ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H01L33/60 

Изобретение относится к области оптоэлектроники. Конкретно - к полупроводниковым источникам излучения инфракрасного и видимого диапазонов волн. Оно может найти применение в различных устройствах и системах, в которых требуются мощные источники оптического излучения.

Известен полупроводниковый источник света, содержащий прямоугольную пластину, изготовленную из кремния, в которой в ее верхней части, по периметру, образованы четырнадцать углублений в форме усеченных пирамид, имеющих квадратные основания, а в средней части выполнено сквозное прямоугольное отверстие, на верхнюю поверхность прямоугольной пластины, включая поверхности углублений, нанесен слой диэлектрика, на слое диэлектрика образованы четырнадцать изолированных друг от друга участков металлизации, покрывающих углубления и прилегающие к ним участки верхней поверхности прямоугольной пластины, и на слое диэлектрика между сквозным прямоугольным отверстием и названными четырнадцатью изолированными друг от друга участками металлизации образованы изолированные друг от друга и от четырнадцати названных участков металлизации металлические площадки, являющиеся электрическими выводами полупроводникового источника света, в углублениях размещены четырнадцать полупроводниковых кристаллов (диодов) с электролюминесцентными p-n-переходами и омическими контактами к ним, нижними омическими контактами полупроводниковые кристаллы гальванически соединены с металлизированными углублениями, а верхним омическим контактом каждый из полупроводниковых кристаллов при помощи отрезка металлической проволочки соединен с металлизацией, окружающей соседнее металлизированное углубление [1]. В источнике света используются две соединенных параллельно цепочки светодиодов, в каждой из которых семь диодов соединены последовательно-согласно. Концы цепочек соединены с названными электрическими выводами устройства (металлическими площадками) также при помощи отрезков металлической проволочки.

Недостатками такого устройства являются: невысокая яркость источника излучения, обусловленная значительным пространственным разнесением излучающих кристаллов, недостаточно эффективный отвод тепла от излучающих кристаллов и высокая трудоемкость изготовления полупроводникового источника излучения, обусловленная наличием трудоемких технологических операций посадки кристаллов в углубления с использованием токопроводящих клеев и паст и приварки к кристаллам и участкам металлизации тонких металлических проволочек.

Наиболее близким к заявляемому объекту является полупроводниковый источник излучения, содержащий корпус, выполненный из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, внешняя поверхность которого имеет цилиндрическую форму, а внутренняя - параболическую с высоким коэффициентом оптического отражения, днище корпуса выполнено плоским с выступающей за внешнюю стенку кольцевой частью, в которой выполнены отверстия для крепления внешнего радиатора, оптически прозрачную крышку, расположенную параллельно днищу и герметично соединенную с верхней частью корпуса, прямоугольную диэлектрическую пластину, изготовленную из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, нижняя поверхность которой полностью металлизирована, а на ее верхней поверхности нанесены две металлические площадки, первая - в виде периферийного кольцеобразного слоя, примыкающего к ребрам пластины, и вторая - в виде прямоугольника, расположенного в средней части пластины и отделенная от первой площадки кольцеобразным зазором, в пластине выполнены металлизированные отверстия, гальванически соединяющие вторую верхнюю площадку со слоем металлизации, нанесенным на нижнюю поверхность пластины, на второй металлической площадке размещена многомезовая полупроводниковая структура, выполненная в форме прямоугольной матрицы, в которой каждая мезоструктура содержит последовательно соединенные нижний металлический слой, омический контакт к p⁺-слою, p⁺-слой, p-слой, n⁺-слой, омический контакт к n⁺-слою и верхний металлический слой, все мезоструктуры нижними металлическими слоями гальванически соединены со второй верхней площадкой, общий вывод контактных площадок к n⁺-слоям мезоструктур выполнен в виде прямоугольной металлической сетки, гальванически соединенной с первой, кольцеобразной, площадкой, имеющей большую толщину по отношению ко второй площадке, расположенной внутри нее, металлический слой, нанесенный на нижнюю поверхность прямоугольной диэлектрической пластины, гальванически соединен с днищем корпуса, в днище корпуса выполнены три отверстия, через два из которых проходят первый и второй электрические выводы матрицы мезоструктур, из них первый вывод гальванически соединен с нижним металлическим слоем диэлектрической пластины, второй - с первой, кольцеобразной металлической площадкой, а в третьем отверстии размещена гибкая диафрагма, прижатая к цилиндрическому выступу отверстия трубчатым винтом, и теплопроводящая, не замерзающая при отрицательных температурах внешней среды, жидкость, заполняющая внутреннюю свободную полость корпуса и заливаемая в нее через третье отверстие [2]. Устройство-прототип по существу представляет собой единый полупроводниковый излучающий диод.

Благодаря большому коэффициенту теплопроводности диэлектрической пластины, слоя металла и днища корпуса выделяемое в матрице мезоструктур тепло эффективно отводится через ее нижнюю часть. Отвод тепла с верхней поверхности матрицы мезоструктур происходит в основном за счет конвекционных потоков, формируемых внутри жидкости. Коэффициент теплопроводности жидкости приблизительно на два порядка меньше коэффициентов теплопроводности металлов. Например, коэффициент теплопроводности этилового спирта, который может использоваться в качестве теплопроводящей жидкости, равен 1,76 Вт/(м·К), а коэффициенты теплопроводности алюминия и меди - 209,3 Вт/(м·К) и 389,6 Вт/(м·К).

Недостатком устройства-прототипа является относительно невысокая мощность излучения, ограниченная, во-первых, перегревом центральных излучающих диодов, обусловленным слабым отводом от них тепла вдоль диэлектрической пластины от центра к краям матрицы (это препятствует созданию многоэлементных источников излучения с высоким значением удельной излучаемой мощности с единицы площади матрицы), и, во-вторых, слабым отводом избыточного тепла от матрицы излучающих диодов жидкостью, заполняющую внутреннее пространство корпуса (отбор тепла от верхней части матрицы жидкостью осуществляется в основном за счет ее конвекционного потока). Недостатком устройства-прототипа также является необходимость использования для его работы нестандартных источников питания, напряжение которых должно выбираться в пределах приблизительно от 1,2 В (для источников инфракрасного излучения) до 5,5 В (для источников видимого излучения), что приводит к трудностям его применения. При создании мощных источников излучения возникает необходимость создавать для них специальные низковольтные источники питания с очень большими значениями тока потребления. Это приводит к дополнительным аппаратурным затратам и к снижению эффективности системы в целом.

Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - увеличение оптической мощности полупроводникового источника излучения и устранение нестандартных источников его питания.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в полупроводниковом источнике излучения, содержащем выполненный из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности корпус, внешняя поверхность которого имеет цилиндрическую форму, днище которого выполнено плоским и который оканчивается фланцем с крепежными отверстиями, рефлектор, выполненную из материала с высоким коэффициентом теплопроводности диэлектрическую пластину, тыльная сторона которой покрыта слоем металла, полупроводниковую излучающую матрицу, оканчивающуюся двумя электрическими выводами и размещенную на рабочей поверхности диэлектрической пластины, два внешних электрических вывода источника излучения, соединенных с выводами излучающей матрицы, оптически прозрачное окно, герметично соединенное с верхней частью корпуса, и оптически прозрачную диэлектрическую жидкость, заполняющую внутреннее пространство корпуса, внутренняя поверхность корпуса выполнена цилиндрической, рефлектор выполнен в виде отдельного элемента, внешняя поверхность которого отделена от внутренней цилиндрической поверхности корпуса зазором, в полупроводниковый источник излучения дополнительно введены металлический держатель рефлектора и диэлектрической пластины, герметично соединенный тыльной поверхностью с днищем корпуса, а боковой цилиндрической поверхностью - с внутренней боковой поверхностью корпуса, на рабочей поверхности держателя размещены названные рефлектор, герметично соединенный с ней своей нижней частью, и диэлектрическая пластина, гальванически соединенная с этой поверхностью своей тыльной металлизированной поверхностью, в днище корпуса, металлическом держателе, диэлектрической пластине и полупроводниковой излучающей матрице выполнены каналы жидкостной распределительной системы, состоящие из образованных в днище корпуса кольцевой канавки, закрытой сверху металлическим держателем, хордовых каналов, образованных в днище корпуса и соединенных с кольцевой канавкой, сквозных отверстий в хордовых каналах, металлическом держателе, диэлектрической пластине и полупроводниковой излучающей матрице, проходящих в плоскостях, расположенных между столбцами и с внешних сторон столбцов излучающих элементов матрицы, в состав полупроводникового источника излучения также введены вводная металлическая трубка, соединенная с кольцевой канавкой жидкостной распределительной системы, и выводная металлическая трубка, соединенная с пространством, расположенным между внешней поверхностью рефлектора и внутренней поверхностью корпуса.

На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого полупроводникового источника излучения, а на фиг.2 - один из вариантов матрицы излучающих элементов.

На фиг.1 и 2 обозначено:

1 - корпус полупроводникового источника излучения, выполненный из металла или сплава металлов, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности;

2 - рефлектор, имеющий внутреннюю зеркальную поверхность;

3 - металлизированная с тыльной стороны диэлектрическая пластина, выполненная из материала с высокой удельной теплопроводностью;

4 - полупроводниковая матрица излучающих элементов (диодов), размещенная на рабочей поверхности диэлектрической пластины 3;

5 - металлический держатель рефлектора 2 и диэлектрической пластины 3;

6 - оптически прозрачное окно:

7 - кольцевая герметизирующая прокладка;

8 - накидная гайка;

9 и 10 - вводная и выводная металлические трубки для ввода и вывода охлаждающей жидкости;

11 и 12 - проходные диэлектрические трубки;

13 и 14 - электрические выводы полупроводниковой излучающей матрицы 4;

15 и 16 - первый и второй электрические выводы полупроводникового источника излучения;

17 и 18 - изолирующие покрытия первого и второго электрических выводов 15 и 16 полупроводникового источника излучения;

19 - кольцевая часть жидкостной распределительной системы для охлаждающей жидкости;

20 - хордовые каналы жидкостной распределительной системы;

21 - сквозные отверстия в хордовых каналах 20, металлическом держателе 5, диэлектрической пластине 3 и полупроводниковой излучающей матрице 4;

22 - одно из отверстий фланца корпуса 1, используемое при креплении источника излучения к корпусу аппаратуры, в состав которой он входит;

23 - оптически прозрачная охлаждающая полупроводниковую излучающую матрицу диэлектрическая жидкость;

24 - p⁺-p-n⁺-мезоструктура (излучающий диод);

25 - металлический контакт к p⁺-области мезоструктуры;

26 - металлический контакт к n⁺-области мезоструктуры, выполненный в виде сетки,

27 - металлизированные переходные отверстия в полупроводниковой матрице, одновременно являющиеся конечной частью жидкостной распределительной системы;

28 - диэлектрический слой;

29 - слой металла, соединяющий слой металлизации диэлектрической пластины 3 с рабочей поверхностью металлического держателя 5.

Корпус 1, рефлектор 2 и металлический держатель 5 рефлектора 2 и диэлектрической пластины 3 могут изготавливаться из одного и того же металла или сплава металлов, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности, например меди или алюминиевого сплава. Держатель рефлектора и диэлектрической пластины может также изготавливаться из молибдена и вольфрама. Зеркальный слой на внутреннюю поверхность рефлектора наносится распылением меди, серебра или алюминия. Диэлектрическая пластина 3 может изготавливаться из карбида кремния, бериллиевой керамики, нитридной керамики или других диэлектрических материалов, величины коэффициентов теплопроводности которых близки к коэффициенту теплопроводности металлического держателя 5. Излучающая матрица может изготавливаться из арсенида галлия, фосфида галлия, карбида кремния, а также из более сложных тройных или четверных полупроводниковых соединений. Оптически прозрачное окно 6 изготавливают из материала, прозрачного для света или инфракрасного излучения. Например, для видимого света и для излучения из ближней инфракрасной области (λ≤2,7 мкм) окно изготавливают из стекла. В качестве охлаждающей жидкости 23 выбирается диэлектрическая теплопроводящая жидкость, не закипающая при максимальной рабочей температуре полупроводникового источника излучения и не замерзающая при сильных морозах, например этиловый спирт, температура кипения которого составляет плюс 78,3°C, а температура замерзания - минус 114,5°C.

Матрица излучающих диодов предлагаемого устройства отличается от матрицы устройства-прототипа тем, что в каждом ряду матрицы устройства-прототипа диоды соединены последовательно через металлизированные переходные отверстия 27 (один, нижний электрод каждого диода, находится на рабочей поверхности диэлектрической пластины, другой, сетчатый электрод каждого диода, - на внешней поверхности матрицы), в то время как в матрице устройства-прототипа все диоды соединены параллельно. Это дает возможность подключать к матрице предлагаемого устройства источник питания, имеющий стандартное значение напряжения.

Каждый излучающий диод (каждая мезоструктура) работает следующим образом. При пропускании через него прямого тока осуществляется инжекция электронов и дырок через p-n-переход, в котором происходит их излучательная рекомбинация, сопровождающаяся образованием оптических квантов, значительная часть которых выходит за пределы мезоструктуры. Поскольку контактная площадка со стороны p-слоя имеет зеркальную поверхность, а со стороны n⁺-слоя мезоструктуры выполнена в виде редкой сетки, то часть излучения проходит через эту сетку, попадает в оптически прозрачную жидкость, достигает оптически прозрачного окна и выводится через него в окружающее пространство, а часть излучения сначала достигает внутреннего зеркального слоя рефлектора, отражается от него, достигает оптически прозрачного окна и также выводится через него в окружающее пространство. Коэффициент преломления охлаждающей жидкости больше, чем у воздуха, но меньше, чем у полупроводникового материала мезоструктуры. Поэтому наличие промежуточной жидкостной среды обеспечивает эффективный вывод излучения из полупроводникового кристалла.

Понижение температуры матрицы излучающих диодов в предлагаемом устройстве охлаждающей жидкостью происходит следующем образом. Входящая в корпус 1 через вводную металлическую трубку 9 охлаждающая жидкость 23 из внешней емкости, герметично соединенной с вводной и выводной металлическими трубками, поступает в кольцевую часть 19 жидкостной распределительной системы, входит в хордовые каналы 20 и через сквозные отверстия в хордовых каналах 20, металлическом держателе 5, диэлектрической пластине 3 и полупроводниковой излучающей матрице 4 поступает во внутреннее пространство рефлектора 2. Из внутреннего пространства рефлектора жидкость поступает в пространство, расположенное между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешней поверхностью рефлектора, и через выводную металлическую трубку 10 выводится из корпуса. Скорость протекания жидкости в распределительной системе не достигает порога кавитации. Особенностью предлагаемой системы охлаждения является то, что протекающая жидкость охлаждает каждый диод и каждую находящую под ним часть диэлектрической пластины. Это приводит к выравниванию температуры всех диодов (устраняет перегрев диодов) и дает возможность увеличить излучаемую с единицы поверхности матрицы мощность. Протекание жидкости по распределительной системе осуществляется при помощи насоса. Достоинством такой системы охлаждения матрицы излучающих диодов является также то, что вышедшую из корпуса через выводную трубку жидкость до введения ее обратно в корпус через вводную трубку можно охлаждать во внешней емкости каким-либо известным способом, что также дает возможность увеличить излучаемую мощность с единицы поверхности матрицы.

Предлагаемый полупроводниковый источник излучения, в отличие от устройства-прототипа, не требует применения источников питания с нестандартными значениями напряжений. Система предлагаемый полупроводниковый источник излучения - стандартный источник питания обладает большим коэффициентом полезного действия, чем система устройство-прототип - нестандартный источник питания.

Источники информации

1. Пат. РФ №2142176, кл. H01L 33/00, заявл. 10.06.1997, опубл. 27.11.1999. БИ №33.

2. Пат. РФ №2200358, кл. H01L 33/00, заявл. 05.06.2001, опубл. 10.03.2003. БИ №7 - прототип.

Изобретение может найти применение в различных устройствах и системах, в которых требуются мощные источники оптического излучения. В полупроводниковом источнике излучения согласно изобретению, содержащем цилиндрический корпус, соосно расположенный внутри корпуса рефлектор, расположенную внутри рефлектора диэлектрическую пластину, на которой размещена матрица излучающих диодов, оптически прозрачную крышку, герметично соединенную с корпусом, и охлаждающую жидкость, заполняющую свободное пространство корпуса и обтекающую внутреннюю поверхность корпуса, поверхность рефлектора и внешнюю поверхность матрицы излучающих диодов, в днище корпуса, диэлектрической пластине и полупроводниковой излучающей матрице выполнены каналы жидкостной распределительной системы, состоящей из образованных в днище корпуса кольцевого канала, хордовых каналов, соединенных с кольцевым каналом, и сквозных отверстий в хордовых каналах, днище корпуса, диэлектрической пластине и полупроводниковой излучающей матрице, проходящих в плоскостях, расположенных между столбцами и с внешних сторон столбцов излучающих диодов матрицы. Изобретение обеспечивает увеличение оптической мощности полупроводникового источника излучения и устранение нестандартных источников его питания. 2 ил.

Полупроводниковый источник излучения, содержащий выполненный из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности корпус, внешняя поверхность которого имеет цилиндрическую форму, днище которого выполнено плоским и который оканчивается фланцем с крепежными отверстиями, рефлектор, выполненную из материала с высоким коэффициентом теплопроводности диэлектрическую пластину, тыльная сторона которой покрыта слоем металла, полупроводниковую излучающую матрицу, оканчивающуюся двумя электрическими выводами и размещенную на рабочей поверхности диэлектрической пластины, два внешних электрических вывода источника излучения, соединенных с выводами излучающей матрицы, оптически прозрачное окно, герметично соединенное с верхней частью корпуса, и оптически прозрачную диэлектрическую жидкость, заполняющую внутреннее пространство корпуса, отличающийся тем, что внутренняя поверхность корпуса выполнена цилиндрической, рефлектор выполнен в виде отдельного элемента, внешняя поверхность которого отделена от внутренней цилиндрической поверхности корпуса зазором, в полупроводниковый источник излучения дополнительно введены металлический держатель рефлектора и диэлектрической пластины, герметично соединенный тыльной поверхностью с днищем корпуса, а боковой цилиндрической поверхностью - с внутренней боковой поверхностью корпуса, на рабочей поверхности держателя размещены названные рефлектор, герметично соединенный с ней своей нижней частью, и диэлектрическая пластина, гальванически соединенная с этой поверхностью своей тыльной металлизированной поверхностью, в днище корпуса, металлическом держателе, диэлектрической пластине и полупроводниковой излучающей матрице выполнены каналы жидкостной распределительной системы, состоящие из образованных в днище корпуса кольцевой канавки, закрытой сверху металлическим держателем, хордовых каналов, образованных в днище корпуса и соединенных с кольцевой канавкой, сквозных отверстий в хордовых каналах, металлическом держателе, диэлектрической пластине и полупроводниковой излучающей матрице, проходящих в плоскостях, расположенных между столбцами и с внешних сторон столбцов излучающих элементов матрицы, в состав полупроводникового источника излучения также введены вводная металлическая трубка, соединенная с кольцевой частью жидкостной распределительной системы, и выводная металлическая трубка, соединенная с пространством, расположенным между внешней поверхностью рефлектора и внутренней поверхностью корпуса.