RU2200358C1

RU2200358C1 - Semiconductor light-emitting diode

Info

Publication number: RU2200358C1
Application number: RU2001115538A
Authority: RU
Inventors: А.В. Хан; М.Г. Игнатьев; В.А. Хан; С.М. Гущин
Original assignee: Хан Владимир Александрович
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2001-06-05
Publication date: 2003-03-10

Abstract

FIELD: optoelectronics; semiconductor infrared diodes emitting in visible range of wavelengths. SUBSTANCE: semiconductor structure of infrared- emitting diode built up of separate mesa structures is disposed on metallized insulating wafer made of material having high coefficient of heat conductivity. Antireflective layers are formed on outer side surfaces of mesa structures. Wafer carrying mesa structures is disposed on flat bottom of reflecting package. Inner space of the latter is filled with optically transparent heat-conducting material. When liquid is used as transparent heat-conducting material, reflecting package is closed with optically transparent cover passing light beams. EFFECT: enhanced power emitted by diode. 15 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области оптоэлектроники, конкретно к полупроводниковым излучающим диодам инфракрасного (ИК) и видимого диапазонов длин волн. Изобретение может найти применение при создании различных электронно-оптических систем, в частности систем оптической связи, средств световой сигнализации и светотехнических устройств, служащих для регулирования дорожного движения и движения подвижных составов на железных дорогах. The invention relates to the field of optoelectronics, specifically to semiconductor emitting diodes of infrared (IR) and visible wavelength ranges. The invention can find application in the creation of various electron-optical systems, in particular optical communication systems, light signaling devices and lighting devices used to regulate traffic and the movement of rolling stock on railways.

Известен излучающий диод ИК диапазона ЗЛ107А, содержащий арсенидогаллиевый кристалл с р-n-переходом, сформированный в виде мезаструктуры, полупроводниковую линзу, формирующую требуемую диаграмму направленности излучения и одновременно выполняющую роль теплоотводящего элемента, и внешние электрические выводы, соединенные с контактными площадками к р⁺- и n⁺-слоям кристалла [1] . Размеры мезаструктуры и полупроводниковой линзы подобраны оптимальным образом для получения максимальной эффективности преобразования электрической энергии в световую. Недостатком такого диода является ограниченная величина излучаемой мощности (10 мВт средней мощности или 100 мВт импульсной мощности при скважности импульсов 10). Это обусловлено тем, что конструкция излучающего кристалла включает в себя только одну мезаструктуру и имеет ограниченную площадь поперечного сечения (порядка 0,1 мм ), через которую можно пропускать средний ток не более 100 мА (отвод тепла от кристалла осуществляется через электрические выводы диода и полупроводниковую линзу).Known emitting diode of the infrared range ZL107A, containing an arsenide-gallium crystal with a pn junction formed in the form of a mesastructure, a semiconductor lens that forms the desired radiation pattern and simultaneously acts as a heat sink element, and external electrical leads connected to pads to p ⁺ - and n ⁺ layers of the crystal [1]. The sizes of the mesastructure and the semiconductor lens are optimally selected to obtain the maximum efficiency of the conversion of electrical energy into light. The disadvantage of this diode is the limited amount of radiated power (10 mW average power or 100 mW pulsed power with a duty cycle of 10 pulses). This is due to the fact that the design of the emitting crystal includes only one mesastructure and has a limited cross-sectional area (of the order of 0.1 mm) through which an average current of no more than 100 mA can be passed (heat is removed from the crystal through the electrical terminals of the diode and the semiconductor lens).

Наиболее близким к заявляемому устройству является излучающий диод, содержащий: кристаллодержатель, изготовленный в виде металлической пластины с винтом, который является одним из электрических выводов диода; полупроводниковый кристалл, имеющий многомезовую р⁺-р-n⁺-структуру, размещенную на единой арсенидогаллиевой подложке n-типа, и оканчивающийся несколькими контактными площадками к р⁺-слоям и одной контактной площадкой к n⁺-слою, при этом контактные площадки к р⁺-слоям соединены с кристаллодержателем; размещенный на поверхности кристаллодержателя монтажный керамический столбик, у которого верхнее основание металлизировано и гальванически соединено отрезком провода с контактной площадкой к n⁺-слою и с внешним проволочным электрическим выводом диода; полимерную линзу, размещенную поверх основания полупроводникового кристалла и кристаллодержателя, при этом площадь основания полимерной линзы значительно превышает площадь основания полупроводникового кристалла; эпоксидный слой, закрывающий монтажный керамический столбик и соединенные с его верхним основанием упомянутые проводники [2]. В излучающем диоде-прототипе металлический кристаллодержатель и полимерная линза образуют корпус диода.Closest to the claimed device is a radiating diode, comprising: a crystal holder made in the form of a metal plate with a screw, which is one of the electrical terminals of the diode; a semiconductor crystal having a multi-meshes p ⁺ -p-n ⁺ -structure placed on a single n-type arsenide-gallium substrate and ending with several contact pads to the p ⁺ layers and one contact pad to the n ⁺ layer, while the contact pads to p ⁺ layers are connected to the crystal holder; a mounting ceramic column located on the surface of the crystal holder, in which the upper base is metallized and galvanically connected by a piece of wire with a contact pad to the n ⁺ layer and with the external wire electrical terminal of the diode; a polymer lens placed on top of the base of the semiconductor crystal and the crystal holder, wherein the base area of the polymer lens is significantly greater than the base area of the semiconductor crystal; an epoxy layer covering the mounting ceramic column and the said conductors connected to its upper base [2]. In the radiating prototype diode, a metal crystal holder and a polymer lens form a diode housing.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность получения большой излучаемой мощности. Это обусловлено наличием в нем общей для всех мезаструктур арсенидогаллиевой подложки n-типа, обладающей относительно большими электрическим и тепловым сопротивлениями, в связи с чем часть подводимой к диоду мощности рассеивается в подложке. Относительно высокое тепловое сопротивление подложки ограничивает плотность потока тепловой мощности, протекающего через нее, а следовательно, и излучаемую диодом мощность. Неоднородность распределения тока по отдельным мезаструктурам, возникающая за счет наличия конечного удельного сопротивления подложки, приводит к неоднородности поля свечения диода. Эти особенности диода-прототипа приводят к ограничению размера излучающей части диода и, следовательно, к ограничению изучаемой диодом мощности. The disadvantage of the prototype device is the inability to obtain large radiated power. This is due to the presence of an n-type arsenide-gallium substrate common to all mesastructures in it, which has relatively high electrical and thermal resistances, and therefore part of the power supplied to the diode is dissipated in the substrate. The relatively high thermal resistance of the substrate limits the density of the flow of thermal power flowing through it, and therefore the power radiated by the diode. The inhomogeneity of the current distribution over individual mesastructures arising due to the presence of a finite resistivity of the substrate leads to inhomogeneity of the luminescence field of the diode. These features of the prototype diode lead to a limitation of the size of the radiating part of the diode and, therefore, to a limitation of the power studied by the diode.

Как и в излучающем диоде-аналоге [1], так и в излучающем диоде-прототипе [2] имеют место значительные потери световой мощности, рассеиваемой как в толще полупроводникового кристалла, так и в материале линзы. As in the emitting diode-analog [1], and in the emitting diode-prototype [2], there are significant losses of light power dissipated both in the thickness of the semiconductor crystal and in the lens material.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - увеличение излучаемой диодом мощности. The technical result, the achievement of which the proposed solution is directed, is an increase in the power radiated by the diode.

Это достигается тем, что в полупроводниковый излучающий диод, содержащий корпус, размещенную внутри корпуса многомезовую полупроводниковую р⁺-р-n⁺-структуру, оканчивающуюся контактными площадками к р⁺- и n⁺-слоям, и два внешних электрических вывода, дополнительно введена металлизированная диэлектрическая пластина, изготовленная из материала с высоким значением коэффициента теплопроводности в форме круга или правильного многоугольника, с первым кольцеобразным слоем металлизации, нанесенным на одну сторону пластины вдоль ее границы, со вторым слоем металлизации, нанесенным на эту же сторону пластины в ее средней части и отделенным от первого слоя металлизации кольцеобразным зазором, и с третьим слоем металлизации, нанесенным на всю поверхность другой стороны пластины, при этом второй и третий слои металлизации соединены между собой через одно или несколько сквозных металлизированных отверстий, проходящих через пластину, корпус выполнен в виде сосуда со стенкой, внутренняя поверхность которой имеет цилиндрическую, коническую или параболическую форму, и плоским днищем, с отражающей оптические волны внутренней поверхностью, металлизированная пластина размещена на днище корпуса симметрично относительно его оси и соединена с ним третьим слоем металлизации, многомезовая полупроводниковая структура образована рядом отдельных мезаструктур, соединенных со вторым слоем металлизации пластины контактными площадками к р⁺-слоям, выводы контактных площадок к n⁺-слоям выполнены в виде металлической сетки и соединены с первым слоем металлизации пластины, внешние электрические выводы диода соединены с первым и третьими слоями металлизации пластины, внутреннее свободное пространство корпуса заполнено оптически прозрачным веществом с абсолютным показателем преломления, находящимся в пределах 1,4-1,9.This is achieved by the fact that in the semiconductor emitting diode containing the housing, a multimet semiconductor p ⁺ -p-n ⁺ -structure located inside the housing, terminating in pads to the p ⁺ and n ⁺ layers, and two external electrical leads, an additional metallized a dielectric plate made of a material with a high coefficient of thermal conductivity in the form of a circle or a regular polygon, with a first annular metallization layer deposited on one side of the plate along its boundary, with a second metallization layer deposited on the same side of the plate in its middle part and an annular gap separated from the first metallization layer, and with a third metallization layer deposited on the entire surface of the other side of the plate, while the second and third metallization layers are interconnected through one or several through metallized holes passing through the plate, the housing is made in the form of a vessel with a wall, the inner surface of which has a cylindrical, conical or parabolic shape, and flat days Thus, with the inner surface reflecting the optical waves, the metallized plate is placed symmetrically on the bottom of the body relative to its axis and connected to it by a third metallization layer, the multimet semiconductor structure is formed by a number of separate mesastructures connected to the second layer of the metallization plate by pads to p ⁺ layers, conclusions bonding pads to the n ⁺ -layer formed as a metal mesh and connected to the first metallization layer plate, external terminals electrically connected to the diode lane th and third metallization layers of the plate, the internal space housing an optically transparent material filled with the absolute refractive index being in the range 1.4-1.9.

В частном случае корпус выполняется из металла или сплава металлов, при этом внешний электрический вывод, соединенный с первым слоем металлизации пластины отделяется от корпуса проходной диэлектрической втулкой. Контактные площадки к p⁺- и n⁺-слоям мезаструктур выполняются с отражающими оптическое излучение поверхностями со стороны этих слоев, например, методом микширования.In the particular case, the casing is made of metal or an alloy of metals, while the external electrical terminal connected to the first layer of metallization of the plate is separated from the casing by a dielectric bushing. Contact pads to p ⁺ and n ⁺ layers of mesastructures are made with surfaces reflecting optical radiation from the side of these layers, for example, by mixing.

Мезаструктуры могут размещаться на втором слое металлизации пластины в виде квадратной матрицы или в форме сотовых ячеек, а сами мезаструктуры могут выполняться в форме усеченной четырехугольной пирамиды или усеченного конуса, при этом углы между боковыми гранями усеченной пирамиды и угол между образующей усеченного конуса и плоскостью нижнего основания у каждой мезаструктуры находятся в пределах 45 - 60^o. На внешней боковой поверхности каждой мезаструктуры располагается просветляющий (согласующий) слой оптически прозрачного вещества толщиной (0,2-0,3)λ_c, полученный, например, методом химического окисления поверхности полупроводника и имеющий абсолютный показатель преломления

где λ_c - длина оптической волны в согласующем слое на частоте излучения, n₁ и n₂ - абсолютные показатели преломления материала мезаструктур и оптически прозрачного вещества, заполняющего внутреннее пространство корпуса. В частном случае мезаструктуры изготавливаются из p⁺(Ga_1-xAl_xAs)-p(GaAs)-n⁺(Ga_1-xAl_xAs)-слоев, где х=0,1÷0,4.Mesastructures can be placed on the second metallization layer of the plate in the form of a square matrix or in the form of cell cells, and the mesastructures themselves can be made in the form of a truncated quadrangular pyramid or a truncated cone, while the angles between the side faces of the truncated pyramid and the angle between the generatrix of the truncated cone and the plane of the lower base each mesastructure is in the range of 45-60 ^o . On the outer side surface of each mesastructure is an antireflection (matching) layer of an optically transparent substance with a thickness of (0.2-0.3) λ _c , obtained, for example, by chemical oxidation of the surface of a semiconductor and having an absolute refractive index

where λ _c is the optical wavelength in the matching layer at the radiation frequency, n ₁ and n ₂ are the absolute refractive indices of the material of the mesastructures and the optically transparent substance filling the inner space of the body. In a particular case, the mesastructures are made of p ⁺ (Ga _1-x Al _x As) -p (GaAs) -n ⁺ (Ga _1-x Al _x As) layers, where x = 0.1–0.4.

В варианте излучающего диода, конструкция которого приведена ниже, корпус закрыт крышкой из оптически прозрачного материала, а в качестве оптически прозрачного вещества, заполняющего внутреннее пространство корпуса, используется жидкость. Абсолютный показатель преломления материала крышки находится в пределах 1,4÷1,9 и равен или приблизительно равен абсолютному показателю преломления жидкости, заполняющей внутреннее пространство корпуса. In the embodiment of the emitting diode, the construction of which is given below, the housing is closed by a cover of optically transparent material, and liquid is used as an optically transparent substance filling the interior of the housing. The absolute refractive index of the cover material is in the range 1.4 ÷ 1.9 and is equal to or approximately equal to the absolute refractive index of the liquid filling the interior of the housing.

В частном случае днище корпуса изготавливается в форме цилиндра с выступающей за внешнюю стенку корпуса кольцевой частью, в которой выполняются отверстия или на цилиндрической поверхности которой выполняется резьба для подсоединения внешнего радиатора. In the particular case, the bottom of the case is made in the form of a cylinder with an annular part protruding beyond the outer wall of the case, in which holes are made or on the cylindrical surface of which a thread is made to connect an external radiator.

На фиг. 1 изображена конструкция одного из возможных вариантов предлагаемого излучающего диода, на фиг. 2 показана в разрезе отдельная р⁺-р-n⁺-мезаструктура и на фиг.3 - экспериментальная зависимость излучаемой предлагаемым диодом (опытным образцом) в ИК диапазоне λ_изл = 0,87 мкм) мощности от потребляемого тока.In FIG. 1 shows the design of one of the possible variants of the proposed emitting diode, in FIG. 2 shows a section of a separate p ⁺ -p-n ⁺ mesastructure, and FIG. 3 shows the experimental dependence of the power emitted by the proposed diode (prototype) in the IR range λ _rad = 0.87 μm) on the current consumption.

Излучающий диод (фиг.1) содержит корпус 1, изготовленный из металла или сплава металлов в форме сосуда. Плоское днище выполнено в форме цилиндра, у которого диаметр значительно превышает его высоту (приблизительно на порядок). Стенка корпуса выполнена в форме тела вращения, внутренняя поверхность стенки - в форме параболоида. Внутренняя поверхность корпуса выполнена зеркальной (хорошо отражающей оптическое излучение). На днище корпуса 1 размещена диэлектрическая с высоким значением коэффициента теплопроводности пластина 2, изготовленная из бериллиевой керамики, нитрида алюминия, нитрида бора или других диэлектрических материалов. На верхней (по чертежу) стороне пластины 2 вдоль ее края нанесен первый относительно толстый кольцеобразный слой металлизации 3, на среднюю часть этой же стороны пластины 2 нанесен второй слой металлизации, который отделен от слоя 3 кольцеобразным зазором (второй слой металлизации пластины 2 расположен в нижней части проводящего слоя 4). На всю нижнюю поверхность пластины 2 нанесен третий слой металлизации 5. При помощи металлизированных отверстий 6 в пластине 2 второй и третий слои металлизации гальванически соединены между собой. На втором слое металлизации пластины 2 размещены 25 мезаструктур 7. Контактная площадка к p⁺-cлoям этих мезаструктур сплавлена со вторым слоем металлизации пластины 2 (контактная площадка к р⁺-слоям мезаструктур расположена в верхней части проводящего слоя 4). С контактными площадками 8 к n⁺-слоям мезаструктур соединена металлическая сетка 9, которая, в свою очередь, соединена с первым слоем металлизации 3 пластины 2. На боковых поверхностях мезаструктур размещены оптически прозрачные согласующие слои 10 из окисла полупроводника. Пластина 2 третьим слоем металлизации 5 гальванически соединена с днищем корпуса. Внешний электрический вывод 11 соединен гальванически со слоем 4 и, следовательно, с р⁺-слоями всех мезаструктур. Внешний электрический вывод 12 проходит внутрь корпуса 1 через размещенную в днище диэлектрическую втулку 13. Посредством ленточного проводника 14 внешний вывод 12 соединяется с первым кольцеобразным слоем металлизации 3 и, следовательно, с контактными площадками к n⁺-слоям отдельных мезообразных элементов. В днище корпуса выполнены отверстия 15 для его соединения с внешним радиатором и отверстие 16 для заливки во внутреннюю свободную полость корпуса незамерзающей в зимних условиях жидкости 17 (например, этилового или метилового спирта). Сверху корпус 1 герметично закрыт плоской оптически прозрачной крышкой 18. В отверстии 16 размещена гибкая диафрагма 19, которая прижата к выступу отверстия 16 трубчатым винтом 20. Диафрагма 19 демпфирует изменение давления жидкости внутри корпуса при изменении температуры окружающей излучающий диод среды и нагреве устройства в процессе его работы.The emitting diode (figure 1) contains a housing 1 made of metal or an alloy of metals in the form of a vessel. The flat bottom is made in the form of a cylinder, in which the diameter significantly exceeds its height (approximately an order of magnitude). The wall of the body is made in the form of a body of revolution, the inner surface of the wall is in the form of a paraboloid. The inner surface of the casing is made mirror (well reflecting optical radiation). A plate 2 made of beryllium ceramics, aluminum nitride, boron nitride or other dielectric materials is placed on the bottom of the housing 1. On the upper (according to the drawing) side of the plate 2 along its edge a first relatively thick annular metallization layer 3 is deposited, on the middle part of the same side of the plate 2 a second metallization layer is applied, which is separated from the layer 3 by an annular gap (the second metallization layer of the plate 2 is located in the lower parts of the conductive layer 4). A third metallization layer 5 is applied to the entire lower surface of the plate 2. Using the metallized holes 6 in the plate 2, the second and third metallization layers are galvanically connected to each other. 25 mesastructures 7 are placed on the second metallization layer of plate 2. The contact pad to the p ⁺ layers of these mesastructures is fused with the second metallization layer of plate 2 (the contact pad to the p ⁺ layers of the mesastructures is located in the upper part of the conducting layer 4). A metal grid 9 is connected to the contact pads 8 to the n ⁺ layers of the mesastructures, which, in turn, is connected to the first metallization layer 3 of the plate 2. Optically transparent matching layers 10 of semiconductor oxide are placed on the side surfaces of the mesastructures. Plate 2 with a third metallization layer 5 is galvanically connected to the bottom of the housing. The external electrical terminal 11 is galvanically connected to the layer 4 and, therefore, to the p ⁺ layers of all the mesastructures. An external electrical terminal 12 extends into the housing 1 through a dielectric sleeve 13 located at the bottom. By means of a ribbon conductor 14, the external terminal 12 is connected to the first annular metallization layer 3 and, therefore, to the contact pads to the n ⁺ layers of the individual mesiform elements. Holes 15 are made in the bottom of the casing for connecting it to an external radiator and a hole 16 for pouring liquid 17 (for example, ethyl or methyl alcohol) into the internal free cavity of the casing that is freezing in winter conditions. On top of the housing 1 is hermetically closed by a flat optically transparent cover 18. A flexible diaphragm 19 is placed in the hole 16, which is pressed against the protrusion of the hole 16 by a tubular screw 20. The diaphragm 19 damps the change in fluid pressure inside the case when the temperature of the medium surrounding the emitting diode is changed and the device heats up during it work.

На фиг.2 изображена отдельная мезаструктура (в разрезе). Обозначения на фиг. 2 совпадают с обозначениями на фиг.1. Слой металлизации 5 гальванически соединяется с днищем корпуса 1. Проводящий слой 4 состоит из трех слоев: верхнего (по чертежу), который был ранее нанесен на поверхность полупроводниковой пластины к р⁺-слою, нижнего - второго слоя металлизации пластины 2 и среднего - слоя припоя.Figure 2 shows a separate mesastructure (in section). The notation in FIG. 2 coincide with the notation in FIG. The metallization layer 5 is galvanically connected to the bottom of the housing 1. The conductive layer 4 consists of three layers: the upper (according to the drawing), which was previously applied to the surface of the semiconductor wafer to the p ⁺ layer, the lower - the second metallization layer of the plate 2 and the middle - solder layer .

Способ изготовления полупроводниковой многомезовой арсенидогаллиевой структуры, размещенной на теплопроводящей диэлектрической пластине, состоит в следующем:
1. Исходную эпитаксиальную полупроводниковую пластину со слоями p⁺(Ga_1-xAl_xAs), p(GaAs), n⁺(Ga_1-xAl_xAs) и n⁺(GaAs), где n⁺(GaAs) - относительно толстый слой пластины (ее подложка), подготавливают для нанесения контактного (омического) слоя к р⁺-слою. Затем на всю поверхность р⁺-слоя методом гальванического осаждения наносят слой сплава Au-Zn, который затем вжигают в приповерхностный слой полупроводника (в р⁺-слой). Далее слои сплава Au-Zn покрывают сначала слоем сплава Au-Ge, а затем слоем сплава Sn-Bi.A method of manufacturing a semiconductor multimetal arsenide-gallium structure placed on a heat-conducting dielectric plate, consists in the following:
1. The initial epitaxial semiconductor wafer with layers p ⁺ (Ga _1-x Al _x As), p (GaAs), n ⁺ (Ga _1-x Al _x As) and n ⁺ (GaAs), where n ⁺ (GaAs) - a relatively thick layer of the plate (its substrate) is prepared for applying the contact (ohmic) layer to the p ⁺ layer. Then, an Au-Zn alloy layer is deposited on the entire surface of the p ⁺ layer by electroplating, which is then burned into the surface layer of the semiconductor (in the p ⁺ layer). Next, the layers of the Au-Zn alloy are first coated with an Au-Ge alloy layer and then with a Sn-Bi alloy layer.

2. Методом координатной лазерной прошивки отверстий формируют сквозные отверстия 6 в пластине 2, изготовленной из нитрида алюминия, бериллиевой керамики или другого материала. Далее на обе стороны пластины 2 наносят последовательно тонкие слои хрома, меди и никеля методом термического распыления в вакууме и слои сплавов Au-Ge и Sn-Bi электрохимическим методом. 2. Through the coordinate laser piercing of holes, through holes 6 are formed in a plate 2 made of aluminum nitride, beryllium ceramic, or other material. Next, thin layers of chromium, copper and nickel are successively applied to both sides of plate 2 by thermal spraying in vacuum and layers of Au-Ge and Sn-Bi alloys by electrochemical method.

3. Проводят посадку полупроводниковой пластины со стороны р⁺-слоя на второй слой металлизации 4 пластины 2. Соединение пластин осуществляют сплавлением внешних ранее нанесенных слоев из сплава Sn-Bi при температуре 450^oС в течение 5 мин.3. The semiconductor wafer is planted from the p ⁺ layer side on the second metallization layer 4 of the wafer 2. The wafers are connected by fusing the previously previously deposited Sn-Bi alloy layers at a temperature of 450 ^{° C.} for 5 minutes.

4. Производят удаление подложки n⁺(GaAs) методом химико-динамического травления.4. The n ⁺ (GaAs) substrate is removed by chemical-dynamic etching.

5. Проводят цикл технологических операций, обеспечивающий формирование контура мезообразной полупроводниковой структуры со стороны n⁺(Ga_1-xAl_xAs)-слоя и первого кольцеобразного слоя металлизации 3 (с привязкой к положению металлизированных отверстий 6 на поверхности пластины 2).5. A cycle of technological operations is carried out, which ensures the formation of the contour of the mesiform semiconductor structure from the side of the n ⁺ (Ga _1-x Al _x As) layer and the first annular metallization layer 3 (with reference to the position of the metallized holes 6 on the surface of the plate 2).

6. На поверхность n⁺(Ga_1-xAl_xAs)-слоя, расположенную в пределах контура мезообразной полупроводниковой структуры, смежную поверхность пластины 2 и поверхность первого слоя металлизации 3 пластины 2 методом термического испарения в вакууме наносят сплав Au-Ge, который затем вжигают в поверхность полупроводника при температуре 450^oС в течение 3 мин.6. On the surface of the n ⁺ (Ga _1-x Al _x As) -layer, located within the contour of the mesiform semiconductor structure, the adjacent surface of the plate 2 and the surface of the first metallization layer 3 of the plate 2, an Au-Ge alloy is deposited by thermal evaporation in vacuum then burned into the surface of the semiconductor at a temperature of 450 ^o C for 3 minutes

7. На образовавшуюся проводящую поверхность напыляют и электрохимически доращивают слой золота. 7. A layer of gold is sprayed onto the formed conductive surface and electrochemically grown.

8. Проводят фотолитографию мезообразной полупроводниковой структуры и формируют рисунок сетки балочных выводов 9. 8. Photolithography of the mesiform semiconductor structure is carried out and a grid pattern of beam terminals 9 is formed.

9. Осуществляют формирование мезаструктур методом селективного травления. 9. Carry out the formation of mesastructures by selective etching.

10. Окисляют химическим способом боковые поверхности мезаструктур (образуют оптически прозрачный согласующий слой 10). 10. Chemically oxidize the lateral surfaces of the mesastructures (form an optically transparent matching layer 10).

Полупроводниковый излучающий диод работает следующим образом. При пропускании через включенные параллельно мезаструктуры прямого тока осуществляется инжекция электронов и дырок в р-область в каждой мезаструктуре. При этом в р-области происходит рекомбинация дырок и электронов, сопровождающаяся образованием оптических квантов, значительная часть которых выходит за приделы мезаструктуры. При протекающем через мезаструктуры токе устанавливается динамическое равновесие между количеством инжектированных в р-область электронов и дырок и числом образовавшихся оптических квантов. Поскольку контактные площадки со стороны р⁺ и n⁺-слоев выполнены зеркальными, то излучение направляется на боковые грани мезаструктур. Далее через согласующий слой 10 излучение проходит в жидкость 17. Абсолютный показатель преломления согласующего слоя 10 приблизительно равен корню квадратному из произведения абсолютных показателей преломления материала полупроводника и жидкости 17. Оптическое излучение проходит к оптически прозрачной крышке 18 непосредственно от мезаструктур или отразившись от внутренней зеркальной поверхности корпуса 1. Пройдя через крышку 18, оно поступает в открытое пространство. Абсолютные показатели преломления жидкости 17 и материала крышки 18 выбраны равными или близкими друг другу (например, равными 1,5). Угол между боковыми поверхностями мезаструктур и плоскостью их основания (выбираемый в пределах 45 - 60^o), форма внутренней поверхности корпуса и ее размеры обеспечивают получение нужной диаграммы направленности излучения диода.A semiconductor emitting diode operates as follows. When passing direct current through parallel mesastructures, electrons and holes are injected into the p-region in each mesostructure. In this case, recombination of holes and electrons occurs in the p-region, accompanied by the formation of optical quanta, a significant part of which goes beyond the confines of the mesastructure. When a current flows through the mesastructures, a dynamic equilibrium is established between the number of electrons and holes injected into the p-region and the number of generated optical quanta. Since the contact pads on the p ⁺ and n ⁺ layers are mirror-shaped, the radiation is directed to the lateral faces of the mesastructures. Further, radiation passes through the matching layer 10 into the liquid 17. The absolute refractive index of the matching layer 10 is approximately equal to the square root of the product of the absolute refractive indices of the semiconductor material and liquid 17. The optical radiation passes to the optically transparent cover 18 directly from the mesastructures or reflected from the internal mirror surface of the housing 1. Having passed through the cover 18, it enters the open space. The absolute refractive indices of the liquid 17 and the material of the cover 18 are chosen equal to or close to each other (for example, equal to 1.5). The angle between the side surfaces of the mesastructures and the plane of their base (selectable in the range of 45-60 ^o ), the shape of the inner surface of the housing and its dimensions provide the desired radiation pattern of the diode.

По сравнению с устройством-прототипом предлагаемый диод излучает значительно большую мощность. Экспериментальное исследование предлагаемого диода показало, что непрерывная излучаемая мощность в ИК диапазоне превышала 6 Вт (фиг. 3). В устройстве-прототипе непрерывная излучаемая мощность составляла 0,6 Вт [2] . По отношению к прототипу предлагаемый диод лучше воспринимает циклические изменения температуры, как при изменении температуры окружающей среды, так и при изменении температуры отдельных мезаструктур, вызванных их нагревом (при протекании через них тока). Жидкость или другое вещество, заполняющее внутреннее свободное пространство корпуса, не только увеличивает отвод тепла от мезаструктур, но и препятствует разрыву сетки 9 при пропускании через нее больших импульсных токов. Compared with the prototype device, the proposed diode emits significantly greater power. An experimental study of the proposed diode showed that the continuous radiated power in the infrared range exceeded 6 watts (Fig. 3). In the prototype device, the continuous radiated power was 0.6 W [2]. In relation to the prototype, the proposed diode better perceives cyclic temperature changes, both when the ambient temperature changes, and when the temperature of individual mesastructures changes due to their heating (when current flows through them). A liquid or other substance filling the internal free space of the housing not only increases heat removal from the mesastructures, but also prevents the mesh 9 from breaking when large pulse currents pass through it.

Источники информации
1. Полупроводниковые приборы: Диоды, тиристоры, оптоэлектронные приборы. Справочник (А.В. Баюков, А.Б. Гитцевич, А.А. Зайцев, и др.; Под общ. ред. Н. Н. Горюнова - М.: Энергоиздат, 1982. 744с. - С.666-668.Sources of information
1. Semiconductor devices: Diodes, thyristors, optoelectronic devices. Reference book (A.V.Bayukov, A.B. Gitsevich, A.A. Zaitsev, etc.; Under the general editorship of N.N. Goryunov - M .: Energoizdat, 1982. 744p. - S.666-668 .

2. Отчет НИИПП по ОКР "Разработка базовых технологических процессов изготовления мощных излучающих диодов", Томск, 1987. Номер государственной регистрации Ф25 265 - прототип. 2. Report NIIPP for design and development work "Development of basic technological processes for manufacturing high-power emitting diodes", Tomsk, 1987. State registration number F25 265 - prototype.

Claims

1. A semiconductor emitting diode containing a housing, a multimet semiconductor p ⁺ -p-n ⁺ structure located inside the housing terminating in pads to the p ⁺ and n ⁺ layers, and two external electrical terminals, characterized in that it is additionally introduced a metallized dielectric plate made of a material with a high coefficient of thermal conductivity in the form of a circle or a regular polygon, with the first annular metallization layer deposited on one side of the plate along its outer its borders, with a second metallization layer deposited on the same side of the plate in its middle part and separated by an annular gap from the first metallization layer, and with a third metallization layer deposited on the entire surface of the other side of the plate, while the second and third metallization layers are connected between by itself through one or more through metallized holes passing through the plate, the housing is made in the form of a vessel with a wall, the inner surface of which has a cylindrical, conical or parabolic shape, and a flat bottom, with an internal surface reflecting optical waves, a metallized dielectric plate is placed symmetrically on the bottom of the housing relative to its axis and connected to it by a third metallization layer, a multimet semiconductor structure is formed by a number of separate mesastructures connected to the second layer of the metallization plate by pads to p ⁺ layers conclusions pads to n ⁺ type layer made of a metal mesh and connected to the first metallization layer plate electric external The conclusions are connected to the first and third layers of metallization of the plate, and an inner space filled with an optically transparent shell material with the absolute refractive index being in the range 1.4-1.9.

2. The diode according to claim 1, characterized in that the housing is made of an electrically conductive material, and the external electrical terminal connected to the first metallization layer of the plate is separated from the housing by a bushing dielectric.

3. The diode according to claim 1 or 2, characterized in that the contact pads to the p ⁺ and n ⁺ layers of the mesastructures are made with surfaces reflecting optical radiation from the side of these layers, for example, by mixing.

4. The diode according to claims. 1-3, characterized in that the mesastructures are placed on the second metallization layer of the plate in the form of a square matrix.

5. The diode according to claims. 1-3, characterized in that the mesastructures are placed on the second metallization layer of the plate in the form of cell cells.

6. The diode according to claim 4 or 5, characterized in that the mesastructures are made in the form of a truncated quadrangular pyramid.

7. The diode according to claim 4 or 5, characterized in that the mesastructures are made in the form of a truncated cone.

8. The diode according to claim 6, characterized in that the angles between the lateral faces of the truncated quadrangular pyramid and the plane of the lower base at each mesastructure are within 45 ÷ 60 ^o .

9. The diode according to claim 7, characterized in that the angle between the generatrix of the truncated cone and the plane of the lower base at each mesastructure is in the range of 45-60 ^o .

10. The diode according to claims. 1-9, characterized in that on the outer side surface of each mesastructure is a matching layer of optically transparent substance with a thickness of (0.2-0.3) λ _c having an absolute refractive index

where λ _c is the optical wavelength in the matching layer at the radiation frequency, n ₁ and n ₂ are the absolute refractive indices of the mesastructures and the optically transparent substance filling the internal free space of the body.

11. The diode according to claims. 1-10, characterized in that the mesastructures are made of p ⁺ (Ga _1-x Al _x As) -p (GaAs) -n ⁺ (Ga _1-x Al _x As) - layers, where x = 0.1 ÷ 0 ,4.

12. The diode according to claims. 1-11, characterized in that the housing is closed by a flat cover made of optically transparent material, placed parallel to the bottom and hermetically connected to the housing, and liquid is used as an optically transparent substance filling the interior of the housing.

13. The diode according to claim 12, characterized in that the absolute refractive index of the cover material is in the range 1.4 ÷ 1.9.

14. The diode according to claims. 1-13, characterized in that the bottom of the body is made in the form of a cylinder with an annular part protruding beyond the outer wall, in which holes are made for attaching an external radiator.

15. The diode according to claims. 1-13, characterized in that the bottom of the body is made in the form of a cylinder with an annular part protruding beyond the outer wall, on the cylindrical surface of which there is a thread for connecting an external radiator.