ОПТИЧЕСКОЕ СОГЛАСУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2015 года по МПК H01L33/44 

Изобретение относится к области оптических согласующих устройств для светодиодов (LED), G02, которые могут служить в качестве согласующих устройств при изготовлении светодиодов с повышенной светоотдачей. Изобретение может использоваться как для изготовления энергосберегающих ламп, так и светосильных светодиодных излучателей.

Высокие показатели преломления полупроводниковых материалов - более чем 2,5 для карбида кремния и 3,3 для арсенида галлия, а также сравнительно низкие показатели преломления применяемых в массовом производстве синтетических материалов порядка 1,6 приводят к значительным отражениям света на граничной поверхности между полупроводником LED и синтетическим материалом оптического согласующего устройства.

Применение материалов с высоким показателем преломления, таких как халькогенидные стекла и т.п., для оптических согласующих устройств в большинстве случаев невозможно, так как линейные коэффициенты теплового расширения слишком сильно различаются, что приводит к возникновению дополнительных напряжений и сокращению срока службы светодиода.

Известен способ изготовления устройства светодиода с улучшенной эффективностью вывода излучения (US 2005032257).

Известным способом (варианты) возможно изготовление светодиода разных материалов с повышенным показателем преломления.

Стыковку разнородных материалов проводят способом горячего прессования, при использовании которого развиваются микротрещины, возникают дислокации, что ухудшает эффективность излучения светодиода. Также для проведения эпитаксиального наращивания ряд материалов с температурами плавления, превышающими температуру плавления полупроводника, на который они осаждаются (типа окиси циркония с температурой плавления более 2000 градусов).

В результате несовпадения периодов кристаллографических решеток слоя полупроводника и осаждаемого материала будут осаждаться только дефектные слои с другими оптическими свойствами, а после остывания на границе раздела слоев из-за несоответствия температурных коэффициентов расширения возникнут значительные механические напряжения, вызывающие ускоренную деградацию светодиода.

В известном способе промежуточный слой изготавливают из материалов с низким показателем преломления (из таких материалов, как фтористый магний, оптические стекла, эпоксидные и кремнийорганические материалы), но малой толщины.

Однако из-за несоответствия температурных коэффициентов расширения применение данных материалов приведет к увеличению механических напряжений, стимулирующих деградацию конструкции.

Известна конструкция устройства светодиодов, работающих с повышенным перепадом температур (Патент DE 102010045316).

Оптический согласующий слой между светодиодом и линзой изготавливают из материала с низким показателем преломления типа силикон, эпоксидная смола, полиуретаны или силиконоэпоксидная смесь или смесь из этих материалов с толщиной более 30-50 мкм.

Применение данных материалов, с толщиной, превышающей длину волны излучения светодиода в оптическом согласующем слое, приводит к значительному уменьшению эффективности излучения светодиода за счет эффекта полного внутреннего отражения излучения на границе раздела полупроводниковый материал с высоким показателем преломления и материал согласующего слоя с низким показателем преломления.

Известны оптические согласующие устройства на основе полусферы из полупроводникового материала, который соответствует тому, из которого изготавливают светогенерирующую область, например, инфракрасного светодиода AL107A и светодиода (KR 101078063).

Известны оптические согласующие устройства на основе полусферы Вейерштрасса, в которых полусфера и светогенерирующая область светодиода типа 3L115 выполнены из полупроводникового материала (WO 2007/123289).

В этих конструкциях коэффициент теплового расширения материала светодиода и оптического согласующего устройства одинаков, что обеспечивает высокую светоотдачу и срок службы.

Недостатком конструкции является увеличение потребления материала полупроводника и соответствующее удорожание светодиода.

Известны оптические согласующие устройства на основе синтетических материалов, в которых излучение, исходящее из полупроводника, передается через куполообразное покрытие в окружающую среду (WO 2011/002508).

Недостатком данной конструкции является низкая светоотдача ввиду большой разницы между показателем преломления полупроводника светодиода и синтетического материала оптического согласующего устройства.

Известно устройство для изучения ультрафиолетовых лучей, включающее светодиод, фокусирующую линзу и промежуточный слой (Патент US 2007267645).

Наличие промежуточного слоя позволяет уменьшить разницу показателей преломления излучающей поверхности полупроводника и слоя с одной стороны, а также между основанием конденсирующей линзы и слоя с другой стороны.

Однако при анализе результатов прохождения излучения через данные слои с точки зрения лучевой оптики и с точки зрения волновой оптики обнаружен ряд недостатков известного решения.

Рассмотрим различные соотношения между показателями преломления с точки зрения лучевой оптики:

излучающей поверхности полупроводника n₁ промежуточного слоя n₂ основанием фокусирующей линзы n₃

При соотношении показателей преломления n_1≥n_2≥n₃ наличие промежуточного слоя уменьшает разницу показателей преломления на границах слоев и увеличивает эффективность вывода излучения светодиода из излучающей поверхности полупроводника в основание фокусирующей линзы.

Однако для дальнейшего увеличения эффективности вывода излучения из излучающей полупроводниковой области более эффективно применять фокусирующие линзы из материала с высоким показателем преломления n₃ (близким к показателю преломления излучающей поверхности полупроводника).

Данная конструкция обеспечивает наивысшую эффективность вывода излучения.

В известной конструкции, качестве материалов промежуточного слоя используют или silicon resign или fluorine system resign, которые характеризуются показателем преломления n₂≈1,4, меньшим, чем показатель преломления излучающей поверхности полупроводника - n_1≥2,4.

В известном устройстве толщина промежуточного слоя составляет не менее 10 микрон.

При данной толщине слоя и длине волны излучения λ≈0.4 мкм ход лучей на границе раздела излучающей поверхности полупроводника и промежуточного слоя точно описывается эффектом полного внутреннего отражения.

В результате, даже при показателях преломления n₃≈n₁≥2,4 введение промежуточного слоя с показателем преломления n₂≈1,4 приведет к значительному увеличению доли излучения, отражающейся по закону полного внутреннего отражения от границы раздела излучающей поверхности полупроводника и промежуточного слоя.

При использовании данного сочетания параметров слоя (низкого показателя преломления и толщины, многократно превышающей длину волны излучения) дальнейшее применение слоев с повышенным показателем преломления будет уже неэффективно.

Из-за этого соотношения в большинстве промышленно выпускаемых светодиодах в качестве оптически прозрачного слоя используют гель с показателем преломления n₂≈1,4 и фокусирующие линзы с показателем преломления n₃≈1,6. (n₂≈n₃).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство, состоящее из светоизлучающего диода, промежуточный слой из силикона и линзы, материал которой может быть любым (US 2011062469).

В известной конструкции используют набор материалов, обеспечивающих достижение высокого показателя преломления от линзы, промежуточных слоев и до полупроводника. Толщины слоев составляют несколько микрон.

Одним из недостатков известной конструкции является низкий срок службы конструкции из-за разницы температурных коэффициентов расширения используемых материалов.

Используемые в данной конструкции различные материалы промежуточных слоев значительно отличаются от материалов излучающих полупроводников температурными коэффициентами расширения, что приводит к механическим разрушениям границ раздела из-за термоциклирования при включении и выключении светодиода и климатических воздействий.

В настоящее время никто в мире до сих пор не создал надежно соединенных материалов с высоким коэффициентами преломления и различными температурными коэффициента излучения.

Следует отметить, что эксперименты, проведенные во многих странах по стыковке полупроводникового слоя светодиода с другими материалами с высоким показателем преломления, пока неудачны.

Примером неудачной стыковки является соединение верхнего слоя полупроводникового излучателя с халькогенидными стеклами.

Использование в известной конструкции материалов типа силиконовой смолы или силиката приводит к значительному уменьшению показателя преломления до 1,3-1,6.

Вторым недостатком известной конструкции является то, что при изготовлении конструкции используют технологию сжатия и нагрева, толщины промежуточных слоев будут составлять величины в несколько микрон.

В результате, при толщинах слоев в микроны, из-за эффекта полного внутреннего отражения, значительная часть излучения не будет выводиться из полупроводникового слоя светодиода.

Третьим недостатком известной конструкции является применение на дальнейшем пути светового потока материалов с высоким показателем преломления (промежуточных слоев и фокусирующей линзы), ухудшает вывод излучения (вследствие возрастания оптических Френелевских потерь на границах раздела сред с различными показателями преломления).

Четвертым недостатком известной конструкции является неэффективность использования в промежуточном слое с низким показателем преломления наночастиц с более высоким показателем преломления

Основная причина неэффективности заключается в невысоком показателе преломления наночастиц, даже изготовленных из материалов с высоким показателем преломления. На поверхности наночастиц всегда существует нарушенный слой, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления объемного материала. При размерах частиц в десятки нанометров доля данного слоя составляет существенную часть от всего объема наночастицы.

Поэтому применение наночастиц не приводит к значительному увеличению показателя преломления среды, в которую их помещают.

Кроме того, ряд материалов в нанометровом диапазоне изменяет свои оптические свойства. Так, например, наноалмазы из-за наличия на поверхности графитизированного слоя чернеют и тем самым увеличивают оптические потери проходящего излучения.

Поэтому применение наночастиц в силиконовой смоле (по сравнению с использованием монолитного материала с высоким показателем преломления в конструкции патента US 2011062469) существенно ухудшает вывод излучения из светодиода.

Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением, является создание оптического согласующего устройства для светодиода, позволяющего повысить эффективность излучения и сохранить срок службы светодиода за счет низкого значения модуля упругости материала промежуточного слоя, который снижает механические напряжения, возникающие между материалом светодиода и оптическим согласующим элементом из-за различия коэффициентов теплового расширения.

Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием оптического согласующего устройства, состоящего из оптического согласующего элемента, излучающего полупроводникового светодиода и расположенного между ними промежуточного слоя, причем оптический согласующий элемент выполнен из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого подобен показателю преломления излучающего полупроводникового светодиода, в котором, согласно изобретению, промежуточный слой выполнен туннельно-прозрачным, с модулем упругости, более низким по сравнению с модулями упругости полупроводникового светодиода и оптического согласующего элемента.

Снабжение промежуточного слоя наночастицами, размер которых меньше длины волны пропускаемого света (например, красного, зеленого и т.д), с показателем преломления, большим, чем показатель преломления промежуточного слоя, позволяет повысить эффективно показатель преломления туннельно-прозрачного слоя, что повышает коэффициент передачи через слой излучения от светодиода к оптическому согласующему элементу.

Выполнение промежуточного слоя с микро- и нанопустотами (неоднородностями), позволяет снизить модуль упругости материала промежуточного слоя.

Туннельно-прозрачный слой может быть изготовлен непосредственно или на поверхности оптического согласующего элемента, или светодиода и из тех же материалов, что исключает:

необходимость применения других материалов в промежуточном слое,

границу раздела между областью с неоднородностями и материалов, в которых они изготовлены, что приводит к повышению надежности конструкции и увеличению срока службы.

В предлагаемом оптическом согласующем устройстве используют эффект туннелирования света, называемый также эффектом нарушенного полного внутреннего отражения (frusted total internal reflection).

Данный эффект не допускает объяснения в рамках лучевой оптики, однако хорошо описывается и подтверждается экспериментально на основе волновой оптики, использующей при расчетах уравнения Максвелла (http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics).

Важнейшим условием проявления туннельного эффекта является толщина слоя.

Для прохождения излучения необходимо, чтобы данный слой был туннельно прозрачным. Размер туннельно прозрачного слоя D не превышает величину порядка длины волны в материале - λ (при больших размерах происходит экспоненциально уменьшение амплитуды туннелирующего излучения).

Различия в распространении света по двум данным законам поясняются на фиг.6, где в колонке слева показан ход лучей в модели на основе лучевой оптики и справа в модели на основе волновой оптики.

Показано, что при тонком слое (относительно длины волны излучения) свет проходит сквозь слой и входит в следующую среду с повышенным показателем преломления. Однако при дальнейшем увеличении толщины слоя свет испытывает полное внутреннее отражение и возвращается в ту среду, из которой выходил.

Эффект туннелирования света (нарушенного полного внутреннего отражения) возникает даже при значительно меньших величинах показателя преломления промежуточного слоя.

В результате применения туннельно-прозрачного слоя становится возможно использовать любые оптически прозрачные материалы с любыми показателями преломления - даже значительно более низкими по сравнению с показателем преломления излучающей поверхности полупроводникового светодиода.

Расширение диапазона применяемых материалов (при создании туннельно прозрачного слоя) позволяет использовать материалы с низкой жесткостью, что снижает механические напряжения на границах раздела материалов, обеспечивает повышение надежности и увеличение срока службы светодиодов.

Оптическое поглощение наночастицами в туннельно прозрачном слое исключительно мало (вследствие туннельно прозрачной толщины).

В то же время даже небольшое увеличение показателя преломления, которое они дают, влияет (вследствие экспоненциальной зависимости коэффициента передачи от показателя преломления) на эффективность вывода излучения.

Применение туннельно-прозрачного эластичного слоя с наночастицами, у которого показатель преломления больше показателя преломления эластичного материала, не ухудшает, а повышает эффективность вывода излучения.

Указанная цель повышения эффективности излучения и сохранения срока службы достигается за счет низкого значения модуля упругости материала туннельно-прозрачного слоя, который снижает механические напряжения, возникающие между материалом светодиода и оптическим согласующим элементом из-за различия коэффициентов теплового расширения.

За счет выполнения промежуточного слоя туннельно-прозрачным становится возможным применять для согласующего элемента материалы, которые имеют подобный полупроводниковому материалу высокий показатель преломления, но совсем другой коэффициент теплового расширения, чем у материала светодиода.

Применение наночастиц в туннельно-прозрачном слое приводит к повышению эффективного показателя преломления слоя, что повышает коэффициент передачи через слой излучения от светодиода к оптическому согласующему элементу.

Повышение коэффициента передачи через промежуточный слой вследствие его малой туннельно-прозрачной толщины не сопровождается эффектами значительного поглощения проходящего излучения или его светорассеяния.

Сущность предлагаемого оптического согласующего устройства светодиода, поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где

на фиг.1 изображено схематично предлагаемое оптическое согласующее устройство светодиода (в сечении);

на фиг. 2 изображен вид сверху фиг 1;

на фиг.3 изображено предлагаемое оптическое согласующее устройство, промежуточный слой 2, которого содержит наночастицы;

на фиг. 4 изображено предлагаемое оптическое согласующее устройство промежуточный слой 2, которого выполнен с микро и нано пустотами (неоднородностями);

на фиг. 5 изображен вид А фиг.4;

на фиг. 6 - графические материалы, поясняющие различия в распространении света по двум законам, где в колонке слева показан ход лучей в модели на основе лучевой оптики и справа в модели на основе волновой оптики.

Оптическое согласующее устройство содержит оптический согласующий элемент 1, например, сферической формы, промежуточный слой 2, расположенный между оптическим согласующим элементом 1 и излучающим полупроводниковым светодиодом 3.

Промежуточный слой 2 выполнен туннельно-прозрачным, причем его модуль упругости более низкий по сравнению с модулями упругости полупроводникового светодиода и оптического согласующего элемента.

Причем оптический согласующий элемент выполнен из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого подобен показателю преломления излучающего полупроводникового светодиода.

Технология изготовления оптического согласующего устройства базируется на микроэлектронных гибридных технологиях.

Способ изготовления оптического согласующего устройства может состоять, например, из следующих операций:

сначала наносят промежуточный слой 2 на полупроводниковый светодиод 3 и затем устанавливают оптический согласующий элемент 1 на поверхность слоя 2.

Допустимо применение промежуточного слоя 2, который содержит наночастицы с показателем преломления, такими же как показатели преломления материала полупроводникового светодиода 3.

Допустимо также изготовление туннельно-прозрачного слоя непосредственно или на поверхности оптического согласующего элемента или светодиода и из тех же материалов.

Оптическое согласующее устройство светодиода способствует повышению светоотдачи от светоизлучающей плоскости светодиода, без сокращения срока службы.

Был изготовлен и испытан опытный образец оптического согласующего устройства.

Данные об испытаниях приведены в приложениях 1 и 2.

Изобретение может использоваться как для изготовления энергосберегающих ламп, так и светосильных светодиодных излучателей.

Оптическое согласующее устройство состоит из оптического согласующего элемента, излучающего полупроводникового светодиода и расположенным между ними промежуточного слоя, причем оптический согласующий элемент выполнен из оптически прозрачного материала, показатель преломления которого подобен показателю преломления излучающего полупроводникового светодиода, при этом промежуточный слой выполнен туннельно-прозрачным, с модулем упругости более низким по сравнению с модулями упругости полупроводникового светодиода и оптического согласующего элемента. Изобретение позволяет повысить эффективность излучения и сохранить срок службы светодиода за счет низкого значения модуля упругости материала промежуточного слоя, выполненного туннельно прозрачным, и который позволяет снижать механические напряжения, возникающие между материалом светодиода и оптическим согласующим элементом. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Оптическое согласующее устройство, состоящее из оптического согласующего элемента, излучающего полупроводникового светодиода и расположенного между ними промежуточного слоя, причем оптический согласующий элемент выполнен из оптически-прозрачного материала, показатель преломления которого подобен показателю преломления излучающего полупроводникового светодиода, отличающееся тем, что промежуточный слой выполнен туннельно-прозрачным, с модулем упругости более низким по сравнению с модулями упругости полупроводникового светодиода и оптического согласующего элемента.

2. Оптическое согласующее устройство по п.1, отличающееся тем, что промежуточный слой снабжен наночастицами, размер которых меньше длины волны пропускаемого света (например, красного, зеленого и т.д), с показателем преломления, большим, чем показатель преломления промежуточного слоя.

3. Оптическое согласующее устройство по п.1, отличающееся тем, что промежуточный слой выполнен из материала с нано- и микропустотами.