RU2461916C1

RU2461916C1 - Semiconductor light-emitting instrument

Info

Publication number: RU2461916C1
Application number: RU2011100759/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Усов (RU); Сергей Петрович Усов; Юрий Владимирович Сахаров (RU); Юрий Владимирович Сахаров; Павел Ефимович Троян (RU); Павел Ефимович Троян
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-09-20
Also published as: RU2011100759A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: semiconductor light-emitting instrument based on silicon dioxide includes substrate, upper and lower electrodes and layers formed during magnetron sputtering generating semiconductive heterostructure with p-n junction. Layer of active area with p-n junction is made from porous silicon dioxide (SiO₂ ^M). Width of prohibited zone of layer of active area with p-n junction >4 eV.

EFFECT: providing possibility to reach light radiation in UV band of radiation spectrum, high brightness, simplifying the design and manufacturing procedure of semiconductor light-emitting instrument.

1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области полупроводниковых светоизлучающих приборов и может использоваться для производства светодиодов.The invention relates to the field of semiconductor light-emitting devices and can be used for the production of LEDs.

Известна конструкция полупроводникового светоизлучающего прибора [US 20040113163], включающая подложку со сформированным на ее поверхности текстурированным слоем, имеющим шероховатую поверхность, а также выращенные методом эпитаксии слои из нитридного материала, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом. Благодаря наличию указанного текстурированного слоя, микровыступы и микровпадины которого образуют центры рассеяния светового излучения, снижается влияние на выход света эффекта полного внутреннего отражения света, возникающего на границе «подложка - примыкающий к подложке слой материала», в случае, когда показатель преломления материала указанного слоя превышает показатель преломления материала подложки. В результате увеличивается доля выводимого через подложку светового излучения и, тем самым, повышается внешняя оптическая эффективность прибора.A known construction of a semiconductor light emitting device [US 20040113163], including a substrate with a textured layer formed on its surface having a rough surface, as well as layers of nitride material grown by the epitaxy method, forming a semiconductor heterostructure with a p-n junction. Owing to the presence of the indicated textured layer, the microprotrusions and micro-valleys of which form light scattering centers, the effect on the light output of the effect of total internal reflection of light arising at the interface “substrate - material layer adjacent to the substrate” is reduced in the case when the refractive index of the material of the specified layer exceeds refractive index of the substrate material. As a result, the proportion of light emitted through the substrate increases and, thereby, the external optical efficiency of the device increases.

Недостатком данной конструкции является то, что по отношению к основному технологическому процессу эпитаксиального выращивания полупроводниковых слоев требуются дополнительные технологические операции, включающие, например, операции травления материала слоя, в том числе с предварительным нанесением фотомаски, и, в результате, усложняющие технологию изготовления полупроводникового светоизлучающего прибора. Эта конструкция имеет низкую светоотдачу, обусловленную низкой энергией возбуждения люминофора, для преобразования в белый свет.The disadvantage of this design is that in relation to the main technological process of epitaxial growing of semiconductor layers, additional technological operations are required, including, for example, etching of the material of the layer, including the preliminary application of a photomask, and, as a result, complicating the manufacturing technology of a semiconductor light-emitting device . This design has low light output due to the low excitation energy of the phosphor, for conversion to white light.

Так же известен полупроводниковый светоизлучающий прибор [TW 591808] (ближайший аналог). Рассматриваемый прибор включает сапфировую подложку, а также выполненные из нитридного материала и выращенные методом эпитаксии последовательно расположенные буферный слой и слои, образующие полупроводниковую гетероструктуру с p-n-переходом. Кроме этого, рассматриваемый прибор содержит расположенный между буферным слоем и подложкой промежуточный слой, который по одному из вариантов выполнения прибора имеет поры, сформированные путем травления материала слоя. Поры в рассматриваемом промежуточном слое сформированы с целью снижения механических напряжений в материале полупроводниковой гетероструктуры, обусловленных рассогласованием кристаллической решетки материала подложки и материала полупроводниковых слоев. Однако, помимо указанной функции, поры промежуточного слоя выполняют также функцию центров рассеяния светового излучения, благодаря наличию которых снижается влияние эффекта полного внутреннего отражения света на границе «подложка - примыкающий к подложке слой материала» на выход света, и, соответственно, увеличивается доля выводимого светового излучения.A semiconductor light emitting device [TW 591808] (the closest analogue) is also known. The device under consideration includes a sapphire substrate, as well as a sequentially located buffer layer and layers forming a semiconductor heterostructure with a p-n junction made of nitride material and grown by epitaxy. In addition, the device under consideration contains an intermediate layer located between the buffer layer and the substrate, which according to one embodiment of the device has pores formed by etching the material of the layer. The pores in the considered intermediate layer are formed in order to reduce mechanical stresses in the material of the semiconductor heterostructure due to the mismatch of the crystal lattice of the substrate material and the material of the semiconductor layers. However, in addition to the indicated function, the pores of the intermediate layer also function as light scattering centers, due to which the effect of total internal light reflection at the “substrate - adjacent to the substrate material layer” effect on the light output is reduced, and, accordingly, the fraction of light output radiation.

Недостатком указанного изобретения является сложность конструкции прибора и технологии его изготовления, низкая светоотдача, обусловленная низкой энергией возбуждения люминофора, для преобразования синего света в белый.The disadvantage of this invention is the complexity of the design of the device and the technology of its manufacture, low light output, due to the low excitation energy of the phosphor, for converting blue light to white.

Цель предлагаемого изобретения состоит в изготовлении полупроводникового светоизлучающего прибора, излучающего свет в ультрафиолетовом диапазоне спектра излучения, с последующим преобразованием его в видимый свет с помощью люминофора.The purpose of the invention is the manufacture of a semiconductor light emitting device that emits light in the ultraviolet range of the radiation spectrum, followed by its conversion into visible light using a phosphor.

Поставленная цель достигается за счет использования слоя с p-n-переходом из пористой пленки диоксида кремния (SiO₂ ^м), полученной методом магнетронного распыления составной мишени «кремний-графит» (Si-C). Рекомбинация электронов и дырок в данном слое сопровождается излучением квантов света с энергией >4 эВ.This goal is achieved by using a layer with a pn junction from a porous film of silicon dioxide (SiO ₂ ^m ), obtained by magnetron sputtering of a composite target "silicon-graphite" (Si-C). The recombination of electrons and holes in this layer is accompanied by the emission of light quanta with energies> 4 eV.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1). На чертеже изображен общий вид заявленного устройства.The invention is illustrated in the drawing (figure 1). The drawing shows a General view of the claimed device.

Устройство содержит подложку 1, на которой последовательно расположены: нижний электрод 2; слои, образующие гетероструктуру с p-n-переходом, включающие, в частности, слой 3 n-типа проводимости, выполненный из диоксида кремния (n-SiO₂); слой активной области 4 с p-n-переходом, выполненный из пористого диоксида кремния (SiO₂ ^м); слой 5 p-типа проводимости, выполненный из диоксида кремния (p-SiO₂); верхний, оптически прозрачный электрод 6, выполненный из проводящего оксида In₂O₃; слой люминофора 7.The device comprises a substrate 1, on which are sequentially arranged: the lower electrode 2; layers forming a pn-junction heterostructure, including, in particular, n-type conductivity layer 3 made of silicon dioxide (n-SiO ₂ ); a layer of the active region 4 with a pn junction made of porous silicon dioxide (SiO ₂ ^m ); p-type conductivity layer 5 made of silicon dioxide (p-SiO ₂ ); an upper, optically transparent electrode 6 made of a conductive oxide In ₂ O ₃ ; phosphor layer 7.

Устройство работает следующим образом. При пропускании тока в прямом направлении через заявляемое устройство в активной области 4 происходит рекомбинация электронов и дырок, инжектируемых соответственно из слоя 3 n-типа проводимости и слоя 5 p-типа проводимости, которая сопровождается излучением квантов света.The device operates as follows. When passing current in the forward direction through the inventive device in the active region 4, recombination of electrons and holes is injected respectively from layer 3 of n-type conductivity and layer 5 of p-type conductivity, which is accompanied by emission of light quanta.

Пример конкретной реализации устройстваAn example of a specific implementation of the device

На подложку 1 методом термического испарения в вакууме наносится нижний алюминиевый (Al) электрод 2. Далее, методом магнетронного распыления на электрод наносится тонкая пленка диоксида кремния 3 n-типа проводимости (n-SiO₂), толщиной 25 нм, на ней формируется слой активной области 4 с p-n-переходом, выполненный из пористого диоксида кремния (SiO₂ ^м) методом магнетронного распыления составной мишени кремний-графит (Si-C) толщиной 10-20 нм, затем наносится слой диоксида кремния 5 p-типа проводимости (p-SiO₂), толщиной 25 нм. На слое 5 формируется оптически прозрачный электрод 6, методом магнетронного распыления индия (In) в атмосфере кислорода, на который затем наносится слой люминофора 7.On the substrate 1, a lower aluminum (Al) electrode 2 is deposited by thermal evaporation in a vacuum. Next, a thin film of silicon dioxide 3 of n-type conductivity (n-SiO ₂ ), 25 nm thick, is deposited onto the electrode by magnetron sputtering, and an active layer is formed on it region 4 with a pn junction made of porous silicon dioxide (SiO ₂ ^m ) by magnetron sputtering of a composite target silicon-graphite (Si-C) with a thickness of 10-20 nm, then a layer of silicon dioxide 5 p-type conductivity (p-SiO ₂ ), 25 nm thick. An optically transparent electrode 6 is formed on layer 5 by magnetron sputtering of indium (In) in an oxygen atmosphere, onto which a phosphor layer 7 is then applied.

Claims

A silicon dioxide-based semiconductor light-emitting device including a substrate, lower and upper electrodes, and also layers formed during magnetron sputtering forming a heterostructure with a pn junction, characterized in that the layer of the active region with a pn junction is made from porous silicon dioxide (SiO ₂ ^M ) with a band gap> 4 eV.