Современные светодиоды

Химический состав материалов для корпусов светодиодов

К корпусам светодиодов предъявляется несколько требований: они должны быть прозрачными, химически стабильными, герметичными, обладать высокими показателями преломления и выдерживать высокие температуры. Все корпуса светодиодов изготавливаются из полимеров;

структурные формулы некоторых из них представлены на рис. 11.8. Молекула самого простого полимера состоит из цепочки углеводо­родов (рис. 11.8, а). Ответвления и перекрестные связи внутри мо­лекул полимеров приводят к образованию материалов типа резины (рис. 11.8,6). Такие материалы обладают низкой прозрачностью и не могут применяться для изготовления корпусов светодиодов. Однако хорошо известно, что оксиды часто бывают прозрачными, поэтому в химическом составе материалов для корпусов светодиодов всегда присутствует кислород.

Чаще всего корпуса светодиодов изготавливают из эпоксидной смо­лы (часто называемой эпоксидкой). Такие корпуса прозрачны и не де­градируют при использовании их в светодиодах длинноволновой части видимой и инфракрасной областях спектра. Однако отмечено (Barton et al., 1998), что эпоксидные смолы теряют свою прозрачность при использовании в коротковолновых СД, излучающих в голубой, фиоле­товой или УФ-области спектра. Эпоксидные смолы химически стабиль­ны до температур ~ 120 °С. Длительное воздействие более высоких температур приводит к их пожелтению, т. е. к потере прозрачности.

На рис. 11.8, в показана эпоксидная группа, в состав которой входит кислород, связанный с двумя спаренными атомами углерода. Такие кольцевые эпоксидные группы являются составными частями структуры эпоксидной смолы, представленной на рис. 11.8, г. Твердые эпоксидные смолы — стехиометрические смеси двух жидких компонен­тов—вещества с эпоксидными группами и смолы, содержащей две гидроксильные группы. Смолы представляют собой маслообразные ве­щества, в состав которых часто входят фенольные группы. Фенольная

группа - С6Н4-ОН получается из фенильной - СбНб удалением одного атома водорода и его заменой на гидроксильную группу - ОН. Фениль - ная группа получается из бензола — хорошо известного шестиатомного углеродного кольца СбНб удалением одного атома водорода. В процес­се реакции полимеризации при повышенной температуре эпоксидные группы объединяются с гидроксильными группами смолы.

Типичные эпоксидные смолы, применяемые для изготовления кор­пусов светодиодов, являются термически обрабатываемыми двухсо­ставными жидкостными системами, состоящими из вещества на осно­ве бис-фенола-А или циклической алифатической эпоксидной смолы и ангидрида (Kumar et al., 2001). Эпоксидная смола при формиро­вании подвергается кратковременной высокотемпературной обработке (при 120 °С). Двухсоставные системы должны быть стехиометриче­скими смесями. Композиции с большим содержанием смолы обладают более низкими температурами полимеризации, а повышение содержа­ния отвердителя в смеси может привести к изменению цвета кор­пусов светодиодов. Показатель преломления эпоксидных смол близок к 1,6. К достоинствам эпоксидных смол, кроме прозрачности, можно отнести их хорошие механические свойства и высокую температур­ную стабильность. Однако длительная тепловая обработка эпоксидных смол при температурах выше 120 °С приводит к их обесцвечиванию и потере прозрачности. В работах Кумара и др. (Kumar et al., 2001), Горчика (Gorczyk, 2001) и Флика (Flick, 1993) описаны эпоксидные смолы, полученные не только методом термообработки, но и обработ­кой СВЧ и УФ.

С начала 2000 гг. для улучшения термостабильности корпусов све­тодиодов вместо эпоксидных смол стали применять кремний-органи - ческие соединения (силиконы), которые сохраняют свои характери­стики до температур. ~ 190 °С, что значительно превышает рабочий температурный диапазон смол (Crivello, 2004). Кроме того, силикон — упругий материал (он сохраняет это свойство на протяжении несколь­ких десятилетий), что позволяет снижать механическую нагрузку на полупроводниковый кристалл. Силикон является полимером, основная структура которого показана на рис. 11.8, д. Как видно, в состав силикона входят атомы кремния и кислорода, поэтому он по своим свойствам гораздо ближе к БЮг, чем эпоксидные смолы. Это означает, что силиконовые корпуса светодиодов обладают лучшей химической и температурной стабильностью, чем корпуса из эпоксидных смол, и гораздо реже теряют свою прозрачность. Возможно, было бы неплохо изготавливать корпуса светодиодов из материалов типа БіОг, обладаю­щих такими же высокими прозрачностью и стабильностью (химической и температурной) (Crivello, 2004). Однако следует помнить, что Si02 не имеет той упругости, которую может предложить силикон.

Полиметилметакрилат (РММА) пока еще довольно редко исполь­зуется для изготовления корпусов светодиодов. На рис. 11.8, е показана химическая структура элементарной ячейки метилметакрилата. Поли - метилметакрилат РММА также известен под названиями акриловое стекло или плексиглас. Он обладает сравнительно низким показате­лем преломления (1,49 в диапазоне длин волн 500-650 нм). Поэтому при использовании РММА-корпусов для светодиодов, выполненных на основе полупроводниковых материалов с высокими показателями преломления, полученные структуры имеют ограничения по величине оптического вывода.