СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
LIGHT-EMITTING DIODE AND METHOD OF MAKING SAME

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано при изготовлении различного вида источников излучения (излучателей) на основе лазерных диодов.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в защите светоизлучающего кристалла от физических факторов (механическое воздействие, атмосферные осадки и т.д.) и формирование оптического элемента для получения выходного излучения с требуемыми углами расходимости (требуемой диаграммой направленности излучения светового потока).
Известны конструкции излучателей, в которых используются оптические элементы, форма, размеры и материал которых выбирают таким образом, чтобы они обеспечивали формирование заданных световых характеристик устройства.
Так, например, известен светодиод [патент RU 2207663, публик. 27.06.2003], включающий полупроводниковые светоизлучающие кристаллы, покрытые оптическим элементом, содержащим конусообразный отражатель бокового излучения и собирающую излучение линзу, представляющую собой полусферу с цилиндрическим основанием. Форма и геометрические размеры отражателя и линзы подобраны таким образом, чтобы оптический элемент обеспечивал повышение эффективности использования бокового излучения кристаллов, за счет чего увеличивается мощность излучения светодиода.
Известен также светодиод с оптическим элементом [патент RU 2055420, публик. 27.02.1996], содержащий светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, часть наружной поверхности которого представляет собой плоскость и является световыводящей поверхностью, а другая часть является невыводящей излучение поверхностью и имеет асферическую форму, образованную вращением вокруг оси симметрии кривой второго порядка f(x), уравнение которой удовлетворяет условиям полного внутреннего отражения света, излучаемого кристаллом в любой точке данной поверхности. При этом кривая f(x) получена с учетом оптических свойств кристалла и оптического элемента, а именно с учетом значений их показателей преломления. В данной конструкции оптический элемент собирает и выводит через световыводящую поверхность практически все излучение, испускаемое кристаллом, что обуславливает повышение выходной мощности излучения светодиода.
Однако с помощью такого устройства не удается получить требуемое распределение светового потока в заданном пространственном угле.
0
i
i-1
i
i-1
BX
i
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>Х</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mi>В</mi><msub><mi>Х</mi><mi>i</mi></msub></mrow></msub></mrow>
В качестве ближайшего аналога заявляемому изобретению по количеству сходных признаков и решаемой задаче, заключающейся в создание светоизлучающего диода, обеспечивающего формирование требуемой диаграммы направленности излучения светового потока, выбрана конструкция светоизлучающего диода, известная из описания к патенту на изобретение RU 2265916 [описание публик. 10.12.2005]. Из данного описания также известен и способ его изготовления. Известный светоизлучающий диод, в частности светодиод, содержит светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного материала оптическим элементом, который имеет асферическую форму наружной поверхности, полученную вращением вокруг оси симметрии светодиода кривой второго порядка f(x), построенной с учетом оптических свойств светоизлучающего кристалла и материала оптического элемента, при этом указанная поверхность является световыводящей. Кривая f(x) в системе координат, точка начала которой совпадает с геометрическим центром активной области светоизлучающего кристалла, имеет начальную точку A, расположенную на оси ординат на расстоянии, соответствующем характеристическому размеру светодиода (заданное значение высоты оптического элемента или заданное значение его диаметра), и образована множеством точек A (i=1, 2 …, n), за координаты каждой из которых приняты координаты точки пересечения прямой, исходящей из точки начала координат под углом
к оси ординат, с прямой, исходящей из предыдущей точки A, под углом G к оси абсцисс, приведенной в точку A, при этом угол
- это угол, под которым распространяется i луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светоизлучающим кристаллом, который выбирается из диапазона углов от 0 до 90 град, а угол G определяется исходя из предложенной зависимости.
Способ изготовления описанной выше конструкции светоизлучающего диода заключается в следующем. Используют полупроводниковый светоизлучающий кристалл, например, на основе твердых растворов элементов III и V групп периодической системы Д.И. Менделеева. Кристалл размещают на основании и закрывают оптическим элементом, изготовленным из светопрозрачного материала, например из органического или неорганического оптически прозрачного компаунда, путем заливки указанного компаунда в заливочную форму, размеры которой соответствуют требуемой геометрии световыводящей поверхности. Таким образом, формирование световыводящей поверхности осуществляют одновременно с изготовлением оптического элемента путем заливки в форму единой массой полимерного материала с последующей его объемной полимеризацией.
Недостатки такого способа и устройства заключаются в возникновении в оптическом элементе пузырчатости из-за большой массы полимерного материала. Кроме того, в процессе полимеризации возникают большие внутренние напряжения, способные нарушить электрические контакты светоизлучающего кристалла, и происходит усадка полимерного материала, предварительный расчет которой из-за одновременной заливки большой массы может привести к погрешности, а следовательно, искажению формы световыводящей поверхности. Также, в связи с выполнением асферической поверхности, существенно повышаются технологические трудности и затраты на изготовление оптического элемента светодиода.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение высокоточных параметров светоизлучающего диода с требуемой длиной волны, пропускающей способностью, повышенными температурами разрушения и механического воздействия путем обеспечения однородности оптического элемента и высокого качества чистоты и точности формы и размеров световыводящей поверхности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в светоизлучающем диоде, содержащем с наиболее близким аналогом общие признаки, а именно: светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного полимерного материала оптическим элементом, наружная поверхность которого выполнена световыводящей, содержаться отличительные признаки, а именно:
- световыводящая поверхность выполнена сферической;
- в качестве оптического элемента используют полимер класса полиэфиракрилатов;
- содержание остаточного количества мономеров в полимере не более 0,01 массовой части.
Способ изготовления светоизлучающего диода, включающий следующие операции: размещение светоизлучающего кристалла на основании, которое закрывают оптическим элементом со световыводящей наружной поверхностью; изготовление оптического элемента осуществляют путем заливки определенного объема полимерной матрицы в форму, размеры которой соответствуют требуемой геометрии световыводящей поверхности, включает в себя следующие отличительные признаки:
- заливку осуществляют, по крайней мере, в два этапа;
- сначала в форму заливают часть полимерной матрицы, объем которой достаточен для формирования световыводящей поверхности;
- из свободного объема формы удаляют кислород;
- до окончания полимеризации поверхностного слоя покрывают его недостающей частью полимерной матрицы;
- в процессе полимеризации долитой на последнем этапе части полимерной матрицы в нее устанавливают основание с кристаллом;
- причем полимеризацию залитых в разное время частей полимерной матрицы осуществляют при одинаковых внешних условиях.
Использование в качестве оптического элемента полимера класса полиэфироакрилатов, содержание остаточного количества мономеров в котором не более 0,01 массовой части, обеспечивает получение требуемых характеристик по пропускающей способности оптического элемента лазерного диода и получение максимально гладкой световыводящей поверхности.
Осуществление заливки, по крайней мере, в два этапа, при первом из которых формируют световыводящую поверхность путем заливки в форму части полимерной матрицы, объем которой достаточен для ее формирования, позволяет уйти от пузырчатости и неоднородности среды оптического элемента, по сравнению с заливкой всей массы одновременно, и уменьшить напряженность материала, возникающую в процессе его усадки.
Удаление из свободного объема заливочной формы кислорода после заливки части полимерной матрицы позволяет обеспечить условия, при которых происходит послойная полимеризация залитой части в направлении от поверхности заливочной формы, формирующей световыводящую поверхность, к свободной поверхности полимерной матрицы, что обеспечивает формирование идеальной формы световыводящей поверхности и позволяет на этапе полимеризации поверхностного слоя добавить недостающее количество, объем которого достаточен для формирования оптического элемента требуемых размеров.
Доливка в заливочную форму до окончания полимеризации поверхностного слоя недостающей части полимерной матрицы, в процессе полимеризации которой в нее устанавливают основание с кристаллом, позволяет уменьшить искажение геометрии оптического элемента путем устранения усадки материала непосредственно в процессе сборки.
Осуществление полимеризации обеих частей полимерной матрицы при одинаковых внешних условиях позволяет получить однородность оптического элемента.
Предпочтительный вариант исполнения светоизлучающего диода, в частности лазерного диода, согласно предлагаемому изобретению, представлен на фиг.1, где 1 - излучающий кристалл, 2 - основание, 3 - оптический элемент, 4 - часть оптического элемента, которая заливается в первую очередь и формирует световыводящую поверхность, 5 - часть оптического элемента, которая заливается во вторую очередь, 6 - световыводящая поверхность.
2
Лазерный диод содержит излучающий кристалл на основе твердых растворов элементов III и V групп периодической системы Д.И. Менделеева, представляющий собой полупроводниковую гетероструктуру, слои которой выращены методом МОС-гидридной эпитаксии на GaAs подложке. Кристалл размещен на основании, выполняющем функцию теплоотвода и электроподвода. Кристалл покрыт оптическим элементом, изготовленным из светопрозрачного материала, который имеет световыводящую сферическую наружную поверхность. В качестве оптического элемента используют полимер класса полиэфиракрилатов / CH(CX)O(COR), где X и R арильные и алкильные радикалы, содержание остаточного количества мономеров в котором порядка 0,008 массовой части.
Для изготовления лазерного диода светоизлучающий кристалл 1 размещают на основании 2 и закрывают оптическим элементом 3 со световыводящей наружной поверхностью 6, которую формируют при изготовлении оптического элемента путем заливки определенного объема полимерной матрицы 4 в форму, размеры которой соответствуют требуемой геометрии световыводящей поверхности. Заливку осуществляют в два этапа. Сначала в форму заливают часть полимерной матрицы 4, объем которой достаточен для формирования световыводящей поверхности и составляет ~70% от общего предварительно рассчитанного объема. После чего заливочную форму закрывают, оставляя свободный объем между открытой поверхностью полимерной матрицы 4 и верхом формы. Из образовавшегося свободного объема удаляют кислород, обеспечивая тем самым условия, при которых происходит послойная полимеризация залитой части в направлении от поверхности заливочной формы, формирующей световыводящую поверхность 6, к свободной поверхности полимерной матрицы, что обеспечивает формирование требуемой формы световыводящей поверхности. Далее, до окончания полимеризации поверхностного слоя, когда он еще находится в полужидком состоянии, доливают в форму недостающую часть полимерной матрицы 5, покрывая ею полностью поверхность полужидкого слоя. Для получения однородности оптического элемента 3 доливку и дополимеризацию осуществляют при тех же внешних условиях, при которых была осуществлена первичная заливка 4. В процессе полимеризации долитой части полимерной матрицы 5 в нее устанавливают основание 2 с излучающим кристаллом 1.
Работа лазерного диода осуществляется следующим образом. При подаче электропитания светоизлучающий кристалл 1 излучает световой поток, который проходит через световыводящую поверхность 6 оптического элемента 3. При этом лазерный диод с оптическим элементом обеспечивает получение требуемого светового потока в заданном угле излучения, а энергетическая сила света и выходная мощность больше, чем у конструкции, принятой в качестве ближайшего аналога. По предлагаемой конструкции были изготовлены предлагаемым способом опытные образцы и проведены испытания.
Т.о. заявляемое изобретение обеспечивает получение высокоточных параметров светоизлучающего диода с требуемой длиной волны, пропускающей способностью, повышенными температурами разрушения и механического воздействия путем обеспечения однородности оптического элемента и высокого качества чистоты и точности формы и размеров световыводящей поверхности.