Полупроводниковое светоизлучающее устройство

Полезная модель относится к светоизлучающим полупроводниковым устройствам, а именно к устройствам, в которых внешняя часть сферического полупроводникового устройства, предназначенного для излучения света, покрыта светопропускающей внешней оболочкой. Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении мощности излучения света. Технический результат также достигается тем, что пполупроводниковое светоизлучающее устройство, состоит из монокристаллической структуры, которая выполнена сферической и содержит сферическую зону активного p-n гетероперехода, на противоположных частях которой друг напротив друга сформированы p-гетероструктура и n-гетероструктура, соединенные с электродом через контактную площадку, и внешней оболочки, покрывающей монокристаллическую структуру и выполненной из светопропускающего материала, при этом, по меньшей мере, один электрод выполнен из светопропускающего материала, при этом, по меньшей мере, одна из p-гетероструктуры или n-гетероструктуры покрыта, по меньшей мере, одним слоем градиентного покрытия с коэффициентом преломления менее 2.47, при этом, по меньшей мере, одна из p-гетероструктуры или n-гетероструктуры покрыта, по меньшей мере, одним слоем металлической решетки, при этом, по меньшей мере, одна контактная площадка выполнена круглой, при этом монокристаллическая структура выполнена частично сферической, при этом внутри зоны активного p-n гетероперехода расположен, по меньшей мере, один плазмон.

Область техники, к которой относится полезная модель

Настоящая полезная модель относится к светоизлучающим полупроводниковым устройствам, а именно к устройствам, в которых внешняя часть сферического полупроводникового устройства, предназначенного для излучения света, покрыта светопропускающей внешней оболочкой.

Уровень техники

На сегодняшний день светодиодные кристаллы, излучающие из одной стороны p-n перехода, достигли своего максимума по излучению света. Единственным способом увеличить световую мощность кристалла остается задействовать обе стороны кристалла, что подтверждается работой «Theoretical analysis of enhanced light output from a GaN light emitting diode with an embedded photonic crystal», Wen Feng, Liu Deming, and Huang Lirong, Journal of Semiconductors, October 2010, Vol. 31, 10.

Расчеты, проведенные в данной работе, доказывают, что при использовании двух сторон кристалла извлечение света повышается в пять раз.

Кроме того, возможно увеличить выход света из боковых сторон кристалла светодиода, что подробно исследовано в работе «Modeling of nitride based core multishell nanowire light emitting diodes efficiencies)); Clarisse Mazuir, Winston V. Schoenfeld; Journal of Nanophotonics, Vol. 1, 013503 (19 January 2007).

Учитывая, что p и n структуры имеют отрицательный коэффициент преломления 2,47, а например светопропускающий материал сапфир имеет коэффициент преломления 1,77, то для повышения извлечения фотонов с поверхности можно воспользоваться градиентными покрытиями.

Обработка граней сапфира в традиционном кристалле дает увеличение выхода фотонов на 55%. Соответственно, выполнение светопропускающего материала в форме сферы, позволяет получить дополнительное увеличение выхода фотонов из кристалла. Также вывод о преимуществе сферической формы можно сделать исходя из работы «Evaluation of InGaN/GaN light-emitting diodes of circular geometry», X.H. Wang, W.Y. Fu, P.T. Lai and H.W. Choi, 07 December 2009 / Vol. 17, No. 25 / OPTICS EXPRESS 22311, Optical Society of America, 2009.

Прототипом заявляемой полезной модели является сферическое полупроводниковое устройство, содержащее p- или n-тип полупроводникового кристалла сферической внешней формы, p-n переход сформирован, по существу, сферически на участке слоя поверхности полупроводникового кристалла и пара электродов соединена с обоими концами p-n перехода и размещена на любой из сторон с размещением между ними центра изгиба p-n перехода, при этом внешняя оболочка сформирована так, что покрывает внешнюю сторону сферического полупроводникового устройства светопропускающим слоем, толщина которого равняется, по меньшей мере, 1/4 диаметра сферического полупроводникового устройства, и так, что внешняя поверхность этой внешней оболочки является сферической или частично сферической (заявка на патент WO 2003056633 A1, дата подачи заявки: 25.12.2001, правообладатель: Josuke Nakata).

Недостатком прототипа является отсутствие возможности использования туннельного эффекта гетероперехода и большие потери мощности за счет значительной величины p-слоя.

Раскрытие полезной модели

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в увеличении мощности излучения света.

Заявляемый технический результат достигается за счет увеличения эффективности работы слоев p-гетероструктуры и n-гетероструктуры, увеличения площади излучающей поверхности активного гетероперехода, а именно более активного использования туннельного эффекта p-n гетероперехода.

Технический результат также достигается тем, что полупроводниковое светоизлучающее устройство, состоит из монокристаллической структуры, которая выполнена сферической или частично сферической и содержит сферическую зону активного p-n гетероперехода, на противоположных частях которой друг напротив друга сформированы p-гетероструктура и n-гетероструктура, соединенные с электродом через контактную площадку, и внешней оболочки, покрывающей монокристаллическую структуру и состоящей из, по меньшей мере, одного слоя градиентного покрытия с коэффициентом преломления менее 2,47.

При этом, по меньшей мере, один электрод выполнен из светопропускающего материала.

При этом, по меньшей мере, одна из p-гетероструктуры или n-гетероструктуры покрыта, по меньшей мере, одним слоем металлической решетки.

При этом, по меньшей мере, одна контактная площадка выполнена круглой.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 изображает схематический вид примерного варианта осуществления заявляемого устройства в разрезе.

Осуществление полезной модели

На фиг. 1 изображен примерный вариант осуществления заявляемого устройства, которое представляет собой твердотельное полупроводниковое светоизлучающее устройство, состоящее из монокристаллической структуры 1 и внешней оболочки 2, состоящей из, по меньшей мере, одного слоя градиентного покрытия с коэффициентом преломления менее 2,47. Выполнение внешней оболочки из, по меньшей мере, одного слоя градиентного покрытия с показателем преломления менее 2,47 означает, что внешняя оболочка выполнена так, что ее оптическая плотность постепенно изменяется и, таким образом, внешняя оболочка имеет разный показатель преломления, например, внешняя оболочка может иметь следующие показатели преломления 2,46, 2,20, 2,00, 1,8, 1,6. Внешняя оболочка расположена таким образом, чтобы значение показателя преломления внешней оболочки уменьшалось по направлению от внутренней части оболочки к внешней. Монокристаллическая структура 1 выполнена, например, сферической или частично сферической и состоит из зоны 3 активного p-n гетероперехода. На противоположных сторонах зоны 3 активного p-n гетероперехода сформированы p-гетероструктура 4 и n-гетероструктура 5, выполненные, например, в форме полусферы. На внешней стороне p-гетероструктуры 4 и n-гетероструктуры 5 через контактную площадку 6 закреплены электроды 7 для подачи электрического тока к p- и n-гетероструктурам 4, 5. Контактные площадки 6 могут быть выполнены любой геометрической формы, например, круга, прямоугольника и т.д. Электроды 7 могут быть выполнены, например, из токопроводящего светопропускающего материала.

Внешняя оболочка 2 выполнена, например, сферической или частично сферической формы. За счет того, что показатель преломления внешней

оболочки постепенно уменьшается от внутренней части оболочки к внешней, луч света постепенно и постоянно переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, что позволяет минимизировать количество света испытывающего полное внутреннее отражение.

Монокристаллическая структура 1 выполнена из любого известного из уровня техники полупроводникового материала, например, галлия (III) фосфида (GaP), индия-галлия нитрида (InGaN), алюминия-галлия-индия фосфида (AlGaInP) и сформирована любым известным из уровня техники способом, например методом эпитаксии.

Для дополнительного увеличения квантового выхода на, по меньшей мере, одну из p-гетероструктуры или n-гетероструктуры может быть нанесен, по меньшей мере, один слой металлической решетки.

1. Полупроводниковое светоизлучающее устройство, состоящее из монокристаллической структуры, которая выполнена сферической или частично сферической и содержит сферическую зону активного р-n гетероперехода, на противоположных частях которой напротив друг друга сформированы р-гетероструктура и n-гетероструктура, соединенные с электродом через контактную площадку, и внешней оболочки, покрывающей монокристаллическую структуру и состоящей из, по меньшей мере, одного слоя градиентного покрытия с коэффициентом преломления менее 2,47.

2. Полупроводниковое светоизлучающее устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, один электрод выполнен из светопропускающего материала.

3. Полупроводниковое светоизлучающее устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, одна из р-гетероструктуры или n-гетероструктуры покрыта, по меньшей мере, одним слоем металлической решетки.

4. Полупроводниковое светоизлучающее устройство по п. 1, в котором, по меньшей мере, одна контактная площадка выполнена круглой.