СИД НА ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛАХ Российский патент 2013 года по МПК H01L33/58 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к светоизлучающему диоду, содержащему фотонные кристаллы.

Уровень техники

В современном обществе широко распространено использование светоизлучающих диодов, излучающих видимый свет. Применения светоизлучающих диодов включают в себя светоизлучающие знаки, такие как указатели выхода или аварийные знаки, фонари для транспортных средств, такие как фонари торможения, освещение подсветки для крупномасштабных видеодисплеев и осветительных систем для мебели, таких как полки. Однако использование светоизлучающих диодов для применений, подобных источникам проекции или фарам автомобиля, растет менее быстро вследствие того факта, что является широким угол излучения обычного светоизлучающего диода. Для этих применений желательно использовать источник света, имеющий сильно коллимированный свет.

Многие светоизлучающие диоды (СИД) страдают низкой эффективностью вывода, т.е. мала величина света, исходящего от светоизлучающего диода (СИД), по сравнению со светом, генерируемым в СИД. Общей проблемой СИД является то, что полное внутреннее отражение света в материале СИД вызывает захват света в СИД, и, следовательно, он не выходит из СИД. Одной причиной полного внутреннего отражения является то, что существует большое различие в показателе преломления между светоизлучающим материалом и воздухом. Свет, захватываемый в СИД, в конечном счете поглощается и теряется. Чтобы уменьшить величину света, захваченного вследствие полного внутреннего отражения, был предложен способ повышения эффективности вывода. Способ достигает повышенной эффективности вывода посредством обеспечения шероховатых участков на светоизлучающей поверхности СИД. Еще другое улучшение эффективности вывода было достигнуто посредством обеспечения периодических структур в материале СИД. Примером периодической структуры является фотонный кристалл (PC). Располагая фотонный кристалл рядом с активной областью СИД, достигается улучшение эффективности вывода. Фотонный кристалл формирует промежутки (или полости), которые дифрагируют свет под некоторым углом. Для целей теоретического моделирования излучение света (поле излучения) СИД делится на ближнее поле, которое содержит электрическое поле около активного слоя и структуры фотонного кристалла, и дальнее поле, которое соответствует фактическому излучению света, наблюдаемому (далеко) от СИД. Проблема многих светоизлучающих диодов, имеющих структуру фотонного кристалла, заключается в том, что излучение в дальнем поле СИД отображает регулярную диаграмму направленности более ярких и/или более темных пятен, точек или т.п.

В заявке на патент США 2005/0173714 А1 описывается эпитаксиальная структура твердотельной системы освещения. Твердотельная система освещения содержит активный слой, излучающий свет под действием тока, вводимого в слой, первую структуру, рядом с активным слоем, причем структура и активный слой расположены так, чтобы захватывать свет, создаваемый активным слоем, и направлять свет параллельно активному слою, и вторую структуру, расположенную сверху направляющего слоя, предназначенную для извлечения света, который захватывается первой структурой, причем вторая структура содержит множество матриц фотонных кристаллов с разными параметрами. Кроме того, существует много ячеек фотонного кристалла в каждой системе освещения. Согласно одному варианту осуществления геометрические формы ячеек фотонного кристалла и электродов в микросхеме расположены в виде квадратных ячеек. Каждая ячейка имеет электрод, который является непрозрачным, и содержит фотонный кристалл для извлечения света. Задачей твердотельной системы освещения, описанной в 2005/0173714 А1, является обеспечение улучшенной эффективности вывода.

В твердотельной системе освещения данного типа ячейки фотонного кристалла повторяются по поверхности системы освещения. Недостатком такой твердотельной системы освещения является то, что объединенная диаграмма направленности в дальней зоне, являющаяся результатом множества ячеек фотонного кристалла, может быть неравномерной, т.е. диаграмма направленности в дальней зоне может иметь яркие пятна, точки, круги или т.п.

Сущность изобретения

Задачей нестоящего изобретения является уменьшение по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых проблем известного уровня техники.

Данная задача достигается светоизлучающим диодом, как изложено в независимом пункте 1 формулы изобретения. Конкретные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно аспекту изобретения обеспечивается полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД), содержащий первый и второй электроды для приложения напряжения к активной области. Активная область расположена между слоем полупроводника первого типа и слоем полупроводника второго типа для генерирования света. СИД дополнительно содержит светоизлучающую поверхность для излучения света и множество фотонных кристаллов, расположенных между активной областью и светоизлучающей поверхностью. По меньшей мере два фотонных кристалла первого и второго типов, выбранных из упомянутого множества фотонных кристаллов, выполнены с возможностью вывода света от упомянутой активной области и отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного параметра решетки. Каждый из упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов ассоциирован с соответствующей диаграммой направленности в дальней зоне. Кроме того, размещение упомянутого множества фотонных кристаллов обеспечивается для размещения упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов так, что полная диаграмма направленности в дальней зоне от света, генерируемого в СИД, создается посредством объединения упомянутых соответствующих диаграмм направленности в дальней зоне, ассоциированных с каждым из упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов.

Идея изобретения заключается в том, чтобы обеспечить светоизлучающий диод, имеющий светоизлучающий участок, который разделен на подучастки. По меньшей мере некоторые из подучастков обеспечиваются разными фотонными кристаллами (PC), причем фотонные кристаллы различаются тем, что по меньшей мере один из их соответствующих параметров решетки (включающих в себя тип решетки, шаг решетки, долю заполнения и ориентацию решетки, как объяснено дополнительно ниже) отличается от других. Подучастки служат в качестве многочисленных разных источников света, причем каждый источник света имеет отличающуюся диаграмму направленности излучения (или поле излучения). В дальнем поле разные диаграммы направленности излучения, ассоциированные с каждым соответствующим источником света (т.е. фотонным кристаллом), объединяются в одну диаграмму направленности, которая может иметь улучшенную равномерность по сравнению с диаграммой направленности в дальней зоне, происходящей от СИД, например, с идентичными фотонными кристаллами, или которая может иметь излучение коллимированного света с улучшенной симметрией.

Используя другую формулировку, принципом, формирующим основу для светоизлучающего диода согласно настоящему изобретению, является обеспечение СИД, содержащего фотонные кристаллы по меньшей мере двух разных типов. Два фотонных кристалла, которые отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного параметра решетки, как считается, являются разных типов. Фотонные кристаллы разных типов формируют размещение фотонных кристаллов, так что полная диаграмма направленности в дальней зоне света, излучаемого СИД, является более равномерной, чем каждая из индивидуальных диаграмм направленности в дальней зоне, ассоциированных с фотонными кристаллами разных типов. Таким образом, уменьшается влияние более темных и/или более ярких пятен, точек и/или т.п., упоминаемых ниже как неоднородности диаграммы направленности в дальней зоне. Подмечено, что неоднородности диаграмм направленности в дальней зоне, в СИД известного уровня техники с PC, происходят в результате регулярного распределения полостей (отверстий) в фотонных кристаллах. Дополнительно, может быть отмечено, что неоднородности соответствуют симметрии в диаграмме направленности фотонного кристалла. Таким образом, желательно нарушить регулярность распределения отверстий в PC, как описано в раскрытии данной заявки.

Таким образом, полезным эффектом светоизлучающего диода согласно настоящему изобретению является то, что он обеспечивает излучение света, диаграмма направленности излучения в дальней зоне которого может иметь улучшенную равномерность или отображает меньше пятен (неоднородностей), чем только с одним типом фотонного кристалла.

Другим преимуществом является то, что многие разные диаграммы направленности излучения в дальней зоне, требуемые любым конкретным применением, могут разрабатываться с фиксированным количеством оптимизированных фотонных кристаллов. Другая разработка может быть получена посредством выбора другого размещения фотонных кристаллов СИД, т.е. меняются положения фотонных кристаллов. Например, для применений с подсветкой желательно обеспечивать СИД, который имеет большую часть излучения между 60° и 80° к нормали СИД.

Необходимо отметить, что фотонные кристаллы могут формироваться как часть слоя полупроводника, ближайшего к светоизлучающей поверхности. Слой фотонных кристаллов может проходить от светоизлучающей поверхности через упомянутый слой полупроводника, ближайший к светоизлучающей поверхности, возможно, также через активную область. Дополнительно, слой фотонных кристаллов может заходить в слой полупроводника на стороне активной области, противоположной по сравнению со светоизлучающей поверхностью СИД. Фотонные кристаллы, однако, также могут формироваться в отдельном слое, который отличен от слоя полупроводника, ближайшего к светоизлучающей поверхности. Как правило, фотонный кристалл содержит решетку отверстий, столбиков и/или т.п. В нижеследующем (и в вышеизложенном) упоминание отверстий должно интерпретироваться как отверстия и/или столбики, и/или т.п.

Фотонные кристаллы могут содержать фотонные квазикристаллы в некоторых вариантах осуществления. Кроме того, в других вариантах осуществления светоизлучающая поверхность СИД может дополнительно содержать средство для придания шероховатости светоизлучающей поверхности СИД. Таким образом, средство для придания шероховатости светоизлучающей поверхности обеспечивает равномерное фоновое излучение, которое уменьшает контраст между участками, снабженными фотонными кристаллами, и участками, не снабженными фотонными кристаллами.

В варианте осуществления СИД согласно настоящему изобретению предпочтительно, что размещение фотонных кристаллов размещает (позиционирует или располагает) разные фотонные кристаллы случайным образом. Размещение, в дополнение или альтернативно, может размещать разные фотонные кристаллы изменяющимся (в отношение по меньшей мере одного параметра решетки) образом. Например, параметр решетки может изменяться по линейной функции (или функции любого типа и/или порядка) от одного фотонного кристалла к другому (соседнему) фотонному кристаллу, так что улучшается равномерность диаграммы направленности в дальней зоне света, излучаемого СИД. Кроме того, размещение фотонных кристаллов, в дополнение или альтернативно, может размещать фотонные кристаллы разных типов апериодически на светоизлучающей поверхности (более конкретно, в слое полупроводника между активной областью и светоизлучающей поверхностью), посредством чего улучшается объединенная диаграмма направленности в дальней зоне от разных фотонных кристаллов, т.е. имеется меньше или уменьшенные пятна или т.п.

В варианте осуществления СИД согласно настоящему изобретению размещение выполнено с возможностью расположения вышеупомянутых фотонных кристаллов по меньшей мере двух разных типов нерегулярным образом в светоизлучающей поверхности. Таким образом, наблюдалось, что полная диаграмма направленности в дальней зоне света, излучаемого СИД, имеющего повышенную равномерность, может быть получена посредством размещения, предпочтительно нерегулярно, как указано выше, разных фотонных кристаллов в светоизлучающей поверхности (светоизлучающем участке), так что разные диаграммы направленности в дальней зоне ассоциированных разных фотонных кристаллов взаимодействуют таким образом, что неоднородности (более яркие или более темные пятна или точки или кружки) диаграммы направленности в дальней зоне, ассоциированной с фотонным кристаллом, имеют место в разных положениях в отношении неоднородностей (более ярких или более темных пятен или точек или кружков) другой диаграммы направленности в дальней зоне, ассоциированной с другим фотонным кристаллом (или, иначе выражаясь, диаграммы направленности в дальней зоне ассоциированных фотонных кристаллов предпочтительно не должны, по меньшей мере частично, быть соответствующими в отношении их соответствующих пространственных протяженностей). Другими словами, диаграммы направленности в дальней зоне ассоциированных фотонных кристаллов должны, предпочтительно, быть, по меньшей мере незначительно, не в фазе друг с другом.

В еще других вариантах осуществления СИД согласно настоящему изобретению может быть желательным располагать (размещать или устанавливать) фотонные кристаллы разных типов регулярным образом. Т.е. более яркие и/или более темные пятна на диаграммах направленности в дальней зоне от фотонных кристаллов должны перекрываться в достаточной степени так, чтобы обеспечить излучаемую мощность в телесном угле в пределах заданного диапазона. Например, при использовании фотонных кристаллов с разными типами решетки, такими как шестиугольные и треугольные решетки, пятна на диаграммах направленности в дальней зоне могут перекрываться и таким образом формировать диаграмму направленности в дальней зоне с меньшим количеством неоднородностей и/или менее отчетливыми (размытыми) неоднородностями (пятна и т.д.).

Кроме того, параметрами решетки может быть один из ориентации решетки, шага решетки, типа решетки или доли заполнения, или их комбинации. Необходимо отметить, что термин «параметр решетки» включает в себя ориентацию решетки, т.е. два фотонных кристалла считаются разными (или разного типа), если они ориентированы по-разному, даже если они имеют одинаковый шаг, долю заполнения и тип решетки. Например, фотонные кристаллы могут иметь одинаковый или подобный ближний порядок, но несколько отличающийся шаг, или одинаковый или подобный шаг, но другую долю заполнения. Дополнительно, фотонные кристаллы могут иметь одинаковый (или подобный) шаг и форму, но быть отличающимися в том, что тип решетки является разным, т.е. шестиугольная структура отличается от треугольной (или кубической) структуры решетки. Необходимо отметить, что некоторые из фотонных кристаллов могут иметь одинаковые параметры решетки, т.е. не требуется, чтобы все фотонные кристаллы СИД имели по меньшей мере один отличающийся параметр решетки.

Необходимо понять, что термин «доля заполнения» относится к размерам составляющих фотонного кристалла, таким как отверстия, столбики или т.п., т.е. диаметр отверстий отличается от одного фотонного кристалла к другому фотонному кристаллу, тогда как другие параметры, подобные шагу, сохраняются постоянными. Обычно диаметр отверстий (или столбиков) находится в диапазоне от 30 нм до 700 нм для видимого света.

Шаг (или постоянная решетки) фотонного кристалла определяется как расстояние от центра отверстия (или столбика или т.п.) до центра соседнего отверстия в решетке фотонного кристалла. Для видимого света это расстояние обычно находится в диапазоне от 80 нм до 800 нм. Как правило, оптимальный шаг (или шаг решетки) увеличивается с длиной волны излучаемого света.

В вариантах осуществления СИД согласно настоящему изобретению шаг и доля заполнения СИД может изменяться посредством заполнения отверстий (или промежутков между столбиками) в материале полупроводника материалом, показатель преломления которого отличается для воздуха и материала полупроводника. Например, могут использоваться (пористый) оксид кремния, оксид тантала, оксид циркония и оксид титана. При повышении показателя преломления в отверстиях увеличивается шаг и доля заполнения фотонного кристалла.

Вышеупомянутый тип решетки может содержать по меньшей мере одну из шестиугольной, треугольной и кубической структуры. В технике известны многочисленные типы кристаллических структур, которые все могут использоваться в СИД согласно вариантам осуществления изобретения. Вышеупомянутые структуры низкого порядка (шестиугольная структура и т.д.), как предполагается, не ограничивают объем изобретения этими типами. Может применяться любая структура низкого порядка. Также могут использоваться структуры высокого порядка, такие как структура подсолнечника или различные типы Архимедовой мозаики. Могут быть применимы даже случайные кристаллические структуры. Предпочтительно, что тип решетки обеспечивает невращательно симметричную диаграмму направленности в дальней зоне. Примером являются квазикристаллы, подобные спиральной структуре в подсолнечнике, которые пригодны для применений, подобных мультимедийным проекторам, подсветке жидкокристаллических дисплеев (LCD) и передним фонарям автомобиля. Однако необходимо заметить, что в некоторых вариантах осуществления предпочтительно иметь вращательно симметричную диаграмму направленности в дальней зоне. Это случай применений, подобных точечным источникам света.

В другом варианте осуществления СИД согласно настоящему изобретению может выбираться по желанию размер и форма (размеры) подучастков, т.е. форма фотонных кристаллов. А именно, самые малые размеры подучастка (или фотонного кристалла) зависят от длины взаимодействия конкретного фотонного кристалла. Предпочтительно, что форма подучастков может иметь многоугольную форму, такую как прямоугольная, треугольная, квадратная форма или их комбинация. Наиболее предпочтительно, чтобы подучастки имели одинаковую форму. Как правило, подучастки имеют квадратную форму, чтобы способствовать процессу производства.

В других вариантах осуществления СИД согласно настоящему изобретению слой полупроводника первого типа представляет собой слой полупроводника N-типа, и слой полупроводника второго типа представляет собой слой полупроводника P-типа. Полезно, что, так как материал N-типа обычно представляет собой лучший проводник тока, чем материал полупроводника P-типа, то достигается ток, распространяющийся по всей активной области, и таким образом вся активная область может использоваться для генерирования света, и вся светоизлучающая верхняя поверхность может использоваться для выведения света.

Кроме того, слой N-типа располагается между активной областью и светоизлучающей поверхностью СИД, и слой P-типа располагается на стороне активной области, противоположной по сравнению со слоем N-типа.

Альтернативно, в вариантах осуществления СИД согласно настоящему изобретению слоем полупроводника первого типа является слой полупроводника P-типа, и слоем полупроводника второго типа является слой полупроводника N-типа.

Кроме того, фотонные кристаллы размещаются рядом друг с другом для непрерывного покрытия фотонными кристаллами по меньшей мере части светоизлучающей поверхности СИД. Полезно, что таким образом максимизируется влияние фотонных кристаллов. Применение фотонных кристаллов способствуют повышенному выводу, а также улучшенной форме луча и эффективности коллимации.

В других вариантах осуществления СИД согласно настоящему изобретению второй электрод содержит подэлектроды, расположенные на стороне активной области, противоположной по сравнению со светоизлучающей поверхностью. Первый и второй подэлектроды ассоциированы с соответствующим фотонным кристаллом первого и второго типа соответственно. Дополнительно, первый и второй подэлектроды индивидуально управляются посредством приложения соответствующего напряжения к каждому из первого и второго подэлектродов, посредством чего диаграмма направленности в дальней зоне упомянутого СИД динамически управляется вследствие отличия между диаграммами направленности в дальней зоне от упомянутых фотонных кристаллов первого и второго типа. Таким образом создается несколько активных подобластей (или вспомогательных «активных областей»). Эти активные подобласти могут активизироваться посредством приложения к ним напряжения. В результате, разные части активной области могут активизироваться выбором (активизированием) разных подэлектродов. Полезно, что СИД может динамически (без какой-либо необходимости изменения аппаратных средств) обеспечивать разные типы форм луча (диаграмм направленности в дальней зоне), например, один тип формы луча (с коллимированным светом) для считывания и другой тип формы луча (с широким излучением) для просмотра телевидения. Некоторые формы луча даже могут направлять излучение полностью в направлении боковых сторон без какого-либо света в направлении нормали к СИД.

Более конкретно, подэлектроды могут ассоциироваться с соответствующими фотонными кристаллами. Предпочтительно сопоставлять размер и форму подэлектродов с размером и формой соответствующего фотонного кристалла. Таким образом может обеспечиваться более легкое и предсказуемое управление излучением в дальней зоне. Необходимо отметить, что некоторые из электродов могут ассоциироваться с участком поверхности СИД, который не содержит фотонного кристалла, но этот участок поверхности может быть обработан другими методами, подобными приданию шероховатости, для получения однородной диаграммы направленности излучения.

Следовательно, согласно вышеупомянутому варианту осуществления настоящего изобретения обеспечивается СИД, в котором один из электродов разделен на подэлектроды, причем каждый подэлектрод индивидуально управляется посредством приложения напряжения к каждому одному из подэлектродов. Преимущество данного варианта осуществления заключается в том, что распределение интенсивности (яркости) света, излучаемого СИД, может управляться выбором разных напряжений (также возможным вариантом является полное отсутствие напряжения) для разных подэлектродов.

Кроме того, может быть улучшена теплопередача от активной области. Это может достигаться, например, посредством активизирования только части всей активной области, которая генерирует свет. Часть, где генерируется свет, может называться активным участком, и часть активной области, которая не генерирует свет, может называться деактивизированным участком (ассоциированный подэлектрод деактивизирован). Когда активный участок возбуждается для излучения света, он также создает тепло. Это тепло может рассеиваться в окружающих деактивизированных участках, которые, таким образом, обеспечивают локальное рассеяние тепла. Таким образом может применяться более высокий ток через активизированный участок, чем для случая, когда используются все подэлектроды, и нет деактивизированных участков, присутствующих для обеспечения локального рассеивания тепла.

В еще других вариантах осуществления СИД согласно настоящему изобретению слой полупроводника первого типа, расположенный на стороне активной области, противоположной по сравнению со светоизлучающей поверхностью, разделен на подэлементы, причем каждый подэлемент ассоциирован с соответствующим подэлектродом. Полезно, что достигается улучшенное разделение между активными областями для генерирования света.

Специалист в данной области техники понимает, что разные признаки настоящего изобретения могут быть объединены для получения вариантов осуществления кроме вариантов, которые описаны ниже, без отступления от объема настоящего изобретения, который определяется прилагаемым независимым пунктом формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Различные аспекты изобретения легко понятны из последующего подробного описания вариантов осуществления настоящего изобретения, которые предусматриваются в качестве неограничивающих примеров, и прилагаемых чертежей, на которых

фиг.1 изображает вид в разрезе светоизлучающего диода согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.2а и 2b изображают диаграммы направленности в дальней зоне от соответствующего типа фотонного кристалла;

фиг.2d и 2е изображают два фотонных кристалла, которые являются разными в отношении по меньшей мере одного параметра решетки;

фиг.2с и фиг.2f иллюстрируют интерференцию между разными дальними полями, возникающими от участков, имеющих фотонные кристаллы разных типов, как показано на фиг.2а-2b и фиг.2d-2e;

фиг.3 изображает вид сверху в плане светоизлучающего диода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 изображает вид сверху в плане светоизлучающего диода согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 изображает вид в разрезе светоизлучающего диода согласно еще другому варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 изображает вид в разрезе светоизлучающего диода согласно еще другому варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг.7 изображает вид в разрезе светоизлучающего диода согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

На нижеследующих фигурах подобные позиции были использованы для подобных деталей или признаков по всему описанию, когда это применимо.

На фиг.1 показан служащий в качестве примера светоизлучающий диод 1 (СИД) согласно варианту осуществления настоящего изобретения. СИД 1 содержит этажерку полупроводников из эпитаксиальных слоев 21, 30. В данном конкретном примере этажерка полупроводников имеет общую толщину 400 нм и изготавливается из GaN. Этажерка содержит (снизу вверх по фиг.1) первый электрод 40, слой 30 полупроводника P-типа в связи с первым электродом 40, активную область 4, слой 21 N-типа, второй электрод 11 (или электродное устройство) в связи со слоем 21 N-типа и светоизлучающий участок (светоизлучающую поверхность) 6. Фотонные кристаллы 101, 102 сформированы в виде отверстий в слое 21 N-типа. Толщина слоя 101, 102 фотонных кристаллов может увеличиваться так, что продолжается в активную область (квантовые ямы) и/или в слой P-типа. Размер (диаметр) отверстий для типа 101 фотонного кристалла в слое 21 N-типа составляет в данном примере приблизительно 100 нм, и глубина отверстий составляет 250 нм. Шаг решетки фотонного кристалла типа 101 составляет 470 нм. Размер (диаметр) отверстий для другого типа фотонного кристалла 102 в слое 21 N-типа составляет 120 нм, и глубина отверстий составляет 250 нм. Шаг решетки фотонного кристалла типа 101 составляет 490 нм. Типом решетки фотонных кристаллов 101, 102 является шестиугольный тип решетки (для других примеров тип решетки может быть другим). Участки фотонных кристаллов имеют шестиугольную форму и имеют диаметр приблизительно 50 мкм в диаметре (не показан). Хотя и не показано, количество участков фотонных кристаллов на СИД по фиг.1 обычно находится в диапазоне от 50 до 2500 для светоизлучающей поверхности 1 мм².

При работе СИД по фиг.1 напряжение прикладывается к активной области 4 посредством установления двух разных уровней потенциалов на первом 40 и втором 11 электроде. Таким образом активная область 4 генерирует свет, который излучается через светоизлучающую поверхность 6 СИД 1.

Фиг.2а-2f иллюстрируют то, как разные диаграммы направленности в дальней зоне от участков, содержащих фотонные кристаллы разных типов, складываются (интерферируются или объединяются) для улучшения равномерности общего поля в дальней зоне, являющегося результатом света, излучаемого со всего СИД.

На фиг.2а и фиг.2b показаны две разные диаграммы направленности в дальней зоне, причем каждая диаграмма направленности соответствует соответствующему типу фотонного кристалла. Обозначения -90, 0 и 90 относятся к градусам от нормальной оси СИД, размещенного в центре полуокружности на фиг.2а и фиг.2b соответственно. Диаграмма направленности в дальней зоне на фиг.2а является более яркой ближе к периферии диаграммы направленности в дальней зоне, как указано линиями, выходящими из центра полуокружности, тогда как диаграмма направленности в дальней зоне на фиг.2b является более яркой около центра диаграммы направленности в дальней зоне, как аналогично указано линиями, выходящими из центра другой полуокружности.

Диаграммы направленности в дальней зоне на фиг.2а и 2b ассоциированы с соответствующим типом фотонного кристалла, которые показаны на фиг.2d и фиг.2е соответственно. В данном примере, фотонные кристаллы отличаются друг от друга в отношении типа решетки. Фотонный кристалл на фиг.2d сформирован треугольного типа (структуры) решетки, и фотонный кристалл на фиг.2е сформирован шестиугольного типа решетки. Также возможны другие комбинации типов решетки, шага или доли заполнения.

На фиг.2f показан СИД, содержащий фотонные кристаллы, которые изображены на фиг.2d и 2е. Различна ориентация по меньшей мере некоторых фотонных кристаллов, как изображено на фиг.2d. Для ясности, показаны только два типа фотонных кристаллов, но чтобы получить диаграмму направленности в дальней зоне с повышенной равномерностью, предпочтительно использовать более двух типов фотонных кристаллов. Точное количество необходимых типов фотонных кристаллов зависит от применения и требуемой однородности поля в дальней зоне. Для многих применений от 5 до 15 разных фотонных кристаллов будет достаточно для получения требуемого излучения в дальней зоне.

Диаграмма направленности в дальней зоне, являющаяся результатом света, излучаемого СИД в соответствии с фиг.2f, изображается на фиг.2с. Можно видеть, что диаграмма направленности в дальней зоне фотонного кристалла на фиг.2d и диаграмма направленности в дальней зоне фотонного кристалла на фиг.2е вместе генерируют диаграмму направленности в дальней зоне, которая является более равномерной, чем индивидуальные диаграммы направленности в дальней зоне, показанные на фиг.2а и фиг.2b. Более яркие участки разных диаграмм направленности в дальней зоне являются несовпадающими, т.е. более яркие участки диаграмм направленности являются неперекрывающимися или не в фазе. Необходимо понять, что вводимая, улучшенная, общая диаграмма направленности в дальней зоне СИД, возникающая из положений участков, которые генерируют разные диаграммы направленности излучения в дальней зоне, развязаны от расположения индивидуальных фотонных кристаллов. Следовательно, индивидуальные свойства фотонных кристаллов СИД не показаны в общей диаграмме направленности в дальней зоне СИД.

Ссылаясь на фиг.3, на ней показан вид сверху в плане светоизлучающего диода 1 согласно варианту осуществления изобретения. Светоизлучающая поверхность разделена на несколько подсегментов 61, 62, 63, 64, причем каждый подсегмент содержит фотонный кристалл 103, 104, 105, 106, который полностью закрывает соответствующий подсегмент. Для простоты, не всем подсегментам и не всем фотонным кристаллам были назначены позиции. Для светоизлучающей поверхности 6 приблизительно 1 мм² предпочтительно разделить светоизлучающую поверхность 6 на приблизительно 100-2500 подсегментов. Для больших светоизлучающих поверхностей количество подсегментов может быть увеличено. Фотонные кристаллы разных подсегментов имеют разные свойства (параметры решетки). Например, подсегменты (или участки), имеющие малые точки, обозначают фотонные кристаллы с некоторым диаметром отверстий (или столбиков), тогда как подсегменты, имеющие малые кружочки, обозначают фотонные кристаллы с другим некоторым диаметром отверстий (или столбиков), т.е. разные доли заполнения. Кроме того, участки с вертикальными линиями обозначают фотонные кристаллы с конкретной ориентацией, тогда как участки, имеющие линии в других направлениях, обозначают фотонные кристаллы с другой конкретной ориентацией. Понятно, что все подсегменты предусматриваются с фотонным кристаллом, даже если фотонные кристаллы не изображены подсегментами, имеющими заданную диаграмму направленности на фиг.3. Разные фотонные кристаллы размещены изменяющимся образом, так что диаграммы направленности в дальней зоне соседних фотонных кристаллов улучшают равномерность полной диаграммы направленности в дальней зоне от всех фотонных кристаллов в светоизлучающей поверхности 6 (или, более конкретно, в слое N-типа).

В другом рабочем примере разные фотонные кристаллы вращаются относительно своих соседей (все другие параметры решетки одинаковые для фотонных кристаллов). Это возможно только, если диаграмма направленности в дальней зоне проявляет вращательную асимметрию, т.е. диаграмма направленности в дальней зоне, например, не должна содержать концентрические окружности, отцентрированные относительно центра диаграммы направленности в дальней зоне. Однако, если диаграмма направленности в дальней зоне является шестиугольной, она может вращаться так, что она идентична внешнему виду до вращения, т.е. угол вращательной симметрии существует для этой конкретной диаграммы направленности в дальней зоне. Для такой диаграммы направленности в дальней зоне важно выбрать угол вращения таким образом, чтобы угол вращения отличался от вышеупомянутого угла вращательной симметрии.

В соответствии с СИД 1, как показано на фиг.4, разные подсегменты 101, 102, содержащие фотонные кристаллы, разнесены друг от друга. Формируется участок 200 между фотонными кристаллами. Свет может излучаться от участка 200. Предпочтительно, что участок 200 максимально возможно маленький, или даже несуществующий (как на фиг.3). На фиг.4 разные подсегменты 101, 102 имеют форму квадратов, но другие формы, такие как прямоугольные или шестиугольные, также могут быть возможны для использования. Даже можно использовать более или менее случайную многоугольную форму фотонных кристаллов. Кроме того, на фиг.4 показаны шероховатые участки R, расположенные между фотонными кристаллами 101, 102, причем фотонные кристаллы 101, 102 отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного параметра решетки.

Ссылаясь теперь на фиг.5, на ней изображен дополнительный служащий в качестве примера вариант осуществления настоящего светоизлучающего диода 1. Вид в разрезе светоизлучающего диода 1 демонстрирует составляющие светоизлучающего диода согласно вариантам осуществления настоящего изобретения (сверху вниз, опуская некоторые компоненты для ясности); слой 21 N-типа, содержащий PC 101, 102, 103, слой 30 P-типа и активная область 4. В данном примере слой N-типа содержит PC, но необходимо отметить, что слой фотонных кристаллов может заходить в активную область и, возможно, также в слой P-типа. Кроме того, СИД 1 содержит электродный слой, который горизонтально разделен на несколько подэлектродов 41-45. Другими словами, нижний отражающий электродный слой разделен на несколько подэлектродных слоев 41, 42, 43, 44, 45, разделенных непроводящими перегородками 51. В данном примере предпочтительно использовать, по существу, всю глубину слоя N-типа для отверстий и столбиков, составляющих фотонные кристаллы 101, 102 и 103. Следовательно, предпочтительно, что слой фотонных кристаллов заходит насколько возможно далеко в слой N-типа. Для большинства применений желателен слой N-типа с толщиной менее одного микрометра, содержащий структуру фотонных кристаллов приблизительно с такой же глубиной. Перегородки 51 проходят от, и включая, нижних подэлектродов 41-45 до, но не включая, слоя 30 P-типа. Подэлектроды 41-45 индивидуально управляются для активизирования разных частей активной области. Следовательно, будут активизироваться разные структуры фотонных кристаллов, когда активизируется разные части активной области. Таким образом может динамически управляться диаграмма направленности в дальней зоне всего СИД 1.

Как показано на фиг.6, в дополнительном примере СИД 1 согласно настоящему изобретению фотонные кристаллы имеют размер и форму, которые соответствуют размеру и форме подэлектродов 41-45. Кроме того, фотонные кристаллы выровнены так, что каждый фотонный кристалл соответствует соответствующему подэлектроду. Так как каждый подэлектрод, имеющий соответствующую часть активной области, может активизироваться индивидуально, обеспечивается улучшенное управление диаграммой направленности в дальней зоне.

На фиг.7 изображен дополнительный рабочий пример СИД 1 согласно настоящему изобретению. Этот пример подобен СИД, показанному на фиг.6, с добавлением разделения слоя P-типа на подобласти слоя P-типа. Даже если ток, распространяющийся в слой P-типа от подэлектродов 41-45, является очень ограниченным, можно улучшить разделение активных областей посредством деления слоя P-типа на подобласти следующим образом. СИД 1 дополнительно содержит слой P-типа, который горизонтально разделен на несколько подобластей 31-35. Другими словами, слой P-типа разделен на несколько подслоев 31, 32, 33, 34, 35 P-типа, которые разделены непроводящими перегородками 51. Перегородки 51 проходят от, и включая, нижнего электрода, до, но не включая, активной области 4. Подэлектроды 41-45 (и соответствующие подобласти слоя P-типа) индивидуально управляются для активизирования разных частей активной области. Как и в предыдущем рабочем примере, разные структуры фотонных кристаллов будут активизироваться тогда, когда активизируются разные части активной области. Таким образом может управляться динамически диаграмма направленности в дальней зоне всего СИД 1. В других примерах конфигурации подэлектродов подэлектроды могут группироваться, например, в три группы, причем эти группы индивидуально управляются для выбора диаграммы направленности в дальней зоне, ассоциированной с соответствующей группой подэлектродов и их соответствующими фотонными кристаллами. Даже если изобретение было описано со ссылкой на его конкретные примеры, многочисленные различные изменения, модификации и т.п. станут очевидны для специалиста в данной области техники. Описанные примеры, поэтому, как предполагается, не ограничивают объем изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД) (1), содержащий первый и второй электроды (40, 11) для приложения напряжения к активной области (4), расположенной между слоем (21) полупроводника первого типа и слоем (30) полупроводника второго типа для генерирования света, светоизлучающую поверхность (6) для излучения света и множество фотонных кристаллов (101, 102), расположенных между светоизлучающей поверхностью (6) и активной областью (4), при этом по меньшей мере два фотонных кристалла (101, 102) первого и второго типа, выбранных из множества фотонных кристаллов (101, 102), выполнены с возможностью выведения света от активной области (4) и отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного параметра решетки, причем каждый из по меньшей мере двух фотонных кристаллов (101, 102) имеет соответствующую диаграмму направленности в дальней зоне, при этом размещение множества фотонных кристаллов (101, 102) выполнено так, что диаграмма направленности в дальней зоне от света, генерируемого в СИД (1), создается посредством объединения диаграмм направленности в дальней зоне по меньшей мере двух фотонных кристаллов (101, 102), при этом второй электрод содержит подэлектроды, расположенные на стороне активной области, противоположной по сравнению со светоизлучающей поверхностью, причем первый и второй подэлектроды ассоциированы с соответствующим фотонным кристаллом первого и второго типа, соответственно, причем первый и второй подэлектроды являются индивидуально управляемыми посредством приложения соответствующего напряжения к каждому из первого и второго подэлектродов, посредством чего диаграмма направленности в дальней зоне СИД является динамически управляемой вследствие различия между диаграммами направленности в дальней зоне от фотонных кристаллов первого и второго типа. Изобретение обеспечивает возможность повышения эффективности вывода излучения, а также равномерности диаграммы направленности. 12 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Полупроводниковый светоизлучающий диод (СИД) (1), содержащий:
первый и второй электроды (40, 11) для приложения напряжения к активной области (4), расположенной между слоем (21) полупроводника первого типа и слоем (30) полупроводника второго типа для генерирования света, светоизлучающую поверхность (6) для излучения упомянутого света и множество фотонных кристаллов (101, 102), расположенных между упомянутой светоизлучающей поверхностью (6) и упомянутой активной областью (4), при этом по меньшей мере два фотонных кристалла (101, 102) первого и второго типа, выбранных из упомянутого множества фотонных кристаллов (101, 102), выполнены с возможностью выведения света от упомянутой активной области (4) и отличаются друг от друга в отношении по меньшей мере одного параметра решетки, причем каждый из упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов (101, 102) ассоциирован с соответствующей диаграммой направленности в дальней зоне, при этом размещение упомянутого множества фотонных кристаллов (101, 102) обеспечивается для размещения упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов (101, 102) так, что диаграмма направленности в дальней зоне от света, генерируемого в СИД (1), создается посредством объединения упомянутых соответствующих диаграмм направленности в дальней зоне, ассоциированных с каждым из упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов (101, 102), при этом упомянутый второй электрод содержит подэлектроды, расположенные на стороне упомянутой активной области, противоположной по сравнению с упомянутой светоизлучающей поверхностью, причем первый и второй подэлектроды ассоциированы с соответствующим фотонным кристаллом первого и второго типа, соответственно, причем упомянутые первый и второй подэлектроды являются индивидуально управляемыми посредством приложения соответствующего напряжения к каждому из упомянутых первого и второго подэлектродов, посредством чего диаграмма направленности в дальней зоне упомянутого СИД является динамически управляемой вследствие различия между диаграммами направленности в дальней зоне от упомянутых фотонных кристаллов первого и второго типа.

2. СИД (1) по п.1, в котором упомянутое размещение приспособлено для расположения упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов (101, 102) таким образом, что неравномерности упомянутых соответствующих диаграмм направленности в дальней зоне, ассоциированных с каждым из упомянутых по меньшей мере двух фотонных кристаллов, являются по меньшей мере частично неперекрывающимися.

3. СИД (1) по п.1 или 2, в котором упомянутый по меньшей мере один параметр решетки является одним из ориентации решетки, шага решетки, типа решетки или доли заполнения либо их комбинации.

4. СИД (1) по п.3, в котором упомянутый тип решетки содержит по меньшей мере одну из шестиугольной, треугольной, кубической структуры, структуры подсолнечника и Архимедовых мозаик.

5. СИД (1) по п.1 или 2, в котором упомянутый слой (21) полупроводника первого типа представляет собой слой полупроводника N-типа, расположенный между упомянутой активной областью (4) и упомянутой светоизлучающей поверхностью, и упомянутый слой (30) полупроводника второго типа представляет собой слой полупроводника P-типа, расположенный на стороне упомянутой активной области (4), противоположной по сравнению с упомянутым слоем (21) полупроводника первого типа.

6. СИД (1) по п.1 или 2, в котором упомянутый слой (21) полупроводника первого типа представляет собой слой полупроводника P-типа, расположенный между упомянутой активной областью (4) и упомянутой светоизлучающей поверхностью (6), и упомянутый слой (30) полупроводника второго типа представляет собой слой полупроводника N-типа, расположенный на стороне упомянутой активной области (4), противоположной по сравнению с упомянутым слоем (21) полупроводника первого типа.

7. СИД (1) по п.1 или 2, в котором упомянутые фотонные кристаллы содержат фотонные квазикристаллы.

8. СИД (1) по п.1 или 2, в котором упомянутая светоизлучающая поверхность (6) упомянутого СИД содержит шероховатые участки (R).

9. СИД (1) по п.1 или 2, в котором упомянутые фотонные кристаллы (101, 102) размещены рядом друг с другом для непрерывного покрытия по меньшей мере части упомянутой светоизлучающей поверхности (6) упомянутого СИД (1) фотонными кристаллами (101, 102, 103).

10. СИД (1) по п.1, в котором размер и форма упомянутых подэлектродов (41-45) соответствует размеру и форме упомянутого соответствующего фотонного кристалла (101, 102).

11. СИД (1) по п.1, в котором каждый подэлектрод (41-45) выровнен с упомянутым соответствующим фотонным кристаллом (101, 102).

12. СИД (1) по п.1, в котором упомянутый слой (30) полупроводника второго типа, расположенный на стороне упомянутой активной области (4), противоположной по сравнению с упомянутой светоизлучающей поверхностью (6), разделен на подэлементы, причем каждый подэлемент ассоциирован с соответствующим подэлектродом.

13. СИД (1) по п.1, в котором упомянутая светоизлучающая поверхность содержит по меньшей мере одно из микролинз, окрашенных участков, участков, покрытых люминесцентным материалом и их комбинации.