Светоизлучающий диод и способ его изготовления

Изобретения относятся к полупроводниковой оптоэлектронике и могут быть использованы при изготовлении различного вида источников излучения. Светоизлучающий диод содержит светоизлучающий кристалл, покрытый оптическим элементом, наружная поверхность которого сферическая и выполнена световыводящей, а в качестве оптического элемента используют полимер класса полиэфироакрилатов, содержание остаточного количества мономеров в котором не более 0,01 массовой части. Также предложен способ изготовления, который включает размещение кристалла на основании, которое закрывают оптическим элементом. Световыводящую наружную поверхность формируют путем заливки определенного объема полимерной матрицы в форму, размеры которой соответствуют требуемой геометрии световыводящей поверхности, при этом заливку осуществляют, по крайней мере, в два этапа, для этого сначала в форму заливают часть полимерной матрицы, объем которой достаточен для формирования световыводящей поверхности, после чего из свободного объема формы удаляют кислород и до окончания полимеризации поверхностного слоя покрывают его недостающей частью полимерной матрицы, в процессе полимеризации которой в нее устанавливают основание с кристаллом, причем полимеризацию различных частей полимерной матрицы осуществляют при одинаковых внешних условиях. Изобретение обеспечивает получение высокоточных параметров светоизлучающего диода путем обеспечения однородности оптического элемента и высокого качества чистоты и точности формы и размеров световыводящей поверхности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

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.

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 A₀, 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 (i=1, 2 …, n), за координаты каждой из которых приняты координаты точки пересечения прямой, исходящей из точки начала координат под углом $${\alpha }_{В{Х}_i}$$ к оси ординат, с прямой, исходящей из предыдущей точки A_i-1, под углом G_i к оси абсцисс, приведенной в точку A_i-1, при этом угол $${\alpha }_{В{Х}_i}$$ - это угол, под которым распространяется i_BX луч света, принадлежащий множеству лучей, испускаемых светоизлучающим кристаллом, который выбирается из диапазона углов от 0 до 90 град, а угол G_i 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.

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 / CH₂(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.

1. Светоизлучающий диод, содержащий светоизлучающий кристалл, покрытый выполненным из светопрозрачного полимерного материала оптическим элементом, наружная поверхность которого выполнена световыводящей, отличающийся тем, что световыводящая поверхность выполнена сферической, а в качестве оптического элемента использован полимер класса полиэфиракрилатов, содержание остаточного количества мономеров в котором не более 0,01 массовой части.

2. Способ изготовления светоизлучающего диода, включающий размещение кристалла на основании, которое закрывают оптическим элементом со световыводящей наружной поверхностью, которую формируют путем заливки определенного объема полимерной матрицы в форму, размеры которой соответствуют требуемой геометрии световыводящей поверхности, отличающийся тем, что заливку осуществляют, по крайней мере, в два этапа, для этого сначала в форму заливают часть полимерной матрицы, объем которой достаточен для формирования световыводящей поверхности, после чего из свободного объема формы удаляют кислород и до окончания полимеризации поверхностного слоя покрывают его недостающей частью полимерной матрицы, в процессе полимеризации которой в нее устанавливают основание с кристаллом, причем полимеризацию различных частей полимерной матрицы осуществляют при одинаковых внешних условиях.