СВЕТОДИОД Российский патент 2003 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светодиодной технике, в частности к мощным светодиодам, предназначенным для применения в светооптическом приборостроении. Светодиоды предназначены для локального освещения, создания заградительных огней, систем видеонаблюдения, быстродействующих и мощных фотоэлектрических устройств, фотоэлектрических медицинских терапевтических приборов.

Известны светодиоды типа АЛ307 и ИК-диоды типа АЛ165, в конструкции которых используется отражатель для сбора и полезного перераспределения бокового излучения кристаллов [1, 2]. Эти приборы содержат встроенный в держатель металлический отражатель бокового излучения, в центральной зоне которого установлен излучающий кристалл. Примерные размеры отражателя: диаметр основания 0,55 мм, угол наклона стенок ~45^o, высота отражателя ~0,3 мм. Недостатком этой конструкции является малый угол охвата p-n-перехода кристалла и диффузное отражение излучения. Увеличить высоту и, тем самым, угол охвата излучения затруднительно, так как при этом существенно усложняется технологический процесс изготовления многокадрового рамочного держателя, а также технология сборки приборов.

Известны светодиоды типа КА-252 [3], которые содержат пластмассовый отражатель высотой до 0,8 мм. Угол охвата и перераспределения бокового излучения кристалла увеличен, но диффузное рассеяние излучения не позволяет эффективно использовать боковое излучение кристалла.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования бокового излучения p-n-переходов кристаллов и создание на этой основе светодиодов с увеличенным световым потоком и повышенной мощностью излучения.

Поставленная цель достигается тем, что светодиод, содержащий излучающие кристаллы с p-n-переходами, отражатель бокового излучения кристаллов, установленные на теплоотводящем основании внутри сопряженного с ними полимерного полусферического купола из эпоксидного компаунда с показателем преломления n= 1,5-1,6, выполнен таким образом, что светоотражающая поверхность отражателя покрыта слоем кремнийорганического компаунда, который не смачивается эпоксидным компаундом полимерного купола. Вследствие эффекта несмачивания на границе раздела эпоксидного и кремнийорганического компаундов возникает тонкая воздушная прослойка, благодаря которой на поверхности эпоксидного компаунда, прилегающей к отражателю, действует эффект полного внутреннего отражения лучей, падающих на границу раздела под углом, большим критического для границы эпоксидного компаунда с воздухом. Эта граница 100-процентно зеркально отражает фотоны, падающие на нее под углом, большим критического. Для того чтобы отраженное боковое излучение и фронтальное излучение кристаллов эффективно преобразовывались полусферическим полимерным куполом, необходимо, чтобы диаметр полусферы купола (2R) был не менее 4-х диаметров основания отражателя d (2R/d≥4) при отношении высоты купола (S) к радиусу его полусферической части (R) не более 1,8 (S/R≤1,8) и отношении высоты отражателя h к высоте купола не менее 0,15 (h/S≤0,15) при величине угла наклона стенок отражателя (α) в пределах 25-45^o (α=25-45^o).

В качестве кремнийорганического компаунда может быть использован компаунд марки ГК [4]. Для уменьшения толщины и обеспечения равномерности нанесения слоя компаунд наносится методом центрифугирования, после чего толщина слоя составляет 30-60 мкм. В качестве эпоксидного компаунда может быть использован компаунд на основе смол ЭД-20 или ЭД-22 [5].

Предпочтительный вариант исполнения светодиода согласно предлагаемому изобретению представлен на чертеже.

Светодиод содержит излучающие кристаллы (1) с p-n-переходами на основе гетероструктур в системах AlGaInP/GaP, GaAlAs/GaAlAs или InGaN, пластмассовый отражатель бокового излучения кристаллов (2) высотой h, внутренним диаметром d и углом наклона боковых стенок α с нанесенным слоем кремнийорганического компаунда (3), полусферический купол из эпоксидного компаунда (4) с радиусом R и высотой относительно поверхности кристаллов S. Кристаллы (1) установлены в тепловом контакте с основанием корпуса светодиода (5).

Проведенные исследования показали, что применение предлагаемого изобретения позволяет повысить мощность излучения и световой поток на 20-30%.

На основе предлагаемого изобретения изготовлены светодиоды и ИК-диоды, которые характеризуются следующими геометрическими размерами: R=3,75 мм, S=6 мм, d=l,8 мм, h=1,1 мм, α≈28^o.

Оптические параметры светодиодов, в которых используются 2 или 4 кристалла с p-n-переходами, электрически соединенные последовательно, приведены в табл. 1. Оптические параметры ИК-диода, содержащего один кристалл увеличенной площади (размер 0,6•0,7 мм), приведены в табл. 2.

В таблицах: J_пp - прямой ток, U_пp - прямое напряжение, Ф_v - световой поток, Р_е - мощность излучения, 2θ_0,5 - угол излучения, определяемый на уровне половинной интенсивности, J_v - сила света, η_вн - внешний квантовый выход излучения, λ_max - длина волны излучения в максимуме спектральной полосы.

За счет эффективного использования бокового излучения кристаллов получены высокие оптические параметры приборов: световой поток, мощность излучения и сила света. Внешний квантовый выход излучения достиг высоких значений для данного уровня мощности излучения: 23-26% для красного и инфракрасного излучения, 5,2% - для желтого свечения.

Источники информации
1. Л. М. Коган. "Светоизлучающие диоды" - Электронная техника, сер. 2, Полупроводниковые приборы, 1980 г., вып. 3 (138), стр. 100-111.

2. "Излучающие ИК-диоды с повышенной мощностью излучения на основе двойных гетероструктур"/Л. М. Коган, Н.А. Гальчина, B.C. Родкин - Электронная промышленность, 1993 г., 10, стр. 71-75.

3. Каталог фирмы "Kingbright", Optoelectronic Components, 2000-2001 г., р. 8.

4. Компаунд марки ГК. Технические условия ЫУО.028.021ТУ. Разработчик и калькодержатель - НИИ электронных материалов, г. Владикавказ.

5. ГОСТ 10587-84. Смолы эпоксидно-диановые неотвержденные.

Использование: для локального освещения, создания заградительных огней, систем видеонаблюдения, быстродействующих и мощных фотоэлектрических устройств, фотоэлектрических медицинских терапевтических приборов. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования бокового излучения р-n-переходов кристаллов и создание на этой основе светодиодов с увеличенным световым потоком и повышенной мощностью излучения. Сущность: светодиод содержит излучающие кристаллы с р-n-переходами, отражатель бокового излучения кристаллов с нанесенным тонким слоем кремнийорганического компаунда, полусферический купол из эпоксидного компаунда. Кристаллы установлены в тепловом контакте с основанием корпуса прибора. Диаметр полусферы купола не менее 4-х диаметров основания отражателя при отношении высоты купола к радиусу его сферической части не более 1,8 и отношении высоты отражателя к высоте купола не менее 0,15 при величине угла наклона стенок отражателя в пределах 25-45^o. 2 табл., 1 ил.

Светодиод, содержащий излучающие кристаллы с р-n-переходами, отражатель бокового излучения кристаллов, установленные на теплоотводящем основании внутри сопряженного с ними полимерного полусферического купола из эпоксидного компаунда с показателем преломления n=1,5...1,6, отличающийся тем, что светоотражающая поверхность отражателя покрыта слоем кремнийорганического компаунда, который не смачивается эпоксидным компаундом, создавая зеркально отражающую свет границу для фотонов, падающих на эту границу под углом, большим критического для границы эпоксидный компаунд - воздух, причем диаметр полусферического купола должен быть не менее 4-х диаметров основания отражателя (2R/d≥4) при отношении высоты купола к радиусу его полусферической части не более 1,8 (S/R≤1,8) и отношении высоты отражателя к высоте купола не менее 0,15 (h/S≥0,15) при величине угла наклона стенок отражателя в пределах 25...45^o (α=25...45^o).