройство светодиода. Здесь 1 - подложка кристалла светодиода, 2 - частицы на поверхности 3 подложки, n1, n2 - показатели преломления окружающей среды и подложки кристалла.
На фигуре 2 - поверхность пластины кристалла светодиода с микрочастицами и ход лучей при прохождении излучения через поверхность. Здесь 4 - микрочастицы на поверхности, 5 - падающие на частицы изнутри подложки лучи, 6 и 7 - преломленный после однократного отражения от грани частицы луч и после двукратного отражения, n3 - показатель преломления частиц на поверхности.
На фигуре 3 - поверхность пластины кристалла светодиода с наночастицами в зоне туннелирования электромагнитной волны при полном внутреннем отражении света на поверхности и ход лучей при прохождении излучения через поверхность. Здесь 8 - слой среды с показателем преломления n4, в которую погружены наночастицы, 9 и 9′ - падающие под углом больше критического угла падения и отраженные от поверхности лучи, 10 и 11 - рассеянные наночастицей лучи внутрь подложки и в окружающее пространство, d - толщина слоя 8, h - толщина зоны туннелирования света.
На фигуре 4 - схема расположения прозрачного слоя полимера, скрепляющего частицы с поверхностью кристалла светодиода. Здесь 12 - скрепляющий прозрачный слой, имеющий показатель преломления n4.
При подключении светодиода к электрической цепи при помощи электродов катода и анода в зоне, содержащей слои InGaN, возникает излучение; направления распространения лучей ламбертовское, равномерное в пределах телесного угла 4πср. На выходную поверхность 3 кристалла 1 лучи падают под всеми возможными углами. Вследствие эффекта полного внутреннего отражения проходит через гладкую плоскую поверхность менее 5% возникшего светового потока. Наличие частиц с показателем преломления, большим показателя окружающей среды, приводит к рассеянию падающего на частицу света, если зазор между частицей и поверхностью меньше длины волны света в среде.
На фигуре 2 показано, что при отсутствии зазора или малом зазоре частица - поверхность лучи 5 изнутри подложки 1 проникают в частицы 4 и при падении на грани частицы изнутри преломляются в окружающую среду, отраженное от грани излучение повторно попадет на грань частицы и может вновь испытать преломление с выходом в окружающую среду. Таким образом, наличие частиц на поверхности увеличивает выход излучения из кристалла светодиода. Размеры частиц в рассматриваемом случае могут быть сравнимы с длиной волны или быть больше длины волны. Конфигурация частиц может быть произвольной, однако поверхность соприкосновения частицы и кристалла должна пропускать излучение из кристалла в частицу. Частица должна быть или припечена к поверхности, при этом величина зазора минимизируется вследствие частичного расплавления частицы или подложки или прохождения диффузионных процессов при повышенной температуре припекания, или приклеена к поверхности прозрачным клеем, затекающим также в зазоры. Клей должен быть прозрачным и в оптимальном случае иметь показатель преломления, близкий показателю частицы и подложки или больший.
На фигуре 3 на поверхности подложки 1 расположены наночастицы с размерами менее длины волны света в среде. Показанные кружочками наночастицы располагаются в зоне шириной h туннелирования световой волны, падающей изнутри кристалла светодиода на выходную поверхность. Закрепление частиц на поверхности может быть произведено прозрачным слоем 8 толщиной d, показатель преломления которого должен быть меньше или больше показателя наночастиц (иначе не будет рассеяния света на наночастицах). Туннелирующие лучи 9-9′ проникают за поверхность подложки и возвращаются в подложку. Проходя во внешней среде некоторое расстояние вдоль поверхности. Они могут подвергаться рассеянию на наночастицах, давая лучи 10. направленные в подложку, и лучи 11, направленные от подложки. Таким образом, туннелирующие лучи дают вклад в увеличение внешней квантовой эффективности светодиода.
На фигуре 4 микрочастицы 4 приклеены полимерным слоем 12 к подложке 1. Полимерный слой может заполнять всю поверхность подложки или быть только под частицей; в последнем случае полимер может быть нанесен на частицы предварительно, до их распределения по поверхности.
Проведем оценку эффективности вывода излучения из светодиода за счет механизма рассеяния света на наночастицах в зоне туннелирования. Весь поток излучения, падающего изнутри диэлектрика с высоким показателем преломления на границу раздела со средой с низким значением показателя преломления под углами более критического угла полного внутреннего отражения, временно оказывается в среде вне диэлектрика, затем возвращается в диэлектрик.
Амплитуда E электрической компоненты световой волны в области туннелирования определяется уравнением:
E=E0exp(-y/dTE),
где y - расстояние от поверхности, dTE - расстояние, на котором амплитуда уменьшается в e раз от значения на поверхности. Уменьшение интенсивности I световой волны на расстоянии x от поверхности определяется формулой:
I/I0=(E/E0)2=exp(-2y/dTE),
Подсчет дает значения dTE=48 нм и lx=96 нм при использовании карбида кремния (n2=2,55) и угле падения 450.
Ширина зоны туннелирования dTE достаточна для размещения в ней наночастиц. Наночастицы будут возмущать электромагнитное поле в этой зоне; оценки показывают, что наночастицы увеличивают ширину зоны.
Излучение проходит в адсорбированном на поверхности слое наночастиц путь lx (сдвиг луча Гооса-Генхена):
lx=2dTEtgθ,
где θ - угол падения излучения на поверхность.
Наночастицы заполняют собой зону туннелирования; зона туннелирования может представлять собой слой диэлектрика с показателем преломления, меньшим чем у кристалла светодиода, или поверхностный слой окружающей среды, например воздуха. Излучение взаимодействует с частицами в зоне туннелирования, свет может подвергаться рассеянию. Рассеянный частицей свет может распространяться во все стороны в пределах телесного угла 4π рад; угол рассеяния и коэффициент рассеяния зависят от соотношения размера частицы и длины волны излучения.
В случае прозрачных частиц сечение рассеяния излучения частицей во всех направлениях σp (суммарный поток электромагнитной энергии, рассеянный частицей во всех направлениях, отнесенный к единице интенсивности падающего потока) равно:
σp=πa 2K(ρ)
Для частиц карбида кремния радиусом 35-70 нм K(ρ)=0,07-1.
Используя полученные величины, можно найти, что если наночастицы располагаются на поверхности подложки в один слой, коэффициент рассеяния
при изменении угла падения излучения изнутри на выходную поверхность в пределах 20-90 угл градусов (a=70 нм) изменяется от 0,4 до 1. Здесь Ip - интенсивность рассеянного света.
Расчет подтверждает высокую эффективность вывода излучения из объема кристалла светодиода.
Для изготовления светодиода могут быть использованы выпускаемые промышленностью пластины карбида кремния полупроводникового качества, наночастицы карбида кремния с поперечником 50-60 нм и микрочастицы карбида кремния с поперечником 1-3 мкм.
Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.
Практическое применение изобретение может найти в технологиях изготовления эффективных светодиодов, возможно использование при создании оптических устройств с антибликовыми покрытиями.
Техническим результатом изобретения является конструкция светодиода с повышенным внешним квантовым выходом и простой технологией изготовления.
Claims (4)
1. Устройство полупроводникового светодиода, излучающего через рассеивающую поверхность прозрачной пластины и содержащего в ней светогенерирующую область, отличающееся тем, что 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.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что размеры частиц сравнимы с длиной волны света в среде и больше ее.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой частиц расположен в приповерхностной зоне шириной меньше длины волны и частицы имеют поперечник с размерами меньше длины волны в среде.
4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что закрепление частиц выполнено слоем прозрачного полимера.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154196/28A RU2545492C1 (ru) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | Устройство полупроводникового светодиода |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013154196/28A RU2545492C1 (ru) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | Устройство полупроводникового светодиода |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2545492C1 true RU2545492C1 (ru) | 2015-04-10 |
Family
ID=53295410
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013154196/28A RU2545492C1 (ru) | 2013-12-05 | 2013-12-05 | Устройство полупроводникового светодиода |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2545492C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU193640U1 (ru) * | 2019-08-07 | 2019-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Устройство полупроводникового светодиода |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001250410A (ja) * | 2000-03-02 | 2001-09-14 | Nichia Chem Ind Ltd | 面状発光装置 |
JP2007308345A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | 高屈折率透明粒子及びそれを用いた高屈折率透明複合体並びに発光素子 |
JP2008108981A (ja) * | 2006-10-26 | 2008-05-08 | Toyoda Gosei Co Ltd | 発光装置 |
RU2457582C2 (ru) * | 2006-11-20 | 2012-07-27 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Светоизлучающее устройство, включающее в себя люминесцентную керамику и светорассеивающий материал (варианты) |
RU2489774C2 (ru) * | 2007-11-29 | 2013-08-10 | Нития Корпорейшн | Светоизлучающее устройство и способ его изготовления |
RU2493635C2 (ru) * | 2008-10-01 | 2013-09-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Сид с частицами в герметике для повышенного извлечения света и нежелтого цвета в выключенном состоянии |
-
2013
- 2013-12-05 RU RU2013154196/28A patent/RU2545492C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001250410A (ja) * | 2000-03-02 | 2001-09-14 | Nichia Chem Ind Ltd | 面状発光装置 |
JP2007308345A (ja) * | 2006-05-19 | 2007-11-29 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | 高屈折率透明粒子及びそれを用いた高屈折率透明複合体並びに発光素子 |
JP5034314B2 (ja) * | 2006-05-19 | 2012-09-26 | 住友大阪セメント株式会社 | 高屈折率透明粒子の製造方法と高屈折率透明粒子及び高屈折率透明複合体並びに発光素子 |
JP2008108981A (ja) * | 2006-10-26 | 2008-05-08 | Toyoda Gosei Co Ltd | 発光装置 |
RU2457582C2 (ru) * | 2006-11-20 | 2012-07-27 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Светоизлучающее устройство, включающее в себя люминесцентную керамику и светорассеивающий материал (варианты) |
RU2489774C2 (ru) * | 2007-11-29 | 2013-08-10 | Нития Корпорейшн | Светоизлучающее устройство и способ его изготовления |
RU2493635C2 (ru) * | 2008-10-01 | 2013-09-20 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Сид с частицами в герметике для повышенного извлечения света и нежелтого цвета в выключенном состоянии |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU193640U1 (ru) * | 2019-08-07 | 2019-11-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Устройство полупроводникового светодиода |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20170358722A1 (en) | Led with scattering features in substrate | |
US10865955B1 (en) | Wavelength conversion element and light emitting device | |
CN105374918B (zh) | 发光装置以及采用该发光装置的显示装置 | |
TWI731394B (zh) | 發光裝置 | |
TWI514631B (zh) | Semiconductor light emitting device and manufacturing method thereof | |
JP6286026B2 (ja) | 発光ダイオードコンポーネント | |
US7829358B2 (en) | System and method for emitter layer shaping | |
JP6111960B2 (ja) | 蛍光光源装置 | |
JP2007214260A (ja) | 半導体発光素子およびその製造方法 | |
KR20090064474A (ko) | Led 시스템 및 방법 | |
US20040259279A1 (en) | Light emitting device methods | |
US20100308363A1 (en) | Light emitting device having light extraction structure and method for manufacturing the same | |
JP2006523956A (ja) | 発光素子 | |
JP2008047906A (ja) | 放射放出素子 | |
JP5646503B2 (ja) | オプトエレクトロニクス半導体チップおよびオプトエレクトロニクス半導体チップの製造方法 | |
JP2019080065A (ja) | 発光装置 | |
JP5743890B2 (ja) | 発光デバイスを製作する方法 | |
US20180212107A1 (en) | Optoelectronic Semiconductor Chip | |
RU2545492C1 (ru) | Устройство полупроводникового светодиода | |
TW201937762A (zh) | 發光裝置 | |
JP2004134633A (ja) | 照明装置 | |
TW200908395A (en) | Optoelectronic semiconductor chip | |
Liu et al. | Effects of phosphor’s location on LED packaging performance | |
JP6196018B2 (ja) | 発光装置 | |
CN102903820B (zh) | 一种发光二极管芯片及其制作方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181206 |