RU2793618C1 - Infrared light-emitting heterodiode - Google Patents
Infrared light-emitting heterodiode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2793618C1 RU2793618C1 RU2022126731A RU2022126731A RU2793618C1 RU 2793618 C1 RU2793618 C1 RU 2793618C1 RU 2022126731 A RU2022126731 A RU 2022126731A RU 2022126731 A RU2022126731 A RU 2022126731A RU 2793618 C1 RU2793618 C1 RU 2793618C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carrier substrate
- light
- emitting diode
- heterostructure
- reflector
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к электронной технике, в частности, к полупроводниковым приборам и может быть использовано при разработке и изготовлении светоизлучающих диодов и различных устройств на их основе.The invention relates to electronic engineering, in particular to semiconductor devices and can be used in the development and manufacture of light emitting diodes and various devices based on them.
Известен светоизлучающий диод (см. JP 2010251792, МПК H01L 33/405, H01L 33/14 опубл. 04.11.2010), включающий подложку GaAs, брегговский отражатель, AlGalnP активную область, состоящую из светоизлучающей области, заключенной в два барьерных слоя с различным типом легирования, широкозонное окно, выполненное из GaP с небольшим содержанием Al и In или из AlxGa1-xAs, верхний электрод, расположенных над широкозонным окном и нижний электрод на тыльной поверхности подложки.A light-emitting diode is known (see JP 2010251792, IPC H01L 33/405, H01L 33/14 publ. 04.11.2010), including a GaAs substrate, a Bragg reflector, an AlGalnP active region, consisting of a light-emitting region enclosed in two barrier layers with different types doping, a wide-gap window made of GaP with a small content of Al and In or Al x Ga 1-x As, an upper electrode located above the wide-gap window, and a lower electrode on the rear surface of the substrate.
Недостатком известного светоизлучающего диода являются большие оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя и поглощающегося в подложке GaAs.A disadvantage of the known light-emitting diode is the high optical loss of radiation that is transparent to the Bragg reflector and absorbed in the GaAs substrate.
Известен светоизлучающий диод (см. US 8101447, МПК H01L 33/20, H01L 33/10, опубл. 24.01.2012), включающий подложку GaAs, SiC, Si или AlN с вытравленными лунками, слой А3В5 n-типа проводимости, активную область, слой А3В5 р-типа проводимости, расположенные в вытравленных лунках, верхний электрод р-типа проводимости, смонтированный на проводящую подложку с отражателем из Au, Al или Cu и нижний электрод n-типа проводимости на поверхности слоя АЗВ5 n-типа проводимости.A light-emitting diode is known (see US 8101447, IPC H01L 33/20, H01L 33/10, publ. 01/24/2012), including a GaAs, SiC, Si or AlN substrate with etched holes, an A3B5 layer of n-type conductivity, an active region, layer A3B5 of p-type conductivity located in etched holes, the upper electrode of p-type conductivity mounted on a conductive substrate with a reflector of Au, Al or Cu and the lower electrode of n-type conductivity on the surface of the AZV5 layer of n-type conductivity.
Недостатком известного способа изготовления светоизлучающего диода являются оптические потери излучения, отражающегося от металлического отражателя из Au, Al или Cu, обладающего коэффициентом отражения «90%.The disadvantage of the known method of manufacturing a light emitting diode is the optical loss of radiation reflected from a metal reflector of Au, Al or Cu, having a reflection coefficient of "90%.
Известен светоизлучающий диод (см. KR 101393606, МПК H01L 33/10, опубл. 17.06.2014), включающий подложку GaAs, первый брегговский отражатель, светоизлучающую гетероструктуру, второй брегговский отражатель, верхний электрод на поверхности второго брегговского отражателя, нижний электрод на тыльной поверхности подложки GaAs. При этом брегговские отражатели состоят из слоев AlAs и AlGaAs с содержанием галлия в AlGaAs большем, чем алюминия. Преимуществом известного светоизлучающего диода является снижение оптических потерь генерированного излучения путем отражения излучения, распространяющегося в сторону подложки, от первого брегговского отражателя и излучения, распространяющегося в сторону верхнего электрода, от второго брегговского отражателя.Known light-emitting diode (see KR 101393606, IPC H01L 33/10, publ. 06/17/2014), including a GaAs substrate, the first Bragg reflector, light-emitting heterostructure, the second Bragg reflector, the upper electrode on the surface of the second Bragg reflector, the lower electrode on the back surface GaAs substrates. In this case, the Bragg reflectors consist of layers of AlAs and AlGaAs with a gallium content in AlGaAs greater than that of aluminum. The advantage of the known light emitting diode is to reduce the optical loss of the generated radiation by reflecting radiation propagating towards the substrate from the first Bragg reflector and radiation propagating towards the upper electrode from the second Bragg reflector.
Недостатками известного светоизлучающего диода являются высокие оптические потери излучения, прозрачного для брегговских отражателей, а также поглощающегося в подложке и в верхнем электроде.The disadvantages of the known light emitting diode are high optical losses of radiation transparent to Bragg reflectors, as well as absorbed in the substrate and in the upper electrode.
Известен гетероструктурный светоизлучающий диод (см. JP 4952883, МПК H01S 5/183, опубл. 13.06.2012), включающий подложку-носитель со слоем металлического отражателя из Au или Cr, первый барьерный слой, активную область, второй барьерный слой, контактный слой, верхний электрод кольцевой формы на поверхности контактного слоя, сплошной нижний электрод на тыльной поверхности подложки-носителя.A heterostructural light-emitting diode is known (see JP 4952883, IPC H01S 5/183, publ. 06/13/2012), including a carrier substrate with a metal reflector layer of Au or Cr, a first barrier layer, an active region, a second barrier layer, a contact layer, the upper ring-shaped electrode on the surface of the contact layer, the solid lower electrode on the back surface of the carrier substrate.
Недостатком известного гетероструктурного светоизлучающего диода являются оптические потери излучения, отражающегося от металлического отражателя из Au или Cr с коэффициентом отражения ≈90%.A disadvantage of the known heterostructural light emitting diode is the optical loss of radiation reflected from a metal reflector made of Au or Cr with a reflection coefficient of ≈90%.
Известен светоизлучающий диод (см. KR 1020120014750, МПК H01L 33/10, опубл. 20.02.2012), включающий подложку-носитель, слой металлического отражателя, брегговский отражатель, светоизлучающую гетероструктуру с активной областью, прозрачный проводящий слой, фронтальный защитный слой.A light-emitting diode is known (see KR 1020120014750, IPC H01L 33/10, publ. 02/20/2012), including a carrier substrate, a metal reflector layer, a Bragg reflector, a light-emitting heterostructure with an active region, a transparent conductive layer, a frontal protective layer.
Недостатком известного светоизлучающего диода являются оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя и отражающегося от металлического отражателя с коэффициентом отражения ≈90%.A disadvantage of the known light-emitting diode is the optical loss of radiation transparent to the Bragg reflector and reflected from a metal reflector with a reflection coefficient of ≈90%.
Известен светоизлучающий диод (см. CN 112410349, МПК H01L 33/10, H01L 33/00, опубл. 17.09.2021), включающий эпитаксиальную подложку, первый брегговский отражатель, n-AlInP барьерный слой, светоизлучающий слой, р-AlInP барьерный слой, второй брегговский отражатель, p-GaP контактный слой, р-электрод на поверхности p-GaP, n-электрод на тыльной поверхности подложки. При этом длина волны отражения первого брегговского отражателя равна длине волны второго брегговского отражателя, минимальное расстояние между первым брегговским отражателем и светоизлучающим слоем равно расстоянию между светоизлучающим слоем и вторым брегговским отражателем.A light-emitting diode is known (see CN 112410349, IPC H01L 33/10, H01L 33/00, publ. 09/17/2021), including an epitaxial substrate, the first Bragg reflector, n-AlInP barrier layer, light-emitting layer, p-AlInP barrier layer, second Bragg reflector, p-GaP contact layer, p-electrode on the p-GaP surface, n-electrode on the rear surface of the substrate. In this case, the reflection wavelength of the first Bragg reflector is equal to the wavelength of the second Bragg reflector, the minimum distance between the first Bragg reflector and the light emitting layer is equal to the distance between the light emitting layer and the second Bragg reflector.
Недостатком известного светоизлучающего диода является увеличение последовательного сопротивления гетероструктуры при включении в ее состав более одного брегговского отражателя, а также оптические потери отражения, прозрачного для первого и второго брегговских отражателей.A disadvantage of the known light-emitting diode is the increase in the series resistance of the heterostructure when more than one Bragg reflector is included in its composition, as well as the optical loss of reflection transparent to the first and second Bragg reflectors.
Известен гетероструктурный инфракрасный светоизлучающий диод (см. KR 101499951, МПК H01L 33/20, H01L 33/22, H01L 33/36, опубл. 06.03.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Инфракрасный светоизлучающий диод-прототип включает подложку-носитель с металлическим отражателем, многослойную светоизлучающую AlGaAs/GaAs гетероструктуру с активной областью, верхний электрод на поверхности гетероструктуры, световыводящую поверхность гетероструктуры и нижний электрод на тыльной поверхности подложки-носителя, при этом гетероструктура AlGaAs/GaAs может включать брегговский отражатель, расположенный между активной областью и подложкой.Known heterostructural infrared light emitting diode (see KR 101499951, IPC H01L 33/20, H01L 33/22, H01L 33/36, publ. 03/06/2015), coinciding with the present decision on the largest number of essential features and taken as a prototype. The infrared light-emitting diode prototype includes a carrier substrate with a metal reflector, a multilayer light-emitting AlGaAs/GaAs heterostructure with an active region, an upper electrode on the surface of the heterostructure, a light-extracting surface of the heterostructure, and a lower electrode on the rear surface of the carrier substrate, while the AlGaAs/GaAs heterostructure may include Bragg reflector located between the active region and the substrate.
Недостатком известного гетероструктурного инфракрасного светоизлучающего диода-прототипа являются нежелательные оптические потери излучения, прозрачного для брегговского отражателя, а также излучения, отражающегося от металлического отражателя с коэффициентом отражения ≈90%.A disadvantage of the known heterostructural infrared light-emitting diode prototype is the undesirable optical loss of radiation transparent to the Bragg reflector, as well as radiation reflected from a metal reflector with a reflection coefficient of ≈90%.
Задачей настоящего изобретения является разработка гетероструктурного инфракрасного светоизлучающего диода, который бы имел сниженные оптические потери излучения и, тем самым, увеличенный внешний квантовый выход светодиода.It is an object of the present invention to develop a heterostructure infrared light emitting diode which would have reduced optical radiation loss and thereby increased external quantum efficiency of the LED.
Поставленная задача достигается тем, что гетероструктурный инфракрасный светоизлучающий диод включает подложку-носитель с металлическим отражателем, многослойную светоизлучающую AlGaAs/GaAs гетероструктуру с активной областью и брегговским отражателем, расположенным между активной областью и подложкой-носителем, верхний электрод на поверхности гетероструктуры, световыводящую поверхность гетероструктуры и нижний электрод на тыльной поверхности подложки-носителя. Новым является то, что между брегговским отражателем и подложкой-носителем расположен слой дополнительного отражателя на основе широкозонного слоя Al0.9Ga0.1As.This task is achieved in that the heterostructural infrared light-emitting diode includes a carrier substrate with a metal reflector, a multilayer light-emitting AlGaAs/GaAs heterostructure with an active region and a Bragg reflector located between the active region and the carrier substrate, an upper electrode on the surface of the heterostructure, a light-extracting surface of the heterostructure, and bottom electrode on the back surface of the carrier substrate. What is new is that between the Bragg reflector and the carrier substrate there is an additional reflector layer based on a wide-gap Al 0.9 Ga 0.1 As layer.
Слой дополнительного отражателя на основе широкозонного слоя Al0.9Ga0.1As может быть выполнен толщиной (250-400) нм.The additional reflector layer based on the Al 0.9 Ga 0.1 As wide-gap layer can be made with a thickness of (250–400) nm.
Подложка-носитель может быть выполнена из полупроводникового материала, например, из GaAs или из Si.The carrier substrate may be made of a semiconductor material such as GaAs or Si.
Подложка-носитель может быть выполнена из металла, например, из Ag или из Cu.The carrier substrate may be made of metal, for example Ag or Cu.
Металлический отражатель может быть выполнен из Al или Ag.The metal reflector can be made of Al or Ag.
Снижение оптических потерь излучения, генерированного в активной области светоизлучающего диода и распространяющегося в сторону подложки-носителя, достигается путем отражения последовательно от трех отражателей. 90% лучей, падающих на брегговский отражатель перпендикулярно и под углами, близкими к 90 угловых градусов, к плоскостям эпитаксиальных слоев гетероструктуры AlGaAs/GaAs, отражаются от брегговского отражателя. При уменьшении угла падения увеличивается доля лучей, проходящих сквозь брегговский отражатель без отражения. Для отражения лучей, прошедших сквозь брегговский отражатель, в гетероструктуре между брегговским отражателем и подложкой-носителем расположен слой дополнительного отражателя на основе широкозонного слоя Al0.9Ga0.1As, предпочтительно толщиной (250-400) нм. Снижение оптических потерь достигается при отражении от слоя Al0.9Ga0.1As латеральных лучей, распространяющихся от р-n перехода под углами менее (30-35) угловых градусов к гетерограницам, то есть лучей, для которых первичный брегговский отражатель является практически прозрачным. Излучение, прошедшее сквозь брегговский отражатель и слой дополнительного отражателя Al0.9Ga0.1As, отражается от металлического отражателя из Al или из Ag с коэффициентом отражения ≈90%.Reducing the optical loss of radiation generated in the active region of the light emitting diode and propagating towards the carrier substrate is achieved by successively reflecting from three reflectors. 90% of the rays incident on the Bragg reflector perpendicularly and at angles close to 90 degrees to the planes of the epitaxial layers of the AlGaAs/GaAs heterostructure are reflected from the Bragg reflector. As the angle of incidence decreases, the fraction of rays passing through the Bragg reflector without reflection increases. To reflect the rays that have passed through the Bragg reflector, in the heterostructure between the Bragg reflector and the carrier substrate, there is an additional reflector layer based on a wide-gap Al 0.9 Ga 0.1 As layer, preferably with a thickness of (250-400) nm. The decrease in optical losses is achieved by reflection from the Al 0.9 Ga 0.1 As layer of lateral rays propagating from the p-n junction at angles less than (30-35) angular degrees to heteroboundaries, that is, rays for which the primary Bragg reflector is practically transparent. The radiation transmitted through the Bragg reflector and the additional Al 0.9 Ga 0.1 As reflector layer is reflected from the Al or Ag metal reflector with a reflection coefficient of ≈90%.
При толщине слоя Al0.9Ga0.1As менее 250 нм увеличиваются оптические потери излучения. Толщина слоя Al0.9Ga0.1As более 400 нм технологически нецелесообразна.When the Al 0.9 Ga 0.1 As layer thickness is less than 250 nm, the optical loss of radiation increases. An Al 0.9 Ga 0.1 As layer thickness of more than 400 nm is technologically impractical.
Использование подложки-носителя из полупроводникового материала, такого, как, например, GaAs или Si снижает количество дефектов в гетероструктуре и увеличивает выход годных элементов за счет идентичных электрических параметров материала гетероструктуры и подложки-носителя.The use of a carrier substrate made of a semiconductor material, such as, for example, GaAs or Si, reduces the number of defects in the heterostructure and increases the yield of suitable elements due to the identical electrical parameters of the heterostructure material and the carrier substrate.
Использование подложки-носителя из металла такого, как, например, Ag или Cu обеспечивает теплоотвод от светоизлучающего диода в широком диапазоне рабочих токов (1-3) А и, соответственно, ведет к увеличению мощности прибора.The use of a carrier substrate made of a metal such as, for example, Ag or Cu provides heat removal from the light emitting diode in a wide range of operating currents (1-3) A and, accordingly, leads to an increase in the power of the device.
Настоящий гетероструктурный инфракрасный светоизлучающий диод включает последовательно расположенные нижний электрод 1, подложку-носитель 2 из полупроводникового материала (GaAs, Si) или из металла (Ag, Cu), омический контакт 3 к подложке-носителю 2, металлический отражатель 4, выполненный из слоя Al или Ag, многослойную светоизлучающую AlGaAs/GaAs гетероструктуру 5, омический контакт 6 к тыльной поверхности гетероструктуры 5 (см. чертеж). При этом гетероструктура 5 включает последовательно расположенные слои дополнительного отражателя 7 на основе широкозонного слоя Al0.9Ga0.1As толщиной (250-400) нм, брегговского отражателя 8, активной области 9, световыводящую поверхность 10 - поверхность многослойной светоизлучающей гетероструктуры 5, свободную от верхнего электрода 11.This heterostructural infrared light-emitting diode includes a bottom electrode 1, a
Гетероструктурный инфракрасный светоизлучающий диод работает следующим образом. Излучение генерируется в активной области 9 гетероструктуры 5 AlGaAs/GaAs светоизлучающего диода. Часть излучения, распространяющаяся в сторону световыводящей поверхности 10 выводится из светодиода. Остальное излучение, распространяющееся в сторону подложки-носителя 2 в телесном угле ±20 угловых градусов к нормали, отражается от брэгговского отражателя 8, и часть этого отраженного излучения выходит из кристалла. Остальное излучение проходит сквозь брэгговский отражатель 8. Часть (~50%) прошедшего излучения, падающего на гетерограницу с дополнительным слоем 7 Al0.9Ga0.1As под углами, меньшими угла полного внутреннего отражения, зеркально отражается от гетерограницы и частично выводится из кристалла. Остальная часть излучения проходит сквозь слой 7 Al0.9Ga0.1As и падает металлический отражатель 4, выполненный из Al или из Ад. Излучение, отраженное от металлического отражателя 4, выходит из светодиода.Heterostructural infrared light emitting diode works as follows. The radiation is generated in the active region 9 of the AlGaAs/GaAs heterostructure 5 of the light emitting diode. Part of the radiation propagating towards the
Таки образом, добавление слоя Al0.9Ga0.1As увеличивает на 50% долю отраженных по направлению к световыводящей поверхности 10 лучей и увеличивает внешний квантовый выход светодиода.Thus, adding an Al 0.9 Ga 0.1 As layer increases by 50% the fraction of 10 rays reflected towards the light output surface and increases the external quantum efficiency of the LED.
Результатом настоящего технического решения стало снижение оптических потерь излучения светоизлучающего диода за счет встраивания дополнительного отражателя на основе широкозонного слоя Al0.9Ga0.1As. Изготовленный гетероструктурный инфракрасный светоизлучающий диод имел сниженные оптические потери, и, соответственно, обладал высокой электролюминесценцией.The result of this technical solution was to reduce the optical loss of radiation of the light emitting diode by embedding an additional reflector based on a wide-gap Al 0.9 Ga 0.1 As layer. The fabricated heterostructure infrared light emitting diode had a reduced optical loss, and, accordingly, had a high electroluminescence.
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2793618C1 true RU2793618C1 (en) | 2023-04-04 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU225254U1 (en) * | 2023-11-13 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Vertical emitting laser |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69124647T2 (en) * | 1990-08-31 | 1997-09-11 | At & T Corp | Distributed Bragg reflectors and devices equipped with them |
| GB2344456B (en) * | 1998-12-02 | 2000-12-27 | Arima Optoelectronics Corp | Semiconductor devices |
| RU2286618C2 (en) * | 2002-07-16 | 2006-10-27 | Борис Анатольевич Матвеев | Semiconductor diode for ir spectral range |
| KR101499951B1 (en) * | 2008-01-02 | 2015-03-06 | 엘지이노텍 주식회사 | Red light emitting device and method of making the same |
| RU2553828C1 (en) * | 2014-03-05 | 2015-06-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Light-emitting diode and method of making same |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69124647T2 (en) * | 1990-08-31 | 1997-09-11 | At & T Corp | Distributed Bragg reflectors and devices equipped with them |
| GB2344456B (en) * | 1998-12-02 | 2000-12-27 | Arima Optoelectronics Corp | Semiconductor devices |
| RU2286618C2 (en) * | 2002-07-16 | 2006-10-27 | Борис Анатольевич Матвеев | Semiconductor diode for ir spectral range |
| KR101499951B1 (en) * | 2008-01-02 | 2015-03-06 | 엘지이노텍 주식회사 | Red light emitting device and method of making the same |
| RU2553828C1 (en) * | 2014-03-05 | 2015-06-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН) | Light-emitting diode and method of making same |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU225254U1 (en) * | 2023-11-13 | 2024-04-16 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук | Vertical emitting laser |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9461201B2 (en) | Light emitting diode dielectric mirror | |
| US7709851B2 (en) | Light-emitting diode chip including a mirror layer and a light-generating active zone | |
| US8710536B2 (en) | Composite high reflectivity layer | |
| JP5702711B2 (en) | Method for producing group III-nitride LED with increased luminous capacity | |
| JP4644193B2 (en) | Semiconductor light emitting device | |
| JP5189734B2 (en) | Nitride semiconductor light emitting device | |
| TWI449201B (en) | High reflectivity p-contact for ingan leds | |
| KR20080065666A (en) | Nitride semiconductor light emitting element and method for producing nitride semiconductor light emitting element | |
| KR20020000142A (en) | Iii-nitride light-emitting device with increased light generating capability | |
| US20030213969A1 (en) | GaN based LED lighting extraction efficiency using digital diffractive phase grating | |
| TWI639250B (en) | Light-emitting diode wafer with reflective layer sequence | |
| WO2008008562A2 (en) | Vertical light emitting diode device structure | |
| JP5593163B2 (en) | Light emitting diode and light emitting diode lamp | |
| US7884383B2 (en) | Radiation emitting semiconductor chip | |
| KR20080027584A (en) | Vertical light emitting diode and method of fabricating the same | |
| RU2793618C1 (en) | Infrared light-emitting heterodiode | |
| US11804573B2 (en) | Group III-V light emitting diode | |
| JP5801542B2 (en) | Light emitting diode and light emitting diode lamp | |
| CN113675314A (en) | UVC-LED device | |
| KR100413435B1 (en) | Light Emitting Diode and Fabrication Method for the same | |
| EP3005428B1 (en) | Light emitting diode dielectric mirror | |
| RU2796327C1 (en) | Infrared led | |
| US20240063341A1 (en) | Light emitting device | |
| CN218602469U (en) | Flip-chip light emitting diode chip | |
| KR20050096582A (en) | P-type ohmic contact in gan-based led |