ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД С Р-N-ПЕРЕХОДОМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых светоизлучающих диодов - светодиодов, и может быть использовано в электронной и оптоэлектронной промышленности.

Известны аналоги первого, второго и третьего вариантов изобретения (С. Зи. Физика полупроводниковых приборов./ Под ред. Р.А.Суриса.- М.: Мир, 1984, с. 278-290) полупроводниковые светоизлучающие диоды с p-n-переходом, содержащие металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, монокристаллический полупроводниковый p-типа слой и монокристаллический полупроводниковый n-типа слой.

Недостатками указанных диодов плоской структуры являются малый уровень излучающей мощности, малый уровень КПД, электротепловая деградация при эксплуатации и недостаточный уровень надежности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для первого, второго и третьего вариантов изобретения являются полупроводниковые светодиоды с p-n-переходом (Ю. Р. Носов. Оптоэлектроника.- М.: Радио и связь, 1989 г., с. 139-149), которые содержат металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, монокристаллический полупроводниковый p-типа слой и монокристаллический полупроводниковый n-типа слой. В качестве материалов при изготовлении полупроводниковых слоев используются, как правило, GaAs, или GaP, или GaAsP и другие.

Недостатками указанных диодов плоской структуры являются малый уровень излучающей мощности, малый уровень КПД, электротепловая деградация при эксплуатации и недостаточный уровень надежности.

Известен аналог четвертого варианта изобретения полупроводниковые светоизлучающие диоды с p-n-переходом (С. Зи. Физика полупроводниковых приборов/ Под ред. Р.А.Суриса.- М.: Мир, 1984, с. 291-295), содержащие металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, подложку, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой из одного материала, монокристаллический полупроводниковый p-типа слой из другого материала.

Недостатками указанных диодов плоской структуры являются малый уровень излучающей мощности, малый уровень КПД, электротепловая деградация при эксплуатации и недостаточный уровень надежности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для четвертого варианта изобретения является полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом (А.Э. Юнович . Ключ к синему лучу или о светодиодах и лазерах, голубых и зеленых.- "Химия и жизнь", N 5-6, 1999, с. 46-48), содержащий металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, сапфировую подложку, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой из одного материала, монокристаллический полупроводниковый p-типа слой из другого материала.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по первому варианту, является производство различных оптоэлектронных устройств со светодиодами, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении первого варианта изобретения, являются повышение излучаемой мощности и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по первому варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом содержит монокристаллический полупроводниковый p-типа слой, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя.

Отличие светодиода состоит в том, что металлический контакт p-типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого выращен монокристаллический полупроводниковый p-типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов.

В конкретных формах выполнения светодиода по первому варианту изобретения металлический контакт p-типа слоя может быть выполнен из металлов: молибдена, или вольфрама, или ниобия и других металлов, а металлический контакт n-типа слоя может быть выполнен из сплава двух металлов: золота, никеля, серебра и других.

Кроме того, в конкретных формах выполнения светодиода по первому варианту изобретения все полупроводниковые слои светодиода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по второму варианту, является производство различных оптоэлектронных устройств со светодиодами, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении второго варианта изобретения, являются повышение излучаемой мощности и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по второму варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом содержит монокристаллический полупроводниковый p-типа слой, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя.

Отличие светодиода состоит в том, что монокристаллический полупроводниковый p-типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт p-типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из сплава двух металлов, а на внешней поверхности которого сформирован монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n слоя, выполненных из сплава двух металлов.

В конкретных формах выполнения светодиода по второму варианту изобретения металлический контакт p-типа слоя может быть выполнен из сплава двух металлов: алюминия, титана и других, а металлический контакт n-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золота, никеля, серебра и других.

Также в конкретных формах выполнения светодиода по второму варианту изобретения все полупроводниковые слои могут быть выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по третьему варианту, является производство различных оптоэлектронных устройств со светодиодами, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении третьего варианта изобретения, являются повышение излучаемой мощности и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по третьему варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переход ом содержит монокристаллический полупроводниковый p-типа слой, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя.

Отличие светодиода состоит в том, что монокристаллический полупроводниковый p-типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов, а металлический контакт p-типа слоя сформирован на торцах монокристаллического полупроводникового p-типа слоя и выполнен из сплава двух металлов.

В конкретных формах выполнения светодиода по третьему варианту изобретения металлический контакт p-типа слоя может быть выполнен из сплава двух металлов: алюминия, титана и других, а металлический контакт n-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золота, никеля, серебра и других.

Также в конкретных формах выполнения светодиода по третьему варианту изобретения все полупроводниковые слои диода могут быть выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других.

Задачей, на решение которой направлено изобретение по четвертому варианту. является производство различных оптоэлектронных устройств со светодиодами, обладающих более высокими показателями надежности при заданном КПД.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении четвертого варианта изобретения, являются повышение излучаемой мощности и снижение уровня электротепловой деградации.

Указанные технические результаты по четвертому варианту изобретения достигаются следующим.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом содержит сапфировую подложку, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой из одного материала, монокристаллический полупроводниковый p-типа слой из другого материала и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя.

Отличие светодиода по четвертому варианту изобретения состоит в том, что сапфировая подложка выполнена в виде сплошного цилиндра, на внешней поверхности которого последовательно выращены монокристаллический полупроводниковый цилиндрический n-типа слой из одного материала и монокристаллический полупроводниковый цилиндрический p-типа слой из другого материала, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов р типа слоя, выполненных из сплава двух металлов, а по периферийным частям поверхности монокристаллического полупроводникового цилиндрического n-типа слоя симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов.

В конкретных формах выполнения светодиода по четвертому варианту изобретения монокристаллический полупроводниковый цилиндрический n-типа слой выполнен из полупроводниковых материалов: GaN:Si, GaAs, AlGaAs и других, а монокристаллический полупроводниковый цилиндрический p-типа слой выполнен из полупроводниковых материалов: Al_1-xGa_xN:Mg, AlGaAs и других.

Также в конкретных формах выполнения светодиода по четвертому варианту изобретения металлические контакты p-типа слоя выполнены из сплава двух металлов: никеля, золота, серебра и других, а цилиндрические металлические контакты n-типа слоя выполнены из сплава двух металлов: титана, алюминия и других.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено: на фиг. 1 пример конструкции светодиода по первому варианту изобретения, на фиг. 2 пример конструкции светодиода по второму варианту изобретения, на фиг. 3 пример конструкции светодиода по третьему варианту изобретения, на фиг. 4 пример конструкции светодиода по четвертому варианту изобретения.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переход ом по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит следующие конструктивные элементы.

Металлический контакт 1 p-типа слоя, выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100). Контакт 1 может быть выполнен из металлов: молибдена, или вольфрама, или ниобия и других металлов. На внешней поверхности контакта 1 выращен монокристаллический полупроводниковый p-типа слой 2 цилиндрической формы, на внешней поверхности которого сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой 3. По периферийным частям поверхности слоя 3 симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов 4, 5 n-типа слоя.

Пара металлических контактов 4, 5 выполнена из сплава двух металлов: золота, никеля, серебра и других.

Полупроводниковые слои 2, 3 могут быть выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других.

Принцип действия светодиода по первому варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 1 и 4, 5 подается постоянное прямое напряжение, при котором через светодиод начинает протекать электрический ток. Электроны и дырки инжектируются с разных сторон из полупроводниковых слоев 2 и 3 в область p-n- гомоперехода, а затем рекомбинируют, порождая оптическое (световое) излучение. Это излучение осуществляется через цилиндрическую поверхность слоя 3 n-типа , расположенную между парой контактов 4 и 5 этого слоя. Цилиндрическая структура светодиода позволяет пропускать большие рабочие токи в режиме инжекции при равномерном распределении плотности рабочего тока через p-n- гомопереход, обеспечивающие высокий уровень излучаемой световой мощности с внешней поверхности. По этой же причине уменьшается уровень электротепловой деградации, а уровень надежности увеличивается.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом по второму варианту изобретения (фиг. 2) содержит следующие конструктивные элементы.

Монокристаллический полупроводниковый p-типа слой 6 выращен в виде полого цилиндра. На внутренней поверхности слоя 6 сформирован металлический контакт 7 р типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра. Контакт 7 состоит из сплава двух металлов, например: алюминия, титана и других. На внешней поверхности слоя 6 сформирован монокристаллический полупроводниковый n-типа слой 8. По периферийным частям поверхности слоя 8 симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов 9 и 10 n-типа слоя. Пара металлических контактов 9 и 10 выполнена из сплава двух металлов: золота, никеля, серебра и других.

Полупроводниковые слои 6 и 8 светодиода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других.

Принцип действия светодиода по второму варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 7 и 9, 10 подается постоянное прямое напряжение, при котором через светодиод начинает протекать электрический ток. Электроны и дырки инжектируются с разных сторон из полупроводниковых слоев 6 и 8 в область p-n-гомоперехода, а затем рекомбинируют, порождая оптическое (световое) излучение. Это излучение осуществляется через цилиндрическую поверхность слоя 8 n-типа , расположенную между парой контактов 9 и 10 этого слоя. Цилиндрическая структура светодиода позволяет пропускать большие рабочие токи в режиме инжекции при равномерном распределении плотности рабочего тока через p-n гомопереход, обеспечивающие высокий уровень излучаемой световой мощности с внешней поверхности. По этой же причине уменьшается уровень электротепловой деградации, а уровень надежности повышается.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом по третьему варианту изобретения (фиг. 3) содержит следующие конструктивные элементы.

Монокристаллический полупроводниковый p-типа слой 11 выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины. На внешней поверхности слоя 11 сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой 12. По периферийным частям поверхности слоя 12 симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов 13 и 14 n-типа слоя. Пара контактов 13 и 14 выполнена из сплава двух металлов: золота, никеля, серебра и других. На торцах монокристаллического полупроводникового p-типа слоя сформирован металлический контакт 15 p-типа слоя. Контакт 15 выполнен из сплава двух металлов: алюминия, титана и других
Полупроводниковые слои 11 и 12 светодиода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других.

Принцип действия светодиода по третьему варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 15 и 13, 14 подается постоянное прямое напряжение, при котором через светодиод начинает протекать электрический ток. Электроны и дырки инжектируются с разных сторон из полупроводниковых слоев 11 и 12 в область p-n-гомоперехода, а затем рекомбинируют, порождая оптическое (световое) излучение. Это излучение осуществляется через цилиндрическую поверхность слоя 12 n-типа , расположенную между парой контактов 13 и 14 этого слоя. Цилиндрическая структура светодиода позволяет пропускать большие рабочие токи в режиме инжекции при равномерном распределении плотности рабочего тока через p-n гомопереход, обеспечивающие высокий уровень излучаемой световой мощности с внешней поверхности. По этой же причине уменьшается уровень электротепловой деградации, а уровень надежности повышается.

Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом по четвертому варианту изобретения (фиг. 4) содержит следующие конструктивные элементы.

Сапфировая подложка 16 выполнена в виде сплошного цилиндра. На внешней поверхности подложки 16 выращен монокристаллический полупроводниковый цилиндрический n-типа слой 17 из одного полупроводникового материала, например: GaN: Si, GaAs, AlGaAs и других. Поверх слоя 17 выращен монокристаллический полупроводниковый цилиндрический p-типа слой 18 из другого полупроводникового материала, например: Al_1-xGa_xN:Mg, AlGaAs и других. По периферийным частям поверхности слоя 18 симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов 19 и 20 p-типа слоя. Пара контактов 19 и 20 выполнена из сплава двух металлов, например: никеля, золота, серебра и других. По периферийным частям поверхности слоя 17 симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов 21 и 22 n-типа слоя. Пара контактов 21 и 22 выполнена из сплава двух металлов, например: титана, алюминия и других.

Принцип действия светодиода по четвертому варианту изобретения заключается в следующем. Между контактами 19, 20 и 21, 22 подается постоянное прямое напряжение, при котором через светодиод начинает протекать электрический ток. Электроны и дырки инжектируются с разных сторон из полупроводниковых слоев 17 и 18 в область p-n-гетероперехода, а затем рекомбинируют, порождая оптическое (световое) излучение. Это излучение осуществляется через цилиндрическую поверхность слоя 18 p-типа , расположенную между парой контактов 19 и 20 этого слоя. Цилиндрическая структура светодиода позволяет пропускать большие рабочие токи в режиме инжекции при равномерном распределении плотности рабочего тока через p-n- гетеропереход, обеспечивающие высокий уровень излучаемой световой мощности с внешней поверхности. По этой же причине уменьшается уровень электротепловой деградации, а уровень надежности повышается.

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых светоизлучающих диодов - светодиодов, и может быть использовано в электронной и оптоэлектронной промышленности. Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении всех вариантов изобретения, являются повышение излучаемой мощности и снижение уровня электротепловой деградации. Сущность изобретения по первому варианту изобретения заключается в следующем. В светодиоде металлический контакт р-типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100). Контакт р-типа слоя может быть выполнен из металлов: молибдена, или вольфрама, или ниобия и других металлов. На внешней поверхности этого контакта выращен монокристаллический полупроводниковый р-типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой. По периферийным частям поверхности этого слоя симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя из сплава двух металлов. Кроме того, предложены еще три варианта светоизлучающего диода с p-n-переходом. 4 с. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Полупроводниковый светоизлучающий диод с p-n-переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый p-типа слой, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, отличающийся тем, что металлический контакт p-типа слоя выполнен в виде монокристаллического цилиндра из металла с объемноцентированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100), на внешней поверхности которого выращен монокристаллический полупроводниковый p-типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов. 2. Диод по п.1, отличающийся тем, что металлический контакт p-типа слоя выполнен из металлов: молибден, или вольфрам, или ниобий и другие металлы, а металлический контакт n-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золото, никель, серебро и другие. 3. Диод по п.1, отличающийся тем, что все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaАs, или GaP, или GaN и другие. 4. Полупроводниковый светоизлучающий диод с р-n-переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый p-типа слой, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, отличающийся тем, что монокристаллический полупроводниковый p-типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован металлический контакт p-типа слоя, выполненный в виде полого цилиндра, состоящего из сплава двух металлов, а на внешней поверхности которого сформирован монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов. 5. Диод по п.4, отличающийся тем, что металлический контакт p-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: алюминий, титан и другие, а металлический контакт n-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золото, никель, серебро и другие. 6. Диод по п.4, отличающийся тем, что все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других. 7. Полупроводниковый светоизлучающий диод с р-n-переходом, содержащий монокристаллический полупроводниковый p-типа слой, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, отличающийся тем, что монокристаллический полупроводниковый p-типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого сформирован имеющий цилиндрическую форму монокристаллический полупроводниковый n-типа слой, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов, а металлический контакт p-типа слоя сформирован на торцах монокристаллического полупроводникового p-типа слоя и выполнен из сплава двух металлов. 8. Диод по п.7, отличающийся тем, что металлический контакт p-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: алюминий, титан и другие, а металлический контакт n-типа слоя выполнен из сплава двух металлов: золото, никель, серебро и другие. 9. Диод по п.7, отличающийся тем, что все полупроводниковые слои диода выполнены из полупроводниковых материалов: GaAs, или GaP, или GaN и других. 10. Полупроводниковый светоизлучающий диод с р-n-переходом, содержащий сапфировую подложку, монокристаллический полупроводниковый n-типа слой из одного материала, монокристаллический полупроводниковый p-типа слой из другого материала и металлические контакты p-типа слоя и n-типа слоя, отличающийся тем, что сапфировая подложка выполнена в виде сплошного цилиндра, на внешней поверхности которого последовательно выращены монокристаллический полупроводниковый цилиндрический n-типа слой из одного материала и монокристаллический полупроводниковый цилиндрический p-типа слой из другого материала, по периферийным частям поверхности которого симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов p-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов, а по периферийным частям поверхности монокристаллического полупроводникового цилиндрического n-типа слоя симметрично от центра размещена пара цилиндрических металлических контактов n-типа слоя, выполненных из сплава двух металлов. 11. Диод по п.10, отличающийся тем, что монокристаллический полупроводниковый цилиндрический n-типа слой выполнен из полупроводниковых материалов: GaN : Si, GaAs, AlGaAs и другие. 12. Диод по п.10, отличающийся тем, что монокристаллический полупроводниковый цилиндрический p-типа слой выполнен из полупроводниковых материалов: Al_1-xCa_xN : Mg, AlGaAs и других. 13. Диод по п.10, отличающийся тем, что металлические контакты p-типа слоя выполнены из сплава двух металлов: никель, золото, серебро и другие. 14. Диод по п.10, отличающийся тем, что цилиндрические металлические контакты n-типа слоя выполнены из сплава двух металлов: титан, алюминий и другие.