Прозрачный проводящий оксид Российский патент 2019 года по МПК H01L51/50 B82B3/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике, к составам покрытий полупроводниковых материалов, усиливающих электролюминесценцию, на базе которых могут быть созданы мощные излучающие светодиоды диапазона 530-570 нм. На данный момент известно, что при электролюминесценции полупроводников возможно усиление интенсивности люминесценции при нахождении рядом с полупроводником (расстояние до 200 нм) металлических наноструктур, в частности сферических наночастиц, с частотой плазмонного резонанса, совпадающей с частотой излучения гетероперехода полупроводника. Также известно явление плазмонного резонанса решетки, которое характерно тем, что в зависимости от расстояния между наночастицами изменяется частота плазмонного резонанса - то есть частота усиления электролюминесценции

Также известно, что оксид цинка является уникальным материалом в качестве покрытий для светодиодов: это теплопроводящий и электропроводящий материал с высоким показателем преломления, то есть способен рассеивать проходящее через него оптическое излучение на очень широкие углы, что важно при его использовании в светодиодах осветительной техники. В предлагаемом патенте используется возникновение локализованных плазмонных мод в периодической структуре, вызванное упорядоченным расположением наночастиц серебра в матрице из ZnO:Al.

Известно вещество покрытия из полиметилметакрилата (пмма) для светодиодов диапазона 400-1200 нм, патент RU 172493U1, опубликован 11 июля 2017 года, с наночастицами серебра для усиления электролюминесценции в 3-4 раза. Недостатком аналога является низкая температура размягчения пмма 160°С и температура воспламенения 260°С, что делает его малоприменимым при использовании в мощных светодиодах. Недостатком аналога является низкий показатель преломления покрытия -1.49, что затрудняет выход света из полупроводниковых структур вследствие появления эффекта полного внутреннего отражения и понижает угол рассеяния света.

Известно покрытие, (патент № US 20110133157 А1, опубликован 9 июня 2011 года), состоящее из наноразмерных слоев серебра и золота, сформированных на поверхности слоя InGaN/GaN квантовых ям в свою очередь сформированных на подложке сапфир/ GaN, где слой золота граничит со слоем InGaN/GaN квантовых ям, а слой серебра с воздухом, представляющее собой усиливающий электролюминесценцию нитридного светодиода слой за счет возбуждения поверхностных плазмонных мод на границе металл/ полупроводник и варьирования длины волны возбуждения плазмонных мод в диапазоне длин волн от 442 нм до 563 нм за счет изменения толщин одного металлического слоя относительно другого, приводящего к увеличению скорости излучательной рекомбинации и внутренней квантовой эффективности светодиода зеленого свечения. Недостатком покрытия является использование двух типов наночастиц, что приводит к усложнению и удорожанию технологии такого покрытия.

Известно покрытие, взятое в качестве прототипа (патент № RU 2671236), состоящее из слоя прозрачного полупроводникового оксида цинка, легированного ионами алюминия, и наночастиц серебра. Недостатком прототипа является отсутствие эффекта усиления электролюминесценции гетероструктур на длине волны 530-570 нм.

Изобретение решает задачу усиления электролюминесценции полупроводников на длинах волн 530-570 нм. Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в повышении интенсивности излучения светодиодов с предложенным покрытием. Данный технический результат достигается тем, что прозрачный проводящий оксид, содержащий слой оксида цинка и слои наночастиц серебра с концентрацией 1,25⋅10¹⁶ на см³, при этом оксид цинка легирован ионами алюминия, а максимальная толщина слоя ZnO составляет 200 нм, отличается тем, что концентрация ионов алюминия составляет 3-4 молярных процента, центры наночастиц находятся на расстоянии 110-130 нм друг от друга и образуют трехмерную решетку, а наночастицы серебра имеют размеры 38-42 нм, причем длина волны усиления зависит от молярной концентрации алюминия n в соотношении: длина волны в нанометрах = 530+40⋅(n-3).

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующим. В основе изобретения лежит эффект «решеточного» плазмонного резонанса. При соблюдении определенного расстояния между металлическими наночастицами меняется частота плазмонного резонанса этих наночастиц, так как происходит электромагнитное взаимодействие между ними. В изобретении используются слой оксида цинка, легированного ионами алюминия, и слои наночастиц серебра. При расстоянии менее 200 нм металлических наночастиц серебра от излучающих полупроводников за счет эффекта плазмонного усиления уменьшается время рекомбинации электронов и дырок, что ведет в свою очередь к повышению интенсивности люминесценции, так как увеличивается количество носителей, попадающих за единицу времени в зону проводимости и переходящих обратно в валентную зону полупроводника за счет излучательного перехода. Многочисленными экспериментами установлено и подтверждено данными моделирования, что при расстоянии наночастиц между центрами друг друга в 110-130 нм и при их размерах 38-42 нм происходит сдвиг частоты плазмонного резонанса в диапазон 530-570 нм при образовании ими решетки. Период решетки, а значит и длина волны усиления электролюминесценции зависит от концентрации алюминия в оксиде цинка в соотношении длина волны в нанометрах λ=530+40⋅(n-3), где n - молярная концентрация алюминия в пленке оксида цинка в диапазоне от 3 до 4%. Получено экспериментальное усиление электролюминесценции светодиода, излучающего на длинах волн 530-570 нм с покрытием из патентуемого вещества в 3 раза по сравнению со светодиодом, излучающим на этих же длинах волн без патентуемого покрытия.

Таким образом, изобретение обеспечивает решение задачи по усилению электролюминесценции светодиода на длинах волн 530-570 нм, регулировке длины волны усиления.

Использование: для усиления электролюминесценции полупроводников. Сущность изобретения заключается в том, что слой оксида цинка с максимальной толщиной 200 нм, легированный ионами алюминия в концентрации от 3 до 4 молярных процентов и со слоями наночастиц серебра с максимальной концентрацией 1,25⋅10¹⁶ на см³, центры наночастиц находятся на расстоянии 110-130 нм друг от друга и образуют трехмерную решетку, наночастицы имеют размеры 38-42 нм, причем длина волны усиления зависит от молярной концентрации алюминия n в соотношении длина волны в нанометрах λ=530+40⋅(n-3). Технический результат: обеспечение возможности усиления электролюминесценции полупроводников, излучающих на длинах волн 530-570 нм.

Прозрачный проводящий оксид, содержащий слой оксида цинка и слои наночастиц серебра с максимальной концентрацией 1,25⋅10¹⁶ на см³, при этом оксид цинка легирован ионами алюминия, а максимальная толщина слоя ZnO составляет 200 нм, отличающийся тем, что концентрация ионов алюминия составляет 3-4 молярных процента, центры наночастиц находятся на расстоянии 110-130 нм друг от друга и образуют трехмерную решетку, а наночастицы серебра имеют размеры 38-42 нм, причем длина волны усиления зависит от молярной концентрации алюминия n в соотношении длина волны в нанометрах λ=530+40⋅(n-3).