RU2055420C1

RU2055420C1 - Светоизлучающий диод

Info

Publication number: RU2055420C1
Authority: RU
Inventors: А.В. Абрамов; В.И. Васильев; А.Г. Дерягин; Н.Г. Дерягин; Д.В. Куксенков; В.И. Кучинский; Д.Н. Третьяков
Original assignee: Абрамов Александр Владимирович; Васильев Вячеслав Изосимович; Дерягин Антон Германович; Дерягин Николай Германович; КУКСЕНКОВ Дмитрий Владиславович; Кучинский Владимир Ильич; Третьяков Дмитрий Николаевич; Научно-технологический центр микроэлектроники и субмикронных гетероструктур при ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН
Priority date: 1992-06-03
Filing date: 1992-06-03
Publication date: 1996-02-27

Abstract

Использование: в оптоэлектронике. Сущность изобретения: светоизлучающий диод включает светоизлучающий кристалл, помещенный в корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения, с показателем преломления 1 < n_m < n_к. Часть поверхности корпуса, не выводящая излучение, за счет полного внутреннего отражения образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии. Светоизлучающий кристалл размещен в прозрачном материале корпуса, а форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет следующему соотношению:

где n_к - показатель преломления кристалла; n_в - показатель преломления окружающей среды (воздуха); n_m - показатель преломления материала корпуса; f′(x) - производная функции f(x); x - координата точки на кривой f(x); ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла. 5 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано при изготовлении высокоэффективных источников излучения для активных элементов дистанционных устройств бытовой и промышленной аппаратуры, светоиндикаторных диодов и т.д.

Известны конструкции светоизлучающих диодов (СД), у которых светоизлучающий кристалл помещен в сплошной корпус, выполненный из материала (эпоксидный компаунд) с показателем преломления n 1,4-1,8, выводящая излучение часть наружной поверхности которого имеет плоскую, эллиптическую или сферическую форму [1,2] При помещении кристалла в компаунд с указанным показателем преломления критический угол преломления θ_кр по сравнению с критическим углом преломления на границе кристалл-воздух увеличивается до значения
θ_кр= arcsin

25,1^° (1) а потери, связанные с отражением, уменьшаются до 17% Следствием этого является увеличение внешнего квантового выхода кристалла СД в два-два с половиной раза.

Во всех этих конструкциях, хотя и увеличивается световой поток, выводимый из кристалла, тем не менее не обеспечивается эффективное использование всего излучаемого кристаллом света. Серьезным недостатком является то, что значительная часть светового потока, испускаемого кристаллом, не выходит через специально изготовленную световыводящую поверхность корпуса, а бесполезно рассеивается через его боковую поверхность. Потери, связанные с этим негативным явлением, могут достигать величины более 50% от всего излучаемого кристаллом света. В подобных конструкциях могут быть использованы только кристаллы с выводом излучения через световыводящую площадку, находящуюся на его поверхности. В случае использования кристаллов с торцовым выводом излучения данная конструкция становится непригодной, так как весь световой поток, испускаемый кристаллом, рассеивается через боковую поверхность сплошного корпуса СД. Другой важной характеристикой СД является энергетическая сила света, указывающая на то, какая часть мощности, излучаемой светодиодом, распространяется в телесном угле, равном одному стереорадиану. Светодиоды позволяют за счет изменения угла излучения (ширины диаграммы направленности) управлять в некоторых пределах этой величиной. Так, например, варьируя соотношение S/R (S расстояние от поверхности кристалла до вершины световыводящего купола; R радиус полусферы), можно добиться того, что углы излучения таких светодиодов достигают значений 10^о. Это позволяет получить при токе I 100 мА энергетическую силу света J_e 40-80 мВт/ср [2] Однако при варьировании соотношения происходит не только сужение диаграммы направленности, но и резкое уменьшение величины светового потока, участвующего в его формировании. При угле излучения ≈ 20^о дополнительно к имеющимся потерям света еще ≈ 30% от выводимой из СД мощности светового потока не попадает в апертуру фокусирующего купола выводящей поверхности корпуса СД.

Максимальная мощность излучения достигается при соотношении S/R 2,3: 1,55. Однако угол излучения при этом составляет величину ≈ 40^о, а значение энергетической силы света уменьшается до величины 30 мВт/ср (см. табл.1).

Таким образом, используя данные конструкции СД, можно изготавливать источники излучения, у которых либо достаточно узкая диаграмма направленности при невысокой выходной мощности, либо относительно высокая выходная мощность излучения при широкой диаграмме направленности. В результате этого такие конструкции не позволяют эффективно использовать весь световой поток, излучаемый кристаллом.

Наиболее близким техническим решением по отношению к предлагаемому СД является конструкция, в которой СД используется в качестве источника света с повышенной светоотдачей за счет интеграции промышленного СД с линзой полного внутреннего отражения, образующей приблизительно параболическую вогнутую поверхность, на которой световой поток в направлении боковой поверхности СД полностью отражается на его переднюю поверхность [3] Технически это решается следующим образом. Из материала, показатель преломления которого близок к показателю преломления материала, из которого выполнен корпус СД, изготавливают параболоид вращения, по оси симметрии которого имеется несквозное отверстие. В это отверстие вставляется стандартный промышленный СД, выводящая излучение часть наружной поверхности которого может иметь сферическую, эллиптическую или любую другую форму. Внутри линзы полного внутреннего отражения СД стараются разместить таким образом, чтобы светоизлучающий кристалл находился на фокальной плоскости параболоида вращения.

Использование параболической формы корпуса СД для сбора и вывода излучения может позволить в 3-4 раза увеличить выходную мощность и силу света по сравнению с широко распространенными СД, у которых выводящая излучение поверхность имеет сферическую или эллиптическую форму. Однако в конструкции, принятой за прототип, этот выигрыш может быть существенно меньше. Дело в том, что в такой конструкции всегда имеют место френелевские потери на границах раздела сред, имеющих различные показатели преломления. Эти потери происходят как на границе корпус светодиода-воздух, так и на границе воздух-линза полного внутреннего отражения. Если показатели преломления материала корпуса светодиода и линзы полного внутреннего отражения приблизительно равны и составляют ≈ 1,58, то за счет френелевских потерь теряется ≈ 10% излучения, испускаемого СД.

Однако основным недостатком конструкции, принятой за прототип, является то, что при использовании параболоида вращения для сбора и вывода излучения далеко не весь свет, выходящий из кристалла в боковом направлении, испытывает полное внутреннее отражение. Оценки показывают, что если кристалл находится в центре фокальной плоскости параболоида вращения, то условие полного внутреннего отражения выполняется для всего излучения, которое распространяется выше нее и испытывает преломление на границе поверхность параболоида-воздух. Для излучения, которое распространяется вниз от фокальной плоскости, такое условие выполняется лишь для той его части, которая выходит под углом менее 6,38^о. Если считать, что источник излучения является Ламбертовским (что характерно для светоизлучающих кристаллов СД), то в угле 6,38^о сосредоточено только 14,1% светового потока, испускаемого кристаллом вниз от фокальной плоскости, т. е. в такой конструкции общие потери светового потока, распространяющегося в боковом направлении, достигают ≈ 36% Эти потери особенно существенно сказываются для СД, у которых кристалл имеет торцовой вывод излучения. С учетом френелевских потерь, имеющих место в конструкции, принятой за прототип, общие потери излучения могут достигать ≈ 45%
Таким образом, конструкция излучающего устройства, принятого за прототип, не позволяет эффективно использовать световой поток, излучаемый кристаллом в боковом направлении.

Задачей изобретения является создание СД с повышенной величиной выходной мощности излучения.

Указанная задача достигается в СД, включающем излучающий кристалл, помещенный в сплошной корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения, с показателем преломления 1 < n_m < n_k, причем часть наружной поверхности корпуса, не выводящая излучение, имеет форму, обеспечивающую полное внутреннее отражение, отличающемся тем, что упомянутая форма образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, причем f(x) отвечает следующему соотношению:
arcsin

≅ 90^°+arctg(f′(x))-arctg

(2) где n_k показатель преломления кристалла;
n_b показатель преломления окружающей среды (воздуха);
n_m показатель преломления материала корпуса;
х координата точки на кривой f(x), удовлетворяющая соотношению (2);
ξ расстояние от точки начала координат до точки, где размещается источник излучения;
f'(x) производная функции f(x).

Изобретение поясняется фиг. 1-5, где 1 светоизлучающий кристалл, 2 сплошной корпус, 3 часть наружной поверхности, отражающая излучение, 4 часть наружной поверхности, выводящая излучение, 5 подводящие электроды, 6 выходящее излучение, 7 излучение, выходящее из излучающего кристалла, 8 отраженный луч света, падающий на фотоприемник, 9 фотоприемный кристалл, 10 линза полного внутреннего отражения, 11 стандартный промышленный светодиод.

Часть наружной поверхности корпуса СД, не выводящая излучение, должна иметь, отражающую излучение, так как именно при выполнении этого условия свет, который бесполезно теряется, претерпевает отражение и вносит полезный вклад в формирование выходного светового потока и диаграммы направленности. При этом форма наружной поверхности сплошного корпуса, отражающая излучение, должна быть такой, чтобы направление распространения света, выходящего из светоизлучающего кристалла, образовывало в точке падения на нее с касательной плоскостью к этой точке угол больше угла полного внутреннего отражения. При выполнении этого условия свет, выходящий из излучающего кристалла, испытывает только отражение (исключая всякое преломление и тем самым какие-либо потери), после которого он полностью выводится через световыводящую часть поверхности корпуса. В случае использования для изготовления корпуса СД широко распространенного в настоящее время эпоксидного компаунда этот угол при n_m 1,5 и n_b 1 составляет 41,8^о. Кроме того, известно, что если угол падения света на границу раздела двух сред равен или больше угла полного внутреннего отражения, то коэффициент отражения света становится близким к единице, в результате чего исключаются потери света, связанные с рассеянием света при отражении. В общем случае уравнение кривой, удовлетворяющей условиям получения полного внутреннего отражения света в любой точке, может быть представлено в виде соотношения (2).

В пространственном изображении искомая форма представляет собой объемную фигуру, полученную путем вращения кривой функции f(x) относительно оси симметрии. Уравнению (2) удовлетворяет целое семейство кривых функций f(x), используя которые можно изготовить различные формы компаундного корпуса СД. Такие светодиоды при расположении излучающего кристалла на оси симметрии полностью собирают и выводят через световыводящую поверхность корпуса все излучение, испускаемое кристаллом, как через световыводящую площадку на его поверхности, так и с его торца. Это позволяет эффективно использовать всю мощность излучения кристалла практически без каких-либо потерь.

Предлагаемая конструкция СД позволяет использовать не только широко распространенные в настоящее время излучающие кристаллы с поверхностным выводом излучения, но и намного более дешевые кристаллы с торцовым выводом излучения. При разработке конструкции таких СД для получения максимальной мощности в заданном угле излучения необходимо учитывать один немаловажный фактор. Как видно из фиг.1, излучение, выходящее из торцов кристалла, распространяется в объеме корпуса под некоторым углом ψ. Очевидно, что если расстояние от поверхности излучающего кристалла до выводящей поверхности корпуса СД будет недостаточным, то часть светового потока не отражается от боковой поверхности корпуса и тем самым не участвует в формировании диаграммы направленности СД.

Уравнение, позволяющее рассчитать необходимое расстояние от поверхности излучающего кристалла до световыводящей поверхности СД для кристаллов с торцовым (фиг.1) выводом излучения, имеет вид
h

- ξ (3)
Аналогично может быть рассчитано h и в случае использования кристалла с поверхностным выводом излучения.

Покажем, что изобретение отвечает изобретательскому уровню.

В изобретении предложено для собирания света, излучаемого кристаллом практически без каких-либо потерь, использовать известное в оптике явление, связанное с преломлением света на границе раздела двух сред. При этом установлено соотношение (2), использование которого дает возможность изготовления различных форм корпуса СД, обеспечивающих полный вывод света через световыводящую поверхность.

На фиг. 5 изображен СД, форма внешней невыводящей излучение поверхности которого наиболее проста в изготовлении, удобна для практического применения и удовлетворяет условию полного внутреннего отражения для большей части светового потока, излучаемого кристаллом. Видно, что часть корпуса СД выполнена в виде параболоида вращения, усеченного плоскостью, перпендикулярной оси параболоида в том месте, где на поверхность параболоида падают лучи, выходящие из кристалла под углом 6,38^о вниз от фокальной плоскости. На плоском сечении в данном случае соблюдаются условия полного внутреннего отражения для излучения, распространяющегося вниз от фокальной плоскости под углом 48,2^о. В этом угле сосредоточено уже 78% светового потока, распространяющегося из излучающего кристалла вниз от фокальной плоскости. Таким образом, указанная форма поверхности корпуса СД уменьшает потери излучения, распространяющегося ниже фокальной плоскости, в 3,9 раза, а выходная мощность СД с торцовым выводом излучения может возрасти в ≈ 1,5 раза. Излучение, выходящее из кристалла под углом более 48,2^о, не испытывает полного внутреннего отражения и теряется. Эти потери составляют ≈ 11% от общей излучаемой мощности СД в боковом направлении.

В идеале можно изготовить форму корпуса СД, у которой на границе поверхность-воздух все излучение кристалла испытывает полное внутренне отражение в соответствии с соотношением (2). Однако при реализации конструкции СД подводящие электроды, на одном из которых закреплен излучающий кристалл, имеют конечные размеры и заслоняют собой часть нижней плоскости корпуса СД, где могло бы происходить полное внутреннее отражение излучения, испускаемого кристаллом. Поэтому при использовании стандартных подводящих электродов для изготовления СД нет необходимости создавать форму поверхности, на которой все излучение кристалла испытывает полное внутреннее отражение. Часть излучения все равно теряется. В данной конструкции эти потери составляют ≈ 11% от всего бокового излучения кристалла.

Из всего семейства кривых, которые удовлетворяют соотношению (2), указанная выше форма корпуса, образованная вращением усеченной параболы вокруг оси симметрии, наиболее перспективна для создания СД. Она удобно сочетает возможность более полного использования светового потока, излучаемого кристаллом, с возможностью одновременной фокусировки его в нужном направлении.

Предлагаемый СД работает следующим образом (фиг.5).

Используя соотношение (2), из эпоксидного компаунда изготавливают сплошной корпус (2), на оси симметрии которого размещают светоизлучающий кристалл 1 с p-n-переходом. При приложении положительного смещения к подводящим электродам 5 световые лучи 7, испускаемые кристаллом, попадают на границу раздела двух сред компаунд воздух в точку М, где за счет преломления света отражаются от невыводящей излучение части 3 поверхности и выходят через световыводящую часть 4 поверхности и СД наружу.

Поскольку в описании конструкции, принятой за прототип, отсутствуют какие-либо сведения о полученных значениях выходной мощности и силы света СД, то для сравнения оптических параметров предлагаемой конструкции с прототипом необходимо привести примеры реализации как конструкции СД с корпусом, выполненным в виде параболоида вращения, так и с корпусом предлагаемой конструкции.

П р и м е р 1. Для изготовления светодиода используют стандартный светоизлучающий кристалл размером 0,5кх0,5х0,15 мм на основе ДГС структуры AlGaAs на подложке GaAs с выводом излучения через его поверхность перпендикулярно p-n-переходу. С целью сравнения полученных параметров с параметрами стандартного СД, светоизлучающий кристалл которого изготовлен из структуры ЭСАГА-107 [2] задают уравнение параболы f(x)

, у которой фокус находится на расстоянии 0,75к мм от вершины. Высоту параболоида для данного угла излучения рассчитывают по уравнению (3). Она составляет 7 мм. Светоизлучающий кристалл напаивается на стандартные электроды, после чего размещается в фокусе формы, изготовленной соответствующей параболоиду вращения, отвечающего уравнению f(x)

. Затем осуществляется заливка формы эпоксидным компаундом с n_m 1,58. Те же самые операции осуществляют и при изготовлении СД, имеющего форму корпуса, представленную на фиг.5. Измеренные фотоэлектрические и электрические параметры светодиодов при помощи калиброванного фотодиода приведены в табл.2.

Как видно из табл. 2, излучаемая мощность и энергетическая сила света предлагаемого СД значительно превышают подобные параметры стандартного СД в корпусе ТI-3/4 и на 10-15% превосходят параметры СД, у которого корпус выполнен в виде параболоида вращения. У СД, приведенного в табл.2 под номером 2, отсутствуют френелевские потери, которые всегда имеют место в конструкции СД, принятой за прототип. Если принять во внимание эти потери, то выходная мощность предлагаемого СД превышает выходную мощность прототипа на 20-25%
Но особенно сильно преимущества изобретения проявляются при использовании в качестве источника света кристалла с торцовым выводом излучения.

П р и м е р 2. В качестве излучающего кристалла используют структуру GaAs размером 0,5х0,5х0,2 мм, у которой p-n-переход образован за счет легирования р- и n-областей кремнием. Излучение выводится через торцовые грани параллельно плоскости p-n-перехода. Выбирают параболу f(x)

. Высота ее рассчитывается из уравнения (3) и составляет 7 мм. Фокусное расстояние равно 0,75 мм от вершины параболы. Все операции по изготовлению СД аналогичны описанным в примере 1. Те же самые операции осуществляют при изготовлении СД, имеющего форму корпуса, представленную на фиг.5. Измеренные параметры светодиодов при токе I 100 мА приведены в табл.3.

Как видно из табл.3, энергетическая сила света и выходная мощность СД возрастают приблизительно в 1,4 раза. Это достаточно хорошо согласуется с проведенными оценками. Если учитывать френелевские потери, обязательные для прототипа, то преимущества предлагаемого СД проявляются еще сильнее. Энергетическая сила света и выходная мощность могут быть ≈ 1,5 раза больше, чем у конструкции, принятой за прототип.

Предлагаемая форма корпуса может с успехом быть использована не только для создания эффективных излучателей, превосходящих по своим параметрам известные в настоящее время, но и для более эффективного использования света в фотоприемных устройствах, поскольку параллельный пучок света, падающий на плоскую поверхность параболоида, подчиняясь тем же физическим законам, отражается на его боковых поверхностях и собирается в фокусе. Размещение фотоприемного кристалла в этом месте может дать значительное повышение чувствительности фотоприемника, так как в образовании электронно-дырочных пар участвует большее количество фотонов. Чувствительность фотоприемника возрастает во столько раз, во сколько площадь поверхности параболоида, через которую вводится свет, больше площади приемной площадки кристалла. Кроме того, подобная конструкция представляет интерес для создания нового типа оптоэлектронных устройств, сочетающих одновременно как свойства излучателя, так и фотоприемника. Для этого в фокусе параболоида вращения размещают излучающий кристалл с торцовым выводом излучения и фотоприемный кристалл. Такая конструкция позволяет при использовании любого отражающего излучение покрытия, расположенного на требуемом расстоянии, значительно упростить известные конструкции, включающие излучатель и приемник, разнесенные относительно друг друга. Подобные устройства могут быть с успехом использованы, например, в качестве оптических дальномеров.

Claims

СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД, включающий светоизлучающий кристалл, помещенный в корпус, выполненный из материала, прозрачного для излучения с показателем преломления 1 < п_м < п_к, причем часть поверхности корпуса, не выводящая излучение за счет полного внутреннего отражения, образована вращением кривой функции f(x) относительно оси симметрии, отличающийся тем, что светоизлучающий кристалл размещен в прозрачном материале корпуса, а форма не выводящей излучение поверхности корпуса удовлетворяет соотношению

где п_к - показатель преломления кристалла;
п_в - показатель преломления окружающей среды (воздуха);
п_м - показатель преломления материала корпуса;
f′(x) - производная функции f(x);
x - координата точки на кривой f(x);
ξ - расстояние от точки начала координат до светоизлучающего кристалла.