Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 7184
(13) U
(46) 2011.04.30
(51) МПК (2009)
H 01L 33/00
(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЕТОДИОД
(21) Номер заявки: u 20100819
(22) 2010.10.01
(71) Заявитель: Сычик Василий Андре-
евич (BY)
(72) Автор: Сычик Василий Андреевич (BY)
(73) Патентообладатель: Сычик Василий
Андреевич (BY)
(57)
Полупроводниковый светодиод, содержащий p- и n-слои, омические контакты к ним,
p-n переход, отличающийся тем, что он выполнен p-i-n структурой из широкозонного
полупроводника с сильнолегированными p+
- и n+
-слоями, при этом толщина сильнолеги-
рованных p+
- и n+
-слоев составляет (0,7÷0,9) Ld, а толщина i-слоя собственной проводи-
мости равна (1,1÷1,6) Ld, где Ld - диффузионная длина носителей заряда.
(56)
1. А.с. СССР 1774400, МПК H 01L 33/00, 1992.
2. А.с. СССР 867249, МПК H 01L 33/00, 1991.
Фиг. 1
Полезная модель относится к оптоэлектронике, в частности к полупроводниковым
светодиодам, и может быть использована в системах освещения в качестве мощных ис-
точников света.
Известен полупроводниковый светодиод [1], который содержит подложку n-типа про-
водимости, слой n-типа проводимости политипа 4Н, слой n-типа проводимости, легиро-
ванный Ga, N, Sn, слой р-типа проводимости политипа 4Н, легированный Al, Sn, контакты
к слоям n- и p-типа проводимости. Однако такой светодиод обладает сложной конструк-
цией, низким КПД, поскольку используются высокоомные слои политипа 4Н.
BY7184U2011.04.30

2. BY 7184 U 2011.04.30
2
Прототипом предлагаемой полезной модели является полупроводниковый светодиод,
содержащий слой n-типа проводимости, расположенный на нем слой p-типа проводимо-
сти, омические контакты к ним. На одном из полупроводниковых слоев расположен до-
полнительный слой, образующий p-n переходы со смежными слоями и электрически
замкнутый со слоем того же типа проводимости [2].
Недостатки прототипа:
а) отсутствуют сильнолегированные низкоомные полупроводниковые слои между
омическими контактами и p-n переходом, что обуславливает резкое снижение рабочего
тока и прикладываемого к p-n переходу напряжения, то есть снижение светового излуче-
ния и КПД;
б) невысокая выходная мощность оптического излучения, поскольку используемые
полупроводрниковые слои слаболегированы, обладают большим внутренним сопротивле-
нием.
Техническим результатом полезной модели является увеличение мощности выходного
светового излучения и КПД.
Поставленная задача достигается тем, что в полупроводниковом светодиоде, включа-
ющем p- и n-полупроводниковые слои, омические контакты к ним, p-n переход, содержит-
ся p-i-n структура из широкозонного полупроводника с сильно легированными p+
- и n+
-
областями, при этом толщина сильнолегированных p+
- и n+
-областей составляет
(0,7…0,9)Ld, а толщина области собственной проводимости равна (1,1…1,6)Ld, где Ld -
диффузионная длина носителей заряда.
Сущность полезной модели поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображена конструкция
полупроводникового светодиода (ПСД), а на фиг. 2 - его зонная диаграмма.
Конструктивно ПСД состоит из полупроводниковой p-i-n структуры, из широкозонно-
го полупроводника, включающего p+
-слой 1, размещенный на металлическом основании
2, являющегося омическим контактом к p+
-слою 1, i-слой 3 собственной проводимости и
n+
-слой 4, по периметру которого нанесен омический контакт 5 с внешним выводом 6.
i-слой 3 полупроводниковой p-i-n структуры, который с p+
-слоем 1 создает первый p+
-i
переход и с n+
-слоем 4 создает второй n+
-i переход, изготавливается как и p+
-слой 1 и n+
-
слой 4 из широкозонного полупроводника, обладающего большой подвижностью носите-
лей, большой диффузионной длиной, низкой концентрацией собственных носителей заря-
да и возможностью создавать в его объеме сильнолегированные слои, это, например,
арсенид галлия. Толщина i-слоя 3 определяется стопроцентной рекомбинацией инжекти-
рованных в его область через прямосмещенные p+
-i первый переход дырок и n+
-i второй
прямосмещенный переход электронов и составляет (1,1…1,6)Ld, где Ld - диффузионная
длина носителей заряда. Сильнолегированный p+
-слой 1 широкозонного полупроводника
сформирован на металлическом основании 2 путем введения акцепторной примеси с вы-
сокой концентрацией NA ≅ (1020
÷1021
) см3
, обладает малым электросопротивлением и
обеспечивает омический контакт с металлическим основанием 2. Его толщина определя-
ется максимальным переносом инжектированных в него от внешнего источника питания
потоком дырок и, как показали результаты эксперимента, составляет (0,7÷0,9) Ld. Анало-
гичной концентрацией легирующей донорной примеси ND ≅ (1020
÷1021
см-3
) обладает n+
-
слой 4, размещенный на i-слое 3. Его толщина также определяется максимальным перено-
сом инжектированным в него от внешнего источника питания потоком электронов и со-
ставляет (0,7÷0,9)Ld. Омическим контактом к сильнолегированному n+
-слою 4 является
проводящий слой 5 толщиной 1,0÷5 мкм, на котором размещен внешний металлический
вывод 6. К внешним выводам 1 и 6 прикладывается напряжение питания.
Полупроводниковый светодиод работает следующим образом.
При подаче напряжения питания Ua прямой полярности через внешние выводы 1 и 6
на полупроводниковый светодиод потенциальные барьеры p+
-i и n+
-i переходов ϕо1 и ϕо2
снижаются соответственно на величину eU1 и eU 2, то есть ϕ1 = ϕо1–eU1 и ϕ2 = ϕ02–eU2.

3. BY 7184 U 2011.04.30
3
Поскольку ток в p-i-n структуре неизменный, то соответственно U1 = U2 = U. Потоки ин-
жектированных электронов из n+
-слоя 4 и дырок из p+
-слоя 1 в i-слой 3 собственной про-
водимости составят
,1
kT
eU
expIII spn 





−





=≅ (1)
где Is - ток насыщения перехода.
При этом концентрации инжектированных в i-слой 3 электронов и дырок составят
.1
kT
eU
expnp
,1
kT
eU
expnn
i
i






−





=∆






−





≅∆
(2)
В i-слое 3 собственной проводимости инжектированные электроны и дырки полно-
стью рекомбинируют друг с другом по механизму зона-зона с выделением в каждом акте
рекомбинации квантов света. Длина волны выделяемого светового излучения
λ = hc/Eg, (3)
где h - постоянная Планка, c - скорость света, Eg - ширина запрещенной зоны i-слоя 3. Яр-
кость светового излучения светодиода пропорциональна проходящему через него току
B = B0(Ig–In), где Ig, In - соответственно прямой ток светодиода и его пороговый ток, B0-
постоянная светодиода, B0 ≅ 0,1÷2,5 мА. Поскольку сильнолегированные p+
-слой 1 и n+
-
слой 4 обладают высокой проводимостью и падения напряжения на этих слоях минималь-
ны, то ток через светодиод, а следовательно, и яркость его светового излучения экспонен-
циально возрастают с ростом приложенного напряжения питания.
Создано экспериментальное устройство - полупроводниковый светодиод, выполнен-
ный на цинковом основании со структурой p+
-i-n+
на основе арсенида галлия. n+
-слой 4
выполнен из GaAs, легированного Те с концентрацией примеси ND ≅ 5·1020
см-3
и толщи-
ной 0,8 мкм; i-слой 4 собственной проводимости сформирован из GaAs с собственной
концентрацией ni = pi ≅ 1010
см-3
и толщиной 1,6 мкм; p+
-слой 1 выполнен из GaAs, леги-
рованного Zn с концентрацией NA ≅ 5·1020
см-3
, обладает толщиной 0,9 мкм. Верхний
омический контакт выполнен из олова шириной 20 мкм и толщиной 5 мкм, к которому
подключен внешний вывод из никеля.
Экспериментальный полупроводниковый светодиод размером полезной площади
10 мм2
при величине протекающего прямого тока в интервале 50-100 мА обеспечивает оп-
тическое излучение в видимой области яркостью B = 150÷200 кэ/см2
. КПД полупроводни-
кового светодиода достигает 24 %, а КПД аналогов не превышает 15 %.
Технико-экономические преимущества предлагаемого полупроводникового светодио-
да в сравнении с прототипом и аналогами:
1. Более чем в два раза возрастает яркость выходного светового излучения.
2. Более чем в 1,5 раза возрастает КПД.
Промышленное освоение предлагаемого полупроводникового светодиода возможно
на предприятиях электронной промышленности.

4. BY 7184 U 2011.04.30
4
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.