ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ОСЬЮ СИММЕТРИИ
SEMICONDUCTOR LIGHT EMITTING DEVICE WITH AN AXIS OF SYMMETRY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области светоизлучающих устройств, в частности к высокоэффективным твердотельным светоизлучающим устройствам на основе линеек лазерных диодов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Линейки лазерных диодов широко применяются в настоящее время для накачки мощных твердотельных лазеров, используемых для резки, сварки, шлифовки и термообработки поверхностей различных материалов во многих областях промышленности и медицине.
Обычно линейка лазерных диодов состоит из набора одиночных полосковых лазерных диодов, расположенных параллельно друг другу на общей подложке, которая используется в качестве теплоотвода, RU 2150164, RU 2455739. Такие линейки полосковых лазерных диодов излучают свет в одном определенном направлении в виде набора параллельных лучей.
Были также предложены одиночные лазерные диоды с цилиндрически симметричными резонаторами с выводом света в каком-то одном определенном направлении, либо параллельном оси симметрии резонатора, либо перпендикулярном оси симметрии, US 5343490, US 6134257, US 6333944, US 6519271, US 8326098, RU 2423764, RU 2431225, а также массивы, геометрически разнесенных в направлениях перпендикулярных их осям симметрии, осесимметричных лазерных диодов RU 2465699, US 2011/0163292 А1.
Для создания малогабаритного лазерного источника света, способного излучать свет в различных направлениях и имеющего диаграмму направленности дальнего поля излучения, близкую к осесимметричной, без использования формирующей оптики, было предложено использовать набор из блоков полосковых лазерных диодов, развернутых друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной к оси излучения, RU 2187183, опубл. 10.08.2002).
На сегодняшний день широкое распространение получили осветительные приборы с использованием светодиодов в качестве источников света. В частности, известна светодиодная лампа белого свечения, содержащая колбу с оптически прозрачными стенками с собранными в ней светодиодами, с оптическими осями, ориентированными преимущественно в пространстве полусферы перпендикулярно стенкам колбы, покрытой одним или смесью нескольких люминофоров, преобразующих в белое свечение большую часть излучения светодиодов, выбранных из группы светодиодов, генерирующих излучение в ультрафиолетовой, фиолетовой, голубой или синей области оптического спектра (патент RU 2408816 С2, опубл. 10.11.2010). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность обеспечения однородной засветки люминофора. Кроме этого, недостатком светоизлучающих устройств на светодиодах является необходимость увеличения размера чипа светодиода для увеличения интенсивности света. Это связано с насыщением интенсивности света с увеличением тока через светодиод из-за увеличения роли безизлучательной рекомбинации. Поэтому с увеличением тока интенсивность света в таких устройствах падает.
Задачей изобретения является создание полупроводникового светоизлучающего устройства белого света большой интенсивности светового излучения без увеличения размеров светоизлучающих элементов, обеспечивающего при этом однородную засветку люминофора.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается полупроводниковое светоизлучающее устройство белого света, имеющее ось симметрии, содержащее оптически прозрачный корпус, на боковые стенки которого нанесен слой люминофора, возбуждаемый ультрафиолетовым или голубым излучением, и два или более полупроводниковых светоизлучающих элемента, размещенных внутри корпуса. Отличается заявленное устройство тем, что полупроводниковые светоизлучающие элементы представляют собой лазерные диоды, выполненные из нитридов третьей группы и имеющие ось симметрии, причем лазерные диоды расположены последовательно на оси симметрии светоизлучающего устройства таким образом, что их оси симметрии совпадают между собой, при этом торцы лазерных диодов соединены так, что они находятся в электрическом и механическом контакте, и образуют линейку лазерных диодов, диаграмма направленности излучения которой перпендикулярна оси симметрии светоизлучающего устройства. При этом каждый из лазерных диодов может содержать дисковый оптический резонатор, или кольцевой оптический резонатор, или многоугольный оптический резонатор.
В предпочтительном варианте оптический резонатор может быть полым.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является обеспечение высокой степени однородности засветки люминофора в осесимметричных лампах при помощи множества лазерных диодов с осесимметричными резонаторами.
Однородность засветки достигается даже в случае применения лазерных диодов с дисковыми оптическими резонаторами, которые в обычных применениях обладают недостатком, заключающимся в том, что свет из дискового резонатора выходит в случайных точках края диска из-за дефектов полировки этого края. Однако в данном изобретении это свойство используется для достижения однородности возбуждения белого света при вращении лампы вокруг ее оси, а однородность возбуждения белого света вдоль оси лампы достигается использованием множества лазерных диодов, собранных в стопку.
Кроме того, предложенное изобретение позволяет увеличить интенсивность светового потока устройства по сравнению с лампами, использующими светодиоды, при сохранении габаритов светоизлучающих элементов. В случае лазерного возбуждения люминофора при токе выше некоторого порогового тока, наблюдается стимулированное излучение, которое резко повышает вероятность излучательной рекомбинации и, таким образом, подавляется безизлучательная рекомбинация и интенсивность света растет с увеличением тока, а не падает, как в случае использования светодиодов.
Использование в качестве светоизлучающих элементов лазерных диодов на основе нитридов III-группы позволяет эффективно получать свет видимого диапазона посредством возбуждения люминофора излучением голубого или ультрафиолетового света.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлен одиночный лазерный диод с дисковым оптическим резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 2.
На Фиг. 2 представлена цилиндрическая линейка лазерных диодов, имеющая ось симметрии и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 1.
На Фиг. 3 представлена схема цилиндрически симметричной лампы, излучающей белый свет и использующей люминофор для конверсии ультрафиолетового или голубого излучения в белый свет, а также использующей в качестве генератора ультрафиолетового или голубого излучения линейку лазерных диодов, представленную на Фиг. 2.
На Фиг. 4 представлен одиночный лазерный диод с полым дисковым оптическим резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 5.
На Фиг. 5 представлена цилиндрическая линейка лазерных диодов со сквозной полостью, имеющая ось симметрии и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 4.
На Фиг. 6 представлен одиночный лазерный диод с кольцевым оптическим резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 7.
На Фиг. 7 представлена цилиндрическая линейка лазерных диодов со сквозной полостью, имеющая ось симметрии и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 6.
На Фиг. 8 представлен одиночный лазерный диод с полым гексагональным резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 9.
На Фиг. 9 представлена гексагональная линейка лазерных диодов со сквозной гексагональной полостью, имеющая ось симметрии шестого порядка и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 8.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет прояснено ниже на нескольких примерах его осуществления. Следует отметить, что последующее описание этих примеров осуществления является лишь иллюстративным и не является исчерпывающим.
Пример 1. Цилиндрическая линейка голубых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
0.2
0.8
0.25
0.75
0.25
0.75
0.2
0.8
В данном примере осесимметричная линейка лазерных диодов состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/AlGaN/GaN/InGaN/GaN/InGaN/GaN/AlGaN/GaN, с дисковыми оптическими резонаторами.
18
-3
19
-3
20
-3
20
-3
Одиночный лазерный диод с дисковым оптическим резонатором представлен на Фиг. 1. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа, легированного кремнием с концентрацией 5·10 см и имеющего толщину 2 мкм, обкладочного слоя 3, твердого раствора  n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10 см, волноводного слоя 4 нитрида галлия, который содержит две  квантовые ямы шириной 2,5 нм, обкладочного слоя 5, твердого раствора  p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 10 см, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа, толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 10 см, и металлического p-контакта 7.
LD
LD
Цилиндрическая линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с дисковыми оптическими резонаторами представлена на Фиг. 2. Электрическое напряжение, питающее цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1, верхнего лазерного диода и через p-контакт 7, нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·V, где n - число лазерных диодов в линейке, и V напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V, и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7, нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активными квантовыми ямами, всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом, поскольку цилиндрическая линейка лазерных диодов имеет ось 8 симметрии, то свет 10 из нее будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии.
Применение цилиндрической линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена цилиндрическая линейка 12 лазерных диодов.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам цилиндрической линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует голубой свет 10, который излучается однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается однородная засветка люминофора 14, который частично конвертирует голубой свет в желтый и в результате смешения голубого и желтого света наружу выходит белый свет 18. Поскольку вся лазерная лампа обладает цилиндрической симметрией, то и белый свет 18 будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Пример 2. Полая цилиндрическая линейка ультрафиолетовых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
0.4
0.6
В данном примере осесимметричная линейка лазерных диодов состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/AlGaN/, с полыми дисковыми оптическими резонаторами.
18
-3
19
-3
20
-3
20
-3
Одиночный лазерный диод с полым дисковыми оптическим резонатором представлен на Фиг. 4. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа, легированного кремнием с концентрацией 5·10 см и имеющего толщину 2 мкм обкладочного слоя 3, твердого раствора n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10 см, волноводного слоя 4 , который содержит одну GaN квантовую яму шириной 3 нм, обкладочного слоя 5 твердого раствора  p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 10 см, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа, толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 10 см и металлического p-контакта 7. Лазерный диод содержит цилиндрическую полость 11, проходящую сквозь все слои его структуры, расположенную вдоль оси симметрии.
LD
LD
Цилиндрическая линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с полыми дисковыми оптическими резонаторами представлена на Фиг. 5. Электрическое напряжение, питающее цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1, верхнего лазерного диода и через p-контакт 7, нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·V, где n - число лазерных диодов в линейке и V напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V, и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7, нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активной квантовой ямой всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом, поскольку цилиндрическая линейка лазерных диодов имеет ось 8 симметрии, то свет 10 из нее будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии. Полая цилиндрическая линейка лазерных диодов содержит цилиндрическую полость 11, расположенную вдоль оси симметрии и проходящую сквозь все лазерные диоды. Наличие полости 11 позволяет прокачивать охлаждающую жидкость сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Применение полой цилиндрической линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена полая цилиндрическая линейка лазерных диодов 12.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам полой цилиндрической линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует ультрафиолетовый свет 10, который излучается однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается однородная засветка люминофора 14, который полностью конвертирует ультрафиолетовый свет в белый свет, и в результате наружу выходит белый свет 18. Через отверстия 17 к полой цилиндрической линейке 12 лазерных диодов подается также охлаждающая жидкость, которая проходит сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводит тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Поскольку вся лазерная лампа обладает цилиндрической симметрией, то и белый свет 18 будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Пример 3. Кольцевая цилиндрическая линейка голубых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
0.2
0.8
0.2
0.8
0.2
0.8
В данном примере осесимметричная линейка лазерных диодов состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/AlGaN/GaN/InGaN/GaN/AlGaN/GaN, с кольцевыми оптическими резонаторами.
18
-3
19
-3
20
-3
20
-3
Одиночный лазерный диод с кольцевым оптическим резонатором представлен на Фиг. 6. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа легированного кремнием с концентрацией 5·10 см и имеющего толщину 2 мкм, обкладочного слоя 3 твердого раствора  n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10 см, волноводного слоя 4 нитрида галлия, который содержит  квантовую яму шириной 3 нм, обкладочного слоя 5 твердого раствора  p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 10 см, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 10 см, и металлического p-контакта 7. Лазерный диод с кольцевым оптическим резонатором содержит цилиндрическую полость 11, проходящую сквозь все слои его структуры, расположенную вдоль оси симметрии.
LD
LD
Кольцевая цилиндрическая линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с кольцевыми оптическими резонаторами представлена на Фиг. 7. Электрическое напряжение, питающее кольцевую цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1 верхнего лазерного диода и через p-контакт 7 нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·V, где n - число лазерных диодов в линейке и V напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7 нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активной квантовой ямой всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом поскольку цилиндрическая линейка лазерных диодов имеет осью 8 симметрии, то свет 10 из нее будет излучаться однородно во всех направлениях,  перпендикулярных оси 8 симметрии. Кольцевая цилиндрическая линейка лазерных диодов содержит цилиндрическую полость 11, расположенную вдоль оси симметрии и проходящую сквозь все лазерные диоды. Наличие полости 11 позволяет прокачивать охлаждающую жидкость сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Применение кольцевой цилиндрической линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена кольцевая цилиндрическая линейка 12 лазерных диодов.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам полой цилиндрической линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует голубой свет 10, который излучается однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается однородная засветка люминофора 14, который частично конвертирует голубой свет в желтый свет, и в результате смешения голубого и желтого света наружу выходит белый свет 18. Через отверстия 17 к кольцевой цилиндрической линейке 12 лазерных диодов подается также охлаждающая жидкость, которая проходит сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводит тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Поскольку вся лазерная лампа обладает цилиндрической симметрией, то и белый свет 18 будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Пример 4. Полая гексагональная линейка ультрафиолетовых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
0.4
0.6
В данном примере линейка лазерных диодов имеет ось симметрии шестого порядка и состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/AlGaN/, с полыми гексагональными оптическими резонаторами.
18
-3
19
-3
20
-3
20
-3
Одиночный лазерный диод с полым гексагональным оптическим резонатором представлен на Фиг. 8. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа, легированного кремнием с концентрацией 5·10 см и имеющего толщину 2 мкм, обкладочного слоя 3 твердого раствора n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 10 см, волноводного слоя 4 , который содержит одну GaN квантовую яму шириной 3 нм, обкладочного слоя 5 твердого раствора  p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 10 см, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа, толщиной 0, 1 мкм, легированный магнием с концентрацией 10 см, и металлического p-контакта 7. Лазерный диод содержит гексагональную полость 11, проходящую сквозь все слои его структуры, расположенную вдоль оси симметрии.
LD
LD
Полая гексагональная линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с полыми гексагональными оптическими резонаторами представлена на Фиг. 9. Электрическое напряжение, питающее цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1 верхнего лазерного диода и через p-контакт 7 нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·V, где n - число лазерных диодов в линейке и V напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V, и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7 нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активной квантовой ямой всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом, поскольку полая гексагональная линейка лазерных диодов имеет ось 8 симметрии шестого порядка, то свет 10 из нее будет излучаться почти однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии. Полая гексагональная линейка лазерных диодов содержит гексагональную полость 11, расположенную вдоль оси симметрии и проходящую сквозь все лазерные диоды. Наличие полости 11 позволяет прокачивать охлаждающую жидкость сквозь линейку лазерных диодов, и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Применение полой гексагональной линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена полая гексагональная линейка 12 лазерных диодов.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам полой гексагональной линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует ультрафиолетовый свет 10, который излучается почти однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается почти однородная засветка люминофора 14, который полностью конвертирует ультрафиолетовый свет в белый свет, и в результате наружу выходит белый свет 18. Через отверстия 17 к полой гексагональной линейке 12 лазерных диодов подается также охлаждающая жидкость, которая проходит сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводит тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Поскольку вся лазерная лампа обладает осью симметрии шестого порядка, то и белый свет 18 будет излучаться почти однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано примерами вариантов осуществления изобретения, необходимо отметить, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено приведенными примерами.