ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СВЕТОДИОД Российский патент 2025 года по МПК H10H20/81 H10H20/858 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к полупроводниковым светодиодам, выполненным 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 слоев структуры полупроводникового светодиода для организации отвода выделяемого тепла.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей заявленного изобретения является разработка полупроводниковой структуры термоэлектрического светодиода, которая бы отводила выделяемое тепло.

Техническим результатом изобретения является уменьшение, отсутствие тепловыделения или отрицательное тепловыделение 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 согласно первому варианту осуществления изобретения термоэлектрический светодиод содержит:

- первую варизонную структуру с проводимостью n-типа из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на основании,

при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа;

- вторую варизонную структуру с проводимостью p-типа из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на первой варизонной структуре;

при этом между первой и второй варизонными структурами образован р–n-переход, а с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, полупрозрачный.

Указанный технический результат достигается за счет того, что согласно второму варианту осуществления изобретения термоэлектрический светодиод содержит:

- первую варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на основании,

- вторую варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на первой варизонной структуре;

при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью р-типа, а первая и вторая варизонные структуры являются варизонной р–n-структурой с плавным легированием от р типа к n типу,

при этом между первой и второй варизонными структурами образован р–n-переход, а с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, полупрозрачный.

В некоторых вариантах осуществления изобретения работа выхода первого соединительного проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания, а работа выхода второго соединительного проводника совпадает или максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала 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 металлический слой структуры является контактом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является структурой, содержащей металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала. В этом случае металлический слой структуры 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 две варизонные структуры (2, 3) из прямозонных полупроводниковых материалов, первая (2) из которых выращена на основании (1), а вторая (3) - на первой (2). Причем каждая варизонная структура (2, 3) выращивается с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов таким образом, чтобы между варизонными структурами образовывался р–n-переход.

В одном из вариантов осуществления изобретения основание (1) содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала первой варизонной структуры (2). Первая варизонная структура (2) имеет проводимость n-типа. Рост варизонной структуры (2) начинается с полупроводника, имеющего большую работу выхода (совпадает или максимально приближена с работой выхода материала основания), а заканчивается полупроводником, имеющим меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Поверх выращивается вторая варизонная структура (3), которая имеет проводимость дырочного типа (проводимость p-типа) с образованием гетероперехода между слоями первой и второй варизонных структур. Рост варизонной структуры (3) начинается с полупроводника, имеющего большую работу выхода, а заканчивается полупроводником, имеющим меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Например, структура такого светодиода может выглядеть следующим образом: основание InAs с проводимостью n-типа, варизонный полупроводнике проводимостью n-типа InAs -GaAs, варизонный полупроводник GaAs - InAs с проводимостью р-типа.

В другом варианте осуществления изобретения основание (1) содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала первой варизонной структуры (2). Первая варизонная структура является варизонной р–n-структурой с плавным легированием от р типа в месте контакта с основанием (1) к n типу в противоположной области. Рост варизонной структуры (2) начинается с полупроводника, имеющего большую работу выхода (совпадает или максимально приближена с работой выхода материала основания), а заканчивается полупроводником, имеющим меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем.

Поверх выращивается вторая прямозонная структура (3), которая является варизонной р–n-структурой с плавным легированием от р типа в месте контакта с близлежащим полупроводниковым слоем первой варизонной структуры (2) к n-типу в противоположной области. Рост варизонной структуры (3) начинается с полупроводника, имеющего большую работу выхода, а заканчивается полупроводником, имеющим меньшую работу выхода по сравнению с первым слоем. Например, структура такого светодиода может выглядеть следующим образом: основание InAs с проводимостью p-типа, первый варизонный полупроводнике плавным легированием от р типа в месте контакта с основанием к n типу в противоположной области InAs - GaAs, второй варизонный полупроводник GaAs - InAs с плавным легированием от р типа к n типу.

Для изготовления светодиодов используют прямозонные полупроводники GaAs, GaP, GaAs1-xPx, GaxIn1-xAs, GaxAl1-xAs, GaN и др. Основные материалы полупроводниковых излучателей арсенид галлия (GaAs) и тройные соединения на его основе (GaAlAs 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.

Варизонные полупроводниковые структуры могут быть произведены методом газофазной, эпитаксии. Варизонные структуры могут 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 или дырочного типа проводимости в зависимости от варианта выращивания полупроводниковой структуры светодиода.

В качестве основания в другом варианте осуществления изобретения также может быть использовано металлическое основание с нанесенным на него слоем полупроводникового материала соответствующего типа проводимости. 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 соответствующего типа.

Обе стороны термоэлектрического светодиода выполнены с контактами (4) с возможностью подключения к ним соединительных проводов для включения термоэлектрического светодиода в электрическую цепь.

Один из контактов выполнен полупрозрачным, а другой - имеет различную степень прозрачности для беспрепятственного пропускания сгенерированных фотонов.

В изображенных вариантах выполнения контакты (4), 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.

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 AlGaAs- 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.

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.

Электрон из проводника А (работа выхода проводника А подобрана таким образом, чтобы максимально соответствовать работе выхода основания, примыкающего к контакту с другой стороны) через контакт и основание попадает в первую варизонную структуру в область с большей работой выхода (большая работа выхода варизонной области максимально приближена к работе выхода полупроводникового материала основания). Электрон под воздействием внешнего поля движется в область первой варизонной структуры с меньшей работой 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 поля, а часть из теплового колебания кристаллической решетки (фононы).

Дальше электрон, попав в область р–n-перехода, рекомбинирует в области второго прямозонного полупроводника с проводимостью полупроводника близлежащего слоя p-типа с генерацией фотона соответствующей энергии, который, в свою очередь покидает структуру термоэлектрического светодиода.

Дальше электрон под действием внешнего поля через валентную зону прямозонного полупроводника p-типа проводимости второй варизонной структруры продолжает движение во второй варизонной структуре в сторону полупроводника с малой работой выхода. Поскольку работа выхода монотонно уменьшается электрону для занятия места с меньшей работой выхода необходимо получить энергию из вне, часть этой энергии он черпает из приложенного внешнего поля а часть из теплового колебания кристаллической решетки (фононы). Пройдя вторую варизонную структуру и контакт, электрон попадает в проводник Б. Работа выхода проводника Б подобрана таким образом, чтобы максимально соответствовать работе выхода контакта и работе выхода прямозонного примыкающего к контакту полупроводника. Сумма энергий электрона в проводнике Б и энергии фотона больше, чем энергия электрона в проводнике А. В результате возникает эффект охлаждения.

Таким образом, были выращены и исследованы светодиодные структуры на основе нового дизайна активной области, в которой первая варизонная структура выращивалась на основании таким образом, чтобы работа выхода менялась в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, причем на данной первой варизонной структуре выращивалась вторая варизонная структура 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 раскрыто в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к термоэлектрическому светодиоду с применением варизонных структур, который отводит выделяемое тепло. Термоэлектрический светодиод содержит основание, на котором выращена первая варизонная структура из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов. На первой варизонной структуре выращена вторая варизонная структура из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов. Причем в первом варианте изготовления светодиода основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа, первая варизонная структура имеет проводимость n-типа, вторая варизонная структура имеет проводимость p-типа. Во втором варианте изготовления светодиода первая и вторая варизонные структуры являются варизонными p–n-структурами с плавным легированием от р-типа к n-типу, а основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа. Между первой и второй варизонными структурами в обоих вариантах образуется p–n-переход, а с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь. Один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, полупрозрачный. Использование изобретения позволяет уменьшить или исключить тепловыделение во время работы термоэлектрического светодиода и, как следствие, устранить возможности перегрева светодиода и выхода его из строя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэлектрический светодиод, содержащий первую варизонную структуру с проводимостью n-типа из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на основании, при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа; вторую варизонную структуру с проводимостью p-типа из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на первой варизонной структуре; при этом между первой и второй варизонными структурами образован p–n-переход, а с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, полупрозрачный.

2. Термоэлектрический светодиод, содержащий первую варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на основании, вторую варизонную структуру из прямозонных полупроводниковых материалов, с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, выращенной на первой варизонной структуре; при этом основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа, а первая и вторая варизонные структуры являются варизонной p−n-структурой с плавным легированием от p типа к n типу, при этом между первой и второй варизонными структурами образован p−n-переход, а с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников для включения в электрическую цепь, один из контактов, со стороны слоя прямозонного полупроводника, полупрозрачный.

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

4. Термоэлектрический светодиод по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что основание является подложкой, выполненной из полупроводникового материала.

5. Термоэлектрический светодиод по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что основание является металлической структурой с нанесённым полупроводниковым материалом на нее.

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

7. Термоэлектрический светодиод по п. 1 или 2, характеризующийся тем, что основание является структурой, содержащее металлический слой с нанесенным на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала.

8. Термоэлектрический светодиод по п. 7, характеризующийся тем, что металлический слой структуры является контактом.