Напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання

1. Напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання, яке містить випромінюючі кристали з р-n-переходами, теплопровідну основу із заглибленням, бокова поверхня якого відбиває випромінювання кристалів і виготовлена у формі зрізаного конуса або концентратора випромінювання іншої форми з плоским дном, та корпус з прозорого для випромінювання матеріалу, яке відрізняє ться тим, що корпус виконаний з матеріалу на основі складних напівпровідникових халькогенідних стекол систем Ge-Sb(Bi)-S(Se), взятих у відповідних пропорціях із забезпеченням наперед заданого значення показника заломлення, а товщина циліндричної основи корпуса перевищує висоту його видовженої півсфери не менше ніж у два рази, причому теплопровідна основа містить щонайменше два заглиблення, в кожному з яких розміщені випромінюючі кристали. 2. Напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання за п. 1, яке відрізняється тим, C2 2 (11) 1 3 85645 є підвищення ефективності його роботи та розширення діапазону випромінювання джерела в середню інфрачервону область спектру при підвищених температурах. Недоліком даного напівпровідникового випромінюючого діода є складність технології його виготовлення, за рахунок складних технологічних операцій при формуванні напівпровідникової мезаструктури та контактних площадок. Різниця в показниках заломлення додаткової активної області та навколишнього середовища зумовлює вивід лише частини випромінювання придатного для практичного використання, так як інша частина випромінювання терпить повне внутрішнє відбивання. Використання оптичного компаунду з визначеним показником заломлення призначене тільки для збільшення кута повного внутрішнього відбивання між попередньою та послідуючою активними областями. Відомий світлодіод [2], який вибраний в якості прототипу, що містить випромінюючі кристали з рn-переходами, відбивач бокового випромінювання кристалів із нанесеним тонким шаром кремнійорганічного компаунда, що створює дзеркально відбиваючу світло границю для фотонів, падаючих на цю границю під кутом, більшим критичного для границі епоксидний компаунд-повітря, напівсферичний купол із епоксидного компаунда. Технічним результатом використання даного світлодіоду є підвищення ефективності використання бокового випромінювання р-n-переходів кристалів з одночасним збільшенням світлового потоку та підвищення потужності випромінювання. Недоліком даного світлодіоду є складність конструкції, за рахунок використання спеціального відбивача бокового випромінювання із нанесеним тонким шаром кремнійорганічного компаунда розміщеного на теплопровідній основі та використання епоксидного компаунда внаслідок сильного поглинання випромінювання в середній інфрачервоній області спектру. В основу винаходу поставлена задача підвищити е фективність роботи напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання, розширити діапазон його випромінювання та область використання і спростити конструкцію. Задача, яка поставлена, вирішується за рахунок того, що у напівпровідниковому джерелі інфрачервоного випромінювання, яке містить випромінюючі кристали з р-n-переходами, відбивач бокового випромінювання кристалів, розміщених на теплопровідній основі, корпуса з матеріалу прозорого до випромінювання відповідно до винаходу корпус виконаний з матеріалу на основі напівпровідникового халькогенідного скла, що містить Ge, As, Sb, Bi, S, Se у відповідних пропорціях із заданим показником заломлення, товщина циліндричної основи корпуса перевищує висоту його видовженої напівсферичної лінзи не менше ніж у два рази, теплопровідна основа містить заглиблення з плоским дном для розміщення кристалів, величиною не менше ніж дві товщини випромінюючих кристалів, але не більше товщини чотирьох випромінюючих кристалів, причому для кожного окремого випромінюючого кристалу необхідно міс 4 ця не більше ніж півтори величини його діагоналі, а відбиваюча випромінювання бокова поверхня заглиблення виготовлена у формі зрізаного конуса або іншого концентратора випромінювання. Технічний результат, якого можна досягти при використанні винаходу виражений в тому, що забезпечується підвищення ефективності роботи напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання, розширення діапазону інфрачервоного випромінювання та області використання і спрощення конструкції. Ефективність роботи напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання забезпечується за рахунок того, що корпус виконаний на основі напівпровідникового халькогенідного скла, що містить Ge, As, Sb, Bi, S, Se у відповідних пропорціях із заданим показником заломлення, товщина циліндричної основи корпуса перевищує висоту його видовженої напівсферичної лінзи не менше ніж у два рази, теплопровідна основа містить заглиблення з плоским дном для розміщення кристалів, в безпосередньому контакті з матеріалом корпуса, величиною не менше ніж дві товщини випромінюючих кристалів але не більше товщини чотирьох випромінюючих кристалів, причому для кожного окремого випромінюючого кристалу необхідно місця не більше ніж півтори величини його діагоналі, а ефективно використати бокове випромінювання кристалів дозволяє бокова поверхня заглиблення, що виготовлена у формі урізаного конуса або іншого концентратора випромінювання. Перераховані вище нові ознаки дозволяють суттєво підвищити потік випромінювання придатного для практичного використання і звузити діаграму направленості вздовж осі напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання. Розширення діапазону випромінювання та області використання напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання забезпечується за рахунок того, що корпус виготовлений з напівпровідникового халькогенідного скла, яке містить Ge, As, Sb, Bi, S, Se у відповідних пропорціях і прозорий для випромінювання в середній інфрачервоній області спектра при одночасній просвітлюючій та фокусуючій дії та використання широкого класу матеріалів для випромінюючих кристалів з р-n-переходами, що випромінюють на різних довжинах хвиль в даній області спектру і розміщені на одній теплопровідній основі. Спрощення конструкції напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання забезпечується при використанні випромінюючих кристалів з р-n-переходами виготовлених за планарною технологією, циліндричної основи та видовженої напівсферичної лінзи, що розміщена на основі циліндра, з одного матеріалу і в одному технологічному циклі та одночасне виготовлення теплопровідної основи і заглиблення із плоским дном для розміщення кристалів. На Фіг.1 наведено конструкцію напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання, що заявляється. Випромінюючі 1 кристали з р-nпереходами, виготовленими за планарною технологією, розміщені на плоскому дні заглиблення теплопровідної 2 основи в безпосередньому кон 5 85645 такті з корпусом 3, виготовленого з напівпровідникового халькогенідного матеріалу із заданим показником заломлення. На Фіг.2 показана діаграма направленості напівпровідникових інфрачервоних джерел випромінювання, виготовлених на теплопровідній 2 основі (діаграма 1), з напівсферичним корпусом (діаграма 2), напівсферичним корпусом розміщеним в параболічному відбивачу діаметром 80мм (діаграма 3) та запропонованим корпусом (діаграма 4). Матеріал корпуса у всі х випадках був однаковий. Напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання працює наступним чином. При прикладанні напруги до випромінюючих 1 кристалів з р-n-переходами в них генерується випромінювання. На теплопровідній 2 основі, що містить заглиблення величиною не менше ніж дві товщини випромінюючих 1 кристалів, але не більше товщини чотирьох випромінюючих 1 кристалів, з плоским дном розміщені випромінюючі 1 кристали так, що для кожного окремого випромінюючого 1 кристалу необхідно місця не більше ніж півтори величини його діагоналі. Поверхня теплопровідної 2 основи із заглибленням та плоским дном, де розміщені випромінюючі 1 кристали, знаходиться в безпосередньому контакті з корпусом 3, що виготовлений із матеріалу на основі халькогенідного скла прозорого до випромінювання і має заданий показник заломлення. Циліндрична частина корпуса товщиною, що перевищує висоту його видовженої напівсферичної лінзи не менше ніж у два рази, величина заглиблення теплопровідної 2 основи та відстань між випромінюючими 1 кристалами вибрані такими, щоб отримати ефект повного внутрішнього відбивання випромінювання, яке падає на границю поділу халькогенідне скло - повітря з мінімальними втратами зовнішнього квантового виходу випромінюючих 1 кристалів та ефективно використати їх бокове випромінювання. Зменшення кутів відбивання бокового випромінювання та ефективне використання фронтального випромінювання відбувається у видовженій напівсферичній лінзі. Циліндрична частина корпуса та видовжена напівсферична лінза виготовлені в одному технологічному циклі з одного матеріалу так, що не існує границі поділу між ними. Відбиваюча випромінювання бокова поверхня заглиблення, що виготовлена у формі урізаного конуса або іншого концентратора випромінювання разом із видовженою напівсферичною лінзою підвищують вивід випромінювання придатного для практичного використання. Розміщення на плоскому дні теплопровідної 2 основи двох і більше випромінюючих 1 кристалів не приводить до зміни діаграми направленості випромінювання, що особливо важливо для конструювання цілого класу приладів телекомунікації, систем спостереження та газового аналізу. Ефективне використання бокового та фронтального випромінювання напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання дало змогу підвищити потужність випромінювання у 2,5-4 рази та суттєво звузити діаграму направленості випромінювання вздовж оптичної осі (Фіг.2). Вимірюван 6 ня потужності випромінювання проводилося за допомогою фотометричної сфери. Потужність випромінювання в залежності від режиму генерації та довжини хвилі випромінювання лежить в межах 500-1500мкВт. Для виготовлення корпусу використовувалися напівпровідникові халькогенідні стекла систем AsS-Se, As-Sb-S-Se, Ge-Sb-S, Ge-Bi-S у відповідних пропорціях. Показник заломлення халькогенідних стекол на довжині хвилі l=4,0мкм, в залежності від складу компонентів, змінювався від 2,0 до 2,7. Напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання, що заявляється, було механічно стійким, зберігало свої параметри після дії на нього вібраційних навантажень в діапазоні частот від 10 до 500Гц на вібростенді ВЭДС-400А. За п.2 формули винаходу, для розширення діапазону випромінювання, випромінюючі 1 і 2 кристали утворені з вузькозонного напівпровідникового матеріалу групи А3B 5 за планарною технологією методом рідинно-фазної епітаксії із створеними в них р-n-переходами. За п.3 формули винаходу, для розширення діапазону випромінювання, випромінюючі 1 і 2 кристали утворені з на основі твердих розчинів InGaAs та In AsSbP і генерують випромінювання в середній інфрачервоній області спектру на довжинах хвиль 2,5-5,0мкм. За п.4 формули винаходу, для підвищення потужності і/або розширення діапазону випромінювання, напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання містить однакову або різну кількість випромінюючих кристалів, на одну або декілька довжин хвиль. За п.5 формули винаходу, для спрощення конструкції та розширенні області використання, випромінюючі кристали на одну або різні довжини хвиль з'єднані послідовно і/або паралельно з відповідними електровідводами. За п.6 формули винаходу, для підвищення потужності випромінювання, теплопровідна основа містить декілька заглиблень з плоским дном в кожному з яких розміщені випромінюючі кристали на одну з довжин хвиль випромінювання. За п.7 формули винаходу, для підвищення потужності випромінювання та розширення області використання напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання працює в імпульсному режимі з однаковим або різним інтервалом часу. При переході з неперервного режиму роботи або з однаковим інтервалом часу (величина струму l=200мА, частота слідування імпульсів до 10МГц, скважність 2) на імпульсний режим роботи з різним інтервалом часу (І=1-10А, частота слідування імпульсів до 10Гц, тривалість імпульсу t=100мкс) потужність випромінювання НДВ зростає в середньому на порядок. За п. 8 формули винаходу, для підвищення селективності напівпровідникового джерела інфрачервоного випромінювання та розширення його області використання на виході випромінювання розміщений оптичний фільтр. Ширина спектра випромінювання кожного із випромінюючих 7 85645 кристалів знаходиться в межах Dl=0,3-0,6мкм, а ширина спектра випромінювання оптичного фільтра складає близько DlОФ=0,08мкм. 8 Фізико-хімічні та оптичні параметри халькогенідних стекол приведені в таблиці. Таблиця Система Температура розм'якшення Tg , К Ge-Sb-S Ge-Sb-Se Ge-Bi-S Ge-Bi-Se 480-510 410-580 470-500 360-570 Коефіцієнт лінійного розширення αх10-5, Κ-1 1,4-2,2 1,5-3,2 1,2-2,8 1,3-2,9 Запропоноване напівпровідникове джерело інфрачервоного випромінювання має підвищену ефективність роботи, розширений діапазон інфрачервоного випромінювання та область використання ι просту конструкцію. Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін Показник заломлення η (λ=3 мкм) Густина r, г/см 3 Область прозорості, мкм 2,1-2,7 2,2-2,8 2,0-2,4 2,1-2,5 2,7-4,3 4,2-5,0 3,6-5,1 3,5-5,1 0,5-11, 5 0,6-12, 5 0,6-11,5 0,8-12,5 Література: 1. Патент РФ №2154324, Полупроводниковый источник инфракрасного излучения, МПК H01L33/00, Опублікований 2000.08.10. 2. Патент РФ №2207663, Светодиод, МПК H01L33/00, Опублікований 2003.06.27. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601