PÓŁPRZEWODNIKOWE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA ZARYS PODSTAW

Transkrypt

1 PÓŁPRZEWODNIKOWE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA ZARYS PODSTAW

2 DIODY LED I LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE wyświetlacze, systemy oświetleniowe telekomunikacja (WDM) drukowanie, poligrafia obróbka materiałów układy pomiarowe, badania naukowe zapis informacji (CD,DVD, HD-DVD etc.) pompowanie optyczne medycyna czytniki kodów paskowych wskaźniki, poziomowanie, geodezja

3 ELEKTRONOWA STRUKTURA PASMOWA pasma (dozwolone) całkowicie zajęte lub całkowicie puste 1 lub 2 pasma nieznacznie wypełnione lub niezn. nieobsadzone jedno z pasm (dozwolonych) wypełnione częściowo (~10%- 90% wypełnienia)

4 ZJAWISKA OPTYCZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH prosta/skośna przerwa energetyczna

5 ZJAWISKA OPTYCZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH generacja i rekombinacja nośników

6 PRZERWA ENERGETYCZNA

7 PRZERWA ENERGETYCZNA

8 ZŁĄCZE P-N STRUKTURA PÓŁPRZEWODNIKOWA BĘDĄCA POŁĄCZENIEM PÓŁPRZEWODNIKA typu n i typu p NADMIAR ELEKTRONÓW W PAŚMIE PRZEWODNICTWA NADMIAR DZIUR W PAŚMIE WALENCYJNYM CO OTRZYMALIŚMY? ZRÓWNANIE POZIOMÓW FERMIEGO ALE POWSTAŁA BARIERA POTENCJAŁÓW JEST ZA DUŻA I DZIURY NIE MOGĄ JEJ PRZEKROCZYD!

9 ZŁĄCZE P-N POLARYZUJEMY ZŁĄCZE W KIERUNKU PRZEWODZENIA + PRZYŁOŻENIE NAPIĘCIA POWODUJE POWSTANIE PRĄDU PRZEWODZENIA ELEKTRONY I DZIURY SĄ UNOSZONE W KIERUNKU ZŁĄCZA SIŁAMI ZEWN. POLA ELEKTRYCZNEGO W OBSZARZE ZŁĄCZA WZBUDZONE ELEKTRONY REKOMBINUJĄ Z DZIURAMI I POZBYWAJĄ SIĘ NADWYŻKI ENERGII EMITUJĄC FOTON (REKOMBINACJA PROMIENISTA) ŹRÓDŁO: W TEN SPOSÓB ZBUDOWALIŚMY DIODĘ LED!

10 LED rys historyczny H. J. Round odkrywa elektroluminescencję Emisja światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC) o przewodnictwie typu n na złączu metal półprzewodnik (barwa żółtej, zielona, pomaraoczowa i niebieska) Lata 60. opracowanie 2- i 3-składnikowych związków półprzewodnikowych 1962 pierwsza dioda LED GaAs bliska podczerwieo ( nm) Wkrótce potem stworzono pierwszą diodę pracującą w zakresie widzialnym dioda czerwona (710nm) z GaAsP (produkowana przez GE cena 260$/sztukę) 1968 pierwsza zielona dioda LED (sprawnośd wewnętrzna 0,6%) Kolejne lata to udoskonalanie technologii i parametrów oraz intensywne prace nad stworzeniem niebieskiego emitera niebieska dioda LED z SiC bardzo słabe parametry; krótka żywotnośd, mała stabilnośd 1992 prezentacja pierwszej komercyjnej niebieskiej diody LED wykonanej z GaN na podłożu szafirowym (100x wydajniejsza niż dioda z SiC) 1995 dioda zielona na GaN W tym samym czasie powstaje nowy materiał AlGaInP, który nadaje się do produkcji emiterów światła czerwonego, pomaraoczowego i żółtego sprawnośd>60% Koniec lat 90. to kolejna rewolucja w optoelektronice połączenie barwy niebieskiej, zielonej i czerwonej pozwala na uzyskanie światła białego. ŹRÓDŁO:

11 LED stan obecny Szerokośd przerwy energetycznej jest charakterystyczna dla danego półprzewodnika Zmiana składu lub regulowanie udziału % pierwiastków w związku półprzewodnikowym wytwarzanie materiałów o różnych szerokościach przerwy energetycznej praktycznie dowolna barwa świecenia w zakresie od ultrafioletu po głęboką podczerwieo Color Name Wavelength (Nanometers) Semiconductor Composition Infrared 880 GaAlAs/GaAs Ultra Red 660 GaAlAs/GaAlAs Super Red 633 AlGaInP Super Orange 612 AlGaInP Orange 605 GaAsP/GaP Yellow 585 GaAsP/GaP Incandescent White 4500K (CT) InGaN/SiC Pale White 6500K (CT) InGaN/SiC Cool White 8000K (CT) InGaN/SiC Pure Green 555 GaP/GaP Super Blue 470 GaN/SiC Blue Violet 430 GaN/SiC Ultraviolet 395 InGaN/SiC ŹRÓDŁO:

12 LED w stronę światła białego Rank G(520~535nm) x y Rank W(464~475nm) x y Rank R(615~635nm) x y Rank a0 x y ŹRÓDŁO:

13 LED w stronę światła białego MIESZANIE KILKU BARW LUMINOFOR METODA HYBRYDOWA + najwyższa wydajnośd + max wskaźnik oddawania barw CRI - wysoki koszt - skomplikowany obwód + prosta technologią produkcji + niski koszt + nieskomplikowany układ zasilania - mała wydajnośd - szczątkowe promieniowanie UV + wysoka wydajnośd + proste wykonanie i obwód + brak promieniowania w paśmie UV - niższe CRI (75-80) - zimna temp. otrzymanej barwy ŹRÓDŁO:

14 Właściwości i parametry diod LED energooszczędnośd długi czas życia bardzo niski pobór prądu i napięcia zasilania pochłaniają 50% mniej energii niż dotychczasowe źródła światła do godzin pracy wg gwarancji producenta zmniejszenie kosztów eksploatacji systemów i ułatwienie konserwacji duża sprawnośd sprawnośd rekombinacji promienistej teoretycznie sięga 95 ograniczeniem jest sprawnośd wyprowadzania światła w praktyce > 70% krótki czas reakcji t wł = 100ns, t wył = 200ns, czyli 2mln razy szybciej niż żarówki wysoki współczynnik możliwośd regulacji w pełnym zakresie wartości, do CRI 95 oddawania barw duża wartośd luminancji i strumienia świetlnego, mała moc wejściowa ŹRÓDŁO:

15 bezpieczeostwo małe rozmiary duża wytrzymałośd brak iskrzenia, małe prądy i napięcia zasilające, duża niezawodnośd brak lub niski poziom promieniowania UV i IR (ochrona eksponatów) wymiary diody to kilka mm średnicy, z radiatorem < 25 mm brak elementów ruchomych, całośd zamknięta w hermetycznej obudowie łatwośd w sterowaniu i obsłudze możliwośd sterowania cyfrowego oświetlenie budynków tania produkcja masowa ochrona środowiska wytwarzane z materiałów przyjaznych dla środowiska LED problemy do rozwiązania: Właściwości i parametry diod LED Koniecznośd stosowania zupełnie nowych układów optycznych (szczególne wymagania dla konstruktorów opraw i projektantów oświetlenia) Diody mocy wymagają chłodzenia ze względu na dużą gęstośd wydzielanej mocy oraz dużą zależnośd parametrów diody od temperatury ŹRÓDŁO:

16 Zastosowanie diod LED Oświetlenie wnętrz, oświetlenie dekoracyjne zastąpienie żarówek i lamp fluorescencyjnych energooszczędnośd, wysokie parametry, coraz niższy koszt, duża sprawnośd, szeroki asortyment barw, łatwa instalacja i użytkowanie ŹRÓDŁO:

17 Zastosowanie diod LED Architektura świetlna, iluminacja budynków dowolne mieszanie barw, łatwośd sterowania, energooszczędnośd, wysokie parametry, coraz niższy koszt, duża sprawnośd, szeroki asortyment barw, łatwa instalacja i użytkowanie ŹRÓDŁO:

18 Telekomunikacja światłowodowa lokalne łącza światłowodowe - średnia szybkośd modemy optyczne Cienkie, lekkie tablice informacyjne lotniska, stacje kolejowe, autobusy, tramwaje itp. tablice reklamowe Wyświetlacze wielkoformatowe Zastosowanie diod LED ŹRÓDŁO: images.google.pl hasło: LED

19 Światła uliczne i sygnalizatory Zastosowanie diod LED Motoryzacja oświetlenie w samochodach światła stopu (ze względu na bardzo krótki czas reakcji przy prędkości 100 km/h czas ten można przeliczyd na skrócenie drogi hamowania o dodatkowe 5,5 m podświetlenie deski rozdzielczej wskaźniki ŹRÓDŁO: images.google.pl hasło: LED

20 Urządzenia zdalnego sterowania Monitorowanie stanu urządzeo elektronicznych wskaźniki kontrolki, sygnalizacja stanu stand-by Zastosowanie dekoracyjne Zastosowanie diod LED ŹRÓDŁO: images.google.pl hasło: LED

21 High Power LED Jedno z najważniejszych zastosowao motoryzacja Lampy tylne, kierunkowskazy małe moce, brak dużych wymagao dostępne i seryjnie montowane od 2003r. (pierwsze było Audi) Stworzenie reflektora wielki problem! - Wymagana jest duża moc problemy z odprowadzaniem ciepła - 9 maja 2005 firma Hella przedstawia pierwszy prototyp reflektora LED na bazie reflektora do VW Golfa 5 w całości wykonanego w technologii LED (światła mijania, drogowe, kierunkowskazy, do jazdy dziennej) wynik 1000 lumenów, podobnie jak reflektor ksenonowy. ŹRÓDŁO:

22 High Power LED Od prototypu do produkcji seryjnej upłynęły 3 lata Zalety: - Dłuższa żywotnośd i niezawodnośd - Mały pobór mocy oszczędnośd do 0.2l paliwa na 100km - Małe rozmiary i zupełnie inne oprawy dają możliwośd dowolnego kształtowania wyglądu samochodu Obecnie produkowane pojedyncze diody mają moce na poziomie kilku watów ŹRÓDŁO:

23 High Power LED ŹRÓDŁO:

24 Ośrodek aktywny złącze półprzewodnikowe Inwersja obsadzeo (pompowanie) wstrzykiwanie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru złącza Rezonator ELEMENTY LASERA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO klasyczny rezonator FP lub rezonatory z rozłożonym sprzężeniem (DFB, DBR) Uproszczona struktura lasera wykonanego na podłożu fosforku indu InP. Ten typ laserów charakteryzuje się obniżonym napięciem progowym i mocą wyjściową powyżej 10mW.

25 Wracamy do lasera: ZŁĄCZE P-N

26 HOMOZŁĄCZE V.S. (BI)-HETEROZŁĄCZE

27 PASKOWY LASER BI-HETEROZŁĄCZOWY

28 ZALETY I WADY LASERÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH + wysoka sprawnośd (kilkadziesiąt %) + niewielkie rozmiary + niski koszt (przy masowej produkcji) + wygodne pobudzanie + możliwośd bezpośredniej modulacji + szeroki zakres spektralny generowanego promieniowania + szeroki zakres dostępnych mocy + możliwośd przestrajania (np. termicznego) +???

29 ZALETY I WADY LASERÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH - wrażliwośd na temperaturę - wrażliwośd na ESD - stosunkowo słabe parametry generowanego promieniowania - problemy z pracą w zakresie widzialnym -???

30 REZONATORY FABRY-PEROT Distributed Feedback - DFB Distributed Bragg Reflector - DBR Circular Grating DFB, DBR Planar C. Surface Emitting L. - PCSEL Vertical C. Surface Emitting L. - VCSEL rezonatory fotoniczne, mikrosferyczne, pierścieniowe, dyskowe etc.

31 Klasyczny rezonator FABRY-PEROT LASERY FP

32 LASERY FP

33 LASERY FP

34 LASERY DFB & DBR DBR Distributed Bragg Reflector W celu uprzywilejowania wybranego modu oscylacji, w kierunku propagacji tworzona jest periodyczna struktura odbijająca. Struktura ta sumuje małe odbicia, jest reflektorem selekcyjnym. W laserach półprzewodnikowych reflektory Bragga wytwarza się przez modulowanie współczynnika załamania światła. - odległośd między niejednorodnościami

35 LASERY DFB & DBR DBR - struktura Po obu stronach obszaru aktywnego umieszczono dwa reflektory Bragga. Częstotliwośd rezonansowa = częstotliwośd, przy której reflektory najsilniej odbijają falę.

36 LASERY DFB & DBR Zasada działania lasera DBR Schemat wnęki rezonatora Fabry-Perot ze zwierciadłami DBR I zwierciadło DBR II zwierciadło DBR n 2 n 1, 2, 3,... obszar aktywny 0 L r g th c/2l c/2l c/2l c/2l (q-2) (q-1) BRAGG (q) (q+1) (q+2)

37 DBR - struktura LASERY DFB & DBR

38 LASERY DFB & DBR Lasery DBR TEC 60 Intelligent DBR Laser System: CHEETAH DFB, DBR Lasers

39 LASERY DFB & DBR

40 LASERY DFB & DBR DFB Distributed Feed-Back Dokładna analiza warunków propagacji w laserze DFB pokazuje możliwośd propagowania 2 modów. Dodatkowe przesunięcie fazy z sekcją dwierdfalową usuwa dodatkowy mod. Połączenie obszarów aktywnych i rozłożonych reflektorów Bragga w laserze DFB obniża straty. Mniejszy prąd progowy => większe moce wyjściowe niż w DBR

41 LASERY DFB & DBR Zasada działania lasera DFB. Schemat wnęki rezonatora. Warunek Bragga: n 2 n - rząd ugięcia braggowskiego; R, S - amplitudy fal propagujących się wewnątrz wnęki laserowej. n 1, 2, 3,...

42 LASERY DFB & DBR Widmo modów podłużnych struktury DFB Przypadek modulacji współczynnika załamania g th c/2l c/2l c/2l Przypadek modulacji wzmocnienia g th c/2l c/2l c/2l c/2l BRAGG BRAGG Obszary absorbujące X w n c t 0 n f C 1 C 2 Z Falowód n s Podłoże

43 LASERY DFB & DBR Lasery DFB CATV DWDM

44 LASERY DFB & DBR DFB laser with external on-chip modulator Modulation section Laser section

45 LASERY CG DFB & CG DBR

46 LASERY VCSEL VCSEL - geneza Schemat konfiguracji lasera krawędziowego i lasera typu VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)

47 LASERY VCSEL VCSEL zasada działania Emisja promieniowania odbywa się w kierunku prostopadłym do płaszczyzny złącza. Rejon aktywny oddzielony jest od zwierciadeł dystansującymi warstwami półprzewodnika (zwiększenie długości rezonatora). Zwierciadła składają się z licznych par warstw niekoniecznie półprzewodnikowych o znacznej różnicy współczynnika załamania. Układ taki selektywnie odbija światło, a maksimum odbicia przypada dla fali elektromagnetycznej o długości równej czterokrotnej grubości optycznej pojedynczej warstwy (zwierciadło dwierdfalowe Bragga).

48 LASERY VCSEL VCSEL - zalety Możliwośd generacji jednego modu podłużnego niezależnie od zmian dynamicznych układu (w szczególności wraz z temperaturą). Mała rozbieżnośd wyjściowej wiązki światła (brak astygmatyzmu). Proste sprzęganie z innymi planarnymi elementami Możliwośd wytwarzania dwuwymiarowych matryc laserowych Bardzo szerokie pasmo modulacji Niskie prądy zasilania

49 VCSEL - struktura LASERY VCSEL

50 VCSEL - struktura LASERY VCSEL

51 VCSEL LASERY VCSEL

52 LASERY VCSEL VCSEL - zastosowania Zapis i odczyt informacji długośd fali =405nm (w czytnikach DVD =650nm) gęstośd zapisu informacji zależy od rozmiaru plamki światła generowanego przez laser (a więc od długości fali). Przemysł poligraficzny polepszenie jakości wydruku Telekomunikacja optyczna szerokopasmowe sieci Ethernet (Gigabit Ethernet), WDM/DWDM, LAN.

53 LASERY VCSEL VCSEL - zastosowania This laser mouse features a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) that provides 30x more tracking power than a regular optical mouse.

54 Mikrorezonatory Rezonatory optyczne (wnęki optyczne) stanowią podstawowy elementy składowy laserów oraz wielu urządzeo optoelektronicznych dla potrzeb telekomunikacji światłowodowej i optycznego przetwarzania informacji. Rozwój optoelektroniki zintegrowanej kieruje zainteresowanie w stronę elementów o rozmiarach mikrometrowych. W tej skali trudno jest wytwarzad dobrej jakości zwierciadła konwencjonalnych rezonatorów Fabry-Perot. Badania kierują się w stronę dielektrycznych rezonatorów wykorzystujących efekt całkowitego wewnętrznego odbicia (TIR) oraz rezonatorów o strukturze kryształu fotonowego. Fabry-Perot DBR, DFB fotoniczne sferyczne, pierścieniowe,walcowe,dyskowe F = 300 nm InP GaAs Si 1 mm

55 LASERY PRZESTRAJALNE Zmiana temperatury powoduje niewielkie zmiany częstotliwości generowanych przez laser (m.in. efekty rozszerzalności). Wstrzykiwanie nośników do obszaru aktywnego zmienia jego współczynnik załamania => zmiana (efekt dwierkania chirping). Efekt ten wykorzystano do prądowego przestrajania laserów

56 LASERY PRZESTRAJALNE Trójsekcyjny laser z reflektorem Bragga zmiana prądu I 3 powoduje zmianę współczynnika załamania, a więc zmianę częstotliwości, dla której reflektor odbija. Prąd I 1 zmienia poziom generowanej mocy. Max. zmiana n wynosi 1% => przestrojenie o 15nm

57 BLUE LASER

58 BLUE LASER Niebieski laser (dł. fali od ok. 420 do 480 nm) nie jest nowością jeśli chodzi o lasery gazowe taką długośd fali można uzyskad za pomocą np. laserów argonowych. Zajmiemy się więc diodami LED i LD, których wytwarzanie do niedawna sprawiało dużo problemów.

59 BLUE LASER 1992 pierwsza niebieska LED Shuji Nakamura obecnie profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim, w tamtym czasie pracownik Nichia Corporation w Tokushimie pierwsza LD na 405 nm, 2001 komercjalizacja 405 nm LD, 2003 pierwsza 405 nm LD o dużej mocy.

60 Zasada działania nie różni się od dotychczas stosowanych LD czy LED. Elektrony w paśmie przewodnictwa są pobudzane do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym. Aby powstał laser należy tak uformowad układ aby powstał rezonator optyczny. Warstwę aktywną w laserze niebieskim stanowi para studni kwantowych InGaN (o zawartości indu około 15% ) o grubościach 3,3-4 nm rozdzielonych 10 nm barierami domieszkowanych krzemem warstw InGaN. BLUE LASER

61 BLUE LASER Dwa podejścia: Budowa i związane z nią problemy technologiczne. japooskie

62 BLUE LASER Dwa podejścia: Budowa i związane z nią problemy technologiczne. polskie

63 Podłoże szafirowe (Al 2 O 3 ) jest gorsze od podłoża z GaN, gdyż gęstośd dyslokacji wykonanego na nim GaN wynosi 10 6 cm -2, natomiast w procesie homoepitaksji GaN- GaN, gęstośd dyslokacji jest ok cm -2 BLUE LASER

64 BLUE LASER Budowa i związane z nią problemy technologiczne.

65 BLUE LASER Budowa i związane z nią problemy technologiczne. GaN TopGaN I GaN/szafir

66 BLUE LASER Budowa i związane z nią problemy technologiczne. Większa gęstośd dyslokacji to: - rozpraszanie światła, - rozpraszanie ładunku, - zwiększenie dyfuzji, - rekombinacja bezpromienista. Mniejsza moc, szybsza degradacja lasera.

67 BLUE LASER Zastosowania. Pamięci optyczne, Medycyna diagnozowanie nowotworów, Wykrywanie skażeo biologicznych i chemicznych, Uzyskanie lepszych rozdzielczości w drukarkach laserowych, Komunikacja podwodna, Oświetlenie, Projektory, wyświetlacze.

68 Polski ślad BLUE LASER Instytut Wysokich Ciśnieo Unipress PAN.

69 Dziękuję za uwagę