ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR RADIATION SOURCE

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, покрывающие 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 соединяется с металлизацией, окружающей соседнее металлизированное углубление [1]. В источнике света используются две соединенные 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 излучающий диод, 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 бóльшую 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.
Недостатком устройства-прототипа является необходимость использования для его питания нестандартных источников питания, напряжение которых должно быть выбрано в пределах приблизительно от 1,2 В (для источников инфракрасного излучения) до 5,5 В (для источников видимого излучения), что приводит к трудностям применения устройства-прототипа. 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. Недостатком устройства-прототипа также является ограниченная область его применения. Например, такое устройство проблематично использовать в информационных системах и системах закрытой связи.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Задача, на достижение которой направлено предлагаемое решение, - расширение функциональных возможностей устройства-прототипа. Решение поставленной задачи достигается тем, что в полупроводниковом источнике излучения, содержащем корпус, выполненный из электропроводящего материала с высоким коэффициентом теплопроводности, внешняя поверхность которого имеет цилиндрическую форму, а внутренняя - параболическую с высоким коэффициентом отражения излучения, 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, на нижнюю и верхнюю поверхности которой нанесены металлические площадки и на которой с верхней стороны размещена прямоугольная матрица излучающих диодов, выполненных в виде p-p-n-мезоструктур, в матрице каждая p-p-n-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, металлическая площадка, нанесенная на нижнюю поверхность прямоугольной диэлектрической пластины, гальванически соединена с днищем корпуса, в днище корпуса выполнены три отверстия, через два из которых проходят первый и второй электрические выводы матрицы мезоструктур, 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, верхние металлические площадки диэлектрической пластины выполнены раздельными для всех нижних металлических слоев мезоструктур и для дополнительно введенных металлических площадок - по одной крайней для каждого ряда матрицы, металлические площадки диэлектрической пластины, являющиеся нижними металлическими слоями мезоструктур, выходят за пределы последних в каждом ряду матрицы в одном направлении, и концы крайних из них доходят до ближайшего края диэлектрической пластины, дополнительные металлические площадки доходят до другого края диэлектрической пластины, ширина всех названных металлических площадок на верхней поверхности диэлектрической пластины выбрана равной ширине нижних металлических слоев мезоструктур, все металлические площадки в каждом ряду отделены друг от друга одинаковыми зазорами, с двух боковых сторон диэлектрической пластины параллельно столбцам матрицы выполнены прямоугольные выемки, на боковые поверхности которых нанесены слои металла, не доходящие до их нижних ребер, крайние металлические площадки в рядах мезоструктур замкнуты имеющими форму прямоугольных полосок слоями металла, доходящими до верхних ребер прямоугольных выемок и гальванически соединенными с их боковыми слоями металла, нижняя металлическая площадка диэлектрической пластины отделена от нижних краев прямоугольных выемок и нижних краев других частей диэлектрической пластины зазорами, между всеми соседними мезоструктурами в рядах, между рядами мезоструктур и с внешних сторон всех крайних мезоструктур размещен слой диэлектрика, доходящий до уровня верхних металлических слоев мезоструктур, в каждом ряду матрицы в слое диэлектрика над частями металлических площадок, выходящими за пределы нижних металлических слоев мезоструктур, и над дополнительными металлическими площадками выполнены прямоугольные поперечные щели, ширина которых равна ширине нижних металлических слоев мезоструктур в рядах матрицы и стенки которых покрыты слоями металла, в нижней части металлизированные щели гальванически соединены с названными частями металлических площадок, выходящими за пределы нижних металлических слоев мезоструктур, и с дополнительными площадками, а в верхней части металлизированные щели гальванически соединены при помощи дополнительно нанесенных на слой диэлектрика слоев металла с верхними металлическими слоями соседних мезоструктур, образуя в каждом ряду цепочку из последовательно согласно соединенных излучающих диодов, омические контакты к n-слою и верхние металлические слои мезоструктур выполнены в виде сетки, а электрические выводы матрицы гальванически соединены со слоями металла, нанесенными на боковые прямоугольные выемки.
В частном случае все мезоструктуры во всех рядах матрицы соединены последовательно согласно, и количество мезоструктур в рядах выбирается равным частному от деления стандартного постоянного напряжения источника питания на значение прямого напряжения на одной мезоструктуре, находящегося в диапазоне рабочих значений прямого напряжения одной мезоструктуры.
В частном случае число рядов в матрице выбрано четным, и в первой половине рядов мезоструктуры дополнительные металлические площадки диэлектрической пластины подсоединены к первому электрическому выводу матрицы, а во второй половине рядов мезоструктуры дополнительные металлические площадки подсоединены ко второму электрическому выводу матрицы, при этом в качестве источника напряжения матрицы мезоструктур используется стандартный источник переменного напряжения, и количество мезоструктур в рядах матрицы выбирается равным частному от деления стандартного переменного напряжения источника питания на значение падающего на двух соединенных встречно-параллельно мезоструктурах переменного напряжения, находящегося в диапазоне оптимальных значений переменного напряжения, падающего на такой паре мезоструктур.
В частном случае первую половину рядов матрицы мезоструктур составляют нечетные ряды, а вторую половину - четные.
На фиг.1 приведена конструкция предлагаемого полупроводникового источника излучения, на которой матрица мезоструктур изображена в упрощенном виде (на проекции устройства «вид сверху» отсутствуют оптически прозрачная крышка, кольцевая прокладка и круглая накидная гайка), на фиг.2 - конструкция прямоугольной диэлектрической пластины с размещенной на ее верхней поверхности матрицей мезоструктур, на фиг.3 - в увеличенном масштабе части прямоугольной диэлектрической пластины, части отдельных мезоструктур и части других элементов матрицы мезоструктур, на фиг.4 изображена электрическая схема матрицы мезоструктур, предназначенная для питания от источника постоянного или импульсного напряжения, на фиг.5 и 6 - две схемы матриц мезоструктур, предназначенные для питания от источника переменного напряжения. Форма переменного напряжения и его частотный спектр могут быть самым разными. Это и синусоидальные колебания различной частоты, и частотно-модулированные колебания, и биполярные импульсы. Схемы матриц, представленные на фиг.5 и 6, могут использоваться, в частности, для закрытой связи в инфракрасном диапазоне волн.
+
+
+
+
+
На фиг.1-3 обозначено: 1 - металлический корпус; 2 - отражающий оптическое излучение зеркальный слой; 3 - выступающая за внешнюю стенку корпуса кольцевая часть; 4 - одно из отверстий в выступающей части 3 для крепления к днищу корпуса внешнего радиатора; 5 - оптически прозрачная крышка корпуса; 6 - кольцевая прокладка; 7 - круглая накидная гайка; 8 и 9 - первое и второе отверстия в днище корпуса для размещения в них проходных диэлектрических втулок; 10 отверстие в днище корпуса-сосуда, изготовленное для размещения в нем гибкой диафрагмы; 11 - гибкая диафрагма; 12 - трубчатый винт; 13 - прямоугольная диэлектрическая пластина; 14 - нижний металлический слой (площадка) прямоугольной диэлектрической пластины, гальванически соединенный с днищем корпуса; 15 - прямоугольная матрица мезоструктур (излучающих диодов); 16 и 17 - первая и вторая прямоугольные боковые выемки в прямоугольной диэлектрической пластине 13; 18 и 19 - слои металлизации, нанесенные на боковые поверхности выемок 16 и 17; 20 и 21 - первая и вторая металлические полоски, размещенные над крайними металлическими площадками в рядах матрицы мезоструктур и гальванически соединенные с ними; 22 и 23 - первая и вторая проходные диэлектрические втулки; 24 и 25 - первый и второй электрические выводы матрицы мезоструктур, гальванически соединенные с первой боковой металлизированной выемкой 16 и первой металлической полоской 20 с одной стороны и со второй боковой металлизированной выемкой 17 и второй металлической полоской 21 с другой стороны; 26 - теплопроводящая, не замерзающая при отрицательных температурах внешней среды жидкость, размещенная внутри корпуса; 27 - нижний металлический слой и омический контакт к p-слою мезоструктуры; 28 - p-слой; 29 - p-слой; 30 - n-слой; 31 - омический контакт к n-слою и верхний металлический слой мезоструктуры; 32 - продолжение нижней металлической площадки мезоструктуры, выходящей за пределы последней; 33 - дополнительная нижняя металлическая площадка; 34 - диэлектрический слой; 35 - прямоугольная металлизированная щель; 36 - дополнительный верхный металлический слой (площадка), соединяющий верхний металлический слой мезоструктуры с прямоугольной металлизированной щелью 35; 37 - верхний металлический слой и омический контакт к n-слою, выполненные в виде сетки.
Корпус 1 изготавливают из металла или сплава, обладающего высоким коэффициентом теплопроводности, например меди, сплава меди и молибдена, силумина (сплава кремния и алюминия), алюминия. Отражающий оптическое излучение слой 2 наносят распылением на внутреннюю поверхность корпуса 1 алюминия, меди или серебра. Прямоугольную диэлектрическую пластину 13 изготавливают из карбида кремния, бериллиевой или нитридной керамики, или других диэлектрических материалов, величины коэффициентов теплопроводности которых близки к значению коэффициента теплопроводности меди или алюминия. Слой металла 14, нанесенный на нижнюю поверхность диэлектрической пластины 13, изготавливают из золота или меди, обладающих высокими коэффициентами теплопроводности и большой пластичностью. Оптически прозрачную крышку 5 корпуса изготавливают из материала, прозрачного для излучаемой волны, например для видимого света и ближнего инфракрасного излучения (до 2,7 мкм) из стекла.
Благодаря большому коэффициенту теплопроводности диэлектрической пластины 13, слоя металла 14 и днища корпуса выделяемое в матрице мезоструктур 15 тепло эффективно отводится через ее нижнюю часть. Отвод тепла с верхней поверхности матрицы мезоструктур 15 происходит в основном за счет конвекционных потоков, формируемых внутри жидкости 26. Коэффициент теплопроводности жидкости 26 приблизительно на два порядка меньше коэффициентов теплопроводности металлов. Например, коэффициент теплопроводности этилового спирта, который может использоваться в качестве теплопроводящей жидкости 26, равен 1,76 Вт/(м·К), а коэффициенты теплопроводности алюминия и меди - 209,3 Вт/(м·К) и 389,6 Вт/(м·К). С увеличением тепловой мощности, рассеиваемой мезоструктурой, эффективность теплоотвода через жидкость возрастает за счет возрастания скорости конвекции. При включении диодов в матрице по схеме, изображенной на фиг.4, и их работе в импульсном режиме и при включении диодов в матрице по схемам, изображенным на фиг.5 и 6 (когда каждый диод работает в импульсном режиме), отвод тепла с верхней поверхности матрицы мезоструктур возрастает за счет дополнительного увеличения коэффициента теплопроводности жидкости [3].
Гибкая диафрагма 11 демпфирует изменение давления в находящейся внутри корпуса 1 жидкости 26 при изменении ее температуры.
+
+
Каждый излучающий диод (каждая мезаструктура) работает следующим образом. При пропускании через него прямого тока осуществляется инжекция электронов и дырок в p-слой 29, в котором происходит их излучательная рекомбинация, сопровождающаяся образованием оптических квантов, значительная часть которых выходит за пределы мезоструктуры. Поскольку контактная площадка 27 со стороны p-слоя 28 имеет зеркальную поверхность, а со стороны n-слоя 30 мезоструктуры выполнена в виде редкой сетки 37, то часть излучения проходит через эту сетку, попадает в оптически прозрачную жидкость 26, достигает оптически прозрачную крышку 5 непосредственно и выводится сквозь оптически прозрачную крышку 5 корпуса 1 в окружающее пространства, а часть излучения сначала достигает внутреннего зеркального слоя 2, отражается от него, достигает оптически прозрачную крышку 5 и также выводится сквозь оптически прозрачную крышку 5 корпуса 1 в окружающее пространство. Коэффициент преломления полупроводникового материала мезоструктуры больше, чем у жидкости 26. Поэтому жидкость 26 обеспечивает эффективный вывод излучения из полупроводникового кристалла.
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). Один его вариант позволяет работать на постоянном и импульсном токе, второй - на переменном токе различной частоты. Предлагаемый источник излучения также может использоваться в охранных устройствах и системах закрытой связи.
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.
3. Савиных Б.В., Зарипов В.Н., Усманов А.Г. Влияние электрических полей на коэффициент теплопроводности диэлектрических жидкостей. ИФЖ. 1981. Т.45, №2. С.269.