Сокращение зеленого разрыва: тенденции в твердотельных зеленых излучателях
Твердотельные устройства с зеленым светом в последние годы испытали всплеск роста, значительно увеличивая их доступность и открывая двери для новых применений.
Человеческие глаза наиболее чувствительны к свету в желто-зеленой области видимого спектра. Этот общеизвестный факт является результатом того, как глаза млекопитающих, и в этом отношении глаза всех обитающих на суше животных, эволюционировали от глаз водных существ. Электромагнитное излучение, попадающее в видимый спектр, проходит относительно неослабно через воду, и глаза животных эволюционировали, чтобы воспользоваться этой ситуацией.
Наши глаза видят свет, охватывающий примерно область длин волн от 400 до 700 нм, при этом наибольшая чувствительность появляется в центре этого интервала. Желтовато-зеленый цвет — это то, где чувствительность наших глаз достигает пика (Рисунок 1). Это имеет важные последствия, когда речь идет о разработке искусственных источников света для освещения наших жилых и рабочих помещений.
Любой приличный источник света должен иметь относительное обилие длин волн в центральной части видимого спектра. Эти и другие соображения побудили ученых и инженеров, работающих над твердотельными источниками света, обратить особое внимание на разработку устройств, излучающих зеленый свет. Интересно, однако, что, хотя излучатели в регионах красного и сине-фиолетового цвета были относительно просты в освоении, зеленые излучатели представляли значительные проблемы. До недавнего времени это приводило к заметной нехватке доступных и эффективных твердотельных излучателей зеленого света. Такое положение дел продолжалось в течение многих лет, вплоть до 21-го века, и стало известно как «зеленый разрыв». Однако, благодаря настойчивым усилиям многих исследователей и технологов, зеленый разрыв сократился почти до небытия.
Из-за неспособности кремния эффективно излучать свет любого типа все светоизлучающие устройства — будь то светодиоды (светодиоды) или лазерные диоды — изготовлены из сложных полупроводников. Полупроводники III-V, такие как нитрид галлия (GaN) и арсенид галлия (GaAs), широко используются для этой цели. Светодиоды, излучающие зеленый свет, долгое время изготавливались с использованием системы материалов из фосфида галлия (GaP). Обычно подложка представляет собой пластину GaP, на которой различные слои других полупроводниковых сплавов выращиваются с помощью процесса осаждения из паров металлов и органических соединений (MOCVD). Слои активного pn-перехода и квантовой ямы изготовлены из сплавов фосфида алюминия-галлия (AlGaP) и алюминия-индия-галлия (AlInGaP) — все они выращены эпитаксиально поверх пластины GaP.
Последние достижения
Достижения как в области обработки полупроводников, так и в упаковке устройств были обусловлены некоторыми заметными достижениями в области оптической мощности светодиодов, излучающих зеленый свет. Рост MOCVD и связанная с этим обработка зеленых светодиодных пластин, изготовленных из гетероструктур на основе AlGaP, созрели за последние два десятилетия, поэтому эффективность работы почти удвоилась. Это привело как к увеличению выходной мощности, так и к повышению эффективности излучения.
Одновременно появились разработки в новой упаковке с низким термическим сопротивлением, которая позволила разместить либо большую матрицу, либо несколько более мелких головок на одном физически небольшом держателе чипа. Были разработаны пакеты как с микросхемой на плате (COB), так и с несколькими микросхемами на плате (MCOB), которые характеризуются низким тепловым сопротивлением от задней стороны светодиодного чипа до нижней части корпуса. Современные коммерческие упаковки имеют тепловое сопротивление всего 0,64 ° C / Вт. Теперь они являются стандартом для всех зеленых светодиодов, излучающих от 100 до 1000 лм оптической мощности.
Для еще более высокой производительности были разработаны пакеты из керамического и спеченного металлического порошка, которые позволяют размещать несколько светодиодных матриц в непосредственной близости. Наличие нескольких микросхем, примыкающих друг к другу и соединенных параллельно, увеличивает мощность до нескольких тысяч люменов в упаковке. Такие «световые двигатели» в настоящее время обладают максимальной яркостью, поскольку речь идет о твердотельных некогерентных источниках зеленого света.
Собственные зеленые светодиоды
Зеленые светодиоды подразделяются на две основные категории: те, которые сделаны с полупроводниками, которые по своей природе способны излучать зеленый свет, и те, которые основаны на светодиодной микросхеме с синим излучением, увенчанной зеленым конверсионным люминофором.
Собственные зеленые светодиоды получают свой цвет из запрещенной зоны полупроводниковых сплавов, используемых в конструкции pn-перехода, а также точной толщины квантовой ямы и барьерных слоев, которые образуют светоизлучающую область. Состав сплава выбирается таким образом, чтобы ширина запрещенной зоны сплава была близка к желаемой длине волны излучения. Зона запрещенной зоны — это разница в энергии между нижним концом зоны проводимости и верхним концом валентной зоны. Он контролирует энергию (и, следовательно, длину волны) фотона, который испускается, когда электрон рекомбинирует с дыркой. На дальнейшую настройку длины волны влияет регулировка точной толщины скважины и барьерных слоев, которые образуют область квантовой ямы в центре структуры слоя СИД.
Большинство коммерческих светодиодов основаны на стандартной структуре с пятью квантовыми ямами, поскольку это обеспечивает лучший компромисс между эффективностью (светоотдача) и сложностью роста (стоимость). При заданном составе сплава уменьшение толщины слоев с множественными квантовыми ямами (MQW) уменьшает длину волны (синее смещение) испускаемого света, тогда как увеличение толщины ям приводит к обратному эффекту. Вместе состав сплава и толщина слоя MQW определяют точную пиковую длину волны излучения.
Однако ширина излучения определяется, помимо прочих факторов, беспорядком в сплаве (флуктуациями пространственного состава) и изменениями толщины слоя MQW. Ограничения стехиометрии полупроводниковых сплавов, возникающие из соображений смешиваемости и разделения фаз, а также различных физических эффектов, таких как утечка носителей и безызлучательная рекомбинация, определяют предельно достижимую эффективность светодиодов.
Таким образом, даже при современном росте и обработке, эти устройства могут достичь только такой высокой эффективности преобразования электричества в оптические. Современные полупроводниковые материалы и технологии производства, возможно, достигли практически полной эффективности. Поэтому любое будущее увеличение этого показателя будет в лучшем случае постепенным. На момент написания этой статьи ряд производителей предлагали ярко-зеленые светодиоды с запрещенной полосой излучения в относительно небольших форм-факторах.
Преобразованные из фосфора светодиоды
Другим основным типом коммерческих зеленых светодиодов являются устройства, которые объединяют светоизлучающий кристалл GaN / InGaN (нитрид индия-галлия) с люминофором, преобразующим длину волны. Такие устройства выигрывают от быстрого прогресса, достигнутого в синих светодиодах, технология которых лежит в основе всех так называемых белых светодиодов. Потребность рынка в белых светодиодах с подсветкой свидетельствует о том, что синие светодиоды, которые накачивают люминофор для генерации белого света, почти достигли вершины совершенства.
Тот же подход может быть использован для генерации зеленого света. Эта схема использует светодиодные микросхемы с синей мощностью для питания соответствующего люминофора с понижающим преобразованием, который смещает длину волны от синего до зеленого. (Обратите внимание, что здесь «преобразование с понижением частоты» относится к энергии или частоте понижающихся фотонов, тогда как длина волны увеличивается при переходе от синего света к зеленому.) Хотя эта стратегия выигрывает от наличия эффективных синих светодиодов, она страдает от конверсионных потерь в люминофоре.
В отличие от случая с белыми светодиодами с преобразованным люминофором, зеленые светодиоды, в которых используется синяя излучающая микросхема, перекачивающая люминофор, должны гарантировать, что весь синий свет поглощается люминофором, чтобы не было загрязнения преобразованного с понижением уровня зеленого света от остаточного непревращенного голубого свет. Напротив, белые светодиоды используют специально отбракованный остаточный синий свет вместе с генерируемым люминофором желтым светом, чтобы создать свой белый цвет. Это требование предъявляет жесткие требования как к эффективности конверсии, так и к толщине покрытия люминофора с зеленой конверсией.
Только зеленые люминофоры с высокой квантовой эффективностью будут работать на зеленых светодиодах с преобразованным люминофором, и необходимо использовать значительное количество этого люминофора, чтобы убедиться, что весь свет накачки преобразуется в зеленый свет. Источники потери эффективности, связанной с люминофором, включают в себя не идеальную квантовую эффективность, потерю рассеяния среди частиц люминофора и стоксову сдвиг. Последнее относится к энергии, которая теряется, когда синие фотоны преобразуются в зеленые фотоны с более низкой энергией.
Дополнительный механизм потерь с помощью светодиодов с преобразованием люминофора возникает из-за эффекта теплозащитного покрытия люминофорных покрытий на кристаллах светодиодов. Ограничивая радиационные тепловые потери с верхней поверхности чипа насоса, присутствие люминофорного покрытия повышает температуру светодиодного чипа во время работы. Это приводит к небольшой потере эффективности, а также ограничивает длительный срок службы люминофора из-за термического разложения. Тщательный отбор и интеграция материалов привели к разработке нескольких линий коммерчески успешных зеленых светодиодов с преобразованным фосфором.
Традиционные люминофоры, которые, как правило, основаны на редкоземельных ионах, действующих в качестве центров преобразования света, находящихся в диэлектрическом неорганическом кристалле, были основой как белых, так и зеленых светодиодов на основе преобразования люминофора1 . Для этой цели коммерчески доступны несколько люминофоров с зеленым излучением от таких компаний, как Materion и Intematix. Примеры включают: K 3 Gd (PO 4 ) 2 : Tb, NaCaPO 4 : Eu, Ba 2 Gd 2 Si 4 O 13 : Eu и Lu 3 Al 5 O 12 : Ce. Многие другие были описаны в литературе.
Зеленая эмиссия возникает в результате переходов, определяемых кристаллическим полем, между уровнями энергии редкоземельной легирующей примеси. Точная длина волны излучения зависит как от состава кристалла-хозяина, так и от идентичности атома редкоземельного элемента, которым он легирован. Типичная эффективность преобразования с понижением длины волны составляет от 50 до 80 процентов.
Зеленые светодиоды с преобразованием люминофора легко отличить от зеленых светодиодов с запрещенной зоной, потому что они обычно имеют очень широкий спектральный выход. Однако цена большой ширины спектральной полосы оплачивается из-за потери насыщенности цвета, что видно в точке цветности такого светодиода (рисунок 3). Удаленное расположение точки цветности от границы диаграммы означает, что свет очень немонохроматичен и выглядит как приятный яблочно-зеленый цвет. Как упомянуто ниже, эта особенность действительно желательна для создания широкополосных источников света RGB.
Квантовые точечные светодиоды
Также можно создавать светодиоды зеленого цвета, комбинируя голубые чипы накачки с другими люминесцентными материалами, такими как квантовые точки. По сути, это нанокристаллы материалов, таких как селенид кадмия (CdSe), диаметр которых составляет от ~ 2 до 20 нм. Из-за своего небольшого размера квантовые точки демонстрируют сильные эффекты квантового ограничения и сродни искусственным атомам в том, что касается их уровней энергии. Светодиоды на основе квантовых точек были изготовлены рядом исследовательских групп 2 . Хотя эти устройства были продемонстрированы несколько раз в прошлом, они еще не были коммерциализированы.
Светодиоды с квантовыми точками излучают свет с гораздо более узким спектральным разбросом, чем светодиоды с преобразованием люминофора, и это может принести пользу некоторым применениям, таким как экранные и проекционные дисплеи. В этом атрибуте светодиоды с квантовыми точками противоположны светодиодам на основе фосфора. Стоимость качественных квантовых точек и проблема их долговечности до сих пор препятствовали их использованию в коммерческих зеленых светодиодах. Хотя квантовые точки еще не появились в коммерческих дискретных светодиодах, они нашли применение во встроенных светодиодах в телевизорах таких компаний, как Samsung Electronics, Сувон, Южная Корея.
Лазерные диоды
В то время как светодиоды с зеленым излучением существуют в течение десятилетий и быстро совершенствуются в последние годы, коммерческие лазерные диоды, излучающие зеленый свет, являются недавней разработкой. Лазерные диоды, как правило, сделать гораздо сложнее, чем светодиоды. Их материальная структура и эпитаксия гораздо сложнее, чем в случае со светодиодами. Они также требуют уровня совершенства подложки и роста материала, который значительно превышает аналогичные требования, встречающиеся при изготовлении светодиодов.
Слои лазерных диодов должны быть выращены на чрезвычайно хорошо согласованных метаморфических подложках. В противном случае рассогласование решетки приводит к обширным пронизывающим дислокациям, которые вызывают безызлучательную рекомбинацию электронов с дырками, тем самым убивая лазерное воздействие. Даже потенциал образования дислокаций является плохой новостью, потому что по мере старения устройств дислокации могут размножаться и превращаться в дефекты темных линий (DLD), которые уменьшают выходную мощность лазеров и в конечном итоге полностью прекращают действие лазера. Учитывая эти соображения, неудивительно, что создание лазерных диодов довольно сложно, и эти устройства стоят значительно дороже, чем светодиоды.
Красные лазерные диоды были первыми полупроводниковыми лазерами видимого цвета, которые были разработаны, и их технология повзрослела настолько, что теперь они стоят очень мало и широко используются во многих приложениях, где требуется небольшой источник направленного светового пучка. Затем были разработаны синие лазерные диоды с использованием системы материалов GaN / InGaN, и с тех пор их технология также получила хорошее развитие.
К зеленым лазерным диодам применялась та же система материалов GaN / InGaN, но со значительно более высокой концентрацией индия в тройном сплаве InGaN. Увеличенное содержание индия сужает запрещенную зону и, таким образом, сдвигает длину волны излучения от синего к зеленой области.
Проблемы с увеличением количества индия в сплаве InGaN до значений, которые позволили бы зеленое излучение, сдерживали развитие зеленых лазерных диодов в течение многих лет. При высоком содержании индия разделение фаз, приводящее к колебаниям стехиометрии сплава, быстро становится серьезным, и получение пространственно однородного материала становится все более трудным. Интенсивные исследования, проведенные за последнее десятилетие, позволили разработать методы выращивания, позволяющие выращивать сплав InGaN с высоким содержанием индия без чрезмерного разделения фаз 4, Это, в свою очередь, позволило изготовить коммерческие зеленые лазерные диоды по приемлемой цене за единицу (рис. 4). Тем не менее, их технология изготовления является довольно незрелой, и выходы относительно низки. Таким образом, зеленые лазерные диоды все еще несколько дороги и не так широко доступны, как их красный и синий варианты.
Также возможно комбинировать сине-фиолетовые лазерные диоды с подходящим зеленым излучающим люминофором для создания ярких, узких лучей, некогерентных источников зеленого света. Этот подход в настоящее время уже используется с источниками белого света для автомобильных фар в автомобилях высокого класса 5 . Такие некогерентные зеленые источники могут генерировать концентрированный свет для вывесок и проекционных систем.
Увеличение приложений
Наличие ярко-зеленых твердотельных источников позволяет использовать несколько новых приложений. Благодаря высокой чувствительности наших глаз в зеленой области, зеленые светодиоды очень подходят для монохромных дисплеев, которые видны на больших расстояниях. Большие рекламные щиты для публичных объявлений и беспроводные системы визуальной сигнализации, работающие за несколько миль, могут использовать широко доступные недорогие зеленые светодиоды, световые двигатели и модули с несколькими светодиодами.
Зеленые светодиоды также могут использоваться вместе с красными и синими светодиодами для создания перестраиваемых светодиодных систем белого света RGB, которые позволяют по желанию настраивать цвет смешанного света в широком цветовом пространстве. Здесь есть две различные возможности: 1) для светодиодных систем RGB, которые обеспечивают заднюю подсветку для ЖК-дисплеев; подходят узкополосные красные, зеленые и синие светодиоды, изготовленные из излучающих полупроводников; и 2) для светодиодных проекционных систем; Некоторые из наборов микросхем RGB от Luminus Devices предназначены для этого приложения.
Для отражения отраженного света реальных физических объектов и жилых помещений лучше всего комбинировать зеленый светодиод с преобразованным люминофором с красными и синими светодиодами, либо узкополосными, либо широкополосными. Это связано с тем, что приложение отраженного света требует спектрального богатства от источника освещения, чтобы правильно отобразить цвет объектов, видимых в отраженном свете.
Зеленые светодиоды с преобразованием люминофора могут иметь очень широкий спектральный выход с центром в зеленой области (рисунок 3). Эта функция работает очень хорошо в сочетании со светом от красного и синего светодиодов для синтеза света с широким (и относительно плоским) спектральным охватом. Даже белые светодиоды извлекли выгоду из разработки преобразованных в люминофор зеленых светодиодов. Специальные широкополосные зеленые люминофоры, разработанные для последних, также использовались в белых светодиодах для изготовления широкополосных светодиодов плоского спектра, таких как плоско-белый светодиод от Electrospell.
Зеленые лазерные диоды
Зеленые лазерные диоды открывают двери для нескольких других применений. Прежде всего, они обеспечивают более компактную и надежную замену для многих применений, которые до сих пор обслуживались традиционными твердотельными лазерами с диодной накачкой (DPSS). По мере того, как в ближайшие годы мощность зеленых диодных лазеров увеличится, все больше приложений перейдут от использования зеленых лазеров DPSS к чистым диодным лазерам. Лазерная подсветка, как и светодиодная подсветка, также выиграет здесь. Эти лазеры можно комбинировать с красными и синими диодными лазерами для лазерных проекционных дисплеев, и это стало основным стимулом для их развития.
Проекционные устройства на основе ЖКД и микрозеркала выигрывают от этой разработки.
Зеленые диодные лазеры также предлагают возможность прямой высокоскоростной электронной модуляции — возможность, которую не предлагают их аналоги DPSS. Это может принести пользу как оптическим системам связи, так и наземным, а также наземным. Фактически, в нескольких экспериментах с микроспутниками в настоящее время исследуются линии связи как земля-космос, так и космос-космос с зелеными лазерными диодами.
Еще одна возможность применения — использование зеленых лазерных диодов для систем подводной связи. Хотя пропускание воды демонстрирует самый высокий пик при 418 нм, зеленые длины волн все еще достаточно близки, чтобы иметь почти равное значение для подводных линий связи. Фактически, в большинстве реальных водных сред вода демонстрирует наименьшее поглощение примерно на полпути между синей и зеленой областями, и поэтому зеленые лазеры очень подходят для использования в оптических линиях связи в таких средах.
Вышеуказанные возможности представляют собой лишь небольшую часть обширного спектра применения, который будет и будет реализован благодаря ярким, доступным источникам зеленого света на основе диодов. Зеленые светодиоды, в особенности светодиоды с запрещенной зоной, в ближайшие годы будут продолжать расти в яркости. Однако лазерные диоды, излучающие зеленый свет, требуют гораздо большего развития, чтобы их цена еще больше снижалась вместе с увеличением их доступности. Будем надеяться, что когда-нибудь зеленые лазеры на основе прямого диода заменит практически все зеленые лазеры DPSS.
Это исследование показало, что зеленый разрыв значительно уменьшился с более ранних лет, когда на рынке появилось множество устройств. Еще больше исследований и разработок необходимо для зеленых лазерных диодов, но с их коммерциализацией достигнут важный рубеж, и мы можем более уверенно смотреть в будущее.
Когда дело доходит до срока службы смартфона, название бренда имеет большее значение, чем аппаратное
Оливер БИРХОФФ: «Украину нельзя недооценивать»
Супряга и Де Пена забили дебютные голы в еврокубках
Apple открывает новый кабинет Apple Park для 12 тыс служащих в Калифорнии
Сильное землетрясение обрушилось на отдаленный горный регион Индии
