RU2577787C2 - Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии - Google Patents

Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии Download PDF

Info

Publication number
RU2577787C2
RU2577787C2 RU2014108564/28A RU2014108564A RU2577787C2 RU 2577787 C2 RU2577787 C2 RU 2577787C2 RU 2014108564/28 A RU2014108564/28 A RU 2014108564/28A RU 2014108564 A RU2014108564 A RU 2014108564A RU 2577787 C2 RU2577787 C2 RU 2577787C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser diodes
symmetry
axis
light
line
Prior art date
Application number
RU2014108564/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2014108564A (ru
Inventor
Юрий Георгиевич Шретер
Юрий Тоомасович Ребане
Алексей Владимирович Миронов
Original Assignee
Юрий Георгиевич Шретер
Юрий Тоомасович Ребане
Алексей Владимирович Миронов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Георгиевич Шретер, Юрий Тоомасович Ребане, Алексей Владимирович Миронов filed Critical Юрий Георгиевич Шретер
Priority to RU2014108564/28A priority Critical patent/RU2577787C2/ru
Priority to PCT/RU2015/000137 priority patent/WO2015133936A1/en
Priority to US15/123,381 priority patent/US9948065B2/en
Priority to CN201580011511.6A priority patent/CN106134021B/zh
Priority to JP2016555550A priority patent/JP6334726B2/ja
Priority to EP15715509.4A priority patent/EP3114738B1/en
Publication of RU2014108564A publication Critical patent/RU2014108564A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2577787C2 publication Critical patent/RU2577787C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4043—Edge-emitting structures with vertically stacked active layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
    • F21V9/30—Elements containing photoluminescent material distinct from or spaced from the light source
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S5/0087—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping for illuminating phosphorescent or fluorescent materials, e.g. using optical arrangements specifically adapted for guiding or shaping laser beams illuminating these materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1071—Ring-lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/20—Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers
    • H01S5/2004—Confining in the direction perpendicular to the layer structure
    • H01S5/2018—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers
    • H01S5/2031—Optical confinement, e.g. absorbing-, reflecting- or waveguide-layers characterized by special waveguide layers, e.g. asymmetric waveguide layers or defined bandgap discontinuities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4018—Lasers electrically in series
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031—Edge-emitting structures
    • H01S5/4056—Edge-emitting structures emitting light in more than one direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21Y—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES F21K, F21L, F21S and F21V, RELATING TO THE FORM OR THE KIND OF THE LIGHT SOURCES OR OF THE COLOUR OF THE LIGHT EMITTED
    • F21Y2115/00—Light-generating elements of semiconductor light sources
    • F21Y2115/30—Semiconductor lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02257—Out-coupling of light using windows, e.g. specially adapted for back-reflecting light to a detector inside the housing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1071—Ring-lasers
    • H01S5/1075—Disk lasers with special modes, e.g. whispering gallery lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
    • H01S5/343—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser
    • H01S5/34333—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer based on Ga(In)N or Ga(In)P, e.g. blue laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Optical Filters (AREA)

Abstract

Полупроводниковое светоизлучающее устройство белого цвета содержит оптически прозрачный корпус с нанесенным на стенках люминофором. Внутри корпуса установлены лазерные диоды, имеющие ось симметрии. Причем лазерные диоды расположены последовательно на оси симметрии светоизлучающего устройства таким образом, что их оси симметрии совпадают между собой. Торцы лазерных диодов соединены так, что они находятся в электрическом и механическом контакте и образуют линейку лазерных диодов, диаграмма направленности излучения которой имеет ось симметрии, совпадающую с осью симметрии светоизлучающего устройства. Технический результат заключается в создании полупроводникового светоизлучающего устройства белого света большой интенсивности светового излучения без увеличения размеров светоизлучающих элементов, обеспечивающего при этом однородную засветку люминофора. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области светоизлучающих устройств, в частности к высокоэффективным твердотельным светоизлучающим устройствам на основе линеек лазерных диодов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Линейки лазерных диодов широко применяются в настоящее время для накачки мощных твердотельных лазеров, используемых для резки, сварки, шлифовки и термообработки поверхностей различных материалов во многих областях промышленности и медицине.
Обычно линейка лазерных диодов состоит из набора одиночных полосковых лазерных диодов, расположенных параллельно друг другу на общей подложке, которая используется в качестве теплоотвода, RU 2150164, RU 2455739. Такие линейки полосковых лазерных диодов излучают свет в одном определенном направлении в виде набора параллельных лучей.
Были также предложены одиночные лазерные диоды с цилиндрически симметричными резонаторами с выводом света в каком-то одном определенном направлении, либо параллельном оси симметрии резонатора, либо перпендикулярном оси симметрии, US 5343490, US 6134257, US 6333944, US 6519271, US 8326098, RU 2423764, RU 2431225, а также массивы, геометрически разнесенных в направлениях перпендикулярных их осям симметрии, осесимметричных лазерных диодов RU 2465699, US 2011/0163292 А1.
Для создания малогабаритного лазерного источника света, способного излучать свет в различных направлениях и имеющего диаграмму направленности дальнего поля излучения, близкую к осесимметричной, без использования формирующей оптики, было предложено использовать набор из блоков полосковых лазерных диодов, развернутых друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной к оси излучения, RU 2187183, опубл. 10.08.2002).
На сегодняшний день широкое распространение получили осветительные приборы с использованием светодиодов в качестве источников света. В частности, известна светодиодная лампа белого свечения, содержащая колбу с оптически прозрачными стенками с собранными в ней светодиодами, с оптическими осями, ориентированными преимущественно в пространстве полусферы перпендикулярно стенкам колбы, покрытой одним или смесью нескольких люминофоров, преобразующих в белое свечение большую часть излучения светодиодов, выбранных из группы светодиодов, генерирующих излучение в ультрафиолетовой, фиолетовой, голубой или синей области оптического спектра (патент RU 2408816 С2, опубл. 10.11.2010). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является невозможность обеспечения однородной засветки люминофора. Кроме этого, недостатком светоизлучающих устройств на светодиодах является необходимость увеличения размера чипа светодиода для увеличения интенсивности света. Это связано с насыщением интенсивности света с увеличением тока через светодиод из-за увеличения роли безизлучательной рекомбинации. Поэтому с увеличением тока интенсивность света в таких устройствах падает.
Задачей изобретения является создание полупроводникового светоизлучающего устройства белого света большой интенсивности светового излучения без увеличения размеров светоизлучающих элементов, обеспечивающего при этом однородную засветку люминофора.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для решения этой задачи в настоящем изобретении предлагается полупроводниковое светоизлучающее устройство белого света, имеющее ось симметрии, содержащее оптически прозрачный корпус, на боковые стенки которого нанесен слой люминофора, возбуждаемый ультрафиолетовым или голубым излучением, и два или более полупроводниковых светоизлучающих элемента, размещенных внутри корпуса. Отличается заявленное устройство тем, что полупроводниковые светоизлучающие элементы представляют собой лазерные диоды, выполненные из нитридов третьей группы и имеющие ось симметрии, причем лазерные диоды расположены последовательно на оси симметрии светоизлучающего устройства таким образом, что их оси симметрии совпадают между собой, при этом торцы лазерных диодов соединены так, что они находятся в электрическом и механическом контакте, и образуют линейку лазерных диодов, диаграмма направленности излучения которой перпендикулярна оси симметрии светоизлучающего устройства. При этом каждый из лазерных диодов может содержать дисковый оптический резонатор, или кольцевой оптический резонатор, или многоугольный оптический резонатор.
В предпочтительном варианте оптический резонатор может быть полым.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является обеспечение высокой степени однородности засветки люминофора в осесимметричных лампах при помощи множества лазерных диодов с осесимметричными резонаторами.
Однородность засветки достигается даже в случае применения лазерных диодов с дисковыми оптическими резонаторами, которые в обычных применениях обладают недостатком, заключающимся в том, что свет из дискового резонатора выходит в случайных точках края диска из-за дефектов полировки этого края. Однако в данном изобретении это свойство используется для достижения однородности возбуждения белого света при вращении лампы вокруг ее оси, а однородность возбуждения белого света вдоль оси лампы достигается использованием множества лазерных диодов, собранных в стопку.
Кроме того, предложенное изобретение позволяет увеличить интенсивность светового потока устройства по сравнению с лампами, использующими светодиоды, при сохранении габаритов светоизлучающих элементов. В случае лазерного возбуждения люминофора при токе выше некоторого порогового тока, наблюдается стимулированное излучение, которое резко повышает вероятность излучательной рекомбинации и, таким образом, подавляется безизлучательная рекомбинация и интенсивность света растет с увеличением тока, а не падает, как в случае использования светодиодов.
Использование в качестве светоизлучающих элементов лазерных диодов на основе нитридов III-группы позволяет эффективно получать свет видимого диапазона посредством возбуждения люминофора излучением голубого или ультрафиолетового света.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлен одиночный лазерный диод с дисковым оптическим резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 2.
На Фиг. 2 представлена цилиндрическая линейка лазерных диодов, имеющая ось симметрии и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 1.
На Фиг. 3 представлена схема цилиндрически симметричной лампы, излучающей белый свет и использующей люминофор для конверсии ультрафиолетового или голубого излучения в белый свет, а также использующей в качестве генератора ультрафиолетового или голубого излучения линейку лазерных диодов, представленную на Фиг. 2.
На Фиг. 4 представлен одиночный лазерный диод с полым дисковым оптическим резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 5.
На Фиг. 5 представлена цилиндрическая линейка лазерных диодов со сквозной полостью, имеющая ось симметрии и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 4.
На Фиг. 6 представлен одиночный лазерный диод с кольцевым оптическим резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 7.
На Фиг. 7 представлена цилиндрическая линейка лазерных диодов со сквозной полостью, имеющая ось симметрии и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 6.
На Фиг. 8 представлен одиночный лазерный диод с полым гексагональным резонатором, являющийся составляющим элементом вертикальной линейки лазерных диодов, представленной на Фиг. 9.
На Фиг. 9 представлена гексагональная линейка лазерных диодов со сквозной гексагональной полостью, имеющая ось симметрии шестого порядка и составленная из одиночных лазерных диодов, представленных на Фиг. 8.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение будет прояснено ниже на нескольких примерах его осуществления. Следует отметить, что последующее описание этих примеров осуществления является лишь иллюстративным и не является исчерпывающим.
Пример 1. Цилиндрическая линейка голубых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
В данном примере осесимметричная линейка лазерных диодов состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN/In0.25Ga0.75N/GaN/In0.25Ga0.75N/GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN, с дисковыми оптическими резонаторами.
Одиночный лазерный диод с дисковым оптическим резонатором представлен на Фиг. 1. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа, легированного кремнием с концентрацией 5·1018 см-3 и имеющего толщину 2 мкм, обкладочного слоя 3, твердого раствора n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 1019 см-3, волноводного слоя 4 нитрида галлия, который содержит две квантовые ямы шириной 2,5 нм, обкладочного слоя 5, твердого раствора p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 1020 см-3, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа, толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 1020 см-3, и металлического p-контакта 7.
Цилиндрическая линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с дисковыми оптическими резонаторами представлена на Фиг. 2. Электрическое напряжение, питающее цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1, верхнего лазерного диода и через p-контакт 7, нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·VLD, где n - число лазерных диодов в линейке, и VLD напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V, и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7, нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активными квантовыми ямами, всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом, поскольку цилиндрическая линейка лазерных диодов имеет ось 8 симметрии, то свет 10 из нее будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии.
Применение цилиндрической линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена цилиндрическая линейка 12 лазерных диодов.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам цилиндрической линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует голубой свет 10, который излучается однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается однородная засветка люминофора 14, который частично конвертирует голубой свет в желтый и в результате смешения голубого и желтого света наружу выходит белый свет 18. Поскольку вся лазерная лампа обладает цилиндрической симметрией, то и белый свет 18 будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Пример 2. Полая цилиндрическая линейка ультрафиолетовых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
В данном примере осесимметричная линейка лазерных диодов состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/Al0.4Ga0.6N/, с полыми дисковыми оптическими резонаторами.
Одиночный лазерный диод с полым дисковыми оптическим резонатором представлен на Фиг. 4. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа, легированного кремнием с концентрацией 5·1018 см-3 и имеющего толщину 2 мкм обкладочного слоя 3, твердого раствора n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 1019 см-3, волноводного слоя 4 , который содержит одну GaN квантовую яму шириной 3 нм, обкладочного слоя 5 твердого раствора p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 1020 см-3, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа, толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 1020 см-3 и металлического p-контакта 7. Лазерный диод содержит цилиндрическую полость 11, проходящую сквозь все слои его структуры, расположенную вдоль оси симметрии.
Цилиндрическая линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с полыми дисковыми оптическими резонаторами представлена на Фиг. 5. Электрическое напряжение, питающее цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1, верхнего лазерного диода и через p-контакт 7, нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·VLD, где n - число лазерных диодов в линейке и VLD напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V, и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7, нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активной квантовой ямой всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом, поскольку цилиндрическая линейка лазерных диодов имеет ось 8 симметрии, то свет 10 из нее будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии. Полая цилиндрическая линейка лазерных диодов содержит цилиндрическую полость 11, расположенную вдоль оси симметрии и проходящую сквозь все лазерные диоды. Наличие полости 11 позволяет прокачивать охлаждающую жидкость сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Применение полой цилиндрической линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена полая цилиндрическая линейка лазерных диодов 12.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам полой цилиндрической линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует ультрафиолетовый свет 10, который излучается однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается однородная засветка люминофора 14, который полностью конвертирует ультрафиолетовый свет в белый свет, и в результате наружу выходит белый свет 18. Через отверстия 17 к полой цилиндрической линейке 12 лазерных диодов подается также охлаждающая жидкость, которая проходит сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводит тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Поскольку вся лазерная лампа обладает цилиндрической симметрией, то и белый свет 18 будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Пример 3. Кольцевая цилиндрическая линейка голубых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
В данном примере осесимметричная линейка лазерных диодов состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN/In0.2Ga0.8N/GaN/Al0.2Ga0.8N/GaN, с кольцевыми оптическими резонаторами.
Одиночный лазерный диод с кольцевым оптическим резонатором представлен на Фиг. 6. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа легированного кремнием с концентрацией 5·1018 см-3 и имеющего толщину 2 мкм, обкладочного слоя 3 твердого раствора n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 1019 см-3, волноводного слоя 4 нитрида галлия, который содержит квантовую яму шириной 3 нм, обкладочного слоя 5 твердого раствора p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 1020 см-3, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа толщиной 0,1 мкм, легированный магнием с концентрацией 1020 см-3, и металлического p-контакта 7. Лазерный диод с кольцевым оптическим резонатором содержит цилиндрическую полость 11, проходящую сквозь все слои его структуры, расположенную вдоль оси симметрии.
Кольцевая цилиндрическая линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с кольцевыми оптическими резонаторами представлена на Фиг. 7. Электрическое напряжение, питающее кольцевую цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1 верхнего лазерного диода и через p-контакт 7 нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·VLD, где n - число лазерных диодов в линейке и VLD напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7 нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активной квантовой ямой всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом поскольку цилиндрическая линейка лазерных диодов имеет осью 8 симметрии, то свет 10 из нее будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии. Кольцевая цилиндрическая линейка лазерных диодов содержит цилиндрическую полость 11, расположенную вдоль оси симметрии и проходящую сквозь все лазерные диоды. Наличие полости 11 позволяет прокачивать охлаждающую жидкость сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Применение кольцевой цилиндрической линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена кольцевая цилиндрическая линейка 12 лазерных диодов.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам полой цилиндрической линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует голубой свет 10, который излучается однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается однородная засветка люминофора 14, который частично конвертирует голубой свет в желтый свет, и в результате смешения голубого и желтого света наружу выходит белый свет 18. Через отверстия 17 к кольцевой цилиндрической линейке 12 лазерных диодов подается также охлаждающая жидкость, которая проходит сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводит тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Поскольку вся лазерная лампа обладает цилиндрической симметрией, то и белый свет 18 будет излучаться однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Пример 4. Полая гексагональная линейка ультрафиолетовых лазерных диодов, используемая в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе.
В данном примере линейка лазерных диодов имеет ось симметрии шестого порядка и состоит из одиночных лазерных диодов со структурой GaN/Al0.4Ga0.6N/, с полыми гексагональными оптическими резонаторами.
Одиночный лазерный диод с полым гексагональным оптическим резонатором представлен на Фиг. 8. Он состоит из металлического n-контакта 1, контактного слоя 2 нитрида галлия n-типа, легированного кремнием с концентрацией 5·1018 см-3 и имеющего толщину 2 мкм, обкладочного слоя 3 твердого раствора n-типа толщиной 0,5 мкм, легированного кремнием с концентрацией 1019 см-3, волноводного слоя 4 , который содержит одну GaN квантовую яму шириной 3 нм, обкладочного слоя 5 твердого раствора p-типа толщиной 0,5 мкм, легированного магнием с концентрацией 1020 см-3, контактного слоя 6 нитрида галлия p-типа, толщиной 0, 1 мкм, легированный магнием с концентрацией 1020 см-3, и металлического p-контакта 7. Лазерный диод содержит гексагональную полость 11, проходящую сквозь все слои его структуры, расположенную вдоль оси симметрии.
Полая гексагональная линейка вертикально интегрированных лазерных диодов с полыми гексагональными оптическими резонаторами представлена на Фиг. 9. Электрическое напряжение, питающее цилиндрическую линейку вертикально интегрированных одиночных лазерных диодов, подается через n-контакт 1 верхнего лазерного диода и через p-контакт 7 нижнего лазерного диода. Напряжение питания линейки лазерных диодов равно V=n·VLD, где n - число лазерных диодов в линейке и VLD напряжение питания одиночного лазерного диода. Подбор числа n лазерных диодов в линейке позволяет изменять питающее напряжение линейки V, и обеспечивает удобное согласование питающего напряжения V с источниками питания и электрическими сетями. Верхние p-контакты и нижние n-контакты соседних лазерных диодов прижаты механически и образуют электрическое соединение 9. Поэтому ток, питающий линейку лазерных диодов, проходит через p-контакт 7 нижнего лазерного диода, затем через контактные слои 2 и 6, обкладочные слои 3 и 4, а также волноводные слои 9 с активной квантовой ямой всех лазерных диодов, вертикально интегрированных в линейку. При этом, поскольку полая гексагональная линейка лазерных диодов имеет ось 8 симметрии шестого порядка, то свет 10 из нее будет излучаться почти однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси 8 симметрии. Полая гексагональная линейка лазерных диодов содержит гексагональную полость 11, расположенную вдоль оси симметрии и проходящую сквозь все лазерные диоды. Наличие полости 11 позволяет прокачивать охлаждающую жидкость сквозь линейку лазерных диодов, и эффективно отводить тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Применение полой гексагональной линейки лазерных диодов в качестве источника света в цилиндрической лазерной лампе показано на Фиг. 3.
Цилиндрическая лазерная лампа состоит из прозрачного пластикового цилиндра 13 с нанесенным на боковые стенки цилиндра люминофором 14, внутрь которого помещена полая гексагональная линейка 12 лазерных диодов.
При приложении питающего напряжения V к внешним проводам 15 и 16, проходящим внутрь цилиндра 13 через отверстия 17 и присоединенным к верхнему и нижнему контактам полой гексагональной линейки 12 лазерных диодов, проходящий через лазерную линейку ток генерирует ультрафиолетовый свет 10, который излучается почти однородно во всех направлениях, перпендикулярных оси симметрии. При этом обеспечивается почти однородная засветка люминофора 14, который полностью конвертирует ультрафиолетовый свет в белый свет, и в результате наружу выходит белый свет 18. Через отверстия 17 к полой гексагональной линейке 12 лазерных диодов подается также охлаждающая жидкость, которая проходит сквозь линейку лазерных диодов и эффективно отводит тепло, выделяющееся в процессе генерации света.
Поскольку вся лазерная лампа обладает осью симметрии шестого порядка, то и белый свет 18 будет излучаться почти однородно во всех направлениях, перпендикулярных ее оси симметрии.
Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано примерами вариантов осуществления изобретения, необходимо отметить, что настоящее изобретение ни в коем случае не ограничено приведенными примерами.

Claims (2)

1. Полупроводниковое светоизлучающее устройство белого света, имеющее ось симметрии, содержащее оптически прозрачный корпус, на внутренние стенки которого нанесен слой люминофора, возбуждаемый ультрафиолетовым или голубым излучением, и два или более полупроводниковых светоизлучающих элемента, размещенных внутри корпуса, отличающееся тем, что полупроводниковые светоизлучающие элементы представляют собой лазерные диоды, выполненные из нитридов третьей группы и имеющие ось симметрии, при этом лазерные диоды расположены последовательно на оси симметрии устройства таким образом, что их оси симметрии совпадают между собой, при этом торцы лазерных диодов соединены так, что они находятся в электрическом и механическом контакте и образуют линейку лазерных диодов, диаграмма направленности излучения которой перпендикулярна оси симметрии устройства, причем каждый из лазерных диодов содержит дисковый оптический резонатор, или кольцевой оптический резонатор, или многоугольный оптический резонатор.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптический резонатор выполнен полым.
RU2014108564/28A 2014-03-05 2014-03-05 Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии RU2577787C2 (ru)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014108564/28A RU2577787C2 (ru) 2014-03-05 2014-03-05 Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии
PCT/RU2015/000137 WO2015133936A1 (en) 2014-03-05 2015-03-05 Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry
US15/123,381 US9948065B2 (en) 2014-03-05 2015-03-05 Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry
CN201580011511.6A CN106134021B (zh) 2014-03-05 2015-03-05 具有对称轴线的半导体发光装置
JP2016555550A JP6334726B2 (ja) 2014-03-05 2015-03-05 対称軸を有する半導体発光デバイス
EP15715509.4A EP3114738B1 (en) 2014-03-05 2015-03-05 Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014108564/28A RU2577787C2 (ru) 2014-03-05 2014-03-05 Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014108564A RU2014108564A (ru) 2015-09-10
RU2577787C2 true RU2577787C2 (ru) 2016-03-20

Family

ID=52823767

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014108564/28A RU2577787C2 (ru) 2014-03-05 2014-03-05 Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9948065B2 (ru)
EP (1) EP3114738B1 (ru)
JP (1) JP6334726B2 (ru)
CN (1) CN106134021B (ru)
RU (1) RU2577787C2 (ru)
WO (1) WO2015133936A1 (ru)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017121480B4 (de) * 2017-09-15 2024-04-18 OSRAM Opto Semiconductors Gesellschaft mit beschränkter Haftung Lichtemittierendes Halbleiterbauteil
US11658453B2 (en) * 2018-01-29 2023-05-23 Ronald LaComb Concentric cylindrical circumferential laser
RU2722407C1 (ru) * 2019-09-03 2020-05-29 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (АО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха) Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель
RU195797U1 (ru) * 2019-09-03 2020-02-05 Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343490A (en) * 1991-09-17 1994-08-30 At&T Bell Laboratories Whispering mode micro-resonator
DE10039435A1 (de) * 2000-08-11 2002-02-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit erhöhter Strahlungsauskopplung und Herstellungsverfahren hierfür
US6577661B1 (en) * 2002-02-18 2003-06-10 Arima Optoelectronics Corp. Semiconductor laser with lateral light confinement by polygonal surface optical grating resonator
EP2045889A2 (en) * 2004-06-08 2009-04-08 Panasonic Corporation Nitride semiconductor light-emitting device
RU2408816C2 (ru) * 2009-01-27 2011-01-10 Виктор Викторович Сысун Светодиодная лампа белого свечения
US20130207139A1 (en) * 2010-07-23 2013-08-15 Osram Opto Semiconductors Gmbh Radiation-emitting component and method for producing radiation-emitting components

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4280108A (en) * 1979-07-12 1981-07-21 Xerox Corporation Transverse junction array laser
JPH0878778A (ja) * 1994-09-07 1996-03-22 Mitsubishi Electric Corp 半導体レーザ装置，及びその製造方法
JP3333747B2 (ja) 1998-01-19 2002-10-15 學校法人浦項工科大學校 光量子リングレーザダイオードおよび目標角度測定装置
RU2150164C1 (ru) 1998-02-05 2000-05-27 Аполлонов Виктор Викторович Излучательный модуль на основе линейки лазерных диодов (варианты)
US6134257A (en) 1998-04-21 2000-10-17 Lucent Technologies Inc. Solid state laser for operation in librational modes
JP3521186B2 (ja) * 1999-09-01 2004-04-19 日本電信電話株式会社 窒化物半導体光素子及びその製造方法
JP2001085790A (ja) * 1999-09-16 2001-03-30 Toshiba Corp 発光増幅素子
RU2187183C2 (ru) 2000-07-26 2002-08-10 Государственное унитарное научно-производственное предприятие "ИНЖЕКТ" Излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный
US20030058908A1 (en) 2001-07-11 2003-03-27 Giora Griffel Vertically coupled ring resonators and laser structures
US20080056314A1 (en) * 2006-08-31 2008-03-06 Northrop Grumman Corporation High-power laser-diode package system
US8426224B2 (en) 2006-12-18 2013-04-23 The Regents Of The University Of California Nanowire array-based light emitting diodes and lasers
FR2928785B1 (fr) 2008-03-12 2012-03-30 Commissariat Energie Atomique Systeme a microdisque a modes de galerie pour sources optiques pompees electriquement
RU2423764C1 (ru) 2009-12-07 2011-07-10 Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН Резонатор на модах шепчущей галереи с вертикальным выходом излучения
RU2455739C2 (ru) 2010-03-19 2012-07-10 Владимир Александрович Филоненко Линейка лазерных диодов
JP5765619B2 (ja) * 2010-04-19 2015-08-19 東芝ライテック株式会社 発光装置
RU2431225C1 (ru) 2010-06-15 2011-10-10 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Полупроводниковый частотно-перестраиваемый источник инфракрасного излучения
RU2465699C1 (ru) 2011-06-16 2012-10-27 Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Полупроводниковый источник инфракрасного излучения (варианты)
US8518814B2 (en) * 2011-12-02 2013-08-27 Northrop Grumman Systems Corporation Methods of fabrication of high-density laser diode stacks

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5343490A (en) * 1991-09-17 1994-08-30 At&T Bell Laboratories Whispering mode micro-resonator
DE10039435A1 (de) * 2000-08-11 2002-02-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement mit erhöhter Strahlungsauskopplung und Herstellungsverfahren hierfür
US6577661B1 (en) * 2002-02-18 2003-06-10 Arima Optoelectronics Corp. Semiconductor laser with lateral light confinement by polygonal surface optical grating resonator
EP2045889A2 (en) * 2004-06-08 2009-04-08 Panasonic Corporation Nitride semiconductor light-emitting device
RU2408816C2 (ru) * 2009-01-27 2011-01-10 Виктор Викторович Сысун Светодиодная лампа белого свечения
US20130207139A1 (en) * 2010-07-23 2013-08-15 Osram Opto Semiconductors Gmbh Radiation-emitting component and method for producing radiation-emitting components

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
С. Зи Физика полупроводниковых приборов, Том 2, Москва "Мир" 1984. *

Also Published As

Publication number Publication date
JP6334726B2 (ja) 2018-05-30
EP3114738B1 (en) 2021-10-06
CN106134021B (zh) 2019-01-18
US9948065B2 (en) 2018-04-17
EP3114738A1 (en) 2017-01-11
JP2017510986A (ja) 2017-04-13
WO2015133936A1 (en) 2015-09-11
US20170110853A1 (en) 2017-04-20
CN106134021A (zh) 2016-11-16
RU2014108564A (ru) 2015-09-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3365598B1 (en) Lighting device for example for spot lighting applications
JP5044194B2 (ja) 発光ダイオードモジュール
KR102171024B1 (ko) 반도체 발광소자 패키지의 제조 방법
TWI434429B (zh) 有效發光之發光二極體封裝及有效發光方法
US7843133B2 (en) White light emitting device with particular light emitting structure
US20060138435A1 (en) Multiple component solid state white light
JP6574090B2 (ja) 大きな角度で光を発する半導体発光素子ランプ
KR20100008750A (ko) 발광 장치 및 발광 장치의 제조 방법
RU2577787C2 (ru) Полупроводниковое светоизлучающее устройство с осью симметрии
KR20160034367A (ko) 플립-칩 측면 방출 led
TWI447973B (zh) 發光二極體封裝、發光二極體模組與發光二極體燈
JP4116960B2 (ja) 半導体発光装置、発光モジュール、照明装置、および半導体発光装置の製造方法
KR20140036670A (ko) 발광소자 패키지 및 이를 구비한 차량용 헤드라이트
US20100078625A1 (en) Opto-electronic device
JP2009224656A (ja) 発光装置
TW201921728A (zh) 半導體裝置封裝
JP2012074701A (ja) パターン基板、及びそれを用いた発光ダイオード
JP6426377B2 (ja) 発光素子及び照明システム
RU2416841C1 (ru) Конструкция светодиода с люминофором
Lin et al. White thin-film flip-chip LEDs with uniform color temperature using laser lift-off and conformal phosphor coating technologies
JP2016072263A (ja) 発光モジュールおよび照明装置
JP2007180415A (ja) 発光装置
KR102107524B1 (ko) 발광 소자 패키지
JP6624408B2 (ja) 蛍光体チップ
anonymous a polished blue: Semipolar GaN diode lasers improve power for universal lighting and display applications