ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 1999 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к твердотельным источникам света.

Источники света на основе полупроводниковых электролюминесцентных диодов (светодиодов) широко используются в технике. Так, например, для создания телевизионных систем ночного видения, современных систем охранной сигнализации, телекоммуникационных средств связи, использующих открытые оптические каналы связи, требуются малогабаритные, высокоэффективные источники света с большой мощностью излучения, поскольку при прочих равных условиях мощность излучения источника света определяет дальность действия этих систем. Источники излучения с такими параметрами могут быть выполнены в виде многоэлементного излучающего прибора, в котором отдельные излучающие элементы соединены между собой последовательно или параллельно. Последовательное соединение позволяет эффективно использовать мощность источника питания. Параллельное соединение излучающих элементов или звеньев из последовательно соединенных элементов обеспечивает возможность создания источника света с заданной выходной световой мощностью.

Известна матрица светоизлучающих диодов [1], которая содержит плату печатного монтажа с регулярно расположенными на ней светодиодами и общей линзой, выполненной посредством формирования из эпоксидной смолы.

Для устройства характерны простота в изготовлении и невысокая стоимость.

Существенными недостатками являются:
-большие габариты, определяемые суммарными размерами корпусных светодиодов, входящими в него;
-значительные потери световой мощности за счет поглощения части излучения конструктивными элементами соседних светодиодов;
-трудность формирования узкой диаграммы направленности источника света из-за размещения светодиодов на большой площади.

Эти недостатки в значительной мере устраняются в источниках света, использующих бескорпусные источники света.

Известно осветительное устройство [2], которое выполнено в виде электрически связанных между собой блоков, каждый из которых содержит металлическую пластину, в которой сформировано углубление для размещения светоизлучающего элемента, участки внешней поверхности, за исключением углублений, покрыты изоляционным слоем, поверх которого нанесен электропроводный слой. Верхний контакт светоизлучающего элемента проволочным выводом соединен с электропроводным слоем, а нижний контакт образует омический контакт непосредственно с пластиной. Наличие двух изолированных контактов в каждом блоке источника позволяет осуществить на диэлектрической монтажной плате последовательное или параллельное соединение этих блоков. За счет использования бескорпусных диодов существенно уменьшены габариты источника света по сравнению с источниками света на корпусных диодах и увеличена мощность излучения за счет того, что излучающие элементы расположены в отражающих свет углублениях.

Существенным недостатком данного устройства является высокая трудоемкость, а следовательно и стоимость, так как использован индивидуальный метод изготовления отдельных блоков с последующей установкой их на диэлектрической монтажной плате. Кроме того, пластический металл, из которого изготавливается пластина, обладает более высоким коэффициентом линейного расширения, чем полупроводниковый излучающий элемент. Это приводит к трудностям обеспечения надежного и термостабильного контакта полупроводникового элемента с основанием.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является источник света [3], выполненный в виде гибридно-интегральной матрицы светоизлучающих диодов, размещенных в отражающих свет углублениях. Основание состоит из подложки и отражателя. Подложка выполнена из керамики, на которой в соответствии с определенной топологией нанесены токопроводящие полоски, с которыми соединены кристаллы светоизлучающих диодов. На керамическую подложку наклеен отражатель, выполненный в виде пластины кремния, в которой методом фотолитографии сформирована сетка отверстий пирамидальной формы, боковые наклонные стенки которых покрыты слоем алюминия. Наличие отражателя в виде единой пластины позволяет компактно расположить диоды и создать малогабаритное устройство. Конструктивное выполнение устройства обуславливает большие трудности реализации последовательного соединения полупроводниковых кристаллов, что делает проблематичным создание мощного источника света на базе прототипа. При этом необходимость использования двухэлементного основания, состоящего из керамической подложки и кремниевого отражателя, усложняет технологию изготовления, а невозможность точного совмещения подложки и отражателя приводит к снижению коэффициента внешнего квантового выхода устройства.

Задачей изобретения является создание мощного, малогабаритного, технологичного в изготовлении источника излучения.

Для решения поставленной задачи в источнике света, содержащем размещенные в N углублениях основания электролюминесцирующие полупроводниковые кристаллы с p-n переходами и омическими контактами к ним с обеих сторон, в отличие от прототипа, основание выполнено в виде пластины из кремния, покрытой слоем диэлектрика, на котором расположены изолированные друг от друга участки металлизации, покрывающие углубления и прилежащую к ним поверхность основания. Металлизация усиливает эффект отражения света от боковых стенок углублений и одновременно выполняет функцию токопроводящего покрытия. Для осуществления последовательного соединения верхний контакт каждого i-го кристалла соединен проволочным электродом с металлизацией i-1 углубления, а верхний контакт 1-го кристалла соединен с контактной площадкой, расположенной на поверхности основания. В изобретении сохранены положительные качества прототипа, а именно:
- малые габариты, так как использование основания, выполненного из кремния, позволяет за счет плотного расположения углублений, с хорошо отражающими свет боковыми стенками, изготовить источник излучения с большим количеством кристаллов, расположенных на малой площади;
- технологичность при изготовлении, так как может быть использована высокоэффективная гибридно-интегральная технология, позволяющая реализовать групповой метод изготовления многоэлементного излучателя. Предложенная конструкция основания в виде монолитной пластины кремния упрощает технологию изготовления, так как исключены операции по изготовлению керамической подложки и совмещения подложки и отражателя.

Использование основания в виде единой пластины из кремния с нанесенным слоем диэлектрика и изолированными друг от друга участками металлизации позволило осуществить простую по своему конструктивному решению разводку омических контактов для последовательного соединения кристаллов, обеспечивающего возможность создания мощных источников излучения, в отличие от прототипа. Устройство по сравнению с прототипом обладает более высоким коэффициентом внешнего квантового выхода за счет исключения возможности неточного совмещения подложки и отражателя.

На фиг.1 приведена схема конструкции источника света.

На фиг.2 приведено схематическое изображение одного углубления основания с расположенным в нем кристаллом в разрезе.

Источник света, представленный на фиг.1, содержит основание 1, выполненное из монолитной пластины кремния площадью 5х5 мм и толщиной 0.3 мм, покрытой окисной пленкой, по периметру пластины сформированы 14 прямоугольных углублений 2.1, 2.2,...2.14 в виде усеченных пирамид высотой 0.15 мм и площадью верхнего основания 0.7х0.7 мм, все углубления и прилежащие к ним участки основания покрыты слоем металла 3, металлизация одного углубления от другого отделена изолирующими канавками 4, в центральной части пластины находится сквозное отверстие 5 для внешних выводов, между углублениями и сквозным отверстием пластины находятся контактные площадки 6, 7, 8, 9. Контактные площадки 6 и 7 электрически соединены между собой проволочной перемычкой 10. В углублениях 2.1, 2.2,...2.14 размешены полупроводниковые электролюминесцирующие кристаллы 11.1, 11.2, . ..11.14 с p-n переходами и омическими контактами к ним с обеих сторон, при этом кристаллы соединены в две параллельные цепочки, каждая из которых состоит из семи последовательно соединенных светоизлучающих кристаллов, нижними омическими контактами которые контактируют с металлизацией углублений, а верхние контакты разведены следующим образом: контакты первого и четырнадцатого кристаллов 11.1 и 11.14 золотой проволокой 12 методом термокомпрессии соединены с контактными площадками 6, 7, контакты второго и тринадцатого кристаллов 11.2 и 11.13 соответственно с металлизацией первого и четырнадцатого углублений 2.1 и 2.14, контакты третьего и двенадцатого кристаллов 11.3 и 11.12 соответственно с металлизацией второго и тринадцатого углублений 2.2 и 2.13 и так далее, соответственно контакты седьмого и восьмого кристаллов соединены с металлизацией шестого и девятого углублений 2.6 и 2.9, металлизация углублений 2.7 и 2.8 проволочными перемычками 10 соединены с контактными площадками 8, 9, контактные площадки 6, 8, 9 с помощью внешних выводов 13 подключены к источнику питания. Конструкция одного углубления основания с кристаллом в разрезе, представленная на фиг.2, содержит основание 1 с углублением 2, слой окисной пленки 14, слой металлизации 3, изолирующая дорожка 4, кристалл 11, золотая проволока 12.

Источник света работает следующим образом. Контактные площадки с помощью выводов 13 подключаются к источнику питания с напряжением 12 В минусом к площадкам 8, 9, а плюсом к площадке 6. При этом p-n переходы кристаллов 11.1, 11.2, ...11.14 смещаются в пропускном направлении и начинают излучать свет.

Предлагаемый источник света обладает малыми габаритами. Благодаря использованию кремниевой пластины можно очень плотно расположить углубления под кристаллы и свести полезную площадь, то есть площадь занимаемую кристаллами, до 15%.

Для изготовления данного источника света может быть использована эффективная гибридно-интегральная технология. Технология изготовления предлагаемого устройства значительно проще чем у прототипа, так как исключена необходимость проведения технологического процесса по изготовлению керамической подложки, исключена операция совмещения подложки и отражателя.

Выполнение основания из монолитной пластины кремния позволяет повысить коэффициент внешнего квантового выхода устройства за счет исключения возможности неточного совмещения держателя и отражателя, которая присуща прототипу.

При этом кремний имеет коэффициент теплового расширения (КТР), более близкий к КТР сложных полупроводниковых соединений, чем керамические материалы, поэтому контакт полупроводникового кристалла с кремниевым основанием более надежен, чем у прототипа. Кремний обладает более высоким коэффициентом теплопроводности по сравнению с наиболее часто используемыми керамическими материалами (например, такими как поликор, ситалл), поэтому лучше отводит тепло от кристаллов и тем самым способствует повышению внешнего квантового выхода и надежности источника света.

Использование основания в виде единой пластины из кремния с нанесенным слоем диэлектрика и изолированными друг от друга участками металлизации позволило осуществить простую по своему конструктивному решению разводку омических контактов для последовательного соединения диодов, обеспечивающего возможность создания мощных источников излучения.

При этом данная конструкция позволяет соединять кристаллы как последовательно, так и параллельно.

Источники информации
1. Заявка на изобретение Японии N7-617, МКИ: H 01 L 33/00, "Матрица светоизлучающих диодов".

2. Заявка на изобретение Японии В4 4-47469, МКИ: H 01 L 33/00, "Осветительное устройство".

3. Отчет по НИР, гос. рег. N Ф 11 697, 1981 г. (прототип).

Использование: изобретение относится к области полупроводниковой оптоэлектроники, а именно к твердотельным источникам света. Техническим результатом изобретения является изготовление мощного, малогабаритного, технологичного в производстве источника света. Сущность: устройство содержит размещенные в N углублениях основания электролюминесцирующие полупроводниковые кристаллы с p-n переходами и омическими контактами к ним с обеих сторон, основание в нем выполнено в виде пластины из кремния, покрытой слоем диэлектрика, на котором сформированы изолированные друг от друга участки металлизации, покрывающие углубления и прилежащие к ним участки основания, при этом верхний контакт каждого i-го кристалла соединен проволочным электродом с металлизацией i-1 углубления, а верхний контакт 1-го кристалла соединен с контактной площадкой, расположенной на поверхности основания. 2 ил.

Источник света, содержащий размещенные в N, где N натуральное число, большее единицы, отражающих свет углублениях основания электролюминесцирующие полупроводниковые кристаллы с p-n переходами и омическими контактами к ним с обеих сторон, отличающийся тем, что основание выполнено в виде пластины из кремния, покрытой слоем диэлектрика, на котором расположены изолированные друг от друга участки металлизации, покрывающие углубления и прилежащую к ним поверхность основания, при этом верхний контакт каждого j-го кристалла соединен проволочным электродом с металлизацией j-1 углубления, где j - натуральное число, большее 0, а верхний контакт 1-го кристалла соединен с контактной площадкой, расположенной на поверхности основания.