Білий супер’яскравий світлодіод та спосіб його виготовлення

1 Білий супер'яскравий світлодюд, який містить підкладку або іншу кристалічну орієнтуючу поверхню, на котрій із твердого розчину сполук третьої та п'ятої груп Періодичної системи, зокрема AIGalnNAs, виготовлена гете ростру ктура інжекторів електронів і дірок та активний випромінюючий шар, який відрізняється тим, що епітаксійна гете ростру ктура інжекторів електронів і дірок та активний випромінюючий шар формують ся в гетерогенній варізоннш структурі матриці, виготовленій із багатокомпонентного твердого розчину AIGalnNPAsSb 2 Спосіб виготовлення білого супер'яскравого світлодюда, що включає виготовлення за допомогою методів епітаксії або направленої кристалізації гете ростру ктур и інжекторів електронів і дірок та активного випромінюючого шару, який відрізняється тим, що в гетерогенній варізоннш структурі активного випромінюючого шару формуються квантові точки та ями із метастабільних фаз багатокомпонентного твердого розчину шляхом лазерного або іонно-плазмового стимулювання процесу росту з наступним відпаленням та формуванням р-п переходу, який перетинає один або декілька разів всю товщину активного варізонного шару, причому р-п перехід має планарну або кутоподібну, або сферичну, або параболічну, або еліпсоїдальну форму Винахід відноситься до мікро- та оптоелектронної техніки і може бути використаний для загального та локального освітлення та в інформаційних системах Звичайні світлодюди випромінюють монохроматичне світло одного кольору, наприклад, червоного, зеленого або блакитного Для кожного кольору використовується один світлодюд Біле світло неможливо одержати із звичайного світлодюду Воно складається із синтезу трьох кольорів червоного (Red), зеленого (Green) і блакитного (Blue) - RGB Для одержання приладу, який випромінює біле світло, Накамура і Фесол запропонували збуджувати блакитним випромінювачем - світлодюдом чи лазером-фосфор (люмінофор) - речовину, яка випромінює біле світло (Накамура, Фесол Блакитні лазери, Шпрінгер, Берлін, 1997) В такому приладі активна зона виготовлена із InGaN або GaN, які випромінюють світло в блакитному діапазоні довжин хвиль Це випромінювання збуджує фосфор, який випромінює широку смугу довжин хвиль - біле світло Фосфор наносять у вигляді тонкого покриття на поверхню напівпровідникового чіпа на основі GaN або механічно вводять в пластиковий корпус світлодюду Це збільшує вартість білого світлодюду Суттєвими недоліками цього способу є значні втрати випромінювання в процесі його перелюмінесценцм в фосфорі, а також зміна в часі та від температурних впливів співвідношення між кольорами в білому спектрі Іншим способом одержання білого світла є синтез випромінювання трьох ЧІПІВ звичайних світлодюдів - червоного, зеленого та блакитного Такі світлодюди використовуються в повнокольорових дисплеях та інформаційних табло Виготовлення білих джерел світла для загального освітлення з трьох ЧІПІВ має велику вартість, низьку надійність і низьку часову стабільність співвідношення кольорів у білому спектрі Модифікацією цього способу є виготовлення гете ростру ктур и з трьох шарів, які випромінюють ВІДПОВІДНО червоне, зелене та блакитне світло Іншим варіантом є оптичне збудження блакитним світлодюдом на основі GalnN чіпа (або ЧІПІВ) на основі AIGalnP, які випромінюють в червоній та жовто-зеленій смугах спектру Недоліки цього способу ті ж самі, що в попередніх способах ю (О ю 56544 Є пропозиції щодо використання молекул органічних барвників для одержання білого світла Однак, під впливом радіації ефективність випромінювання органічних молекул деградує в часі, їх деградація більше ніж в 10-1000 разів перевищує деградацію напівпровідникових випромінювачів Вони можуть використовуватись в дисплеях індивідуального користування з невеликою інтенсивністю випромінювання Для білих СВІТЛОДІОДІВ загального освітлення органічні матеріали непридатні Кольорові світлодюди виробляються на основі напівпровідників А 3 В 5 (A3 - елементи третьої групи, а В5 - елементи п'ятої групи Періодичної системи) Використовуються елементи третьої групи алюміній (АІ), галій (Ga), та ІНДІЙ (In), п'ятої групи азот (N), фосфор (Р) та миш'як (As) Для видимого діапазону світла звичайно використовуються наступні матеріали GaAIAs, GaAsP, AIGalnP, InGaAsP, GaP, GaN, InGaN, AIGalnN Для СВІТЛОДІОДІВ малої інтенсивності можливо використовувати карбід кремнію SiC, кремній Si, сполуки А 2 В 6 (А2 - елементи другої групи, а В6 елементи шостої групи Періодичної системи) Крім SiC вони мають незначний час роботи з допустимою деградацією яскравості, яка зумовлена великою концентрацією дефектів Найбільше застосування в кольорових світлодюдах знайшли четирьохкомпонентні напівпровідники AIGalnP для червоної і жовтої частини спектру та AIGalnN для зелено-блакитної смуги спектру В червоно-оранжевій частині спектру досягнута ефективність окремих СВІТЛОДІОДІВ 200лм/Вт Для зелено-блакитної частини спектру повідомлялось про ефективність окремих СВІТЛОДІОДІВ 150лм/Вт Для масового використання дюдних джерел загального освітлення необхідно досягти ефективності більше 200лм/Вт одночасно на всіх довжинах хвиль білого спектру Ця ефективність повинна бути досягнута з використанням технологи, яка дає зменшення вартості білих СВІТЛОДІОДІВ ДО вартості звичайних ламп розжарювання Крім ефективності і вартості для білих джерел світла важливе дотримання координат діаграми кольорів (chromaticity coordinates) та їх стабільність в часі при ЗМІНІ температури Кольори джерел світла визначаються порівнянням зі стандартним випромінювачем денного світла Проблема визначення координат кольорів білих СВІТЛОДІОДІВ ускладнюється залежністю від Температури випромінювання як ЧІПІВ червоного, зеленого та блакитного кольорів, так і фосфорів Таким чином, недоліками відомих технічних рішень є низька ефективність перетворення в світлодюдах електричної енергії в оптичне випромінювання широкого діапазону білого світла, які зумовлюють високу вартість дюдних джерел загального освітлення в порівнянні з лампами розжарювання Найбільш близьким по технічній суті до того, що пропонується, є білі світлодюди і способи їх виготовлення згідно патентів США №5689123 від 18 11 1997 р , кл Н01L 29/205 та № 6303404ВІ від 16 10 2001, кл H01L 21/00 В патенті №5689123 кольорові світлодюди в широкому спектрі випромінювання створюються на багатошарових гетероструктурах із трьох, чотирьох або 4 п'ятикомпонентних твердих розчинів А 3 В 5 , зокрема AIGalnNAs шляхом молекулярно-променевої або МОС-пдридної епітаксії на підкладках сапфіру, SiC та інших В молекулярно-променевій епітаксії для покращення розпаду сполук азоту використовується плазма Для кращого погодження параметрів ґраток плівок і підкладки із сапфіру рекомендується вирощувати метастабільні фази нітридів Випромінювання різних довжин хвиль одержується із різних шарів з різкими гетеропереходами В патенті № 6303404В1 для генерації білого світла в структурі світлодюду використовується розділення фаз трьохкомпонентного твердого розчину InGaN і швидке відпалення гетеро структури для формування і стабілізації поверхні Спектри випромінювання при оптичному збудженні тонких шарів різної товщини змінюються від 450нм до 650нм Причинами, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату в відомих білих світлодюдах є недостатня ефективність перетворення електричної енергії в оптичне випромінювання в усьому діапазоні білого світла, а також його зміна в часі, яка зумовлена такими факторами • велика концентрація дефектів різних гетероструктур при їх охолодженні від температур епітаксії до кімнатних, • концентрація і діапазон розмірів квантоворозмірних світлогенеруючих наноструктур неадекватна широкому білому спектру випромінювання, • спосіб інжекції електронів і дірок у відомих білих світлодюдах не забезпечує рівномірну високоефективну генерацію випромінювання в усьому діапазоні спектру білого світла, • наявність деградації в часі спектру білого світла В основі винаходу поставлено задачу створення принципово нового суперяскравого білого світлодюду і способу його виготовлення шляхом використання нових гетерогенних напівпровідникових матеріалів і структур та відповідної вирішенню задачі генерації білого світла технології створення СВІТЛОДІОДІВ з суттєво поліпшеними, в порівнянні з прототипами, технічними характеристиками, розширеними та гнучкими можливостями їх адаптації для різних застосувань, підвищеною надійністю і конкурентоспроможною вартістю Поставлена задача вирішується тим, що в білому суперяскравому СВІТЛОДІОДІ, який містить підкладку, на якій із твердого розчину сполук А 3 В 5 (зокрема AIGalnNAs) виготовлена гетероструктура інжекторів електронів і дірок та згідно з винаходом в активному випромінюючому шарі формується із метастабільних фаз багатокомпонентного твердого розчину (зокрема AIGalnNPAsSb) варізонна структура з квантовими ямами та точками, причому гете ростру ктура інжекторів електронів і дірок створюється методами молекулярно-променевої, МОС-пдридної епітаксії або направленої кристалізації, а активний випромінюючий шар утворюється шляхом лазерного або іонно-плазмового стимулювання процесу росту з наступним відпаленням та формуванням р-n переходу, який перетинає всю товщину варі зонного активного шару, причому р-n перехід має планарну або кутоподібну, або сферичну, або параболічну, або еліпсоїдальну форми Першою додатковою ВІДМІННІСТЮ світлодюду є те, що інжектори електронів і дірок та активний випромінюючий шар формуються в варізонній структурі матриці Другою додатковою ВІДМІННІСТЮ світлодюду є те, що варізонна структура матриці фомується із багатокомпонентного твердого розчину, зокрема, AIGalnNPAsSb Додатковою ВІДМІННІСТЮ способу є те, що квантові точки та ями формуються із метастабільних фаз багатокомпонентного твердого розчину шляхом лазерного або іонно-плазмового стимулювання процессу росту з наступним віддаленням Для кращого розуміння фізичних основ цього винаходу необхідно визначити механізм рекомбінації носив струму в варізонних гетерогенних твердих розчинах нітридів В бінарних сполуках AIN, GaN, InN та їх твердих розчинах велику роль відіграють дефекти, найбільш суттєвими з яких є дефекти невідповідності кристалічних решіток на кордонах шарів різного атомного складу Мінімізація дефектів має вирішальне значення для одержання високої ефективності і надійності структур та приладів в широкому спектрі білого світла В твердих розчинах фосфідів, зокрема (AlxGai х)о5ІпобР параметр решітки майже дорівнює GaAs, а пряма зона має місце при концентраціях алюмінію від х=0 до х=53%, що відповідає довжинам хвиль від 650нм (глибокий червоний колір) до 555нм (жовто-зелений колір) Внутрішня квантова ефективність для малих концентрацій алюмінію (