ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ
SEMICONDUCTOR RADIATION SOURCE

В настоящее время наиболее эффективными - яркими и одновременно мощными - полупроводниковыми источниками излучения являются многоэлементные модули на основе излучающих p-n мезоструктур. Повышение мощности излучения таких модулей в процессе их совершенствования при наличии исходного полупроводникового материала приемлемого качества достигается обычно за счет увеличения количества излучающих p-n мезоструктур в модуле и обеспечения эффективного отвода тепла от тепловыделяющих элементов.
Под полупроводниковыми источниками излучения (ИИ) мы понимаем источники инфракрасного излучения, видимого света и ультрафиолетового излучения.
Известны полупроводниковые многоэлементные ИИ, выполненные в виде гибридной схемы [1] и в виде монолитного светодиодного модуля [2]. В конструкции гибридной схемы [1] требуемый отвод тепла обеспечивается за счет пространственного разнесения диодов и использования держателя, выполненного из материала с достаточно высокой удельной теплопроводностью - монокристаллического кремния. В этом материале сформированы отражатели в виде ямок травления - углублений правильной формы с гладкими стенками, поверхность которых соответствует необходимому высокому классу чистоты обработки. Гибридные варианты обладают двумя существенными недостатками - они трудоемки в изготовлении и их яркость ограничена из-за разнесения светящихся элементов на значительное расстояние друг от друга.
В конструкции яркого монолитного светодиодного модуля [2] для p-n мезоструктур использована диэлектрическая подложка, изготовленная из материала с высокой удельной теплопроводностью, на поверхности которой сформированы соединенные между собой излучающие p-n мезоструктуры.
Излучающая матрица p-слоями p-n мезоструктур соединена с металлизацией теплопроводящей диэлектрической пластины металлической прослойкой, выполненной из пластичного металла, например из золота -материала, обладающего высокой удельной теплопроводностью.
Тыловой частью диэлектрическая пластина такой же металлической прослойкой соединена с держателем, выполненным из металла с высокой удельной теплопроводностью и имеющим коэффициент термического расширения, близкий к аналогичной величине для материала диэлектрической пластины.
ИИ заключен в корпус-рефлектор, заполненный теплопроводной прозрачной просветляющей жидкостью, которая обеспечивает эффективный вывод излучения из кристалла и одновременно служит средой для дополнительного отвода тепла.
Достоинствами такого технического решения являются:
- потенциально достижимая высокая яркость ИИ;
TJG
- относительно низкая величина теплового сопротивления модуля R на участке от p-n переходов до тыловой металлизации диэлектрической пластины;
- малое последовательное электрическое сопротивление модуля;
- отсутствие в топологии модуля проволочных соединений;
- высокий коэффициент использования полупроводникового кристалла.
+
+
Недостатком технического решения, описанного в патенте [2], является отсутствие возможности использования стандартных источников питания, поскольку для работы на прототип подается питание от источника тока и при этом на нем падает напряжение, приблизительно равное прямому падению напряжения на диоде с p-p-n переходами.
В прототипе [3] данный недостаток устранен за счет формирования последовательно-параллельного соединения отдельных p-n мезоструктур в единой монолитной интегральной схеме.
Однако при предельной концентрации излучения на малой площади в монолитном ИИ остается естественная проблема эффективного отвода тепла от излучающего кристалла.
TGC
TGC
TJG
TJG
TGC
TGC
Основным недостатком прототипа является наличие заметного теплового сопротивления R на участке от тыловой металлизации диэлектрической пластины до внешней поверхности корпуса изделия. Величина R может быть сопоставима с тепловым сопротивлением на участке от p-n перехода тыловой металлизации диэлектрической пластины R или, в зависимости от величины суммарной площади излучения, может быть больше величины R. Действительно, величина R влияет на излучающие возможности источника особенно сильно в случае, когда необходимо значительно увеличить суммарную площадь элементов излучения в полупроводниковом ИИ. По сравнению с гибридным вариантом построения ИИ [1] для прототипа [3] характерно очень плотное расположение излучающих элементов (ИЭ). Обычно расстояние между ИЭ в гибридном источнике [1] более чем в пять раз превышают линейный размер самого ИЭ, что связано с необходимостью формирования эффективных отражателей для каждого ИЭ в держателе из кремния. Поэтому в монолитном варианте построения ИИ при прочих равных условиях величина теплового сопротивления R, по крайней мере, в 25 раз превышает аналогичную величину для монолитного источника [2, 3].
В связи с этим в монолитном ИИ [2, 3] для снижения общего теплового сопротивления излучающего устройства применено жидкостное охлаждение ИЭ. Но полностью компенсировать возрастание теплового сопротивления при возрастании количества элементарных ИИ и суммарной их площади выше некоторого предела оказывается невозможным.
2
Действительно, при создании компактного монолитного ИИ с малой величиной теплового сопротивления на участке от излучающих p-n переходов матрицы - до металлизации обратной стороны диэлектрического слоя при толщине теплопроводящего слоя, выполненного из нитрида алюминия толщиной 500 мкм, тепловое сопротивление, приходящееся на 1 мм площади матрицы, составляет величину не более 2,5 К/Вт. Очевидно, что конструктивно трудно обеспечить хотя бы такое же по величине малое тепловое сопротивление на участке от тыловой металлизации до внешней поверхности корпуса.
Техническая задача отвода тепла еще более усложняется, если требуется создать ИИ с очень большим количеством компактно расположенных элементарных источников света p-n мезоструктур. В этом случае даже использование дополнительного конвекционного теплообмена через оптически прозрачную жидкую среду, в которую они погружены, как это предусмотрено в прототипе, не позволяет обеспечить необходимый отвод тепла и поддержать тепловой режим работы p-n мезоструктур, при котором коэффициент полезного действия изделия еще соответствует техническим требованиям. Сопутствующая техническая задача заключается в отыскании конструкции источника света с компактно расположенными p-n мезоструктурами на большой площади.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - уменьшение теплового сопротивления ИИ и увеличение излучаемой источником мощности, создание конструкции ИИ, позволяющей получать изделия светотехники с большой площадью излучения компактно расположенных светоизлучающих матриц и создание способа изготовления такого источника света. Кроме этого, при наличии плотного расположения элементарных ИИ решается задача получения ИИ с наиболее высокой плотностью мощности (яркости) излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом источнике света, состоящем из монолитной светодиодной матрицы, сформированной на теплопроводящей диэлектрической подложке и установленной на кристаллодержателе, кристаллодержатель состоит из двух основных, герметично соединенных друг с другом по периферии верхней и нижней теплопроводящих пластин так, что между ними образуется внутренняя полость, при этом верхняя пластина выполнена со сквозным отверстием, края которого герметично соединены с периферией тыловой части теплопроводящей диэлектрической подложки; во всей образовавшейся поверхности внутренней полости, состоящей из внутренней поверхности верхней и нижней теплопроводящих пластин кристаллодержателя и тыловой поверхности теплопроводящей диэлектрической подложки, сформирован единый капиллярный слой из взаимно пересекающихся множественных канавок, размеры поперечного сечения которых обеспечивают эффективное смачивание и заполнение их рабочим веществом, находящимся в двух агрегатных состояниях, жидком и газообразным; кроме этого, внутренняя полость заполнена пористым телом с размерами пор, обеспечивающими свободное перемещение рабочего вещества в газообразном состоянии, и эффективную конденсацию этого газа с образованием жидкости, поступающей по единому капиллярному слою к тыловой части теплопроводящей диэлектрической подложки; на лицевой части верхней пластины кристаллодержателя сформирован диэлектрический слой, который по толщине выровнен с верхним краем светоизлучающих p-n мезоструктур, и на поверхности этого слоя сформированы контактные площадки, предназначенные для подключения питания к монолитной матрицы светоизлучающих p-n мезоструктур, которые токоведущими дорожками соединены с входным и выходным контактами светоизлучающих p-n мезоструктур.
Предлагаемое техническое решение полупроводникового источника света отличается от прототипа тем, что в новом техническом решении кристаллодержатель выполнен как активное теплоотводящее устройство.
Предлагаемое техническое решение не является очевидным. Оно не тождественно тривиальному соединению конструкции полупроводникового ИИ, описанной в прототипе, с широко известным в технике теплопередающим устройством, которым является тепловая трубка [4]. Отличие состоит в том, что в предлагаемом техническом решении отсутствует промежуточный соединительный слой между диэлектрической подложкой эпитаксиальной пленки и тепловой трубкой, кроме этого, отсутствует также часть стенки тепловой трубки, расположенной под подложкой. Поэтому на пути потока тепла от полупроводникового источника света до внешнего теплоотвода нет теплового сопротивления промежуточного слоя и теплового сопротивления стенки тепловой трубки, расположенной под подложкой. Отличие также состоит в том, что на тыловой части теплопроводящей диэлектрической подложки сформирован капиллярный слой, что обеспечивает снижение теплового сопротивления диэлектрической теплопроводящей подложки.
И на самом деле, простое механическое соединение таких известных устройств, какими является полупроводниковый источник света (кристалл) и тепловая трубка, не приводит к желаемому эффекту. Дело в том, что в этом случае возникают следующие технические трудности.
1. Как правило, с целью обеспечения отвода большого потока тепла корпус тепловой трубки выполняют из металла с высокой удельной теплопроводностью, и в первую очередь для этой цели используются медь и сплавы алюминия. Однако коэффициент термического расширения меди и сплавов алюминия значительно превышает аналогичную величину для всех широко используемых полупроводниковых материалов и диэлектрического материала подложки полупроводникового кристалла. Поэтому непосредственный контакт материала держателя кристалла и корпуса тепловой трубки обязательно приводит к возникновению механических напряжений даже при очень небольшом изменении температуры.
2
2. Готовая тепловая трубка обладает очень малым тепловым сопротивлением и сравнительно низкой рабочей температурой, поэтому для соединения трубки с металлическим держателем невозможно использовать способы соединения пайки припоем или сварки, которые требуют повышенных температур. Поэтому наиболее распространенным способом соединения тепловой трубки с подложкой является клеевое соединение. Однако все типы клеев, в том числе и так называемые теплопроводящие клеи (например, с использованием наполнителя - порошка серебра, клей ТОК-2), обладают по сравнению с теплопроводящими металлами, например медью, алюминием, серебром, золотом, низкой удельной теплопроводностью (много менее одного процента по величине). Поэтому даже тонкие слои клея (на практике толщина клея превышает 20 мкм и одно это задает величину теплового сопротивления данного слоя, по крайней мере, равноценного тепловому сопротивлению слоя меди толщиной более 2 мм) дают большой вклад в тепловое сопротивление изделия. В расчете на площадь в 1 мм слоя меди толщиной 2 мм дает величину теплового сопротивления на уровне не менее 7 К/Вт. Вклад теплового сопротивления клеевого соединения становится особенно заметным, когда площадь ИЭ становится достаточно большой, что характерно для изделий, которые наиболее востребованы рынком и площадь которых ориентировочно находится в пределах от 5×5 мм до 20×20 мм (для источников света белого цвета излучения это приблизительно соответствует потокам излучения от 1000 до 30000 лм и рассеиваемым мощностям от 25 Вт до 500 Вт).
3. Способ использования механического прижима металлического держателя к поверхности тепловой трубки является малоэффективным из-за того, что как диэлектрическая пластина, так и держатель выполнены из тонкостенных материалов и поэтому из-за их деформации хорошего прижимного контакта по всей поверхности контакта в этих условиях добиться невозможно. Кроме этого, невозможно в условиях изгиба гарантированно обеспечить сохранение механической целостности всех элементов конструкции матрицы ИЭ.
Именно по этим причинам использование готовых тепловых трубок в конструкциях полупроводниковых изделий с высокой выделяемой удельной тепловой мощностью не дает ожидаемого эффекта.
Поэтому практическим решением проблемы реализации эффективного теплопереноса, характерного для тепловых трубок, является изготовление полупроводникового источника света с конструкцией кристаллодержателя, в которой имеются все элементы, характерные для конструкции тепловой трубки, но в которой исключен промежуточный слой, соединяющий держатель с кристаллом. В этом случае физическое соединение подложки кристалла с основанием кристаллодержателя может осуществляться по краям диэлектрической подложки при помощи пайки или термокомпрессии при высоких температурах. Только потом должна быть изготовлена вся внутренняя часть кристаллодержателя и тем самым обеспечена его работа в качестве тепловой трубки.
2,
2
И на самом деле современные тепловые трубки могут обеспечить отвод потенциально очень большого теплового потока, доходящего до 20 кВт/см от сильно нагретого источника тепла. При температурном перепаде между источником тепла и стенками тепловой трубки до 10 К, что представляет наибольший интерес для случая монолитных светодиодных матриц, отводимый поток тепла может достигать 2 кВт/см.
TGC
Действие кристаллодержателя, функционально представляющего собой тепловую трубку, эквивалентно увеличению эффективной площади поверхности, через которую обеспечивается отвод тепла от матрицы излучающих p-n мезоструктур. В этом случае в предположении о малости теплового сопротивления, вносимого самой тепловой трубкой, кратно уменьшается величина теплового сопротивления R на участке от тыловой металлизации диэлектрической пластины до внешней поверхности корпуса изделия.
Предлагаемая конструкция полупроводникового источника излучения с использованием кристаллодержателя, активно отводящего тепло от мощного кристалла и работающего по принципу тепловой трубки [4], имеет одну особенность. Она состоит в том, что площадь кристаллодержателя многократно превышает площадь кристалла. Поэтому материалы, используемые в конструкции кристаллодержателя, должны быть термомеханически согласованными и с диэлектрической подложкой кристалла и друг с другом. В предлагаемом техническом решении материалом крышки и основания корпуса является алюмооксидная керамика, которая хорошо согласуется по коэффициенту термического расширения с материалом диэлектрической подложки кристалла - керамики на основе нитрида алюминия. В качестве материала крышки и корпуса могут быть также использованы различные виды керамик, в том числе, например, керамика на основе нитрида алюминия, циркониевая керамика, бериллиевая керамика, различные по составу ситаллы. Возможно также использование для этих целей различных монокристаллических материалов, например сапфира, карбида кремния, алмаза. Кроме этого, допустимо использовать различные пары материалов для формирования крышки и основания корпуса, например, в качестве материала крышки можно выбрать алюмооксидную керамику, а в качестве материала основания - сплав молибден - медь МД50. Подходят также для формирования основания все материалы, которые легко металлизируются и обладают КТР, близким к КТР керамики: титановые сплавы, ковар, силумин.
2
-1
Материалы кристаллодержателя не обязательно должны иметь высокую удельную теплопроводность, поскольку при значительном увеличении площади кристаллодержателя требования к удельному тепловому сопротивлению кристаллодержателя (в расчете на 1 мм площади) кратно снижаются относительно удельного теплового сопротивления кристалла обратно пропорционально отношению площади кристалла и площади кристаллодержателя. На практике, если это отношение площадей равно 100, то удельное тепловое сопротивление кристаллодержателя может быть в 100 раз больше.
На фиг.1 показана конструкция полупроводникового ИИ, в которой излучение формируется в единой монолитной светодиодной матрице 1. В этом источнике реализован механизм активного отбора и отвода тепла. Матрица p-n мезоструктур 1 с помощью слоя пластичного металла 2 установлена на диэлектрической подложке 3, выполненной из материала с высокой удельной теплопроводностью. Своей периферийной частью диэлектрическая подложка 3 соединена с верхней пластиной кристаллодержателя 4 при помощи сплавления припоем 5. Эта верхняя пластина, расположенная непосредственно под подложкой 3, имеет сквозное окно, которое используется для переноса тепла от подложки 3. Сама верхняя пластина кристаллодержателя 4, в свою очередь, по краям соединена методом пайки с нижней пластиной кристаллодержателя 6 с помощью припоя 7. Между верхней и нижней пластиной кристаллодержателя образована полость, которая заполнена пористым телом 8. Диэлектрическая подложка 3 в нижней части на всей поверхности содержит капиллярный слой 9. Аналогичный капиллярный слой 10 сформирован на внутренней поверхности верхней пластины кристаллодержателя 4. Такой же капиллярный слой 11 создан на внутренней поверхности нижней пластины кристаллодержателя 6.
На поверхности верхней пластины кристаллодержателя 4 расположена диэлектрическая пластина 12, соединенная с верхней пластиной держателя 4.
На поверхности диэлектрической пластины 12 сформированы контактные площадки электропитания 13 и 14, которые гибкими выводами 15, 16 присоединены к матрице 1.
Сформированная внутри кристаллодержателя заполненная пористым телом внутренняя полость 8 вакуумирована и после вакуумирования заполнена двухфазным рабочим веществом, находящимся в жидком и газообразном состоянии 15. Для ввода двухфазного рабочего вещества во внутреннюю полость кристаллодержателя предусмотрен штенгель 17, представляющий собой трубку, через которую осуществляется вакуумирование внутренней полости кристаллодержателя и заполнение ее рабочим веществом.
Капиллярные слои 9, 10, 11 представляют собой узкие канавки, покрывающие вдоль и поперек всю тыловую поверхность диэлектрической подложки 3, внутренней поверхности верхней пластины кристаллодержателя 4, внутренней поверхности нижней пластины кристаллодержателя 6. Ширина и глубина канавок малы, и их малая величина обеспечивает действие капиллярного эффекта и вследствие этого эффективное заполнение канавок рабочей жидкостью за счет сил поверхностного натяжения.
Монолитная светодиодная матрица 1 представляет собой совокупность N×M p-n мезоструктур, где N - число рядов, М - число элементов (p-n мезоструктур), где в каждом ряду элементы (p-n мезоструктуры) соединены последовательно, а все ряды включены параллельно.
В предлагаемой конструкции полупроводникового источника света эффективность отвода тепла, выделяемого при работе полупроводникового источника, определяется следующими основными факторами:
а) теплопроводностью пластичного металла 2;
б) теплопроводностью диэлектрической подложки 3;
в) эффективностью работы капиллярного слоя, сформированного на тыловой стороне диэлектрической подложки 9;
г) эффективностью и пропускной способностью пористого тела 8;
д) эффективностью работы капиллярного слоя 10, сформированного на внутренней поверхности верхней пластины кристаллодержателя 4;
е) эффективностью работы капиллярного слоя 11, сформированного на внутренней поверхности нижней пластины кристаллодержателя 6;
ж) термодинамическими свойствами рабочего вещества.
Пластичный металл 2 и диэлектрическая подложка 3 выполнены из материалов с высокой удельной теплопроводностью. Например, прослойка из пластичного металла может быть выполнена из золота, меди или алюминия. Диэлектрическая подложка может быть сформирована из карбида кремния, из керамики на основе нитрида алюминия или керамики на основе окиси бериллия. Все эти материалы обладают высокой удельной теплопроводностью, λ≥2 Вт/(К·см).
2
2
T3
T3
При наиболее распространенной на практике толщине подложки 0,5 мм в расчете на площадь полупроводникового ИИ 1 мм тепловое сопротивление диэлектрической подложки будет на уровне R≤2,5 К/Вт. При площади полупроводникового ИИ в 25 мм, что характерно для МСМ белого цвета излучения с потоком излучения в пределах 1000÷3000 лм, тепловое сопротивление диэлектрической подложки должно находиться на уровне R<0,1 К/Вт.
Капиллярные слои 9, 10, 11 сформированные на внутренних поверхностях диэлектрической подложки 3 и верхней и нижней пластинах кристаллодержателя в виде регулярных канавок с шириной канавок менее 50 мкм и с глубиной канавок 0,1÷0,3 мм, обеспечивают эффективный перенос жидкости к участкам с повышенной локальной температурой, что поддерживает функционирование кристаллодержателя как тепловой трубки.
Пористое тело 8 обеспечивает свободное прохождение превращенной в пар жидкости к периферийной части внутренней полости кристаллодержателя и одновременно создает все условия для конденсации на развитой поверхности паров жидкости и для доставки конденсированной жидкости к капиллярным слоям 10, 11 и 9 - слою, сформированному на диэлектрической подложке 3.
Капиллярный слой 10 на внутренней поверхности верхней пластины кристаллодержателя 4 и капиллярный слой 11 на внутренней поверхности нижней пластины кристаллодержателя обеспечивают эффективный перенос конденсированных паров рабочего вещества в зону более высокой температуры внутри замкнутой полости.
Детальное исполнение монолитной светодиодной матрицы показано на фиг.2. Все М светодиодных элементов в каждом из N рядов матрицы соединены между собой последовательно, сами ряды соединены между собой параллельно.
Вывод излучения из каждой p-n мезоструктуры осуществляется через n-область каждой p-n мезоструктуры за счет того, что омический контакт к n-области сформирован в виде сетки 18, которая занимает незначительную часть площади n-области отдельного светодиодного элемента. Для осуществления последовательного соединения отдельные светодиодные элементы разделены друг от друга диэлектрическим слоем 19, в котором сформированы металлизированные переходные отверстия 20.
Источники информации
1. Карпович Н.В., Криворотов Н.П., Хан А.В., Источник света. Патент РФ №2142176, приоритет 10.06.97 г., опубликован 27.11.99 в бюллетене изобретений №33.
2. Хан А.В., Игнатьев М.Г., Хан В.А., Гущин С.М., Полупроводниковый излучающий диод. Патент РФ №2200358, приоритет 05.06.2001 г., опубл. 10.03.2003 г. в бюллетене изобретений № 7.
3. Хан А.В., Хан В.А., Семенов А.В., Полупроводниковый источник излучения. Патент РФ №2444812, приоритет 13.10.2010 г., зарегистрирован 10.03.2012 г. в государственном реестре изобретений РФ - прототип.
4. Дан П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы: Пер. с англ.: - М.: Энергия, 1979 г.