Современные светодиоды

Светодиоды с кристаллами разной геометрии

Многократное отражение излучения внутри полупроводников с вы­сокими показателями преломления является одной из наиболее важных проблем, с которой приходится сталкиваться при разработке мощных светодиодов.

На рис. 9.3 показан пример излучения, локализованного внутри полупроводника. По закону Снеллиуса луч света, испущенный в актив­ной области, может подвергнуться полному внутреннему отражению. В случае высоких показателей преломления угол полного внутреннего
отражения можно оценить при помощи следующего приближенного соотношения:

ас = п^ (9.9)

где ns — показатель преломления полупроводника. Критический угол ас здесь выражается в радианах. Для материалов с высокими показа­телями преломления критические углы невелики. Например, при по­казателе 3,3, критический угол полного внутреннего отражения равен всего 17°. Поэтому в данном случае большая часть испускаемого ак­тивной областью излучения оказывается локализованной внутри полу­проводника. Это локализованное излучение, как правило, поглощается толстой подложкой. Из-за низкого качества и малой эффективности подложки поглощение локализованных в ней фотонов чаще всего со­провождается безызлучательной рекомбинацией электронно-дырочных пар.

конус вывода локализованный

луч света

полупроводник с высоким

показателем преломления

Рис. 9.3. Если угол конуса вывода излучения больше угла ас, локализованный внутри полупроводника в форме прямоугольного параллелепипеда луч света не имеет возможности выйти наружу из-за полного внутреннего отражения

С этой проблемой разработчики столкнулись в 1960-х гг., когда проектировали первые светодиоды. Тогда же поняли, что в этих во­просах форма кристалла играет очень важную роль. Оптимальными являются сферические светодиоды с точечными излучающими обла­стями, расположенными в их центре. На рис. 9.4, а показан светодиод такой формы. Лучи света, испускаемые точечной активной областью, падают на границу раздела полупроводник-воздух под прямым углом. Поэтому в таких светодиодах не проявляется полное внутреннее отра­жение. Однако следует отметить, что, если на сфере светодиода нет ан­тиотражающего покрытия, на границе раздела полупроводник-воздух происходит отражение лучей света, известное как отражение Френеля.

Светодиоды с полусферическим куполом, как и других форм, напри­мер в виде перевернутого усеченного конуса, по сравнению с обычными конструкциями, например в форме прямоугольного параллелепипеда, обладают более высокими коэффициентами оптического вывода из­лучения (Carr, Pittman, 1963; Carr, Newman, 1964; Loebner, 1973).

Однако такие светодиоды очень дороги в изготовлении, и поэтому их никто не выпускает.

К сожалению, сферические светодиоды с точечными источниками излучения в центре также оказались весьма непрактичными устрой­ствами. Это связано с тем, что технология изготовления полупровод­ников по существу является планарной, поскольку для эпитаксиально­го выращивания полупроводниковых материалов используют плоские подложки. Поэтому, применяя традиционные планарные технологии, изготавливать светодиоды сферической формы очень сложно.

На рис. 9.4,6 показан светодиод конической формы. Излучение выводится из активной области, расположенной у основания конуса или немного ниже его. Лучи, падающие на границу конус-воздух, либо пересекают ее, либо проходят обратно через конус. При прохождении через конус лучи многократно отражаются от его поверхности. Это приводит к тому, что при попадании на границу полупроводник-воздух их угол выхода становится гораздо больше первоначального. Поэтому лучи покидают конус практически под прямым углом к его поверхно­сти. Однако светодиоды с такой интересной концепцией также очень дороги в изготовлении.

Из сказанного ясно, почему большинство светодиодов имеют кристалл в форме прямоугольного параллелепипеда, показанный на рис. 9.5, а. Кристаллы такой формы получаются при продольной резке подложек вдоль их естественных плоскостей. Рассматриваемые свето­диоды имеют шесть конусов вывода излучения: два перпендикулярных и четыре параллельных поверхности подложки. Излучение нижнего конуса поглощается подложкой, если ширина ее запрещенной зоны меньше, чем запрещенной зоны активной области. Излучение четырех параллельных поверхности конусов также частично поглощается подложкой. Верхний металлический контакт без использования толстого слоя растекания тока преграждает путь излучению из верхнего конуса. Поэтому светодиод простой прямоугольной формы обладает низким коэффициентом оптического вывода. Однако его неоспоримым достоинством является низкая стоимость изготовления.

На рис. 9.5, б показан светодиод цилиндрической формы. По срав­нению со светодиодами кубической формы такие светодиоды обладают более высокими значениями коэффициента оптического вывода. Из­лучающее кольцо заменяет четыре конуса, параллельных поверхности подложки, что и приводит к существенному повышению этого коэф­фициента. Однако при изготовлении цилиндрического светодиода тех­нологический процесс по сравнению с формированием прямоугольных светодиодов увеличивается на одну стадию — стадию травления.

Светодиод в форме перевернутой усеченной пирамиды является примером светодиода с кристаллом (Krames et al., 1999) 0. На рис. 9.6 представлена структура и фотография светодиода AlInGaP/GaP такого вида. Траектории лучей показывают, как излучение, возбужденное в активной области светодиода, выходит за пределы полупроводникового кристалла, подвергаясь однократным или многократным внутренним отражениям. Форма светодиода в виде перевернутой усеченной пирами­ды уменьшает среднюю длину пути фотона внутри кристалла, снижая тем самым внутренние оптические потери.

Выбранная геометрическая форма светодиода позволяет минимизи­ровать длину пути лучей внутри кристалла. Для обеспечения мак­симальной вероятности выхода фотонов за пределы полупроводни­ка геометрические параметры светодиода рассчитывали при помощи специальных компьютерных программ, моделирующих траектории лу­чей. Светодиоды в форме перевернутых усеченных пирамид — мощные устройства с большой площадью р-п-перехода: 500 мкм х 500 мкм. Их световая отдача часто превышает 100 лм/Вт —в настоящее время максимально достижимый уровень[9]).

На рис. 9.7 показана зависимость внешнего квантового выхода пирамидальных светодиодов от тока (Krames et al., 1999). Пик све-

товой отдачи 102 лм/Вт получен для светодиода оранжевого цвета, Л « 610 нм), при токе 100 мА. Это больше световой отдачи боль­шинства люминесцентных (50-104 лм/Вт) и всех металлогалогенных (68-95 лм/Вт) ламп высокого давления. Для желтого цвета свечения, Л и 598 нм, световая отдача пирамидальных светодиодов составляет 68 лм/Вт. Это значение сравнимо со световой отдачей 50-ваттных на­триевых газоразрядных ламп высокого давления. Квантовый выход све­тодиодов пирамидальной формы красного цвета свечения, А и 650 нм), равняется 55% от максимального. При работе в импульсном режиме (со скважностью 100) квантовый выход рассматриваемых светодиодов составляет 60,9% от максимального (на рис. 9.7 данные не приведены), что соответствует нижней границе коэффициента оптического вывода для устройств данного типа.

Светодиодные кристаллы в форме прямоугольных параллелепипедов и цилиндров, как правило, изготавливают по технологии пошаговой обработки одной пластины. Светодиодные кристаллы в форме пере­вернутой усеченной пирамиды производят несколько отличающимся пошаговым методом — пошаговой резкой. Стоимость изготовления све­тодиодов по технологии пошаговой обработки одной пластины является минимальной по сравнению со всеми остальными методами.

Рис. 9.7. Зависимость внешнего квантового выхода излучения от тока для светодиода красного цвета свечения (650 нм), имеющего форму перевернутой усеченной пирамиды (TIP), и светодиода с большой площадью р-п-перехода, смонтированного в корпусе мощной лампы (LJ). Коэффициент оптического вывода светодиода TIP превысил аналогичный показатель светодиода LJ в 1,4 раза и при 100 мА составил 55% от максимального значения внешнего квантового выхода (Krames et al., 1999)

В работах Шмида и др. (Schmid et al., 2000, 2001, 2002) для повышения коэффициента оптического вывода светодиодов предложено использовать конические элементы. Показано, что при применении та­ких элементов в инфракрасных светодиодах GaAs возможно улучшение внешнего квантового выхода до 50%. Однако эти диоды обладают довольно низкой мощностью излучения, что связано с требованиями к площади поверхности конуса вывода излучения, из-за которых об­ласть инжекции становится намного меньше общей площади светоди­ода.