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 слоёв 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 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 выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника, причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, варизонный полупроводник имеет проводимость n-типа, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников, при этом с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов 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 выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника, причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, варизонный полупроводник является варизонной р-n-структурой с плавным легированием от р-типа к n-типу, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников, при этом с двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводов 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 нанесённым полупроводниковым материалом на нее. В этом случае металлический слой структуры является контактом.

В некоторых вариантах осуществления изобретения основание является структурой, содержащей металлический слой с нанесенной 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 выращенный на основании (1) варизонный полупроводник (2) с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике, поверх, эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника (3), который образует гетеропереход между слоями.

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 варизонной полупроводника. Варизонный полупроводник (2) имеет проводимость n-типа. Рост структуры варизонного полупроводника 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 эпитаксиальный слой полупроводника (3), который имеет проводимость дырочного типа (проводимость p-типа) с большей работой выхода и с образованием гетероперехода между слоями. Например, структура такого светодиода может выглядеть следующим образом: основание InAs с проводимостью n-типа, варизонный полупроводник с проводимостью n-типа InAs-GaAs, слой прямозонного полупроводника GaAs 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 варизонной полупроводника. Варизонный полупроводник является варизонной р-n-структурой с плавным легированием от р-типа в месте контакта с основанием (1) к n-типу в противоположной области. Рост структуры варизонного полупроводника 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 эпитаксиальный слой полупроводника (3), который имеет проводимость дырочного типа (проводимость p-типа) с большей работой выхода и с образованием гетероперехода между слоями. Например, структура такого светодиода может выглядеть следующим образом: основание InAs с проводимостью р-типа, варизонный полупроводник с плавным легированием от р-типа в месте контакта с основанием к n-типу в противоположной области InAs-GaAs, слой прямозонного полупроводника GaAs с проводимостью р-типа.

Для изготовления светодиодов используют прямозонные полупроводники GaAs, GaP, GaAs1-xPx, Gaxln1-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 полупроводники могут быть произведены методом газофазной эпитаксии. Варизонный полупроводник (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 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, содержащей металлический слой с нанесенней 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 неразъёмное 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 нанесенной 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 подаётся постоянный ток.

Электрон из проводника А через контакт и основание попадает в варизонный полупроводник 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 варизонного полупроводника 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 решётки (фононы).

Дальше электрон, попав в область р-n-перехода рекомбинирует в области прямозонного полупроводника с проводимостью 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 и контакт попадает в проводник Б. Работа выхода проводника Б подобрана таким образом, чтобы максимально соответствовать работе выхода контакта и работе выхода прямозонного полупроводника p-типа проводимости. Сумма энергий электрона в проводе 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 варизонный полупроводник выращивался на основании таким образом, чтобы работа выхода менялась в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов, причем на данном полупроводнике выращивался слой прямозонного полупроводникового материала. 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. Сущность: Термоэлектрический светодиод содержит выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника. В первом варианте основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, варизонный полупроводник имеет проводимость n-типа, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников. Во втором варианте основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника, варизонный полупроводник является варизонной р-n-структурой с плавным легированием от р-типа к n-типу, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует р-n переход между слоями полупроводников. С двух противоположных сторон термоэлектрического светодиода выполнены контакты с возможностью прикрепления к ним соединительных проводников. Один из контактов со стороны слоя прямозонного полупроводника - полупрозрачный. Технический результат: уменьшение тепловыделения во время работы светодиода и, как следствие, устранение возможности перегрева светодиода и выхода его из строя. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Термоэлектрический светодиод, содержащий выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника,

причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью n-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода, примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника,

варизонный полупроводник имеет проводимость n-типа, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует p-n переход между слоями полупроводников,

при этом 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 выращенный на основании варизонный полупроводник с уменьшающейся работой выхода в направлении роста эпитаксиальной структуры во всем интервале составов и выращенный на варизонном полупроводнике эпитаксиальный слой прямозонного полупроводника,

причем основание содержит полупроводниковый материал с проводимостью p-типа с работой выхода, равной или близкой к работе выхода примыкающего к нему слоя полупроводникового материала варизонного полупроводника,

варизонный полупроводник является варизонной p-n-структурой с плавным легированием от p-типа к n-типу, а слой прямозонного полупроводника имеет проводимость p-типа и образует p-n переход между слоями полупроводников,

при этом 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, содержащей металлический слой с нанесенной на него меняющейся структурой от металла до полупроводникового материала.

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