Brevet FR2027965A1 — publié le 19701002

La présente invention concerne un nouveau dispositif d'émission d'onde électromagnétique/ plus spécifiquement, la présente invention concerne un dispositif d'émission d'onde électromagnétique présentant une efficacité de sortie augmentée et un procédé de préparation de ce nouveau dispositif. 5 On sait dans l'art antérieur prolonger la durée de vie des dispositifs semi conducteurs, tels que les transistors, les diodes électroluminescentes et les similaires, en les enrobant dans un matériau résineux. Cependant, l'art antérieur ne suggère pas l'utilisation dé tels matériaux pour enrober les lasers semiconducteurs, c'est à dire, les lasers à injection. On ne trouve non plus 10 aucune suggestion, dans l'art antérieur, relative aux effets positifs sur les caractéristiques de fonctionnement des lasers à insertion dûs à leur enrobage par de tels matériaux. Dans le passé on a désiré enrober ou encapsuler des lasers à injection, principalement, pour renforcer la structure fragile du laser et de son montage. 15 Cependant, il existe plusieurs facteurs qui, jusqu'à maintenant, ont empêché l'enrobage des lasers à injection. On pensait que normalement la densité de courant de seuil, un paramètre critique, serait augmentée en entourant les extrémités de réflexion du laser avec une substance présentant un indice de réfraction plus grand que l'unité. On pensait aussi qu'un autre paramètre, l'efficacité 20 du laser, serait altéré du fait de l'absorption de la radiation par le matériau d'enrobage. De plus, du fait de la structure fragile du laser on pensait que à la contraction, les matériaux d'enrobage exerceraient des pressions tellement élevées sur le laser, que le laser serait écrasé. F.M. Ryan et R.C. Miller, dans une publication ayant pour titre "The Effect of Uniaxial Strain On The 25 Threshold Current and Qutput of GaAs Lasers", Applied Physics Letters 3, 9, 162 [1963] ont démontré que des pressions de l'ordre de 6.500 atmosphères pouvaient être appliquées à un laser à injection sans le fracturer. Ils ont aussi démontré que sous des pressions plus élevées, la densité de courant de seuil diminuait et que l'efficacité de sortie du dispositif augmentait. La publication 30 cependant , ne suggère pas que l'augmentation de pression puisse être maintenue d'une façon pratique, c'est à dire, en enrobant le dispositif dans un matériau d'enrobage convenable. Selon la présente invention, on construit un nouveau dispositif d'émission d'onde électromagnétique présentant des caractéristiques de fonctionnement amé-35 liorées. Dans une réalisation préférée, on encapsule un laser GaAs dans un matériau d'enrobage convenable. Le matériau d'enrobage au refroidissement, fournit une pression élevée autour du dispositif et de son montage. Dû à cette pression, le dispositif enrobé, en plus d'une solidité accrue, d'une structure durable et d'une durée de vie augmentée, présente aussi des caractéristiques 40 de fonctionnement améliorées,'telles que la diminution de sa densité de 69 34243 2 2027965 courant de seuil et une efficacité plus élevée. On augmente l'efficacité du dispositif d'au moins 100% ou plus. Un objet de la présente invention est de fournir un nouveau dispositif d'émission d'onde électromagnétique. 5 Un autre objet de la présente invention est de fournir un dispositif d'émis sion d'onde électromagnétique enrobé présentant une densité de courant de seuil plus faible et une efficacité augmentée. Un autre objet de la présente invention est de fournir un dispositif d'émis sion d'onde électromagnétique enrobée présentant une structure durable avec 10 une durée de vie améliorée. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de l'exposé qui suit fait en référence aux dessins annexés à ce texte et qui représentent un mode de réalisation préféré de celle-ci. La figure 1 représente un laser semiconducteur enrobé caractéristique et 15 son montage. La figure 2 représente une vue en coupe de la figure 1 selon l'axe 2-2. La figure 3 représente un graphique décrivant et comparant les courants d'entrée en fonction de la sortie de lumière d'un laser GaAs enrobé et du même laser avant l'enrobage. 20 On doit comprendre que les termes enrobage et encapsulage sont ici utilisés coirme synonyme. Il en est de même pour les termes matériau d'enrobage et matériau d'encapsu lage. En référence aux figures 1 et 2, on représente un dispositif semiconducteur 25 1 dans son montage de dissipation de chaleur. Le dispositif 1 est monté dans son montage de dissipation de chaleur désigné en général par le numéro 11, selon une version modifiée de l'invention décrite dans le brevet français N°1.453.192 déposé par la demanderesse le 12.11.1965. Le dispositif 1 est disposé centralement entre des éléments planaires 3 et 5 qui sont liés rigidement 30 à une extrémité sur une cale isolante 7. L'épaisseur de la cale 7 est la même que celle du dispositif 1, éliminant ainsi la nécessité de courbure transversale dans l'élément planaire supérieur 3 comme on le représente dans les figures 1, 3 du brevet cité ci-dessus. Aussi, les extrémités du dispositif des éléments planaires 3 et 5 sont évasées de telle sorte que le dispositif 1 puisse être 35 disposé sur l'axe longitudinal du montage 11. L.'axe longitudinal du dispositif 1 est encore perpendiculaire à l'axe longitudinal du montage, bien qu'il soit quelquefois monté parallèlement. Les éléments planaires 3 et 5 sont formés de matériau conducteur élastique présentant de bonnes propriétés de conduction thermique st de plus, des coef-40 ficients de dilatation linéaire compatibles avec celui du matériau semiconduc 6934243 3 2027965 teur formant le dispositif 1 représenté ici sous forme d'un laser à diode GaAs. Les matériaux convenables pour former les éléments 3 et 5 comprennent le molybdène [Mo], le cuivre (Cu), l'argent (Ag], le tungstène [W] etc... Par exemple, lorsque les éléments 3 et 5 sont formés de matière première ordinaire recuite, 5 il n'est pas nécessaire qu'ils soient de pureté exceptionnelement élevée. Cependant, pour des performances optimales, la conduction thermique et électrique la plus élevée est préférable. Les éléments 3 et 5 sont écartés de façon critique pour permettre l'insertion du laser à diode 1 et permettre des contacts à pression ferme. 10 La cale 7 est formée d'un matériau isolant approprié, par exemple de GaAs semi-isolant, de"pyrex", de verre,de céramique, d'oxyde de béryllium [BeO], d'oxyde d'aluminium [Al^g] ou d'autres matériaux isolants ayant de bonnes propriétés mécaniques. Par exemple, on utilise souvent un époxyde renforcé de fibre de verre. L'épaisseur de la cale 7, comme indiquée ci-dessus, est la même 15 que celle du dispositif 1. On désire aussi que la contraction thermique de la cale 7 sait supérieure à celle du dispositif 1 de telle sorte que lorsqu'on l'immerge dans un bain liquide de réfrigérant, par exemple, l'azote liquide (77°K) non représenté, le dispositif 1 soit soumis à une contrainte de compression impartante qui est désirable. Cependant, cette contrainte de compression 20 importante n'est pas suffisante pour abaisser de façon appréciable la densité de courant de seuil du dispositif ou pour augmenter son efficacité de sortie. Lorsque le dispositif 1 et son montage d'élément de dissipation de chaleur représentés par le N°11, est préparé selon le procédé du brevet précité, ledit procédé-étant utilisé ici, il est disposé dans un moule contenant un matériau 25 d'enrobage pour former l'enrobage 9. Le matériau d'enrobage ou d'encapsulage est un matériau choisi dans le groupe des époxydes, des résine polyester, des caoutchoucs au silicone, des polymères de styrène, des polyuréthanes, des polymères inorganiques, des verres et des similaires. Le matériau d'enrobage doit être transparent à la lumière afin de ne pas absorber de façon appréciable la 30 lumière émise par la diode laser 1. La température de recuit du matériau utilisé doit être de préférence inférieure à 125°C. De plus, le matériau doit présenter un coefficient de dilatation thermique tel que au refroidissement, la diminution de volume du matériau exerce une compression uniaxiale ou hydrostatique sur le dispositif 1 et son montage 11 de l'ordre de 2.500 à environ 6.400 atmosphè-35 res. Similairement, il est désirable d'utiliser un matériau d'enrobage qui lors du recuit diminue en volume afin d'exercer la même compression qu'au refroidissement. Dans une réalisation préférée de la présente invention, on utilise le de DER 332, un éther/diglycidyl, et de bisphénol A, préparé par la compagnie Dow Chemical. On ajoute de la Triéthylène tétramine, comme agent de traitement. 40 La résine présente un poids équivalent d'époxy d'environ 172 à 176. On trouve - ■' y» - 6934243 2027965 que le DER 332 traité a un coefficient de dilatation thermique dde l'ordre de —6/o _g/o 40 x 10 C à environ 50 x 10 C compris entre la température ambiante et 77°K. Ces matériaux présentent aussi un indice de réfraction d'environ 1,53 O mesuré à la longueur d'onde de 9.000 A. La contraction en volume de l'époxyde 5 applique une pression à la diode laser 1 ce qui entraîne un meilleur contact thermique entre la diode laser 1 et les éléments 3 et 5, aussi bien qu'une amélioration des caractéristiques d'injection à la jonction P-N de la diode laser I. Dans une réalisation préférée, une diode laser GaAs 1 placée dans son mon-10 tage de dissipation de chaleur 11 est insérée dans un moule cylindrique traité au silicone contenant l'époxyde. On laisse durcir la résine à température ambiante de 8 heures à environ 16 heures après quoi on la traite dans un four è une température d'environ 75°C durant 2 heures. L'assemblage enrobé représenté en général sous le N°2 dans les figures 1 et 2 est âté de son moule et est 15 refroidi à 77°K. et l'on fait fonctionner la diode laser. Comme on le voit dans la figure 3, représentant le courant d'entrée, c'est à dire la densité de courant de seuil, en fonction de la sortie de lumière en watts, la diode laser 2 enrobée a une efficacité Cn3 de 60%. On voit en outre dans la figure 3 que pour un courant d'entrée donné le dispositif enrobé 2 donne une sortie de lu-20 mière supérieure à celle du même dispositif avant enrobage. Comme représent, le laser non enrobé présente une efficacité d'environ 30%. Les diodes enrobée; et non enrobée ont toutes les deux l'orientation (100). On a aussi utilisé des diodes ayant les orientations (111) et (110) et elles donnent des résultats semblables. 25 D'une façon semblable à celle ci-dessus, on a enrobé d'autres diodes lasers dans d'autres matériaux résineux et elles ont donné des résultats comparables à ceux représentés dans la figure 3. Par exemple, on a enrobé des diodes dans la Vorite 128, c'est à dire, un polyisocyanate préparé par la Cie Baker Castor Oil. Le polyisocyanate contient 10,6% d'isocyanate et un poids équivalent par 30 groupe isocyanate de 396. On mélange 100 parties en poids de polyisocyanate avec 42,7 parties en poids de Polycin 12, un durcisseur polyol préparé aussi par la Cie Baker Castor Oil. La Polycin 12 a un poids équivalent d'isocyanate de 169, un indice de fonction d'environ 4,2, une valeur d'hydroxyl de 327 et un numéro d'acide de 3,0. On dégaze le mélange et on le verse dans un moule 35 traité au silicone, dans lequel est suspendu la diode laser 1 et son montage II. Le mélange d'enrobage est traité à 100°C durant 4 heures. On trouve que le matériau enrobé présente un indice de réfaction ayant une valeur presque égale à celle donnée ci-dessus pour le DER 332. Il apparaitra immédiatement évident au spécialiste de l'art que d'autres 40 configurations d'enrobage peuvent être préparées. Par exemple, des configura- 6934243 5 2027965 tions sphériques et paraboliques sont aussi préparées en utilisant des moules appropriés. Bien que l'on ait décrit dans ce qui précède et représenté sur les dessins les caractéristiques principales de l'invention appliquées à un mode de réali-5 sation préféré de celle-ci, il est évident que l'homme de l'art peut y apporter toutes modifications de forme ou de détail qu'il juge utiles sans pour autant sortir du cadre de ladite invention. 6934243 6 2027965 REVENDICATIONS 1.- Dispositif d'émission d'onde électromagnétique caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour améliorer l'efficacité dudit dispositif tout en rédui 5 sant l'énergie d'entrée nécessaire à l'obtention d'une sortie dudit dispositif les dits moyens comprenant un matériau d'enrobage absorbant relativement peu les radiations et ayant la propriété caractéristique d'appliquer une pression sur ledit dispositif. 10 2.- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit dispo sitif d'émission d'onde électromagnétique est un dispositif laser semiconducteur . 3.- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit maté- 15 riau d'enrobage est un matériau choisi dans le groupe consistant des résines polyesters, des époxydes, des polyurethanes, des polystyrènes, des caoutchoucs au silicone, des polymères inorganiques et du verre. 4.- Dispositif selon la revendication 3 caractérisé sn ce que ledit matér 20 riau d'enrobage est un époxyde. 5.- Dispositif selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit matériau d'enrobage a un coefficient de dilatation thermique compris entre _c/o _6/^ 40 x 10 C à environ 50x10 C. 25 6.- Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que ladite résine époxy a un indice de réfraction d'environ 1,53 pour une longueur d'onde de 9.000 A. 30 7.- Procédé pour améliorer l'efficacité d'un dispositif d'émission d'onde électromagnétique caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes! a) l'encapsulage dudit dispositif dans un matériau transparent présentant la propriété caractéristique d'appliquer une pression sur ledit dispositif, pour améliorer l'efficacité dudit dispositif. 35 8.- Procécé selon la revendication 7 caractérisé en ne que ledit matériau est choisi dans le groupe consistant dss résines polyester, des époxydes, des polyurethanes, des polystyrènes, des caoutchoucs au silicone, des polymères inorganiques et du verre. 6934243 7 2027965 9.- Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce que le matérieu est un époxyde. 5 10.- Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit matériau _ 0 O y a un coefficient thermique de dilatation compris entre environ 40 x 10 C _gO ^ à environ 50 x 10 C. 10 11.- Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que ledit matériau a un indice de réfraction d'environ 1,53 pour une longueur d'onde de 9.000 A.