Супер’яскраве джерело білого світла

1 Супер'яскраве джерело білого світла, чіп якого містить один, два або три випромінюючі п-р гетеропереходи із твердих розчинів нітридів, фосфідів, арсенідів алюмінію, галію та ІНДІЮ, виготовлені методами молекулярно-променевої, МОСпдридної або хлоридно-пдридної епітаксії, яке відрізняється тим, що воно містить надгратку N= fu із випромінюючих п-р гетеропере ходів різного атомного складу твердих розчинів нітридів, фосфідів, арсенідів, антимонідів, алюмінію, галію, ІНДІЮ, де Я, тах і Хтт - довжини хвиль Винахід відноситься до напівпровідникової оптоелектроніки, зокрема, до суперяскравих світлодюдів та лазерів з широким спектром випромінювання, зокрема, білого світла для застосування в приладах загального освітлення Найбільш ефективними джерелами світла є інжекційні світлодюди та лазери, які випромінюють вузькі монохроматичні спектри шириною 80-120А для СВІТЛОДІОДІВ і 1-5А для лазерів Довжина хвилі максимуму випромінювання визначається шириною забороненої зони напівпровідника випромінюючого шару р-n структури світлодюду або лазеру В усіх сучасних світлодюдних та лазерних джерелах світла використовується суперінжекція носив зарядів, електронів і дірок, із широкозонних в вузькозонні шари гетероструктур Для одержання великої ЩІЛЬНОСТІ електронів і дірок в активних шарах створюються квантоворозмірні ВІДПОВІДНО блакитного та червоного кордонів білого спектра, дЛ, - середня ширина монохроматичних спектрів на 2/3 їх висоти, з'єднаних послідовно тунельними р-п переходами між собою усередині кристалічної структури чіпа та з металевими контактами в кінцевих р і п шарах, при цьому надгратка випромінюючих п-р гетеропереходів розташована шарами на підкладці в напрямку епітаксіального росту 2 Супер'яскраве джерело білого світла по п 1, яке відрізняється тим, що надгратка з'єднаних послідовно п-р гетеропереходів розташована латерально по всій випромінюючій поверхні ЧІПІВ, а кінцеві п і р шари з'єднані з металевими контактами 3 Супер'яскраве джерело білого світла по п 2, яке відрізняється тим, що металеві контакти мають гребінчасту N-елементну Ш-подібну форму 4 Супер'яскраве джерело білого світла по пп 1, 2, З, яке відрізняється тим, що п-р гетеропереходи надгратки мають вертикальні або горизонтальні резонатори структури - квантові точки, квантові ями, квантові проволоки Вони підвищують квантову ефективність СВІТЛОДІОДІВ і лазерів в їх вузькому діапазоні довжин хвиль Однак, в природі та технічних приладах більш широке розповсюдження мають не вузькі лінійчаті спектри випромінювання, а широкі діапазони безперервних спектрів, такі як біле денне світло, випромінювання Сонця, Місяця, Зірок, Неба Крім білого важливо мати "холодне" джерело безперервних спектрів ультраблакитного, інфрачервоного діапазонів електромагнітних хвиль Відомо три способи одержання білого світла з використанням інжекційних СВІТЛОДІОДІВ та лазерів 1 Синтез білого світла при змішуванні випромінювання СВІТЛОДІОДІВ або лазерів червоного (Red)-R, зеленого (Green)-G та блакитного (Blue)-B кольорів (RGB) Модифікацією цього способу є змішування випромінювання СВІТЛОДІОДІВ блакитного та жовто-зеленого кольорів, яке також дає ю ю 57542 біле випромінювання, 2 Стоксівське збудження світлодюдом або лазером з випромінюванням люмінофору (фосфору), який дає біле або жовте випромінювання, 3 Створення в одному ЧІПІ трьох р-n гетеропереходів, які генерують ВІДПОВІДНО червоне, зелене та блакитне випромінювання Незважаючи на високу енергетичну ефективність трьох монохроматичних складових загальна енергетична ефективність синтезованого білого випромінювання на порядок менша В усіх цих джерелах білого світла більше половини первинного випромінювання втрачається на невипромінюючі процеси рекомбінації, які призводять до безкорисного нагрівання кристалу Відомо, ЩО внутрішній квантовий вихід люмінесценції в прямозонних напівпровідниках, таких як арсенід і нітрид галію, дорівнює 100%, тобто кожна електронно-діркова пара при рекомбінації генерує фотон Але при виході цього випромінювання із напівпровідникової структури СВІТЛОДІОДІВ та лазерів частина випромінювання витрачається на відбиття від кордонів мікроструктури, ІНШІ частини витрачаються на поглинання дефектами поверхонь та шарів Ці дефекти є також причинами зміни балансу білого кольору та деградації випромінюючих структур, зокрема, з пере люмінесценцією в фосфорах Найбільший коефіцієнт корисної дії -70% - досягнуто в гетеролазерах з вертикальним резонатором Це суттєво перевищуєвсі ІНШІ перетворювачі енергії електричного струму в світлове випромінювання, в тому числі інжекційні надяскраві світлодюди ВІДОМІ інтегральні матриці СВІТЛОДІОДІВ ІЗ 100 елементів, кожен з яких випромінює свій вузький спектр довжин хвиль, тобто квазімонохроматичне світло (Осинский В И Интегральная оптоэлектроника, Мн , наука и техника, 1977, С 124-126) Це досягнуто застосуванням гетерогенних кристалів багатокомпонентних твердих розчинів в системі GalnAsP Діапазон випромінювання розглядуваного джерела світла складав від 540нм (зелене світло) до 3200нм (інфрачервоний діапазон) Ширина спектрів випромінювання складала 1 5 0 - 250 А Широкий діапазон випромінювання розповсюджувався від зеленого до середнього інфрачервоного, з захватом значної частини видимого діапазону зеленого, жовтого, червоного Для одержання білого світла в цій матриці не доставало блакитного світла, яке неможливо одержати в системі GalnAsP без вживання спеціальних заходів збільшення енергії квантів рекомбінаційного випромінювання до значень, які відповідають довжинам хвиль блакитного випромінювання, тобто в околиці 400нм Останнім часом стали ВІДОМІ "білі лазери" на фотонних кристалах, в яких використовуються над нелінійні процеси Вони становлять собою множину (тисячі) когерентних монохроматичних мікровипромінювачів, кожний з яких випромінює свою довжину хвилі, що в цілому дає широкий діапазон білого світла з миттєвою яскравістю більш 10000 сонць (>100ГВтхм2хстеррад1) (Philip Russell Photonic crystal Laser Focus World, Vol 38, №9, 2002, P 77-82) Основними недоліками цього способу одержання білого світла є імпульсна пікосекундна дія, низька енергетична ефективність над нелінійних процесів та велика вартість лазерів з фотонним кристалом, неприйнятна для приладів загального освітлення Адже необхідно одержати еквівалентну Сонцю яскравість в широкому діапазоні довжин хвиль при коефіцієнті корисної дії (ккд), який суттєво перевищує ккд ламп розжарювання та люмінесцентних ламп Важливо, щоб це джерело світла було стабільним протягом великого часу, більше десяти років, а не миттєвим спалахом "яскравіше 1000 сонць", яким здавалося випромінювання атомної бомби в 1945 році, або є випромінювання потужних імпульсних лазерів Таким чином, недоліками відомих технічних рішень є низька ефективність перетворення електричної енергії в електромагнітне випромінювання широкого діапазону білого світла, малий термін життя та зміни балансу білого світла в часі, які зумовлюють високу вартість суперяскравих джерел білого світла для використання в приладах загального освітлення Найбільш близькими технічними рішеннями до тих, що пропонуються, є суперяскраві джерела білого світла та способи їх виготовлення згідно патентів США №6337536 В1 клас H01L33/00 від 8 01 2002р «Світловипромінюючий діод білого та нейтрального кольору», Hideki Matsubara, KOJI Katajama, Toshihiko Takebe, фірма Sumitomo Electric Industries, Японія та №6486790 B1 від 26 112002р кл G08B5/22 "Білий світлодюдний випромінюючий сигнальний прилад", Р Perlo, P Peretto, S Farma, D Pulhm, V Lambertmi, фірма С R F Societa Consortile Per Ansoni, Turin В патенті №6337536 B1 використовується монокристалічна підкладка із n-ZnSe, на якій розташована епітаксійна плівка ZnSe, ZnCdSe або ZnSeTe з активним випромінюючим р-n переходом Світло білого або нейтрального кольору між червоним та блакитним спектром одержується із легованої домішками J, СІ, Br, A1, Ga, In, ZnSe підкладки при її опромінюванні блакитним та блакитно-зеленим випромінюванням із р-n переходу і жовтого чи оранжевого випромінювання із ZnSe підкладки Недоліком цього приладу є двохстадійний процес одержання білого світла, при якому втрачається значна КІЛЬКІСТЬ первинного випромінювання Крім того, гетеро переход и на сполуках А 2 В 6 (А2 - елементи другої групи, а В - елементи шостої групи Періодичної таблиці) деградують в часі, що призводить до малого часу життя СВІТЛОДІОДІВ та лазерів на їх основі В патенті №6486790 В1 для одержання потужного джерела білого світла використовується хвилевід із прозорого матеріалу на двох протилежних гранях якого шляхом поверхневого монтажу пакується багато білих світлодюдних ЧІПІВ з перелюмінесценцією в фосфорах В хвилеводній структурі проходить складання випромінювання всіх ЧІПІВ, що дає сумарну потужність пучка світла Недоліком цього приладу є гібридна технологія його створення на чіпах з перелюмінесценцією, що зменшує його коефіцієнт корисної дії та збільшує вартість В розглянутих патентах суттєвим недоліком є 57542 низька ефективність первинних блакитних світлодюдів, які виготовлені на підкладках з великою концентрацією дефектів і поганим узгодженням з епітаксійними шарами параметрів кристалічної ґратки Дефекти епітаксійних шарів і фосфорів є також основними причинами деградації випромінюючих структур, що призводить до зменшення їх інтенсивності випромінювання з часом Таким чином, причинами, що перешкоджають досягненню очікуваного технічного результату в відомих джерелах білого світла є недостатня ефективність перетворення електричної енергії в електромагнітне випромінювання широкого діапазону білого світла, а також його зміна з часом, які зумовлені такими факторами - низька ефективність синтезу широкого спектру білого випромінювання із трьох (RGB) або двох монохроматичних спектрів, - низька ефективність люмінесценції в фосфорі блакитного випромінювання в біле світло, - низька ефективність двох фотонних процесів лазерної генерації білого світла в фотонних кристалах, - великі витрати випромінювання в дефектних шарах гетероструктур нітридів третьої групи, вирощених на підкладках сапфіру, - велика вартість потужних джерел білого світла, виготовлених із багатьох окремих ЧІПІВ з перелюмінесценцією В основу винаходу поставлено задачу створення принципово нового суперяскравого джерела білого світла шляхом використання нової конструкції джерела білого світла на основі багатошарових гете ростру ктур твердих розчинів сполук третьої та п'ятої груп Періодичної системи Менделєєва з більш високими в порівнянні з прототипами технічними характеристиками та параметрами, які забезпечують їх широке застосування в приладах загального освітлення Поставлена задача вирішується тим що чіп суперяскравого джерела білого світла містить надгратку N = Я , випромінюючих гетеропе реходів різного атомного складу твердих розчинів нітридів, фосфідів, арсенідів, антимонідів алюмінію, ГаЛІЮ, ІНДІЮ, ДЄ Яmx І ^тт " ДОВЖИНИ ХВИЛЬ ВІД-a ПОВІДНО блакитного та червоного кордонів білого спектру, ДА, - середня ширина монохроматичних спектрів на 2/3 їх висоти, з'єднаних тунельними п-р переходами послідовно між собою всередині кристалічної структури та з металевими контактами в кінцевих п- і р- шарах, причому множина випромінюючих n-р гетеропереходів розташовується шарами на підкладці в напрямку епітаксійного росту або в латеральному епітаксійному шарі, а кінцеві п- і р- шари з'єднані з металевими контактами, які мають суцільну або гребінчасту Ш-образну форму Для одержання лазерного випромінювання надгратки n-р гетеропереходів мають вертикальні або горизонтальні резонатори Першою ВІДМІННІСТЮ є те, що суперяскраве джерело білого світла містить надгратку з'єднаних fu N= послідовно n-р гетеропереходів ДЄ Я-max І А-тт - ДОВЖИНИ ХВИЛЬ ВІДПОВІДНО бЛЭКИТНО го та червоного кордонів білого спектру, ДА, - середня ширина монохроматичних спектрів на 2/3 їх висоти, які виготовлено із твердих розчинів ВІДМІННОГО атомного складу Другою ВІДМІННІСТЮ є те, що надгратка n-р гетеропереходів розташована латеральне по всій випромінюючій поверхні ЧІПІВ, а кінцеві п- і р- шари з'єднані з металевими контактами Третьою ВІДМІННІСТЮ є те, що металеві контакти мають гребінчасту N-елементну Ш-образну форму Четвертою ВІДМІННІСТЮ є те, що n-р гетеропереходи надгратки різного атомного складу мають вертикальні або горизонтальні резонатори Основними фізико-технолопчними засадами цього винаходу є одержання широкого спектру електромагнітного випромінювання, зокрема, білого світла, із множини монохроматичних спектрів, які перекриваються між собою (Фіг1) Для цього пропонується формувати відповідну КІЛЬКІСТЬ мікровипромінюючих елементів структури (надгратку) » І fu д •\ (Фіг 2), яка дорівнює де діапазон довжин хвиль спектру білого світла, ДА, середня ширина спектральної лінії монохроматичного випромінювача на 2/3 її висоти Надгратка n-р гетеропереходів виготовляється в процесі епітаксійного росту таким чином, що по заданій програмі атомний склад епітаксійних моноатомних шарів змінюється в напрямку росту перпендикулярно підкладці (ФігЗ) або тангенціино (латерально) по поверхні підкладки (Фіг 4) Наприклад, епітаксійна структура вирощується на підкладці сапфіру, АЬОз, орієнтації (0001) Вирощуються перші моношари AIN, потім поступово атоми алюмінію заміняються атомами галію та ІНДІЮ таким чином, щоб одержувані шари створювали поодинокі або ПОДВІЙНІ гете ростру ктур и ВІДПОВІДНО атоми азоту заміняються атомами фосфору, миш'яку або сурми Епітаксійний ріст проводиться за допомогою комп'ютерної системи в процесах молекулярно-променевої або МОС-пдридної епітаксії легування шарів п- та р- домішками для одержання n-р переходів Всі n-р гетеропереходи з'єднані тунельними р-n переходами між собою послідовно (ФігЗ), а останні шари в цьому ланцюжку з'єднуються з плівковими металевими контактами Для латеральних структур контакти мають гребінчасту Ш-образну форму (Фіг 5) Суперяскраве джерело білого світла працює наступним чином При подачі на структуру напруги множина n-р гетеропереходів зміщується в прямому напрямку В кожній n-р гете ростру ктур і реалізується суперінжекція електронів та дірок в активні шари, в яких вони рекомбінують з випромінюванням світла з енергією E n = h v n Таким чином, одночасно випромінюється N монохроматичних спектрів, які перекриваються між собою щільно заповнюючи весь діапазон білого світла (Фіг1) Зважаючи, що ширина кожного спектру на 2/3 його висоти в світлодюдному режимі дорівнює в середньому 5нм, для щільного заповнення всього білого спектру від 400нм до 760нм необхідно мати 57542 ЗбОнм 5нм=72 n-р гетероперехода Тобто, потрібно 72 дискретних монохроматичних спектра, які, перекриваючись між собою, створять неперервний спектр білого світла, як показано на Фіг 1 Для одержання білого спектру лазерного випромінювання з шириною монохроматичних спектрів 1нм потрібно мати ЗбОнм 1нм=360 n-р гетеропереходів з резонаторами, кожний з яких є мікролазером Реальних випромінюючих елементів може бути менше або більше цих кількостей в залежності від ширин їх монохроматичних спектрів та інтенсивності випромінювання Суперяскраве джерело білого світла схематично зображено на кресленнях Фіг 1 Перекриття множини монохроматичних спектрів випромінювання n-р гетеропереходів, які створюють неперервний спектр білого світла асвітлодюди, б-гетеролазери 8 Фіг 2 Багатошарова надгратка випромінюючих n-р гетеропереходів (а) та їх послідовне з'єднання (б), п, п + - шари n-типу, р, р+ - шари р- типу, М металеві контакти Фіг 3 Фрагмент вертикальної над ґратки випромінюючих n-р гетеропереходів в нановимірах а - п, р- шари п і р типів, Т-тунельні переходи, КГГквантові точки, М - шари металевих контактів, б зміна ширини забороненої зони Eg по товщині, в зміна електропровідності а по товщині Фіг 4 Латеральна надгратка суперяскравого джерела білого світла а - розташування п-, р- шарів надгратки, М - металеві контакти, б - розріз гетеро-структури чіпа Фіг 5 Гребінчасті Ш - образні контакти в латеральному суперяскравому джерелі білого світла 57542 Комп'ютерна верстка Л Ціхановська 10 Підписано до друку 05 07 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна