PÓŁPRZEWODNIKOWE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

ZARYS PODSTAW

• 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

DIODY LED I LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE

ELEKTRONOWA STRUKTURA PASMOWA

pasma (dozwolone) całkowicie zajęte lub całkowicie puste

jedno z pasm (dozwolonych) wypełnione częściowo (~10%-90% wypełnienia)

1 lub 2 pasma nieznacznie wypełnione lub niezn. nieobsadzone

ZJAWISKA OPTYCZNE W PÓŁPRZEWODNIKACH

prosta/skośna przerwa energetyczna

ZJAWISKA OPTYCZNE W PÓŁPRZEWODNIKACHgeneracja i rekombinacja nośników

PRZERWA ENERGETYCZNA

PRZERWA ENERGETYCZNA

ZŁĄCZE P-N

STRUKTURA PÓŁPRZEWODNIKOWA

BĘDĄCA POŁĄCZENIEM PÓŁPRZEWODNIKA

typu „n” i typu „p”

NADMIAR ELEKTRONÓW W PAŚMIE

PRZEWODNICTWA

NADMIAR DZIURW PAŚMIE

WALENCYJNYM

CO OTRZYMALIŚMY?ZRÓWNANIE POZIOMÓW FERMIEGOALE POWSTAŁA BARIERA POTENCJAŁÓW JEST ZA DUŻAI DZIURY NIE MOGĄ JEJ PRZEKROCZYD!

ZŁĄCZE P-N

POLARYZUJEMY ZŁĄCZE

W KIERUNKU PRZEWODZENIA

+ –

PRZYŁOŻENIE NAPIĘCIA POWODUJE POWSTANIE PRĄDU PRZEWODZENIAELEKTRONY 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: www.lediko.com.pl

W TEN SPOSÓB ZBUDOWALIŚMY DIODĘ LED !

1907 - H. J. Round odkrywa elektroluminescencjęEmisja 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 (870-980nm)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 nadstworzeniem niebieskiego emitera.

1971 – niebieska dioda LED z SiC – bardzo słabe parametry; krótka żywotnośd, małastabilnośd

1992 – prezentacja pierwszej komercyjnej niebieskiej diody LED wykonanej z GaN napodłożu szafirowym (100x wydajniejsza niż dioda z SiC)

1995 – dioda zielona na GaNW tym samym czasie powstaje nowy materiał – AlGaInP, który nadaje się doprodukcji 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: www.lediko.com.pl

LED – rys historyczny

Color NameWavelength

(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

White4500K (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

Szerokośd przerwy energetycznej jest charakterystyczna

dla danego półprzewodnika

Zmiana składu lubregulowanie udziału % pierwiastków

w związku półprzewodnikowym

wytwarzanie materiałów o różnych szerokościach przerwy energetycznej

praktycznie dowolna barwa świecenia w zakresie

od ultrafioletu po głęboką podczerwieo

ŹRÓDŁO: www.nichia.com/product/smd-color.html

LED – stan obecny

Rank W(464~475nm)

x 0.11 0.11 0.15 0.15

y 0.04 0.10 0.10 0.04

Rank G(520~535nm)

x 0.14 0.14 0.22 0.22

y 0.64 0.74 0.74 0.64

Rank R(615~635nm)

x 0.67 0.67 0.73 0.73

y 0.27 0.33 0.33 0.27

Rank a0

x 0.280 0.264 0.283 0.296

y 0.248 0.267 0.305 0.276

ŹRÓDŁO: www.nichia.com/product/smd-color.html

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: www.lediko.com.pl

LED – w stronę światła białego

Właściwości i parametry diod LED

• energooszczędnośd – bardzo niski pobór prądu i napięcia zasilaniapochłaniają 50% mniej energii niż dotychczasowe źródła światła

• długi czas życia – do 100 000 godzin pracy wg gwarancji producentazmniejszenie kosztów eksploatacji systemów i ułatwienie konserwacji

• duża sprawnośd – sprawnośd rekombinacji promienistej teoretycznie sięga 95ograniczeniem jest sprawnośd wyprowadzania światła – w praktyce > 70%

• krótki czas reakcji – twł = 100ns, twył = 200ns, czyli 2mln razy szybciej niż żarówki

• wysoki współczynnik – możliwośd regulacji w pełnym zakresie wartości, do CRI 95oddawania barw

• duża wartośd luminancji i strumienia świetlnego, mała moc wejściowa

ŹRÓDŁO: www.apollolighting.eu/pliki/kwartalnik_Light.pdf

bezpieczeostwo – brak iskrzenia, małe prądy i napięcia zasilające, duża niezawodnośd– brak lub niski poziom promieniowania UV i IR (ochrona eksponatów)

małe rozmiary – wymiary diody to kilka mm średnicy, z radiatorem < 25 mm

duża wytrzymałośd – 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:

Koniecznośd stosowania zupełnie nowych układów optycznych (szczególne wymagania dlakonstruktorów opraw i projektantów oświetlenia)

Diody mocy wymagają chłodzenia ze względu na dużą gęstośd wydzielanej mocy oraz dużą zależnośd parametrów diody od temperatury

ŹRÓDŁO: www.led.philips.oprawy.pl

Właściwości i parametry 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: www.led.philips.oprawy.pl

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: www.swiatlo.tak.pl

Zastosowanie diod LED

Telekomunikacja światłowodowa– lokalne łącza światłowodowe - średnia szybkośd– modemy optyczne

Cienkie, lekkie tablice informacyjne – lotniska, stacje kolejowe, autobusy, tramwaje itp.– tablice reklamowe

Wyświetlacze wielkoformatowe

ŹRÓDŁO: images.google.pl hasło: LED

Zastosowanie diod LED

Światła uliczne i sygnalizatory

Motoryzacja – oświetlenie w samochodach – światła stopu (ze względu na bardzo krótki czas reakcji

przy prędkości 100 km/h czas ten można przeliczyd naskrócenie drogi hamowania o dodatkowe 5,5 m

– podświetlenie deski rozdzielczej– wskaźniki

ŹRÓDŁO: images.google.pl hasło: LED

Zastosowanie diod LED

Urządzenia zdalnego sterowania

Monitorowanie stanu urządzeo elektronicznych

– wskaźniki kontrolki, sygnalizacja stanu stand-by

Zastosowanie dekoracyjne

ŹRÓDŁO: images.google.pl hasło: LED

Zastosowanie diod LED

Jedno z najważniejszych zastosowao – motoryzacjaLampy 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: www.motofocus.pl

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: www.motiontrends.com/2006/m01/aston_martin/

High Power LED

ŹRÓDŁO: http://www.sz-wholesale.com/P/Led-Bulbs/LED-Car-Motorcycle-Lighting-44535.html

High Power LED

Ośrodek aktywny

złącze półprzewodnikowe

Inwersja obsadzeo (pompowanie)

wstrzykiwanie mniejszościowych nośników ładunku do obszaru złącza

Rezonator

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.

ELEMENTY LASERA PÓŁPRZEWODNIKOWEGO

Wracamy do lasera: ZŁĄCZE P-N

HOMOZŁĄCZE V.S. (BI)-HETEROZŁĄCZE

PASKOWY LASER BI-HETEROZŁĄCZOWY

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)+ ???

ZALETY I WADY LASERÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCH

- wrażliwośd na temperaturę- wrażliwośd na ESD- stosunkowo słabe parametry generowanegopromieniowania

- problemy z pracą w zakresie widzialnym- ???

REZONATORY

FABRY-PEROTDistributed Feedback - DFBDistributed Bragg Reflector - DBRCircular Grating DFB, DBRPlanar C. Surface Emitting L. - PCSELVertical C. Surface Emitting L. - VCSELrezonatory fotoniczne, mikrosferyczne,pierścieniowe, dyskowe etc.

Klasyczny rezonator FABRY-PEROT

LASERY FP

LASERY FP

LASERY FP

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

LASERY DFB & DBR

DBR - struktura

• Po obu stronach obszaru aktywnego umieszczono dwa reflektory Bragga.

• Częstotliwośd rezonansowa = częstotliwośd, przy której reflektory najsilniej odbijają falę.

LASERY DFB & DBR

LASERY DFB & DBR

Zasada działania lasera DBRSchemat wnęki rezonatora Fabry-Perot ze zwierciadłami DBR

0 L

obszar aktywny

I zwierciadło DBR II zwierciadło DBR

n n

21 2 3, , ,...

(q)

c/2L c/2L c/2L

gth

c/2L

(q+1) (q+2)(q-1)(q-2) BRAGG

r

DBR - struktura

LASERY DFB & DBR

Lasery DBR

TEC 60 Intelligent DBR Laser System: CHEETAH

DFB, DBR Lasers

LASERY DFB & DBR

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

LASERY DFB & DBR

LASERY DFB & DBR

Zasada działania lasera DFB.Schemat wnęki rezonatora.

Warunek Bragga:

n - rząd ugięcia braggowskiego;R, S - amplitudy fal propagujących się wewnątrz wnęki laserowej.

n n

21 2 3, , ,...

LASERY DFB & DBR

Widmo modów podłużnych struktury DFB

Przypadek modulacji współczynnika załamania Przypadek modulacji wzmocnienia

BRAGG

c/2L c/2L c/2L

gth

BRAGG

c/2L c/2L c/2L

gth

c/2L

Podłoże

Falowód

Obszary absorbujące

X

Z0

t

nc

ns

nf

w

C1

C2

Lasery DFB

CATV DWDM

LASERY DFB & DBR

Lasersection

Modulationsection

DFB laser with external on-chip modulator

LASERY DFB & DBR

LASERY CG DFB & CG DBR

VCSEL - geneza

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

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).

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

LASERY VCSEL

VCSEL - struktura

LASERY VCSEL

VCSEL - struktura

LASERY VCSEL

VCSEL

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.

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.

LASERY VCSEL

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

fotonicznesferyczne, pierścieniowe,walcowe,dyskowe

InP

GaAs

Si

F = 300 nm

1 mm

Mikrorezonatory

• 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

LASERY PRZESTRAJALNE

Trójsekcyjny laser z reflektorem Bragga – zmiana prądu I3 powoduje zmianę współczynnika załamania, a więc zmianę częstotliwości, dla której reflektor odbija. Prąd I1 zmienia poziom generowanej mocy.

Max. zmiana n wynosi 1% => przestrojenie o 15nm

LASERY PRZESTRAJALNE

BLUE LASER

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.

BLUE LASER

• 1992 – pierwsza niebieska LED – Shuji Nakamura –obecnie profesor na Uniwersytecie Kalifornijskim, w tamtym czasie pracownik Nichia Corporation w Tokushimie.

• 1996 – pierwsza LD na 405 nm,

• 2001 – komercjalizacja 405 nm LD,

• 2003 – pierwsza 405 nm LD o dużej mocy.

BLUE LASER

• 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

Budowa i związane z nią problemy technologiczne.

Dwa

podejścia:

japooskie

BLUE LASER

Budowa i związane z nią problemy technologiczne.

Dwa

podejścia:

polskie

BLUE LASER

• Podłoże szafirowe (Al2O3) jest gorsze od podłoża z GaN, gdyż gęstośd dyslokacji wykonanego na nim GaN wynosi 106 cm-2, natomiast w procesie homoepitaksji GaN-GaN, gęstośd dyslokacji jest ok. 102 cm-2

BLUE LASER

Budowa i związane z nią problemy technologiczne.

BLUE LASER

Budowa i związane z nią problemy technologiczne.

GaN/szafirGaN TopGaN I

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.

BLUE LASER

Zastosowania.

• Pamięci optyczne,

• Medycyna – diagnozowanie nowotworów,

• Wykrywanie skażeo biologicznych i chemicznych,

• Uzyskanie lepszych rozdzielczości w drukarkach laserowych,

• Komunikacja podwodna,

• Oświetlenie,

• Projektory, wyświetlacze.

BLUE LASER

Polski ślad

• Instytut Wysokich Ciśnieo Unipress PAN.

Dziękuję za uwagę