Светоизлучающий элемент

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Шишонок Елена МихайловнаЛеончик Сергей ВикентьевичЯкунин Александр СергеевичАбдуллаев Олег Рауфович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Светоизлучающий элемент, содержащий подложку с размещенными на ней омическими контактами и с нанесенными на нее двумя слоями из нитрида элемента третьей группы, легированного примесями, причем первый слой выполнен излучающим свет, а второй - поглощающим этот свет и излучающим свет с большей длиной волны, чем излучает первый, отличающийся тем, что использован нитрид с шириной запрещенной зоны более 3,4 эВ, в частности кубический нитрид бора, легированный примесями редкоземельных элементов. Изобретение относится к области изготовления светоизлучающих элементов (светоизлучающих устройств) на основе материалов, обладающих световой эмиссией в широком диапазоне спектра (УФ, видимом и ИК-диапазонах), стабильной в условиях высоких температур, радиации, химически агрессивных сред и высоких электрических полей. Известен полупроводниковый светоизлучающий элемент 1. Данный светоизлучающий элемент является источником белого света с большей люминесцирующей способностью по сравнению с известными источниками. Белый свет получают путем добавления 13634 1 2010.10.30 желтого цвета к синему, зеленому и красному. Источником излучения различного цвета являются фосфоры. В качестве фосфоров, источников излучения синего, зеленого и красного цветов, используют алюминаты, галофосфаты и оксисульфидные фосфоры. В качестве желтого фосфора используют силикаты . Свечение фосфоров, и в том числе желтого цвета, возбуждают ближним УФ - излучением (350-410 нм). Недостатком аналога является, например, то, что алюминаты не устойчивы к воздействию кислот. При температуре выше, чем 25 С, световой поток галофосфоров заметно снижается, и в весьма значительной степени - при понижении температуры ниже 0 С. Силикаты обладают наибольшей эффективностью люминесценции при возбуждении светом с 253,7 нм, но не в ближнем УФ - диапазоне. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому светоизлучающему элементу является светоизлучающий элемент на основе нитридов третьей группы 2, состоящий, в общем случае, из подложки, слояиз нитрида элемента третьей группы,излучающего свет, и слоя , легированного примесями (например, редкоземельных элементов) нитрида элемента третьей группы, поглощающего этот свет и излучающего свет с большей длиной волны. К недостаткам прототипа следует отнести тот факт, что используемые в светоизлучающих элементах нитриды элементов третьей группы, а также тройные и четверные соединения на их основе имеют ширину запрещенной зоны 1,9-3,4 эВ, что ограничивает свет, излучаемый светоизлучающим элементом, по длине волны. Нитриды элементов третьей группы в прототипе не являются механически прочными, термостабильными в широком диапазоне температур, химически устойчивыми и радиационно-стойкими и устойчивыми при работе в сильных электрических полях. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является расширение спектрального диапазона световой эмиссии светоизлучающего элемента на основе нитрида элемента третьей группы до 3,4 эВ (365 нм), увеличение ее стабильности и уменьшение ее термического тушения, а также увеличение механической, температурной, химической и радиационной стойкости элемента и его устойчивости при эксплуатации в сильных электрических полях. Поставленная задача решается тем, что в светоизлучающем элементе, содержащем подложку с размещенными на ней омическими контактами и с нанесенными на нее двумя слоями из нитрида элемента третьей группы, легированного примесями, причем первый слой выполнен излучающим свет, а второй - поглощающим этот свет и излучающим свет с большей длиной волны, чем излучает первый, использован нитрид с шириной запрещенной зоны более 3,4 эВ, в частности кубический нитрид бора, легированный примесями редкоземельных элементов. Новым, по мнению авторов, является то, что заявляемый светоизлучающий элемент имеет расширенный спектральный диапазон световой эмиссии до 3,4 эВ (365 нм),характеризуется увеличенной стабильностью и слабым термическим тушением световой эмиссии, имеет увеличенную механическую прочность, температурную стойкость (до 1000-1300 С), химическую и радиационную стойкость и устойчивость при работе в сильных электрических полях. Проиллюстрировать сущность изобретения можно следующим образом. Кубический нитрид бора (КНБ), полупроводник с наибольшей шириной запрещенной зоны (Е 6,4 эВ) в группе(3,4 эВ,6,2 эВ), ближайший аналог алмаза (5,5 эВ), превосходит последний по ширине запрещенной зоны, термической, радиационной и химической стойкости, возможности формирования - и -типов проводимости. КНБ значительно превосходит по стойкости нитриды элементов третьей группы, а также тройные и четверные соединения на их основе при эксплуатации в условиях высокой температуры, радиации, высоких электрических полей и химически агрессивных сред. 2 13634 1 2010.10.30 Легирование нитридов элементов третьей группы редкоземельными элементами является одной из перспективных возможностей создания световых эмиттеров с эмиссией в широком спектральном диапазоне, не подверженной температурному тушению. Чем шире запрещенная зона нитрида, тем шире спектральный диапазон световой эмиссии, тем меньше ее температурное тушение. Излучательные электронные переходы (типа 4-4, 45) на трехвалентных ионах различных редкоземельных элементов, инкорпорированных в различные кристаллические матрицы, являются источниками световой эмиссии в виде линейчатых спектров или широких полос в УФ, видимом или ИК - диапазонах. Указанные электронные переходы запрещены для свободных ионов, но оказываются разрешенными при внедрении ионов в кристаллическую матрицу. Влияние той или иной кристаллической матрицы лимитирует возможности использования светового эмиттера или фосфора в том или ином практическом приложении. Понятно, что бессмысленно проводить активирование нитридов элементов третьей группы ионами редкоземельных элементов, световая эмиссия на которых имеет энергию кванта больше, чем ширина запрещенной зоны нитрида элемента третьей группы (для прототипа это меньше, чем 3,4 эВ (365 нм. Это световая эмиссия будет самопоглощена нитридом элемента третьей группы. В случае же большой ширины запрещенной зоны, какую имеют, например, кубический нитрид бора(6,4 эВ или(до 5,3 эВ, возможности получения коротковолновой световой эмиссии на ионах редкоземельных элементов увеличиваются. Помимо вышеуказанного, кубический нитрид бора может быть активирован примесями редкоземельных элементов в широком диапазоне концентраций, что позволяет существенным образом увеличить интенсивность соответствующей световой эмиссии по сравнению с другими нитридами элементов третьей группы. Основанием для этого прогноза служит практический вывод, полученный для , в который по причине жесткости кристаллической решетки соединения удается инкорпорировать неассоциированные друг с другом ионы редкоземельных элементов в большей концентрации, чем в другие кристаллические матрицы. Кубический нитрид бора имеет более жесткую кристаллическую решетку, чем . Ионы редкоземельных элементов, инкорпорированные в КНБ, позволяют получать световую эмиссию в широком спектральном диапазоне например,в кубическом нитриде бора обеспечивает УФ узкополосую люминесценцию с максимумом при 315 нм- широкополосую УФ, фиолетовую и синюю/голубую люминесценцию, пригодную для использования в настраиваемых источниках света в диапазоне 250-450 нм- зеленую, и- красную, , , , ,- инфракрасную и т.д. Люминесценция является термостабильной, практически не зависит от температуры в диапазоне 7-1300 К, устойчива к химически агрессивным средам, радиационным воздействиям и электрическим полям по сравнению с нитридами элементов третьей группы. Кроме редкоземельных элементов, легирование другими примесями также позволяет получать стимулированную люминесценцию на кубическом нитриде бора. К таким примесям относятся, например, ,и , формирующие в материале оптически-активные дефекты с центрами люминесценции в УФ и красной областях спектра. Пример 1 На фиг. 1 схематически изображен светоизлучающий элемент, который представляет собой трехслойную структуру. На подложку (1), на которой размещены омические контакты (2), нанесен слой(3) из смеси адгезионно-активной пасты и микропорошка КНБ,активированного(1 вес. , светло-желтый цвет, зернистость 1-2 мкм). Прозрачный слой(4) толщиной 10 мкм изготавливают из поликристалла КНБ, активированного(5 вес. ). Посредством подачи электрического напряжения (70 В) на контакты (2) в слое(3) возбуждается электролюминесценция с максимумом интенсивности при 315 нм (УФ). Под 13634 1 2010.10.30 действием УФ-излучения в слоевозбуждается ФЛ в красной области спектра с максимумом интенсивности при 580 нм. Пример 2 На фиг. 1 схематически изображен светоизлучающий элемент, который представляет собой трехслойную структуру. На подложку (1), на которой размещены омические контакты (2), нанесен слой(3) из смеси адгезионно-активной пасты и микропорошка КНБ,активированного(1 вес. ), светло-желтого цвета, зернистостью 1-2 мкм. Прозрачный слой(4) толщиной 10 мкм изготавливают из поликристалла КНБ, активированного(5 вес. ). Посредством подачи электрического напряжения (70 В) на контакты 2 в слое 3 возбуждается электролюминесценция с максимумом интенсивности при 290 (390) нм (УФ). Под действием УФ - излучения в слое 4 возбуждается ФЛ в красной области спектра с максимумом интенсивности при 600 нм. Пример 3 На фиг. 2 схематически изображен светоизлучающий элемент, который представляет собой трехслойную структуру. Слой(1) является поликристаллом КНБ, активированным(2 вес. ), толщиной 0,5 мм. На верхнюю и нижнюю поверхности слоянаносят омические контакты (2). Прозрачные слои(3, 4) толщиной 5 мкм изготавливают из поликристалла КНБ, активированногои(5 вес. ). Посредством подачи электрического напряжения (75 В) на контакты (2) в слоевозбуждается электролюминесценция с максимумом интенсивности при 315 нм (УФ). Под действием УФ - излучения в слояхивозбуждается ФЛ в зеленой и красной областях спектра с максимумом интенсивности при 540 и 580 нм. Преимуществом заявляемого светоизлучающего элемента по сравнению с прототипом является не только расширение диапазона его световой эмиссии (3,4 эВ (365 нм,но и ее стабильность и отсутствие термического тушения. Независимо от длины волны световой эмиссии на светоизлучающем элементе на основе КНБ (или нитридов с шириной запрещенной зоны больше, чем 3,4 эВ) светоизлучающий элемент может эксплуатироваться в широком температурном диапазоне (7-1300 К), в условиях повышенной радиации, химически агрессивных сред и высоких электрических полей. Возможность использования компактных легированных образцов КНБ относится к преимуществам заявляемого светоизлучающего элемента, поскольку известно, например, что поиск материала подложки для формирования тонких пленокпредставляет определенную сложность ввиду возможного несовпадения коэффициентов термического расширения и параметров решетки двух материалов. Источники информации 1...7294956,13, 2007. 2. ,.- .7247884,24, 2007. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5