WO2023200354A1 - Thermoelectric led - Google Patents

Thermoelectric led Download PDF

Info

Publication number
WO2023200354A1
WO2023200354A1 PCT/RU2022/000120 RU2022000120W WO2023200354A1 WO 2023200354 A1 WO2023200354 A1 WO 2023200354A1 RU 2022000120 W RU2022000120 W RU 2022000120W WO 2023200354 A1 WO2023200354 A1 WO 2023200354A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
semiconductor
graded
work function
gap semiconductor
gap
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/000120
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Андрей Дмитриевич ХВОРОСТЯНЫЙ
Александр Викторович ГЛУХОВ
Михаил Владимирович ДОРОХИН
Дмитрий Борисович КОЛОСКОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения"
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 Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Технология Твердотельного Охлаждения"
Priority to PCT/RU2022/000120 priority Critical patent/WO2023200354A1/en
Publication of WO2023200354A1 publication Critical patent/WO2023200354A1/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/02—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L33/00—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L33/48—Semiconductor devices with at least one potential-jump barrier or surface barrier 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
    • H01L33/64—Heat extraction or cooling elements

Definitions

  • the invention relates to semiconductor LEDs configured to remove heat.
  • Light-emitting diodes are widely used in optical display devices, traffic lights, communication systems, lighting devices and medical equipment.
  • a source of infrared radiation is known from the prior art (RU 2154324 C1), including a emitting surface, a recombination region, a passive layer transparent to radiation from the active region, made in the form of a graded-gap material
  • the disadvantage of the known source is the low radiation power, which is caused by self-absorption of radiation leaving the recombination region, as well as poor heat removal.
  • the objective of the claimed invention is to develop a semiconductor structure of a thermoelectric LED that would remove the generated heat.
  • the technical result of the invention is the reduction, absence or negative heat generation during operation of a thermoelectric LED and, as a consequence, eliminating the possibility of overheating of the LED and its failure.
  • thermoelectric LED to dissipate energy into the environment in the form of photons.
  • the thermoelectric LED contains a graded-gap semiconductor grown on the base with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure over the entire range of compositions and an epitaxial layer of a direct-gap semiconductor grown on the graded-gap semiconductor, wherein the base contains a semiconductor material With n-type conductivity with a work function equal to or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of a graded-gap semiconductor; a graded-gap semiconductor has n-type conductivity, and a direct-gap semiconductor layer has p-type conductivity and forms a p-n junction between layers of semiconductors, Moreover, on two opposite sides of the thermoelectric LED there are contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit; one of the contacts, on the side of the direct-gap semiconductor layer, is translucent.
  • the thermoelectric LED contains a graded-gap semiconductor grown on the base with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the composition range and an epitaxial layer of a direct-gap semiconductor grown on the graded-gap semiconductor, wherein the base contains a semiconductor material with a p-type conductivity with a work function equal to or close to the work function of the adjacent semiconductor material layer of a graded-gap semiconductor, a graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with smooth doping from p type to n type, and a direct-gap semiconductor layer has a conductivity p -type and forms a p-n junction between layers of semiconductors, while on two opposite sides of the thermoelectric LED there are contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit, one of the contacts, on the side of the direct-gap semiconductor layer, is translucent
  • the work function of the first connecting conductor is the same as or as close as possible to the work function of the semiconductor material of the base, and the work function of the second connecting conductor is the same or as close as possible to the work function of the semiconductor material of the structure adjacent to the conductor through the contact.
  • the base is a substrate made of semiconductor material.
  • the base is a metal structure with semiconductor material deposited thereon.
  • the metal layer of the structure is the contact.
  • the base is a structure comprising a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material.
  • the metal layer of the structure is the contact.
  • thermoelectric LED the structure of which is schematically illustrated in FIG. 1. Arrows indicate the possible direction of radiation.
  • the main element of the thermoelectric LED is a graded-gap semiconductor (2) grown on the base (1) with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the entire range of compositions and grown on the graded-gap semiconductor, on top, of an epitaxial layer of direct-gap semiconductor (3), which forms a heterojunction between layers.
  • the base (1) contains an n-type semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of an adjacent graded-gap semiconductor semiconductor material layer.
  • Varigap semiconductor (2) has n-type conductivity.
  • the growth of the graded-gap semiconductor structure begins with a semiconductor that has a large work function (the same or as close as possible to the work function of the base material), and ends with a semiconductor that has a lower work function compared to the first layer.
  • An epitaxial layer of semiconductor (3) is grown on top, which has hole-type conductivity (p-type conductivity) with a higher work function and the formation of a heterojunction between the layers.
  • the structure of such a LED may look like this: an InAs base with n-type conductivity, a graded-gap semiconductor with n-type conductivity InAs -GaAs, a layer of direct-gap GaAs semiconductor with p-type conductivity.
  • the base (1) contains a p-type semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of an adjacent graded-gap semiconductor semiconductor material layer.
  • a graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with smooth doping from the p type at the point of contact with the base (1) to the n type in the opposite region.
  • the growth of the graded-gap semiconductor structure begins with a semiconductor that has a large work function (the same or as close as possible to the work function of the base material), and ends with a semiconductor that has a lower work function compared to the first layer.
  • An epitaxial layer of semiconductor (3) is grown on top, which has hole-type conductivity (p-type conductivity) with a higher work function and the formation of a heterojunction between the layers.
  • the structure of such an LED may look like this: an InAs base with p-type conductivity, a graded-gap semiconductor with smooth doping from p type at the point of contact with the base to n type in the opposite InAs-GaAs region, a layer of direct-gap GaAs semiconductor with p-type conductivity .
  • the main materials of semiconductor emitters are gallium arsenide (GaAs) and ternary compounds based on it (GaAIAs and GaAsP) belong to direct-gap semiconductors , i.e. to those in which direct optical zone-to-zone transitions are allowed. Each recombination of a charge carrier during such a transition is accompanied by the emission of a photon.
  • Direct-gap semiconductors are semiconductors in which the transition of an electron between the conduction band and the valence band is not accompanied by a change in momentum (direct transition), and in which, during recombination, the probability of photon emission is higher than the probability of the appearance of a phonon.
  • Variband semiconductors can be produced by gas-phase epitaxy.
  • Varigap semiconductor (2) may consist of two or more semiconductor materials.
  • a substrate (1) is used, made of a semiconductor material of electronic conductivity type or hole conductivity type, depending on the option of growing the semiconductor structure of the LED.
  • a metal base with a layer of semiconductor material of the corresponding type of conductivity deposited on it can also be used.
  • the application of semiconductor material can be carried out using known technological methods: sputtering, diffusion, deposition and others.
  • the base is a structure comprising a metal layer coated thereon with a varying structure from a metal to a semiconductor material of the appropriate type.
  • thermoelectric LED Both sides of the thermoelectric LED are made with contacts (4) with the ability to connect connecting wires to them to connect the thermoelectric LED to the electrical circuit.
  • One of the contacts is made translucent, and the other has varying degrees of transparency for the unhindered transmission of generated photons.
  • the contacts (4) if a substrate made of semiconductor material is used as the base, the contacts can be ohmic and represent permanently connected horizontally oriented plates to the external surfaces of the graded-gap semiconductor.
  • the base is the contact.
  • the metal layer acts as a contact.
  • thermoelectric LED To make an electrical connection of the thermoelectric LED to an external electrical circuit, a connecting conductor is attached to each contact.
  • the first connecting conductor is connected to the first contact of the thermoelectric LED, located at the end of the thermoelectric LED, and the second connecting conductor is connected to the second contact, located at the other end of the thermoelectric LED.
  • thermoelectric LED works as follows.
  • the contacts of connecting conductors A and B are connected, for example, to a current-voltage converter, forming an electrical circuit.
  • the thermoelectric LED is supplied with direct current.
  • the electron under the influence of an external field, moves to the region of the graded-gap semiconductor with a lower work function. Since the work function decreases monotonically, in order to occupy a place with a lower work function, the electron needs to receive energy from the outside; it draws part of this energy from the applied external field, and part from the thermal vibration of the crystal lattice (phonons).
  • the electron having entered the region of the p-n junction, recombines in the region of a direct-gap semiconductor with p-type conductivity, generating a photon of the corresponding energy, which, in turn, leaves the structure of the thermoelectric LED. Then the electron, under the influence of an external field, passes through the valence band of the direct-gap semiconductor of p-type conductivity and the contact enters conductor B.
  • the work function of conductor B is selected in such a way as to best match the work function of the contact and the work function of the direct-gap semiconductor of p-type conductivity.
  • the sum of the energies of the electron in wire B and the energy of the photon is greater than the energy of the electron in wire A. As a result, a cooling effect occurs.
  • LED structures were grown and studied based on a new active region design in which a graded-gap semiconductor was grown on basis in such a way that the work function changes in the direction of growth of the epitaxial structure over the entire range of compositions, and a layer of direct-gap semiconductor material is grown on a given semiconductor.
  • This design has been shown to provide a cooling effect when current of a certain polarity is passed through it.

Abstract

A thermoelectric LED contains, grown on a substrate (1), a graded-gap semiconductor (2) with a work function that decreases in the direction of epitaxial growth of the structure, across the full range of components, and, grown on said graded-gap semiconductor, an epitaxial layer of a direct band gap semiconductor (3). In a first embodiment, the substrate contains a semiconductor material of n-type conductivity with a work function that is equal or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of the graded-gap semiconductor, the graded-gap semiconductor has n-type conductivity, and the direct band gap semiconductor layer has p-type conductivity and forms a p-n junction between the semiconductor layers. In a second embodiment, the substrate contains a semiconductor material of p-type conductivity with a work function that is equal or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of the graded-gap semiconductor, the graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with a smooth p-type to n-type doping profile, and the direct band gap semiconductor layer has p-type conductivity and forms a p-n junction between the semiconductor layers. Formed on the two opposing sides of the thermoelectric LED are contacts, one of which is semi-transparent. The invention makes it possible to eliminate overheating and failure of the LED by allowing energy to be dispersed into the surrounding environment.

Description

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СВЕТОДИОД THERMOELECTRIC LED
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ TECHNICAL FIELD
Изобретение относится к относится к полупроводниковым светодиодам, выполненных с возможностью отвода тепла. Светоизлучающие диоды широко используются в оптических устройствах отображения информации, светофорах, системах связи, осветительных устройствах и медицинском оборудовании. The invention relates to semiconductor LEDs configured to remove heat. Light-emitting diodes are widely used in optical display devices, traffic lights, communication systems, lighting devices and medical equipment.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND OF THE ART
Из уровня техники известен источник инфракрасного излучения (RU 2154324 С1 ), включающий излучающую поверхность, область рекомбинации, пассивный слой, прозрачный для излучения активной области, выполненный в виде варизонного материалаA source of infrared radiation is known from the prior art (RU 2154324 C1), including a emitting surface, a recombination region, a passive layer transparent to radiation from the active region, made in the form of a graded-gap material
А В с увеличивающейся к излучающей поверхности шириной запрещенной зоны п-типа проводимости и расположенный между областью рекомбинации и излучающей поверхностью, теплоотводящую поверхность, выполненную за счет стыковки поверхности, через которую осуществляется связь (освещение) с внешним источником излучения, со слоем компаунда, находящегося в контакте с поверхностью возбуждающего источника. A B with the band gap of n-type conductivity increasing towards the emitting surface and located between the recombination region and the emitting surface, a heat-removing surface made by joining the surface through which communication (illumination) with an external radiation source is carried out, with a layer of compound located in contact with the surface of the exciting source.
Недостатком известного источника является малая мощность излучения, что вызвано самопоглощением излучения, покидающего область рекомбинации, а также плохой теплоотвод. The disadvantage of the known source is the low radiation power, which is caused by self-absorption of radiation leaving the recombination region, as well as poor heat removal.
Таким образом, существует потребность в выполнении дополнительной работы, направленной на оптимизацию слоёв структуры полупроводникового светодиода для организации отвода выделяемого тепла. Thus, there is a need to perform additional work aimed at optimizing the layers of the semiconductor LED structure to organize the removal of generated heat.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ DISCLOSURE OF INVENTION
Задачей заявленного изобретения является разработка полупроводниковой структуры термоэлектрического светодиода, которая бы отводила выделяемое тепло. The objective of the claimed invention is to develop a semiconductor structure of a thermoelectric LED that would remove the generated heat.
Техническим результатом изобретения является уменьшение, отсутствие или отрицательное тепловыделение во время работы термоэлектрического светодиода и, как следствие, устранение возможности перегрева светодиода и выхода его из строя. The technical result of the invention is the reduction, absence or negative heat generation during operation of a thermoelectric LED and, as a consequence, eliminating the possibility of overheating of the LED and its failure.
Применение термоэлектрического светодиода для рассеяния энергии в окружающую среду в виде фотонов. Application of a thermoelectric LED to dissipate energy into the environment in the form of photons.
Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно первому варианту осуществления изобретения термоэлектрический светодиод содержит выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника, причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонной полупроводника, варизонный полупроводник имеет проводимость n-типа, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников, при этом с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, - полупрозрачный. This technical result is achieved due to the fact that, according to the first embodiment of the invention, the thermoelectric LED contains a graded-gap semiconductor grown on the base with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure over the entire range of compositions and an epitaxial layer of a direct-gap semiconductor grown on the graded-gap semiconductor, wherein the base contains a semiconductor material With n-type conductivity with a work function equal to or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of a graded-gap semiconductor; a graded-gap semiconductor has n-type conductivity, and a direct-gap semiconductor layer has p-type conductivity and forms a p-n junction between layers of semiconductors, Moreover, on two opposite sides of the thermoelectric LED there are contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit; one of the contacts, on the side of the direct-gap semiconductor layer, is translucent.
Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно второму варианту осуществления изобретения термоэлектрический светодиод содержит выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника, причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонной полупроводника, варизонный полупроводник является варизонной р-п-структурой с плавным легированием от р типа к п типу, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников, при этом с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, - полупрозрачный. This technical result is achieved due to the fact that, according to the second embodiment of the invention, the thermoelectric LED contains a graded-gap semiconductor grown on the base with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the composition range and an epitaxial layer of a direct-gap semiconductor grown on the graded-gap semiconductor, wherein the base contains a semiconductor material with a p-type conductivity with a work function equal to or close to the work function of the adjacent semiconductor material layer of a graded-gap semiconductor, a graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with smooth doping from p type to n type, and a direct-gap semiconductor layer has a conductivity p -type and forms a p-n junction between layers of semiconductors, while on two opposite sides of the thermoelectric LED there are contacts with the possibility of attaching connecting wires to them for inclusion in the electrical circuit, one of the contacts, on the side of the direct-gap semiconductor layer, is translucent.
В некоторых вариантах осуществления изобретения работа выхода первого соединительного проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания, а работа выхода второго соединительного проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала структуры, примыкающей к проводнику через контакт. In some embodiments of the invention, the work function of the first connecting conductor is the same as or as close as possible to the work function of the semiconductor material of the base, and the work function of the second connecting conductor is the same or as close as possible to the work function of the semiconductor material of the structure adjacent to the conductor through the contact.
В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала. In some embodiments of the invention, the base is a substrate made of semiconductor material.
В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является металлической структурой с нанесённым полупроводниковым материалом на нее. В этом случае металлический слой структуры является контактом. In some embodiments of the invention, the base is a metal structure with semiconductor material deposited thereon. In this case, the metal layer of the structure is the contact.
В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. В этом случае металлический слой структуры является контактом. ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ In some embodiments of the invention, the base is a structure comprising a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material. In this case, the metal layer of the structure is the contact. IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому светодиоду, конструкция которого схематично изображена на фиг. 1. Стрелками указано возможное направление излучения. В изображенном варианте осуществления изобретения основным элементном термоэлектрического светодиода является выращенный на основании (1) варизонный полупроводник (2) с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике, поверх, эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника (3), который образует гетеропереход между слоями. The present invention relates to a thermoelectric LED, the structure of which is schematically illustrated in FIG. 1. Arrows indicate the possible direction of radiation. In the illustrated embodiment of the invention, the main element of the thermoelectric LED is a graded-gap semiconductor (2) grown on the base (1) with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the entire range of compositions and grown on the graded-gap semiconductor, on top, of an epitaxial layer of direct-gap semiconductor (3), which forms a heterojunction between layers.
В одном из вариантов осуществления изобретения основание (1) содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонной полупроводника. Варизонный полупроводник (2) имеет проводимость п-типа. Рост структуры варизонного полупроводника начинается с полупроводника, имеющего большую работу выхода (совпадает или максимально приближена с работой выхода материала основания), а заканчивается полупроводником, имеющим меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Поверх выращивается эпитаксиальный слой полупроводника (3), который имеет проводимость дырочного типа (проводимость p-типа) с большей работой выхода и с образованием гетероперехода между слоями. Например, структура такого светодиода может выглядеть следующим образом: основание InAs с проводимостью n-типа, варизонный полупроводник с проводимостью n-типа InAs -GaAs, слой прямозонного полупроводника GaAs с проводимостью р-типа. In one embodiment of the invention, the base (1) contains an n-type semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of an adjacent graded-gap semiconductor semiconductor material layer. Varigap semiconductor (2) has n-type conductivity. The growth of the graded-gap semiconductor structure begins with a semiconductor that has a large work function (the same or as close as possible to the work function of the base material), and ends with a semiconductor that has a lower work function compared to the first layer. An epitaxial layer of semiconductor (3) is grown on top, which has hole-type conductivity (p-type conductivity) with a higher work function and the formation of a heterojunction between the layers. For example, the structure of such a LED may look like this: an InAs base with n-type conductivity, a graded-gap semiconductor with n-type conductivity InAs -GaAs, a layer of direct-gap GaAs semiconductor with p-type conductivity.
В другом варианте осуществления изобретения основание (1) содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонной полупроводника. Варизонный полупроводник является варизонной р-п- структурой с плавным легированием от р типа в месте контакта с основанием (1) к п типу в противоположной области. Рост структуры варизонного полупроводника начинается с полупроводника, имеющего большую работу выхода (совпадает или максимально приближена с работой выхода материала основания), а заканчивается полупроводником, имеющим меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Поверх выращивается эпитаксиальный слой полупроводника (3), который имеет проводимость дырочного типа (проводимость p-типа) с большей работой выхода и с образованием гетероперехода между слоями. Например, структура такого светодиода может выглядеть следующим образом: основание InAs с проводимостью p-типа, варизонный полупроводник с плавным легированием от р типа в месте контакта с основанием к п типу в противоположной области InAs -GaAs, слой прямозонного полупроводника GaAs с проводимостью р-типа. Для изготовления светодиодов используют прямозонные полупроводники GaAs, GaP, GaAs1-xPx, Gaxln1-xAs, GaxAI1-xAs, GaN и др. Основные материалы полупроводниковых излучателей арсенид галлия (GaAs) и тройные соединения на его основе (GaAIAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы «зона - зона». Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона. Прямозонные полупроводники - полупроводники, в которых переход электрона между зоной проводимости и валентной зоной не сопровождается изменением импульса (прямой переход), и в которых при рекомбинации вероятность излучения кванта выше, чем вероятность появления фонона. In another embodiment of the invention, the base (1) contains a p-type semiconductor material with a work function equal to or close to the work function of an adjacent graded-gap semiconductor semiconductor material layer. A graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with smooth doping from the p type at the point of contact with the base (1) to the n type in the opposite region. The growth of the graded-gap semiconductor structure begins with a semiconductor that has a large work function (the same or as close as possible to the work function of the base material), and ends with a semiconductor that has a lower work function compared to the first layer. An epitaxial layer of semiconductor (3) is grown on top, which has hole-type conductivity (p-type conductivity) with a higher work function and the formation of a heterojunction between the layers. For example, the structure of such an LED may look like this: an InAs base with p-type conductivity, a graded-gap semiconductor with smooth doping from p type at the point of contact with the base to n type in the opposite InAs-GaAs region, a layer of direct-gap GaAs semiconductor with p-type conductivity . For the manufacture of LEDs, direct-gap semiconductors GaAs, GaP, GaAs1-xPx, Gaxln1-xAs, GaxAI1-xAs, GaN, etc. are used. The main materials of semiconductor emitters are gallium arsenide (GaAs) and ternary compounds based on it (GaAIAs and GaAsP) belong to direct-gap semiconductors , i.e. to those in which direct optical zone-to-zone transitions are allowed. Each recombination of a charge carrier during such a transition is accompanied by the emission of a photon. Direct-gap semiconductors are semiconductors in which the transition of an electron between the conduction band and the valence band is not accompanied by a change in momentum (direct transition), and in which, during recombination, the probability of photon emission is higher than the probability of the appearance of a phonon.
Варизонные полупроводники могут быть произведены методом газофазной, эпитаксии. Варизонный полупроводник (2) может состоять из двух и более полупроводниковых материалов. Variband semiconductors can be produced by gas-phase epitaxy. Varigap semiconductor (2) may consist of two or more semiconductor materials.
В качестве основания в одном из вариантов осуществления изобретения используется подложка (1), выполненная из полупроводникового материала электронного типа проводимости или дырочного типа проводимости в зависимости от варианта выращивания полупроводниковой структуры светодиода. As a base, in one of the embodiments of the invention, a substrate (1) is used, made of a semiconductor material of electronic conductivity type or hole conductivity type, depending on the option of growing the semiconductor structure of the LED.
В качестве основания в другом варианте осуществления изобретения также может быть использовано металлическое основание с нанесенным на него слоем полупроводникового материала соответствующего типа проводимости. Нанесение полупроводникового материала может быть осуществлено с помощью известных технологических методов напылением, диффузией, осаждением и другими. As a base, in another embodiment of the invention, a metal base with a layer of semiconductor material of the corresponding type of conductivity deposited on it can also be used. The application of semiconductor material can be carried out using known technological methods: sputtering, diffusion, deposition and others.
В другом варианте осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала соответствующего типа. In another embodiment of the invention, the base is a structure comprising a metal layer coated thereon with a varying structure from a metal to a semiconductor material of the appropriate type.
Обе стороны термоэлектрического светодиода выполнены с контактами (4) с возможностью подключения к ним соединительных проводов для включения термоэлектрического светодиода в электрическую цепь. Both sides of the thermoelectric LED are made with contacts (4) with the ability to connect connecting wires to them to connect the thermoelectric LED to the electrical circuit.
Один из контактов выполнен полупрозрачным, а другой - имеет различную степень прозрачности для беспрепятственного пропускания сгенерированных фотонов. One of the contacts is made translucent, and the other has varying degrees of transparency for the unhindered transmission of generated photons.
В изображенных вариантах выполнения контакты (4), в случае использования в качестве основания подложки из полупроводникового материала, контакты могут являться омическими и представляют собой неразъёмное соединенные с внешними поверхностями варизонного полупроводника горизонтально ориентированные пластины. In the illustrated embodiments, the contacts (4), if a substrate made of semiconductor material is used as the base, the contacts can be ohmic and represent permanently connected horizontally oriented plates to the external surfaces of the graded-gap semiconductor.
В случае использования в качестве основания металлического слоя с нанесенным на него полупроводниковым слоем. В этом случае основание является контактом. В случае использования в качестве основания структуры, содержащей металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала, металлический слой выступает в качестве контакта. In the case of using a metal layer with a semiconductor layer deposited on it as a base. In this case, the base is the contact. In the case of using as a base a structure containing a metal layer coated with a varying structure from a metal to a semiconductor material, the metal layer acts as a contact.
Пример контактов: Example contacts:
1) Контакт к InGaAs - титан, индий 1) Contact to InGaAs - titanium, indium
Контакт к GaAs - Au, Pt, Pd, Ni. Contact to GaAs - Au, Pt, Pd, Ni.
2) Контакт к GaAs - титан, индий 2) Contact to GaAs - titanium, indium
Контакт к AIGaAs - Pt, Pd, Ni. Contact to AIGaAs - Pt, Pd, Ni.
Для выполнения электрического соединения термоэлектрического светодиода к внешней электрической цепи к каждому контакту присоединен соединительный проводник. К первому контакту термоэлектрического светодиода, расположенного на торце со стороны основания, подключен первый соединительный проводник, ко второму контакту, расположенному на другом торце термоэлектрического светодиода, подключен второй соединительный проводник. To make an electrical connection of the thermoelectric LED to an external electrical circuit, a connecting conductor is attached to each contact. The first connecting conductor is connected to the first contact of the thermoelectric LED, located at the end of the thermoelectric LED, and the second connecting conductor is connected to the second contact, located at the other end of the thermoelectric LED.
Термоэлектрический светодиод работает следующим образом. Контакты соединительных проводников А и Б подсоединяют, например, к преобразователю ток- напряжение, образуя электрическую цепь. На термоэлектрический светодиод подаётся постоянный ток. The thermoelectric LED works as follows. The contacts of connecting conductors A and B are connected, for example, to a current-voltage converter, forming an electrical circuit. The thermoelectric LED is supplied with direct current.
Электрон из проводника А через контакт и основание попадает в варизонный полупроводник в область с большей работой выхода (большая работа выхода варизонной области максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания). Электрон под воздействием внешнего поля движется в область варизонного полупроводника с меньшей работой выхода. Поскольку работа выхода монотонно уменьшается, электрону для занятия места с меньшей работой выхода необходимо получить энергию извне, часть этой энергии он черпает из приложенного внешнего поля, а часть из теплового колебания кристаллической решётки (фононы). An electron from conductor A, through the contact and base, enters the graded-gap semiconductor into a region with a higher work function (the large work function of the graded-gap region is as close as possible to the work function of the semiconductor base material). The electron, under the influence of an external field, moves to the region of the graded-gap semiconductor with a lower work function. Since the work function decreases monotonically, in order to occupy a place with a lower work function, the electron needs to receive energy from the outside; it draws part of this energy from the applied external field, and part from the thermal vibration of the crystal lattice (phonons).
Дальше электрон, попав в область р-n- перехода рекомбинирует в области прямозонного полупроводника с проводимостью p-типа с генерацией фотона соответствующей энергии, который, в свою очередь покидает структуру термоэлектрического светодиода. Дальше электрон под действием внешнего поля через валентную зону прямозонного полупроводника p-типа проводимости и контакт попадает в проводник Б. Работа выхода проводника Б подобрана таким образом, чтобы максимально соответствовать работе выхода контакта и работе выхода прямозонного полупроводника p-типа проводимости. Сумма энергий электрона в проводе Б и энергии фотона больше, чем энергия электрона в проводнике А. В результате возникает эффект охлаждения. Further, the electron, having entered the region of the p-n junction, recombines in the region of a direct-gap semiconductor with p-type conductivity, generating a photon of the corresponding energy, which, in turn, leaves the structure of the thermoelectric LED. Then the electron, under the influence of an external field, passes through the valence band of the direct-gap semiconductor of p-type conductivity and the contact enters conductor B. The work function of conductor B is selected in such a way as to best match the work function of the contact and the work function of the direct-gap semiconductor of p-type conductivity. The sum of the energies of the electron in wire B and the energy of the photon is greater than the energy of the electron in wire A. As a result, a cooling effect occurs.
Таким образом, была выращены и исследована светодиодные структуры на основе нового дизайна активной области, в которой варизонный полупроводник выращивался на основании таким образом, чтобы работа выхода менялась в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, причем на данном полупроводнике выращивался слой прямозонного полупроводникового материала. Было показано, что данный дизайн обеспечивает эффект охлаждения при пропускании через нее тока определенной полярности. Thus, LED structures were grown and studied based on a new active region design in which a graded-gap semiconductor was grown on basis in such a way that the work function changes in the direction of growth of the epitaxial structure over the entire range of compositions, and a layer of direct-gap semiconductor material is grown on a given semiconductor. This design has been shown to provide a cooling effect when current of a certain polarity is passed through it.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения. The invention has been described above with reference to a specific embodiment thereof. Other embodiments of the invention that do not change its essence as disclosed in this description may be obvious to those skilled in the art. Accordingly, the invention should be considered limited in scope only by the following claims.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
1. Термоэлектрический светодиод, содержащий выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника, причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, варизонный полупроводник имеет проводимость n-типа, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников, при этом с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, - полупрозрачный. 1. A thermoelectric LED containing a graded-gap semiconductor grown on the base with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the composition range and an epitaxial layer of a direct-gap semiconductor grown on the graded-gap semiconductor, wherein the base contains a semiconductor material with n-type conductivity with a work function equal to or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of a graded-gap semiconductor, the graded-gap semiconductor has n-type conductivity, and the layer of direct-gap semiconductor has p-type conductivity and forms a p-n junction between the layers of semiconductors, while contacts are made on two opposite sides of the thermoelectric LED with the possibility of attaching connecting conductors to them for inclusion in an electrical circuit; one of the contacts, on the side of the direct-gap semiconductor layer, is translucent.
2. Термоэлектрический светодиод, содержащий выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника, причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, варизонный полупроводник является варизонной р-п-структурой с плавным легированием от р типа к п типу, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников, при этом с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, - полупрозрачный. 2. A thermoelectric LED containing a graded-gap semiconductor grown on the base with a decreasing work function in the direction of growth of the epitaxial structure throughout the composition range and an epitaxial layer of a direct-gap semiconductor grown on the graded-gap semiconductor, wherein the base contains a semiconductor material with p-type conductivity with a work function equal to or close to the work function of the adjacent layer of semiconductor material of a graded-gap semiconductor, a graded-gap semiconductor is a graded-gap p-n structure with smooth doping from p-type to n-type, and the direct-gap semiconductor layer has p-type conductivity and forms a p-n junction between layers of semiconductors , while on two opposite sides of the thermoelectric LED there are contacts with the possibility of attaching connecting conductors to them for inclusion in the electrical circuit, one of the contacts, on the side of the direct-gap semiconductor layer, is translucent.
3. Термоэлектрический светодиод по п.1 или по п. 2, характеризующийся тем, что работа выхода первого соединительного проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания, а работа выхода второго соединительного проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала структуры, примыкающей к проводнику через контакт. 3. Thermoelectric LED according to claim 1 or claim 2, characterized in that the work function of the first connecting conductor matches or is as close as possible to the work function of the semiconductor material of the base, and the work function of the second connecting conductor is the same or as close as possible to the work function of the semiconductor material of the structure adjacent to the conductor through the contact.
4. Термоэлектрический светодиод по п.1 или по п. 2, характеризующийся тем, что основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала. 4. Thermoelectric LED according to claim 1 or claim 2, characterized in that the base is a substrate made of semiconductor material.
5. Термоэлектрический светодиод по п.1 или по п. 2, характеризующийся тем, что основание является металлической структурой с нанесённым полупроводниковым материалом на нее. 5. Thermoelectric LED according to claim 1 or claim 2, characterized in that the base is a metal structure with a semiconductor material deposited on it.
6. Термоэлектрический светодиод по п.5, характеризующийся тем, что металлический слой структуры является контактом. 6. Thermoelectric LED according to claim 5, characterized in that the metal layer of the structure is a contact.
7. Термоэлектрический светодиод по п.1 или по п. 2, характеризующийся тем, что основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. 7. Thermoelectric LED according to claim 1 or claim 2, characterized in that the base is a structure containing a metal layer coated with a varying structure from metal to semiconductor material.
8. Термоэлектрический светодиод по п.7, характеризующийся тем, что металлический слой структуры является контактом. 8. Thermoelectric LED according to claim 7, characterized in that the metal layer of the structure is a contact.
PCT/RU2022/000120 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric led WO2023200354A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000120 WO2023200354A1 (en) 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric led

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2022/000120 WO2023200354A1 (en) 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric led

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023200354A1 true WO2023200354A1 (en) 2023-10-19

Family

ID=88330091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/000120 WO2023200354A1 (en) 2022-04-15 2022-04-15 Thermoelectric led

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023200354A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1428141A1 (en) * 1986-09-09 1995-05-10 Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе Light-emitting diode
RU2154324C1 (en) * 1999-04-27 2000-08-10 Матвеев Борис Анатольевич Semiconductor infrared radiation source (design versions)
WO2015181657A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 The Silanna Group Pty Limited Advanced electronic device structures using semiconductor structures and superlattices
US20160111618A1 (en) * 2014-05-07 2016-04-21 Sensor Electronic Technology, Inc. Optoelectronic device including improved thermal management

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1428141A1 (en) * 1986-09-09 1995-05-10 Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе Light-emitting diode
RU2154324C1 (en) * 1999-04-27 2000-08-10 Матвеев Борис Анатольевич Semiconductor infrared radiation source (design versions)
US20160111618A1 (en) * 2014-05-07 2016-04-21 Sensor Electronic Technology, Inc. Optoelectronic device including improved thermal management
WO2015181657A1 (en) * 2014-05-27 2015-12-03 The Silanna Group Pty Limited Advanced electronic device structures using semiconductor structures and superlattices

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6987281B2 (en) Group III nitride contact structures for light emitting devices
KR19990008420A (en) A double heterojunction light emitting diode having a gallium nitride active layer
TWI597862B (en) A photoelectronic semiconductor device with barrier layer
JPH0246779A (en) Pn junction type light emitting diode using silicon carbide semiconductor
KR20120040550A (en) Semiconductor light emitting device and manufacturing method of the same
CN110494992B (en) Semiconductor device and light emitting device package including the same
KR20140061827A (en) Semiconductor light emitting device and manufacturing method of semiconductor light emitting device
JP4907121B2 (en) Light emitting diode and light emitting diode lamp
KR100475414B1 (en) Led produting method using the thin film of zno and p-n thin film
KR20070117238A (en) Semiconductor light emitting transistor
WO2023200354A1 (en) Thermoelectric led
CN107958900B (en) Light-emitting diode with vertical structure
WO2023200353A1 (en) Thermoelectric led
US6774402B2 (en) Pn-juction type compound semiconductor light-emitting device, production method thereof and white light-emitting diode
WO2023200355A1 (en) Thermoelectric led
US20180269358A1 (en) Light-emitting device
KR101761310B1 (en) Light emitting device and method of manufacturing the same
WO2002093658A1 (en) Nitride semiconductor led with tunnel junction
KR101007086B1 (en) Semiconductor light emitting device and fabrication method thereof
JP3633018B2 (en) Semiconductor light emitting device
TWI639252B (en) A photoelectronic semiconductor device with barrier layer
KR102035630B1 (en) Light-emitting device
KR100946102B1 (en) Nitride Semiconductor Light Emitting Device
KR20180016906A (en) Semiconductor device and light emitting device package having thereof
KR20170137393A (en) Semiconductor device and light emitting device package having thereof

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22937599

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1