Светоизлучающий диод (варианты)

Изобретение может быть использовано в оптоэлектронике, автоматике, микросистемной технике и других областях. Светоизлучающий диод (СИД) содержит подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза р-типа проводимости, при этом в слое алмаза р-типа проводимости может быть либо сформирован прямоугольный элемент, содержащий две сильнолегированные области одинакового типа проводимости у противолежащих сторон элемента, и расположенную между ними и отделенную от них равными по длине областями алмаза р-типа сильнолегированную область противоположного типа проводимости, причем на поверхности сильнолегированных областей обоих типов проводимости сформированы металлические контактные электроды; либо сформирована линейка чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого и второго типа проводимости, разделенных областями алмаза р-типа, все области алмаза р-типа проводимости имеют одинаковую длину, а первая и последняя сильнолегированные области имеют одинаковый тип проводимости; либо сформирована кольцевая система с осевой симметрией чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого и второго типа проводимости, разделенных областями алмаза р-типа, причем радиус каждой последующей кольцевой пары, состоящей из области алмаза р-типа и сильнолегированной области первого или второго типа проводимости, отличается от радиуса предыдущей кольцевой пары на величину, кратную квадратному корню из заданной длины волны. Светодиоды конструкций согласно изобретению обладают высокой интенсивностью излучаемого света. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектронных источников света, более конкретно к светоизлучающим диодам ультрафиолетовой и видимой области спектра, и может быть использовано в оптоэлектронике, автоматике, микросистемной технике и других областях.

Известны светоизлучающие диоды (СИД), выполненные на основе алмаза [Wang W.L., Liao K.I., Cai C.Z. Ultraviolet electroluminiscence at room temperature from pn junction of heteroepitaxial diamond film by CVD. Diamond and Rel. Mat., 2003, №12, p.1385]. СИД представляют собой подложку из кремния p-типа проводимости, на которой сформированы последовательные слои алмаза p-типа и n-типа проводимости, а также металлические контактные электроды к слоям алмаза. При приложении напряжения к контактным электродам слой алмаза p-типа проводимости излучал свет в области длин волн 200-600 нм, причем в отличие от СИД на основе других полупроводниковых материалов наблюдается явно выраженная интенсивная линия 235 нм, соответствующая глубокому ультрафиолету (УФ).

Недостатком такой конструкции является низкая интенсивность излучения, поскольку выращенный на кремниевой положке алмаз с неизбежностью имеет поликристаллическую структуру, содержащую высокую плотность дефектов (прежде всего, границ кристаллитов) и характеризующуюся повышенной безизлучательной рекомбинацией. Другой недостаток данной конструкции состоит в том, что значительная доля излучения поглощается металлическими контактными электродами. Кроме того, принципиальная возможность увеличения интенсивности излучения данного СИД путем увеличения тока через диод с практической точки зрения во многих случаях ограничена диапазоном значений напряжения питания, используемым в микроэлектронных устройствах (как правило, 3-12В).

Эти недостатки частично преодолены в принятой за прототип работе [Koizumi S., Watanabe К., Hasagava M., Kanda H. Ultraviolet Emission from Diamond pn Junction. Science, 2001, v.292, p.1899, http://www.sciencemag.org]. В этой работе в качестве подложки использован монокристаллический алмаз, на поверхности которого последовательно сформированы эпитаксиальные слои алмаза p-типа и n-типа проводимости. Такие эпитаксиальные слои алмаза имеют монокристаллическую структуру, что обеспечивает заметное увеличение интенсивности излучаемого света, в т.ч. в УФ области.

Однако в данной работе не преодолены потери излучения, связанные с влиянием контактных электродов, а также упомянутые выше токовые ограничения.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения интенсивности излучаемого СИД света.

Поставленная задача достигается созданием светоизлучающего диода, содержащего подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости, новизна которого заключается в том, что в слое алмаза p-типа проводимости сформирован прямоугольный элемент, содержащий две сильнолегированные области одинакового типа проводимости у противолежащих сторон элемента и расположенную между ними и отделенную от них равными по длине областями алмаза p-типа сильнолегированную область противоположного типа проводимости, причем на поверхности сильнолегированных областей обоих типов проводимости сформированы металлические контактные электроды.

Следующим из вариантов изобретения является создание светоизлучающего диода, содержащего подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости, новизна которого заключается в том, что в слое алмаза p-типа проводимости сформирована линейка чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого и второго типа проводимости, разделенных областями алмаза p-типа, причем все области алмаза p-типа проводимости имеют одинаковую длину, а первая и последняя сильнолегированные области имеют одинаковый тип проводимости.

При этом для удобства работы сильнолегированные области первого типа проводимости подключены к одному полюсу источника питания, а сильнолегированные области второго типа проводимости подключены к другому полюсу источника питания, например, с помощью металлических токоподводящих шин.

Технический результат достигается за счет интерференции выбранной длины волны излучения отдельными p-областями, причем рост интенсивности излучения пропорционален квадрату количества излучающих областей в линейке.

Увеличение интенсивности излучения света СИД по сравнению с предыдущим вариантом в такой конструкции достигается за счет того, что при равных значениях напряжении питания, длины излучающей свет области алмаза p-типа, сумме длин областей алмаза p-типа и равном поперечном сечении областей алмаза p-типа в обеих конструкциях СИД ток, протекающий в областях алмаза p-типа, сформированных в СИД, содержащем линейку чередующихся областей, будет больше во столько раз, во сколько длина отдельной области алмаза p-типа в таком СИД меньше, чем в СИД с прямоугольным элементом.

Дополнительное увеличение интенсивности излучения линейной конструкции СИД достигается тогда, когда длина области алмаза p-типа кратна половине заданной длины волны.

Еще одним вариантом изобретения является создание светоизлучающего диода, содержащего подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости, новизна которого заключается в том, что в слое алмаза p-типа проводимости сформирована кольцевая система с осевой симметрией чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого и второго типа проводимости, разделенных областями алмаза p-типа, причем радиус каждой последующей кольцевой пары, состоящей из области алмаза p-типа и сильнолегированной области первого или второго типа проводимости, отличается от радиуса предыдущей кольцевой пары на величину, кратную квадратному корню из длины волны излучаемого света.

Техническим результатом решения этой задачи является СИД на основе алмаза, обладающий повышенной интенсивностью излучения во всем излучаемом диапазоне спектра.

Предложенные варианты выполнения изобретения основаны на едином изобретательском замысле - планарном расположении светоизлучающих областей по отношению к поверхности СИД.

Глубина сильнолегированных областей может как совпадать с толщиной алмаза p-типа проводимости, так и отличаться от нее в меньшую сторону.

На Фиг.1 представлено поперечное сечение прямоугольного элемента, сформированного в слое алмаза p-типа проводимости в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На Фиг.2 представлено выполнение линейки чередующихся областей в соответствии с п.2 формулы изобретения, где Фиг.2А - поперечное сечение, а Фиг.2Б - вид сверху.

На Фиг.3 представлено выполнение кольцевой системы чередующихся областей с осевой симметрией в соответствии с п.4 формулы изобретения, где Фиг.3А поперечное сечение, Фиг.3Б - вид сверху.

В таблице приведены данные, характеризующие интенсивность излучения, измеренную в отн. ед. в зависимости от варианта исполнения СИД.

Светоизлучающий диод в соответствии с изобретением содержит подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза 1 с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости 2, в слое которого сформированы в соответствии с вариантами выполнения СИД: прямоугольный элемент (Фиг.1), линейка чередующихся областей (Фиг.2) или кольцевая система чередующихся областей с осевой симметрией (Фиг.3), содержащие сильнолегированные области первого типа проводимости 3, сильнолегированные области второго типа проводимости 4. На поверхности сильнолегированных областей 3 и 4 сформированы металлические контактные электроды 5, соединенные с расположенными на поверхности слоя монокристаллического алмаза p-типа проводимости 2 токоподводящими шинами 6 и 7.

При выполнении СИД в соответствии с первым вариантом изобретения прямоугольный элемент содержит две сильнолегированные области одинакового типа проводимости 3 или 4, например 3 (Фиг.1), у противолежащих сторон элемента и расположенную между ними и отделенную от них равными по длине областями алмаза p-типа 2 сильнолегированную область противоположного типа проводимости (4 или 3, например 4 (Фиг.1)).

При выполнении СИД в соответствии со вторым вариантом изобретения (Фиг.2) в слое алмаза p-типа проводимости 2 сформирована линейка чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого 3 и второго 4 типа проводимости, разделенных областями алмаза p-типа 2, причем все области алмаза p-типа проводимости 2 имеют одинаковую длину, а первая и последняя сильнолегированные области 3 или 4 имеют одинаковый тип проводимости, например 3 (Фиг.2).

При выполнении СИД в соответствии с третьим вариантом изобретения в слое алмаза p-типа проводимости 2 сформирована кольцевая система с осевой симметрией чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого 3 и второго 4 типа проводимости, разделенных областями алмаза p-типа 2, причем радиус каждой последующей кольцевой пары, состоящей из области алмаза p-типа 2 и сильнолегированной области первого 3 или второго 4 типа проводимости, отличается от радиуса предыдущей кольцевой пары на величину, кратную квадратному корню из длины волны излучаемого света.

Таким образом, СИД состоит из последовательности кольцевых зон, включающих светоизлучающую область алмаза p-типа 2 и непрозрачную для света сильнолегированную область первого или второго типа проводимости, покрытую полностью или частично металлическим контактным электродом.

СИД работают следующим образом. Металлические контактные электроды, расположенные на поверхности сильнолегированных областей p⁺ типа проводимости, присоединены к «плюсу» источника питания, а металлические контактные электроды, расположенные на поверхности сильнолегированных областей n⁺ типа проводимости, присоединены к «минусу» источника питания. При включении источника питания СИД начинает излучать с интенсивностью, пропорциональной напряжению, подаваемого на металлические контактные электроды.

Приводимые ниже примеры подтверждает, но не ограничивает использование изобретения.

Пример 1. Были изготовлены СИД различных конструкций на подложке из диэлектрического алмаза (удельное сопротивление 10¹² Ом·см, размер 3×3 мм, толщина 0,3 мм) с размещенной на ее поверхности слоем полупроводникового алмаза p-типа (удельное сопротивление 100 Ом·см, толщина 2 мкм). Сильнолегированные области двух типов проводимости формировались путем имплантации ионов бора и фосфора и последующего отжига (1000°С, 1 час, вакуум). Глубина сильнолегированных областей совпадала с толщиной алмаза p-типа проводимости. Металлические контактные электроды и токопроводящие шины формировались на основе пленок золота. Во всех СИД ширина сильнолегированных p- и n-областей составляла 100 мкм.

Первая группа СИД содержала один элемент типа p⁺-p-n⁺ с длиной излучающей p-области 50 мкм.

Вторая группа СИД представляла собой четырехэлементную линейную конструкцию вида p⁺-p-n⁺-p-p⁺-p-n⁺-p-p⁺ с p-областями одинаковой длины (30 мкм) и геометрией сильнолегированных областей, идентичной первой группе СИД.

Третья группа СИД имела подобную второй группе линейную конструкцию с тем же размером сильнолегированных областей. Для усиления света с длиной волны 0,6 мкм (красно-оранжевая область спектра) длина p-области составила 0,3 мкм, что соответствует половине длины волны света в красно-оранжевой области. Количество излучающих p-областей в линейке составляло 30 элементов.

В четвертой группе СИД содержал две кольцевые области алмаза p-типа, причем радиус внешнего кольца составлял 30 мкм, а внутреннего 12 мкм, т.е. отношение длины крайней и средней p-областей пропорционально корню из заданной длины волны (0,6 мкм) красно-оранжевого света.

Были также изготовлены СИД, конструкция которых полностью соответствовала прототипу.

Измерения интенсивности излучения изготовленных СИД проводились в спектральной полосе 590-610 нм с помощью спектрофотометра.

Приведенные в таблице усредненные данные по 5 группам образцов каждого типа подтверждают эффективность предложенных решений.

Таблица
Образцы	Интенсивность излучения, отн.ед.
Группа 1	1
Группа 2	2,4
Группа 3	5,3
Группа 4	6,1
прототип	0,8

1. Светоизлучающий диод, содержащий подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости, отличающийся тем, что в слое алмаза p-типа проводимости сформирован прямоугольный элемент, содержащий две сильнолегированные области одинакового типа проводимости у противолежащих сторон элемента и расположенную между ними и отделенную от них равными по длине областями алмаза p-типа сильнолегированную область противоположного типа проводимости, причем на поверхности сильнолегированных областей обоих типов проводимости сформированы металлические контактные электроды.

2. Светоизлучающий диод, содержащий подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости, отличающийся тем, что в слое алмаза p-типа проводимости сформирована линейка чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого и второго типа проводимости, разделенных областями алмаза p-типа, причем все области алмаза p-типа проводимости имеют одинаковую длину, а первая и последняя сильнолегированные области имеют одинаковый тип проводимости.

3. Светоизлучающий диод по п.2, отличающийся тем, что длина области алмаза p-типа кратна половине заданной длины волны.

4. Светоизлучающий диод, содержащий подложку из монокристаллического диэлектрического алмаза с расположенным на ее поверхности слоем монокристаллического алмаза p-типа проводимости, отличающийся тем, что в слое алмаза p-типа проводимости сформирована кольцевая система с осевой симметрией чередующихся областей сильнолегированного алмаза первого и второго типа проводимости, разделенных областями алмаза p-типа, причем радиус каждой последующей кольцевой пары, состоящей из области алмаза p-типа и сильнолегированной области первого или второго типа проводимости, отличается от радиуса предыдущей кольцевой пары на величину, кратную квадратному корню из заданной длины волны.