close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3790

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3790
(13)
C1
(51)
(12)
7
H 01L 33/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
(21) Номер заявки: a 19980174
(22) 1998.02.24
(46) 2001.03.30
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР
(71) Заявитель: ГП "Минский НИИ радиоматериалов" (BY)
(72) Автор: Тептеев А.А. (BY)
(73) Патентообладатель: ГП "Минский НИИ
радиоматериалов" (BY)
(57)
Светоизлучающий прибор, содержащий концентратор с линзой, включающий полупроводниковую структуру с эпитаксиальными р+ и п+ слоями и контакты к ним, отличающийся тем, что полупроводниковая
структура концентратора выполнена в виде усеченного конуса с металлизированными стенками, в меньшем
основании которого расположен светоизлучающий слой, а в большем - линза.
BY 3790 C1
(56)
SU 1819488 A3, 1995.
SU 1428141 A1, 1995.
RU 2038654 С1, 1995.
RU 2055420 C1, 1996.
RU 2083031 С1, 1997.
JP 06296041 A, 1994.
JP 06302853 A, 1994.
JP 07015033 A, 1995.
EP 0486128 A2, 1992.
Дж.Гауэр. Оптические системы связи. - М.: Радио и связь, 1989. - С. 255-263.
BY 3790 C1
Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светоизлучающим приборам и может быть использовано при изготовлении оптоэлектронных интегральных схем, волоконно-оптических линий связи, датчиков и индикаторов. Основными характеристиками светоизлучающего прибора (СП) являются оптические
(общая мощность излучения, определяемая внешней квантовой эффективностью (F), мощность, вводимая в
волокно, диаграмма направленности) и частотные (предельная частота генерации оптического излучения).
В источниках излучения для получения максимальных значений оптических характеристик необходимо
добиваться максимального значения внутренней квантовой эффективности. Эта величина определяется отношением числа генерируемых фотонов к числу носителей, пересекающих переход, и зависит в основном от
технологических факторов получения эпитаксиальных структур. Получение высокой внутренней квантовой
эффективности еще недостаточно для достижения выходных параметров СП. Три основных эффекта приводят к тому, что внешняя квантовая эффективность всегда меньше внутренней:
часть излучения, которая подходит под углом меньше критического может выйти из полупроводника;
часть этого излучения отражается от поверхности полупроводник-воздух (френелевское отражение);
происходит поглощение между точкой генерации излучения и излучающей поверхностью.
Доля общей мощности, которая может пройти через поверхность полупроводник-воздух определяется
уравнением f = n02/2n2, где n0 - коэффициент преломления окружающей среды, n - коэффициент преломления
полупроводника. В случае светоизлучающего диода на подложке InP f = 0,042.
Основная задача при разработке конструкции СП заключается в увеличении внешней квантовой эффективности и сужении диаграммы направленности. Последнее условие необходимо для эффективного ввода
излучения в волокно.
Известен светоизлучающий прибор, выполненный в виде светодиода, содержащий буферный, активный и
приконтактный полупроводниковые слои (аналог) [2]. С планарной и обратной стороны кристалла выполнены омические контакты к n- и p- областям. Для улучшения оптических характеристик с обратной стороны
кристалла сформирована полупроводниковая линза, размеры которой определяются размерами излучающей
области и диаметра волокна. Оптимальная эффективность линзы достигается тогда, когда излучающая поверхность СП находится в фокусе. Недостатки конструкции: широкая диаграмма направленности и низкая
внешняя квантовая эффективность (F).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является использование светодиода, содержащего
структуру с эпитаксиальными слоями, контакты к p+ и n+ слоям и концентратор излучения (прототип) [3].
Концентратор излучения выполнен в виде параболоида, задняя поверхность которого отражает излучение в
направлении оси прибора и полусферической линзы в углублении на передней поверхности, а СП размещен
в общем для линзы и отражателя фокусе. Соотношение размеров параболоида и линзы обеспечивает концентрацию излучения в малом телесном угле. Недостатки конструкции: сложность изготовления (СП и концентратор со сложной оптической системой), низкая выходная мощность оптического излучения, обусловленная
введением дополнительной оптической среды концентратора и низким значением внешней квантовой эффективности СП, ограниченные возможности сужения диаграммы направленности оптического излучения,
определяемые размерами концентратора.
Задачей изобретения является увеличение внешней квантовой эффективности (и соответственно общей
мощности выходящего оптического излучения СП) и сужение диаграммы направленности.
Эта задача достигается тем, что СП содержит концентратор из полупроводникового материала, выполненный в виде усеченного конуса с металлизированными стенками, в меньшем основании которого расположен светоизлучающий слой, а в большом - линза, что позволяет сузить диаграмму направленности и
увеличить внешнюю квантовую эффективность.
По сравнению с прототипом [3] предлагаемый СП имеет существенные отличия за счет того, что концентратор оптического излучения сформирован из полупроводниковой структуры самого СП: отпадает необходимость в применении концентратора (внешней оптической системы), что позволяет заметно упростить и
удешевить стоимость изделия; отражение излучения от металлизированных стенок конуса позволяет увеличить общую мощность выходящего оптического излучения. Варьируя геометрические размеры усеченного
конуса и линзы, лежащей в большем основании конуса, можно получать достаточно узкую и рассчитываемую диаграмму направленности, позволяющую вводить выходящее излучение в оптическое волокно или разъем диаметром менее 50 мкм с минимальными потерями. Расположение предлагаемого СП утопленным в
матрице теплопроводящего материала повышает надежность работы за счет уменьшения теплового
2
BY 3790 C1
сопротивления прибора. Предлагаемая конструкция СП содержит светоизлучающий полупроводниковый прибор
и оптическую систему фокусировки (концентратор), совмещенную в минимальном объеме. В концентратор
входит полупроводниковый конус (1) с металлизированными стенками (8), меньшим основанием которого
служит светоизлучающий слой (3), а большим - линза (9) с просветляющим покрытием (7).
Предлагаемый СП, изображенный на фигуре содержит:
полупроводник (1);
буферный слой (2);
активный (светоизлучающий) слой (3);
контактный слой (4);
омический контакт с золотой разводкой (5);
пассивирующее покрытие (6);
просветляющее покрытие (7);
материал с хорошей теплопроводностью (8);
полупроводниковую линзу (9).
Работает светоизлучающий полупроводниковый прибор следующим образом: рождающееся в слое (3)
под действием носителей заряда оптическое излучение распространяется по всему объему полупроводника.
Часть излучения не выходит за верхнюю границу кристалла, отражаясь от поверхности полупроводника. При
достижении критического угла все излучение отражается от поверхности.
В аналоге и прототипе практически все отраженное излучение теряется. Одна из причин - маленькая
площадь излучающего слоя. В предлагаемой конструкции отраженное излучение попадает в излучающий
слой, где происходит его поглощение, а затем и переизлучение. Таким образом, часть отраженного излучения
вновь возвращается в оптическую систему. За счет этого увеличивается внешняя квантовая эффективность.
Еще один фактор приводит к увеличению F.
Часть излучения, которое было бы заведомо потеряно из-за критического угла отражения на границе полупроводник-диэлектрик, отражаясь от металлизированных стенок (8) конуса, меняет угол. Величина этого
угла может быть меньше критического угла отражения.
Сужение диаграммы направленности СП достигается в том случае, когда угол А между образующей 1
конуса (фиг.) и высотой h меньше критического угла отражения. Критический угол вычисляется по формуле:
1/2sinθ = n02/2n ,
где n0 - коэффициент преломления среды, n - коэффициент преломления полупроводника (2). Для материала
JnP критический угол равен 18,7°. При использовании просветляющего покрытия Al2O3 с n0 = 1,87 критический угол равен 35°. В общем случае более узконаправленный пучок излучения, выходящего из кристалла
СП, получается при уменьшении площади S излучающего слоя и (или) угла А. В предельном случае, когда S
и стремятся к нулю, диаграмма направленности имеет вид, характерный для лазерных диодов. Геометрические размеры СП (образующая 1, высота h, угол А, площадь S излучающего слоя) определяются стоящими
перед конструктором задачами. Параметры полупроводниковой линзы (9) рассчитываются по формуле:
R = h/n(n-n0)
где n - показатель преломления полупроводника, а n0 - показатель преломления среды (воздуха).
Металлизированные стенки (8) конуса расположены выше, чем поверхность линзы (9) для удобства юстировки и закрепления оптического волокна. Для надежности работы СП расположен в матрице (8) материала с хорошей теплопроводностью.
По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция СП имеет следующие преимущества: большая
внешняя квантовая эффективность и соответственно общая мощность выходящего оптического излучения.
Источники информации:
1. Дж.Гауэр. Оптические системы связи. - М.: Радио и связь, 1989. - С. 260.
2. J. Heinen. Preparation and properties of monolithically integrated lense: light - emiting diodes. Electronics
letters, 16th sept. 1982, vol. 18. - P. 9.
3. Патент РФ 1819488, МПК H01 33/00, 1995.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
118 Кб
Теги
by3790, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа