ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2015 года по МПК H01L33/36 

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно к светоизлучающим устройствам, содержащим эпитаксиальные структуры на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (A^IIIN).

Рабочее напряжение полупроводниковых светоизлучающих структур имеет относительно низкую величину. Так, у светоизлучающих структур состава AlInGaN рабочее напряжение лежит, как правило, в диапазоне 3-4 В. Столь низкая величина рабочего напряжения рассматриваемых светоизлучающих структур приводит к необходимости использования дополнительных элементов, понижающих напряжение в цепи их питания, и к дополнительным омическим потерям энергии при протекании тока низкого напряжения. Увеличения рабочего напряжения светоизлучающего устройства можно достичь путем создания светодиодного модуля, в котором на общем основании расположены несколько единичных полупроводниковых светоизлучающих приборов (светодиодов или светоизлучающих кристаллов), которые соединены последовательно. Однако такой подход увеличивает размеры и стоимость светоизлучающего устройства.

Альтернативным вариантом является формирование совокупности светоизлучающих элементов в объеме единого светоизлучающего кристалла. Для этого гетероструктура кристалла разбивается на отдельные изолированные друг от друга части, располагающиеся на общей для них изолирующей ростовой подложке. Из указанных частей формируют светоизлучающие элементы (светодиоды), которые затем соединяются в последовательные или последовательно-параллельные цепочки. Падение напряжения на каждом светоизлучающем элементе составляет относительно низкую стандартную величину, а рабочее напряжение соединенных в электрическую цепь светоизлучающих элементов возрастает и зависит от их количества и схемы соединения.

Известно светоизлучающее устройство [US 7285801], включающее расположенные на единой изолирующей подложке светоизлучающие элементы, выполненные в виде эпитаксиальных структур, которые разделены промежутками. Каждый светоизлучающий элемент содержит расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с р-n-переходом и слой р-типа проводимости. Каждый элемент также содержит р-контактную площадку, расположенную поверх слоя р-типа проводимости, и n-контактную площадку, размещенную в углублении, сформированном в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости. При этом указанное углубление выполнено в виде выборки, расположенной вдоль одной из боковых сторон структуры. Боковая поверхность промежутков между элементами покрыта изоляционным материалом, а в промежутках помещен электропроводный материал, расположенный таким образом, что, по меньшей мере, для части светоизлучающих элементов слой n-типа проводимости одного элемента электрически соединен со слоем р-типа проводимости соседнего с ним элемента с образованием их последовательного электрического соединения.

Рассматриваемое устройство имеет повышенное значение рабочего напряжения за счет последовательного соединения входящих в его состав светоизлучающих элементов.

Однако в рассматриваемом устройстве конфигурация и местоположение n-контактных площадок таковы, что они занимают значительную часть площади светоизлучающих элементов в проекции на горизонтальную плоскость сечения.

Между тем, в светоизлучающих эпитаксиальных структурах область, в которой осуществляется генерация света (площадь p-n-перехода) в проекции на горизонтальную плоскость сечения геометрически повторяет область, занимаемую р-контактной площадкой, и не включает область, занимаемую n-контактной площадкой.

Таким образом, в рассматриваемом светодиоде значительная часть площади светоизлучающих элементов исключена из области генерации света, что снижает эффективность излучения.

Кроме того, конфигурация и местоположение р- и n-контактных площадок в значительной степени определяют условия протекания через светоизлучающие элементы тока, влияющие на световые характеристики светоизлучающего устройства.

Так, средняя плотность тока в активной области полупроводниковой светоизлучающей структуры определяется соотношением протекающего через структуру тока питания и площади, занимаемой р-контактной площадкой. Помимо средней плотности тока важной характеристикой тока является однородность плотности тока в активной области, характеризующая равномерность его распределения. Плотность тока достигает максимума вблизи n-контактной площадки и экспоненциально спадает по мере удаления от нее.

Поскольку в рассматриваемом устройстве n- контактные площадки светоизлучающих элементов расположены с одной стороны их эпитаксиальных структур, не удается достигнуть высокой однородности плотности тока в их активной области, что может привести к снижению эффективности излучения устройства и уменьшению срока его эксплуатации.

Известно светоизлучающее устройство [US 8536612], выбранное в качестве ближайшего аналога.

Рассматриваемое устройство включает расположенные на общей изолирующей подложке светоизлучающие элементы, выполненные в виде эпитаксиальных структур, разделенных промежутками. Каждый элемент содержит расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с p-n-переходом, слой р-типа проводимости. Поверх слоя р-типа проводимости в каждом светоизлучающем элементе нанесен металлический р-контактный слой, выполняющий функцию р-контактной площадки. В каждом светоизлучающем элементе вдоль одной из его сторон выполнена выборка, образующая углубление, сформированное в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости. В указанном углублении расположена металлическая n-контактная площадка к слою n-типа проводимости.

Кроме того, рассматриваемое устройство содержит дополнительные электропроводные слои, каждый из которых покрывает n-контактную площадку одного светоизлучающего элемента и р-контактный слой соседнего с ним светоизлучающего элемента, обеспечивая электрическую связь слоя n-типа проводимости одного светоизлучающего элемента со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента с образованием их последовательного электрического соединения.

Благодаря объединению, по меньшей мере, части светоизлучающих элементов в последовательную электрическую цепь рассматриваемое устройство обладает повышенным значением рабочего напряжения.

При этом благодаря использованию электропроводных слоев для организации электрической связи между соседними светоизлучающими элементами обеспечивается упрощение конструкции и технологии изготовления данного устройства по сравнению с вышерассмотренным аналогом.

Однако в данном устройстве, у которого n-контактные площадки светоизлучающих элементов расположены с одной стороны эпитаксиальной структуры и занимают значительную часть площади светоизлучающего элемента в проекции на горизонтальную плоскость сечения, не удается достигнуть высокой эффективности излучения.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности излучения высоковольтного светоизлучающего устройства.

Сущность изобретения заключается в том, что в светоизлучающем устройстве, содержащем расположенные на общей изолирующей подложке и разделенные промежутками светоизлучающие элементы, каждый из которых включает эпитаксиальную структуру, содержащую расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с p-n-переходом и слой р-типа проводимости, а также металлическую n-контактную площадку к слою n-типа проводимости, размещенную в углублении, сформированном в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости, и первый металлический слой, нанесенный поверх слоя р-типа проводимости, при этом, по меньшей мере, для части светоизлучающих элементов слой n-типа проводимости одного светоизлучающего элемента электрически связан со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента с обеспечением их последовательного электрического соединения, согласно изобретению металлическая контактная площадка к слою n-типа проводимости каждого светоизлучающего элемента в горизонтальной плоскости сечения имеет вид протяженной узкой полосы, ориентированной вдоль двух его противоположных сторон и размещенной в центральной части указанного сечения так, что концевые участки указанной полосы расположены с зазором относительно двух других противоположных сторон указанного сечения, при этом устройство содержит изоляционный слой, в каждом светоизлучающем элементе расположенный поверх первого металлического слоя и покрывающий боковую поверхность углубления, сформированного в эпитаксиальной структуре для размещения металлической контактной площадки к слою n- типа проводимости, а также покрывающий поверхность разделяющих светоизлучающие элементы промежутков, и второй металлический слой, расположенный поверх изоляционного слоя и контактирующий в каждом светоизлучающем элементе в сформированном в эпитаксиальной структуре углублении со слоем n- типа проводимости с образованием металлической контактной площадки к слою n- типа проводимости, причем в каждом светоизлучающем элементе в изоляционном слое имеется выборка, образующая сквозное окно, в месте расположения которого первый и второй металлические слои контактируют друг с другом, а во втором металлическом слое на участке поверхности светоизлучающего элемента, расположенном вблизи указанной выборки, по всей поверхности элемента выполнен разрыв, расположенный таким образом, что слой n- типа проводимости одного светоизлучающего элемента электрически связан со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента.

Заявляемое устройство содержит расположенные на общей подложке разделенные промежутками (технологическими зазорами) светоизлучающие элементы (чипы), объединенные в электрическую цепь. Каждый элемент содержит светоизлучающую эпитаксиальную структуру, а также металлические слои, обеспечивающие протекание через нее тока и электрическое соединение элементов.

Преимущественно устройство выполнено в виде выращенной на единой подложке светоизлучающей эпитаксиальной структуры (единого кристалла), разделенной промежутками (технологическими зазорами), расположенными на уровне подложки, на отдельные мезаструктуры, имеющие квадратную или прямоугольную форму в горизонтальной плоскости сечения, с выводом света через подложку.

Особенностью заявляемого устройства является выполнение n- контактных площадок в форме узких протяженных полос, размещенных указанным выше образом в центральной части светоизлучающих элементов, а также наличие в устройстве описанных выше первого металлического слоя, изоляционного слоя и второго металлического слоя.

Первый металлический слой в каждом светоизлучающем элементе образует р - контактную площадку, выполненную в виде односвязной области, которая в проекции на горизонтальную плоскость сечения окружает со всех сторон n- контактную площадку. Тем самым обеспечивается растекание тока по возможно большей площади эпитаксиальной структуры светоизлучающего элемента. При этом площадь р-контактной площадки, а, следовательно, площадь p-n-перехода в проекции на горизонтальную площадь сечения занимает значительную часть площади светоизлучающего элемента, что способствует увеличению генерируемого им светового потока и, соответственно, повышению эффективности излучения устройства в целом.

Второй металлический слой в каждом светоизлучающем элементе играет роль n- контактного слоя и при этом в углублении, сформированном в эпитаксиальной структуре светоизлучающего элемента, образует металлическую n-контактную площадку светоизлучающего элемента. На участках между светоизлучающими элементами второй металлический слой выполняет соединительную функцию и служит для формирования электрической связи между ними.

При изготовлении заявляемого устройства второй металлический слой может быть сформирован сначала в вышеупомянутых углублениях в эпитаксиальной структуре светоизлучающих элементов, а затем нанесен на прочие участки поверхности устройства, где он должен располагаться, или указанный слой может быть сформирован на всех требуемых участках поверхности устройства в едином технологическом процессе.

Изоляционный слой обеспечивает изоляцию первого металлического слоя от второго металлического слоя в тех местах, где это необходимо, а также изоляцию промежутков между светоизлучающими элементами.

Наличие описанных выше выборки в изоляционном слое светоизлучающего элемента и разрыва во втором металлическом слое на поверхности светоизлучающего элемента позволяет организовать электрическую связь слоя n-типа проводимости одного элемента со слоем р - типа проводимости другого (соседнего с ним) элемента без использования специальных межсоединений.

Тем самым обеспечивается возможность электрического соединения светоизлучающих элементов в последовательную электрическую цепь, что позволяет использовать для питания заявляемого устройства высоковольтный источник.

Величина рабочего напряжения и, соответственно, напряжения питания заявляемого устройства определяется количеством включенных в последовательную цепь элементов.

Кроме того, первый и второй металлические слои выполняют отражающую свет функцию и тем самым способствуют снижению световых потерь, а, следовательно, повышению эффективности излучения.

Указанные выше форма и расположение n-контактных площадок светоизлучающих элементов были выбраны авторами расчетно-экспериментальным путем и, как показали исследования авторов, являются оптимальными с точки зрения обеспечения относительно высокой однородности плотности тока в активной области светоизлучающего элемента и достижения его относительно малого последовательного сопротивления, что способствует повышению эффективности излучения.

Выполненная в виде протяженной узкой полосы n-контактная площадка занимает очень малую часть площади эпитаксиальной структуры в проекции на горизонтальную плоскость сечения, что способствует увеличению площади р-n-перехода светоизлучающего элемента и генерируемого им светового потока, а следовательно, повышению эффективности излучения устройства.

Благодаря наличию зазоров между концевыми участками n-контактной площадки светоизлучающего элемента и границами площади горизонтального сечения элемента обеспечивается электрическая связанность его р-контактной площадки.

Конкретные значения геометрических параметров, характеризующих конфигурацию и месторасположение n- контактной площадки светоизлучающего элемента, такие как ее ширина, величина удаления ее концевых участков от границ площади горизонтального сечения элемента, определяются в процессе компьютерного моделирования с учетом таких величин, как площадь эпитаксиальной структуры светоизлучающего элемента, ток питания (рабочий ток), допустимое контактное сопротивление n-контактной площадки, характеристика требуемой однородности плотности тока в активной области, например, допустимая величина среднего квадратичного отклонения плотности тока в активной области.

Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение эффективности излучения высоковольтного светоизлучающего устройства.

На фиг. 1 представлен общий вид заявляемого устройства; на фиг. 2 представлен вид фрагмента заявляемого устройства в разрезе.

Устройство содержит изолирующую подложку 1, на которой расположены светоизлучающие элементы 2 (на фиг. 1 позицией обозначены два светоизлучающих элемента), разделенные промежутками 3 (на фиг. 1 позицией обозначены два промежутка).

Каждый элемент 2 включает полупроводниковую эпитаксиальную структуру, содержащую расположенные в направлении эпитаксиального роста слой 4 n-типа проводимости, активную область 5 с p-n-переходом, слой 6 р-типа проводимости. В центральной части эпитаксиальной структуры каждого элемента 2 имеется углубление 7, сформированное на уровне слоя 4 n-типа проводимости. Каждый элемент 2 также включает первый металлический слой 8, расположенный поверх слоя 6 р-типа проводимости.

Устройство содержит изоляционный слой 9, расположенный в каждом элементе 2 поверх первого металлического слоя 8, а также покрывающий поверхность промежутков 3 и боковую поверхность углублений 7. Поверх изоляционного слоя 9 расположен второй металлический слой 10, который в каждом углублении 7 контактирует со слоем n-типа проводимости с образованием в каждом элементе 2 n-контактной площадки 11 (на фиг. 1 позицией обозначены две n-контактные площадки) к слою n-типа проводимости.

В каждом элементе 2 на одной из его сторон относительно углубления 7 на участке, расположенном поверх первого металлического слоя 8, в изоляционном слое 9 имеется выборка 12 (на фиг. 1 позицией обозначены две выборки) до уровня расположения первого металлического слоя 8. Выборка 12 образует сквозное окно, в месте расположения которого первый и второй металлические слои 8 и 10 контактируют друг с другом.

На участке 13, расположенном на поверхности элемента 2 вблизи выборки 12 во втором металлическом слое 10, по всей поверхности элемента 2 выполнен разрыв указанного слоя (на фиг. 1 позицией обозначены два указанных участка).

С помощью выборки 12 и разрыва второго металлического слоя 10 на участке 13 достигается электрическая связь слоя 4 n-типа проводимости одного элемента 2 со слоем 6 р- типа проводимости соседнего с ним элемента 2. При этом обеспечивается последовательное электрическое соединение двух соседних элементов 2, и все элементы 2 оказываются включенными в последовательную электрическую цепь.

Для включенных в электрическую цепь элементов 2 первый металлический слой 8 одного крайнего в цепи элемента 2 и второй металлический слой 10 другого крайнего в цепи элемента 2 контактируют с положительным 14 и отрицательным 15 электродами, с помощью которых элементы 2 подключаются к источнику тока (на чертеже не показан).

Устройство работает следующим образом.

Подключают электроды 14 и 15 к источнику тока.

При этом благодаря последовательному соединению элементов 2 суммарное напряжение их питания имеет относительно большую величину, что позволяет использовать высоковольтный источник питания.

Через светоизлучающие элементы 2 протекает ток. В каждом из элементов 2 ток растекается по первому металлическому слою 8, выполняющему роль р -контактной площадки к слою 6 р-типа проводимости, и протекает вертикально вниз через слой 6 р-типа проводимости, активный слой 5 с р-n-переходом растекается по слою 4 n-типа проводимости и течет к n-контактной площадке 11. При этом в активной области каждого элемента 2 генерируется световое излучение.

Как показывают эксперименты, элементы 2 имеют высокую эффективность излучения, чем обеспечивается высокая световая эффективность устройства в целом. При этом интенсивность излучения элементов 2 является достаточно равномерной, что свидетельствует об относительно высокой однородности плотности тока в их активной области.

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов, а именно, к светоизлучающим устройствам, содержащим эпитаксиальные структуры на основе нитридных соединений металлов III группы - алюминия, галлия, индия (A^IIIN). Сущность изобретения заключается в том, что в светоизлучающем устройстве, содержащем расположенные на общей изолирующей подложке и разделенные промежутками светоизлучающие элементы, каждый из которых включает эпитаксиальную структуру, содержащую расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с p-n-переходом и слой р-типа проводимости, а также металлическую n-контактную площадку к слою n-типа проводимости, размещенную в углублении, сформированном в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости, и первый металлический слой, нанесенный поверх слоя р-типа проводимости, при этом, по меньшей мере, для части светоизлучающих элементов слой n- типа проводимости одного светоизлучающего элемента электрически связан со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента с обеспечением их последовательного электрического соединения, согласно изобретению металлическая контактная площадка к слою n-типа проводимости каждого светоизлучающего элемента в горизонтальной плоскости сечения имеет вид протяженной узкой полосы, ориентированной вдоль двух его противоположных сторон и размещенной в центральной части указанного сечения так, что концевые участки указанной полосы расположены с зазором относительно двух других противоположных сторон указанного сечения, при этом устройство содержит изоляционный слой, в каждом светоизлучающем элементе расположенный поверх первого металлического слоя и покрывающий боковую поверхность углубления, сформированного в эпитаксиальной структуре для размещения металлической контактной площадки к слою n-типа проводимости, а также покрывающий поверхность разделяющих светоизлучающие элементы промежутков, и второй металлический слой, расположенный поверх изоляционного слоя и контактирующий в каждом светоизлучающем элементе в сформированном в эпитаксиальной структуре углублении со слоем n-типа проводимости с образованием металлической контактной площадки к слою n-типа проводимости, причем в каждом светоизлучающем элементе в изоляционном слое имеется выборка, образующая сквозное окно, в месте расположения которого первый и второй металлические слои контактируют друг с другом, а во втором металлическом слое на участке поверхности светоизлучающего элемента, расположенном вблизи указанной выборки, по всей поверхности элемента выполнен разрыв, расположенный таким образом, что слой n-типа проводимости одного светоизлучающего элемента электрически связан со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента. Изобретение обеспечивает повышение эффективности излучения высоковольтного светоизлучающего устройства. 2 ил.

Светоизлучающее устройство, содержащее расположенные на общей изолирующей подложке и разделенные промежутками светоизлучающие элементы, каждый из которых включает эпитаксиальную структуру, содержащую расположенные последовательно в направлении эпитаксиального роста слой n-типа проводимости, активный слой с p-n-переходом и слой р-типа проводимости, а также металлическую n-контактную площадку к слою n-типа проводимости, размещенную в углублении, сформированном в эпитаксиальной структуре на уровне слоя n-типа проводимости, и первый металлический слой, нанесенный поверх слоя р- типа проводимости, при этом, по меньшей мере, для части светоизлучающих элементов слой n- типа проводимости одного светоизлучающего элемента электрически связан со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента с обеспечением их последовательного электрического соединения, отличающееся тем, что металлическая контактная площадка к слою n-типа проводимости каждого светоизлучающего элемента в горизонтальной плоскости сечения имеет вид протяженной узкой полосы, ориентированной вдоль двух его противоположных сторон и размещенной в центральной части указанного сечения так, что концевые участки указанной полосы расположены с зазором относительно двух других противоположных сторон указанного сечения, при этом устройство содержит изоляционный слой, в каждом светоизлучающем элементе расположенный поверх первого металлического слоя и покрывающий боковую поверхность углубления, сформированного в эпитаксиальной структуре для размещения металлической контактной площадки к слою n-типа проводимости, а также покрывающий поверхность разделяющих светоизлучающие элементы промежутков, и второй металлический слой, расположенный поверх изоляционного слоя и контактирующий в каждом светоизлучающем элементе в сформированном в эпитаксиальной структуре углублении со слоем n-типа проводимости с образованием металлической контактной площадки к слою n-типа проводимости, причем в каждом светоизлучающем элементе в изоляционном слое имеется выборка, образующая сквозное окно, в месте расположения которого первый и второй металлические слои контактируют друг с другом, а во втором металлическом слое на участке поверхности светоизлучающего элемента, расположенном вблизи указанной выборки, по всей поверхности элемента выполнен разрыв, расположенный таким образом, что слой n-типа проводимости одного светоизлучающего элемента электрически связан со слоем р-типа проводимости соседнего с ним светоизлучающего элемента.