ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СВЕТОДИОД Российский патент 2025 года по МПК H10H20/80 H10H20/833 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к полупроводниковым светодиодам, выполненных с возможностью отвода тепла. Светоизлучающие диоды широко используются в оптических устройствах отображения информации, светофорах, системах связи, осветительных устройствах и медицинском оборудовании.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен источник инфракрасного излучения (RU 2154324 С1), включающий излучающую поверхность, область рекомбинации, пассивный слой, прозрачный для излучения активной области, выполненный в виде варизонного материала А³В⁵ с увеличивающейся к излучающей поверхности шириной запрещенной зоны n-типа проводимости и расположенный между областью рекомбинации и излучающей поверхностью, теплоотводящую поверхность, выполненную за счет стыковки поверхности, через которую осуществляется связь (освещение) с внешним источником излучения, со слоем компаунда, находящегося в контакте с поверхностью возбуждающего источника.

Недостатком известного источника является малая мощность излучения, что вызвано самопоглощением излучения, покидающего область рекомбинации, а также плохой теплоотвод.

Таким образом, существует потребность в выполнении дополнительной работы, направленной на оптимизацию структуры полупроводникового светодиода и организации отвода выделяемого тепла.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка полупроводниковой структуры термоэлектрического светодиода, который бы отводил выделяемое тепло.

Техническим результатом изобретения является уменьшение, отсутствие или отрицательное тепловыделения во время работы термоэлектрического светодиода и, как следствие, устранение возможности перегрева светодиода и выхода его из строя.

Применение термоэлектрического светодиода для рассеяния энергии в окружающую среду в виде фотонов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что термоэлектрический светодиод содержит варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенный на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа, а варизонная структура имеет проводимость р-типа и образует р-n переход между основанием и выращенной структурой или является р-n-структурой с плавным легированием от р-типа в месте контакта с основанием к n-типу в противоположной области, причем с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены полупрозрачные контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь.

В некоторых вариантах осуществления изобретения работа выхода первого проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания, а работа выхода второго проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через контакт.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является металлической структурой с нанесенным полупроводниковым материалом на нее. В этом случае металлическая структура является контактом и участвует в образовании р-n перехода (диод Шоттки).

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. В этом случае металлическая структура является контактом.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к термоэлектрическому светодиоду, конструкция которого схематично изображена на фиг. 1. Стрелками указано возможное направление излучения. В изображенном варианте осуществления изобретения основным элементном термоэлектрического светодиода является варизонная структура (2) из прямозонных полупроводниковых материалов, которая выращивается на основании (1), которое содержит полупроводниковый материал электронного типа проводимости (проводимость п-типа).

В одном из вариантов осуществления изобретения варизонная структура имеет проводимость дырочного типа (проводимость р-типа) и образует р-n переход между основанием и выращенной структурой. Например, структура такого светодиода инфракрасного спектра излучения может выглядеть следующим образом: InGaAs с проводимостью р-типа, выращенная на основании с проводимостью n-типа GaAs.

В другом из вариантов осуществления изобретения варизонная структура является p-n-структурой с плавным легированием от р-типа в месте контакта с основанием (1) к n-типу в противоположной области. Например, структура такого светодиода инфракрасного спектра излучения может выглядеть следующим образом: выращенная на основании GaAs с проводимостью п-типа р-n структура GaAs-InAs Ga_{(i1 x)}InAs

Для изготовления светодиодов используют GaAs, GaP, GaAs₁-_xP_x, Ga_xAI₁-_xAs, Ga_xAI_1-xAs, GaN и др. Основные материалы полупроводниковых излучателей арсенид галлия (GaAs) и тройные соединения на его основе (GaAIAs и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, т.е. к таким, в которых разрешены прямые оптические переходы «зона - зона». Каждая рекомбинация носителя заряда при таком переходе сопровождается излучением фотона. Прямозонные полупроводники - полупроводники, в которых переход электрона между зоной проводимости и валентной зоной не сопровождается изменением импульса (прямой переход), и в которых при рекомбинации вероятность излучения кванта выше, чем вероятность появления фонона.

Рост варизонной структуры (2) начинается, например, со слоя полупроводникового материала, имеющего большую работу выхода, и заканчивается слоем полупроводникового материала, имеющего меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Варизонные полупроводники могут быть произведены методом газофазной, эпитаксии.

Варизонная структура (2) может состоять из двух и более полупроводниковых материалов.

В качестве основания в одном из вариантов осуществления изобретения используется подложка (1), выполненная из полупроводникового материала электронного типа проводимости.

В качестве основания в другом варианте осуществления изобретения также может быть использовано металлическое основание с нанесенным на него слоем полупроводникового материала. Нанесение полупроводникового материала может быть осуществлено с помощью известных технологических методов напылением, диффузией, осаждением и другими.

В другом варианте осуществления изобретения основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала.

Обе стороны термоэлектрического светодиода выполнены с контактами (3) с возможностью подключения к ним соединительных проводов для включения термоэлектрического светодиода в электрическую цепь. Два контакта являются внешними поверхностями варизонной полупроводниковой структур. Один из контактов выполнен полупрозрачным, а другой - имеет различную степень прозрачности для беспрепятственного пропускания сгенерированных фотонов.

В изображенных вариантах выполнения контакты (3), в случае использования в качестве основания подложки из полупроводникового материала, контакты могут являться омическими и представляют собой неразъемное соединенные с внешними поверхностями варизонного полупроводника горизонтально ориентированные пластины.

В случае использования в качестве основания металлического слоя с нанесенным на него полупроводниковым слоем. В этом случае основание является контактом и участвует в образовании р-n перехода (диод Шоттки).

В случае использования в качестве основания структуры, содержащей металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала, металлический слой выступает в качестве контакта.

Пример контактов:

1) Контакт к InGaAs - титан, индий

Контакт к GaAs - Au, Pt, Pd, Ni.

2) Контакт к GaAs - титан, индий

Контакт к AIGaAs - Pt, Pd, Ni.

Для выполнения электрического соединения термоэлектрического светодиода к внешней электрической цепи к каждому контакту присоединен соединительный проводник. К первому контакту термоэлектрического светодиода, расположенного на торце со стороны основания, подключен первый соединительный проводник, ко второму контакту, расположенному на другом торце термоэлектрического светодиода, подключен второй соединительный проводник.

При этом первый проводник подбирается таким образом, чтобы работа выхода первого проводника максимально совпадала с работой выхода полупроводникового материала подложки или работой выхода материала основания. А второй проводник подбирается таким образом, чтобы работа выхода второго проводника максимально совпадала с работой выхода полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через контакт.

Термоэлектрический светодиод работает следующим образом.

Контакты соединительных проводников А и Б подсоединяют, например, к преобразователю ток-напряжение, образуя электрическую цепь. На термоэлектрический светодиод подается постоянный ток.

Проводник А подобран таким образом, чтобы работа выхода проводника максимально совпадала с работой выхода полупроводникового материала основания. Под воздействием приложенного поля электроны из проводника А через контакт попадают в основание, а затем в р-n переход, где рекомбинируют с дырками с генерацией фотона соответствующей энергии. После чего фотон покидает структуру, а электроны под действием внешнего поля продолжают движение в валентной зоне варизоной структуры в сторону области с преобладанием прямозонного полупроводникового материала, имеющего меньшую работу выхода.

Поскольку работа выхода монотонно уменьшается, электрону для занятия места с меньшей работой выхода необходимо получить энергию извне. Часть этой энергии он черпает из приложенного внешнего электрического поля, а часть - поглощается из энергии фононных колебаний кристаллической решетки варизонной структуры. Пройдя варизонную структуру и контакт, электрон попадает в проводник Б. Проводник Б подобран таким образом, что работа выхода материала проводника совпадает с работой выхода полупроводникового материала варизонного полупроводника, который к нему примыкает через контакт.

Сумма средней энергий электронов в проводнике Б и энергии фотонов излучательной рекомбинации больше, чем средняя энергия электронов в проводнике А в результате возникает эффект охлаждения.

Таким образом, были выращены и исследованы светодиодные структуры на основе нового дизайна активной области, в которой варизонная структура из прямозонных полупроводниковых материалов выращивалась на основании таким образом, чтобы работа выхода менялась в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов. Было показано, что данный дизайн обеспечивает эффект охлаждения при пропускании через нее тока определенной полярности.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как оно раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к полупроводниковым светодиодам, которые широко используются в оптических устройствах отображения информации, светофорах, системах связи, осветительных устройствах и медицинском оборудовании. Термоэлектрический светодиод, согласно изобретению содержащий варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенный на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа, а варизонная структура имеет проводимость p-типа и образует p-n-переход между основанием и выращенной структурой или является p-n-структурой с плавным легированием от p-типа в месте контакта с основанием к n-типу в противоположной области, причем с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены полупрозрачные контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь. Изобретение позволяет уменьшить, исключить или сделать отрицательным тепловыделение во время работы термоэлектрического светодиода и, как следствие, устранить возможность перегрева светодиода и выхода его из строя. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэлектрический светодиод, содержащий варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с изменяющейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенный на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа, а варизонная структура имеет проводимость p-типа и образует p-n-переход между основанием и выращенной структурой или является p-n-структурой с плавным легированием от p-типа в месте контакта с основанием к n-типу в противоположной области, причём с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены полупрозрачные контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь.

2. Термоэлектрический светодиод по п. 1, характеризующийся тем, что работа выхода первого проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания, а работа выхода второго проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала варизонной структуры, примыкающей к проводнику через контакт.

3. Термоэлектрический светодиод по п. 1, характеризующийся тем, что основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала.

4. Термоэлектрический светодиод по п. 1, характеризующийся тем, что основание является металлической структурой с нанесённым полупроводниковым материалом на неё.

5. Термоэлектрический светодиод по п. 1, характеризующийся тем, что основание является структурой, содержащей металлический слой с нанесённой на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала.

6. Термоэлектрический светодиод по пп. 4, 5, характеризующийся тем, что металлический слой структуры является контактом.