СВЕТОДИОД Советский патент 1995 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к полупроводниковым источникам некогерентного излучения, и может быть использовано в контрольно-измерительной технике и в системах с открытыми каналами оптической связи.

Цель изобретения повышение максимальной силы излучения и механической прочности светодиода.

По сравнению с известным светодиодом предлагаемый за счет оптимального выбора соотношений размеров параболоида и линзы приводит к большей концентрации излучения в направлении оси прибора, т.е. повышается максимальная сила излучения. Кроме того, повышение эффективности сбора излучения достигается и тем, что здесь отсутствуют границы раздела между линзой и параболоидом и, следовательно, уменьшаются потери проходящего между линзой и параболоидом излучения. Выполнение линзы и параболоида в виде единого тела повышает и механическую прочность светодиода.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями от известных решений.

На чертеже представлено схематическое изображение варианта изготовления светодиода.

На держателе 1 размещен излучающий кристалл 2. Здесь же установлен выполненный из оптически прозрачного материала параболоид 3, по оси симметрии которого выполнено отверстие 4, дно которого сформировано в виде полусферической линзы 5. Фокусы этой линзы и параболоида совмещены в месте расположения кристалла 2.

Светодиод содержит электровыводы 6 для подвода электропитания. Размеры линзы, а следовательно, и диаметр отверстия выбраны такими, чтобы линза "перехватывала" лучи, распространяющиеся в направлении торца параболоида и не попадающие на боковую поверхность параболоида. Это условие означает, что апертурный угол линзы (в данном случае имеется в виду угол охвата лучей, попадающих на линзу) был не более значения α _м, которое получается из решения трансцендентного уравнения (1).

При α > α _м часть излучения, которая могла бы быть направлена вдоль оси прибора за счет отражения на поверхности параболоида, "перехватывается" линзой и после преломления на ее поверхности идет под некоторым углом к оси прибора. То есть, преломление на части поверхности линзы, достаточно удаленной от оси прибора, менее эффективно с отражением на поверхности сравнению с отражением на поверхности параболоида.

С другой стороны, когда α < α _м, то полный захват лучей осуществляется за счет изменения высоты Н параболоида, которая должна быть не менее
r(cos α + 1)cos α /sin² α где r радиус посадочного места концентратора на держателе.

Предлагаемый светодиод работает следующим образом.

Генерируемое в кристалле при протекании прямого тока излучения прямого тока излучение выходит из кристалла в среду концентратора.

Лучи 7, близкие к гомоцентрическим, преломляются поверхностью линзы и направляются практически вдоль оси прибора.

Боковые лучи 8 попадают на поверхность параболоида и отражаются тоже в направлении оси прибора, тем самым осуществляется концентрация большей части излучения кристалла в направлении геометрической оси светодиода. За счет этого многократно повышается максимальная сила излучения по сравнению с обычным светодиодом. Поскольку в предлагаемой конструкции подобраны оптимальные соотношения размеров концентрации и он выполнен в виде единого тела, то достигается увеличение максимальной силы излучения и по сравнению с известным диодом-прототипом. Последний признак выполнение концентратора в виде единого тела обеспечивает высокую механическую прочность светодиода.

Для повышения эффективности работы концентратора целесообразно нанесение отражающего покрытия на боковые стенки параболоида и просветляющего покрытия на поверхность линзы и торцовую поверхность параболоида.

Предлагаемое техническое решение было реализовано на несколько типах светодиодов. Для изготовления диодов использовались излучающие кристаллы из GaAs(Si)- λ0,93 мкм, из AlGaAs с λ 0,87 мкм и λ 0,67 мкм.

Для формирования концентратора изготавливались заливочные формы из силиконовой резины. Один из вариантов техпроцесса предусматривал отдельное изготовление концентратора и его последующую приклейку на держатель с излучающим кристаллом.

Другой вариант держатель с кристаллом помещается в заливочную форму, заполненную эпоксидным компаундом ОП-1П, и вся сборка выдерживается при температуре 120^оС в течение 6 ч. При этом происходит полимеризация компаунда и по ее окончании получается готовый светодиод с концентратором.

П р и м е р 1. Для сопоставления были взяты излучающие диоды АЛ107 обычной конструкции и изготовленные диоды АЛ 107 с концентратором, который в данном случае имел следующие размеры: H=6 мм, r=1,2 мм L (максимальный диаметр параболоида)= 7,8 мм. При обмере светотехнических параметров были получены следующие результаты при I_пр=100 мА.

П р и м е р 2. Аналогичное сопротивление параметров проведено и на мощном излучающем диоде АЛ148. Размеры концентратора в данном случае были следующие: H=10 мм, r=2 мм, L=12 мм результаты измерений при I_пр=1 А в табл. 2.

По результатам измерений очевидно, что использование предлагаемого технического решения позволяет существенно уменьшить угол излучения диода, т.е. сконцентрировать поток излучения в узкий пучок. При этом, как видно из таблиц, максимальная сила излучения возрастает в 5-10 раз и более. В настоящее время изготавливаются пуансоны для заливочных форм с целью изготовления излучающих диодов с углом излучения 10, 5 и 2^о.

Экспериментальные образцы диодов предлагаемой конструкции прошли испытания на термоциклирование и на устойчивость к механическим воздействиям.

Результаты испытаний показали, что данные диоды удовлетворяют требованиям по механике и кинематике, которые предъявляются к излучающим диодам с полимерной герметизацией.

Использование: изобретение относится к полупроводниковым источникам некогерентного излучения. Сущность изобретения: концентратор излучения выполнен в виде параболоида, задняя поверхность которого отражает излучение в направлении оси прибора, и полусферической линзы в углублении на передней поверхности, а излучающий кристалл размещен в общем для линзы и отражателя фокуса. Соотношение размеров параболоида и линзы обеспечивает концентрацию излучения в малом телесном угле. На заднюю поверхность с линзой - просветляющее покрытие. 1 ил.

1. СВЕТОДИОД, содержащий кристалл на держателе, на котором сформирован светопроницаемый отражатель, задняя поверхность которого имеет форму купола, в частности, с параболической поверхностью, и с углублением на передней поверхности, дном которого является линза со сферической поверхностью, отличающийся тем, что, с целью повышения максимальной силы излучения и механической прочности светодиода, фокус линзы совмещен с фокусом параболоида и кристаллом, а апертурный угол α линзы не превышает угла a_м, где α_м есть решение транцендентного уравнения tgα_м = sinα_м/[n₂/n₂-n₁]+[1-cos(α_м+γ)] при γ = arcsin(n₁/n₂), n₁, n₂ показатель преломления материала линзы и среды; а высота параболоида не менее величины r(cosα+1)cosα/sin²α, где r радиус посадочного места отражателя на держателе. 2. Светодиод по п. 1, отличающийся тем, что на боковую поверхность отражателя нанесено отражающее покрытие, а на его торцовую поверхность и поверхность линзы нанесено просветляющее покрытие.