WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 6 Спектры люминесценции, эффективность и цветовые характеристики светодиодов белого свечения на основе p-n-гетероструктур InGaN/GaN, покрытых люминофорами1 © М.Л. Бадгутдинов, Е.В. Коробов, Ф.А. Лукьянов, А.Э. Юнович¶, Л.М. Коган+, Н.А. Гальчина+, И.Т. Рассохин+, Н.П. Сощин Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (физический факультет), 119899 Москва, Россия + НПЦ ОЭП „ОПТЭЛ“, 105187 Москва, Россия ФГУП НИИ „Платан“, 141190 Москва, Россия (Получена 1 ноября 2005 г. Принята к печати 14 ноября 2005 г.) Исследованы спектры люминесценции, эффективность и цветовые характеристики светодиодов белого свечения на основе p-n-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN синего свечения, выращенных на подложках из SiC, и покрытых желто-зелеными люминофорами на основе алюмоиттриевых гранатов с примесями редкоземельных элементов. Светодиоды синего свечения имеют коэффициент полезного действия до 22% при токе 350 мА и напряжении 3.3 В. Светодиоды белого свечения имеют светоотдачу до 40 лм/Вт и световой поток до 50 лм при токе 350 мА.

PACS: 85.60.Jb 1. Введение основе GaN. Существенное отличие рассматриваемых в статье диодов заключается в том, что они созданы из структур, выращенных на подложках из карбида Разработки светодиодов (СД) белого свечения на основе p-n-гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN в по- кремния. Подложки из SiC (в отличие от сапфира) могут быть проводящими, что позволяет создавать контакты к следние годы идут быстрыми темпами во всем мире, p- и n-областям структуры с разных сторон „чипа“. Это поскольку они должны стать элементной базой освещев свою очередь уменьшает неоднородность растекания ния будущего [1–4]. Увеличение внутреннего квантового тока вблизи контактов и создает лучший теплоотвод от выхода излучения i эпитаксиальных структур с кванактивной области при больших токах [15,16].

товыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN определяется Существуют разные способы создания светодиодов выбором материала подложки (сапфир или карбид крембелого свечения [2–4,17]. В настоящей статье применен ния), улучшением качества буферного слоя, составом и способ сложения излучения синего кристалла с излулегированием множественных квантовых ям [1–4]. Это чением возбуждаемого им желто-зеленого люминофора за последние годы привело к уменьшению концентрации на основе алюмоиттриевого граната [18,19]. Вариации дислокаций от 109 до 106 см-2 [5,6]. Максимальные знасостава и количества люминофора позволяют создать чения i, о которых сообщалось в литературе, достигают суммарный спектр с нужными цветовыми характери60% для длин волн вблизи = 405 нм и 12% вблизи стиками белого света [11,13,14]. В статье обращено = 530 нм. Величина i имеет максимум в зависимости внимание на анализ цветовых характеристик спектров.

от тока. Ее падение при больших токах определяется инжекцией неосновных носителей за пределы активной области с квантовыми ямами [7,8], неоднородностью 2. Методика экспериментов растекания тока вблизи контактов [9] и увеличением температуры диода. Внешний квантовый выход излучеСветодиоды были созданы из кристаллов фирмы Cree, ния e зависит от оптической конструкции — геометрии выращенных на подложке из SiC; они имеют активную кристалла и контактов, показателя преломления и фор- область на основе p-n-гетероструктур с множественнымы фокусирующего купола. Достигнутые в последние ми квантовыми ямами типа InGaN/AlGaN/GaN. СД белогоды значения e: 43% вблизи = 405 нм и до 35% го свечения получали смешением синего излучения кривблизи = 460 нм [10].

сталла с излучением желто-зеленого люминофора [14].

Настоящая статья продолжает работы [11–14] по ис- Спектры люминофоров на основе алюмоследованию спектров и эффективности светодиодов на иттриевых гранатов с общей формулой Y3-x(TR)x Al5-yGay O12 : Ce3+ могут быть изменены заРабота частично доложена на 4-й Всероссийской конференции мещением части (x) ионов иттрия Y3+ на атомы пе„Нитриды галлия, индия и алюминия: структуры и приборы“ (Санктреходных металлов, в частности гадолиния или Петербург, 2005) и на 7-й Российской конференции по физике полупразеодима (TR = Gd, Pr), или части (y) атомов Al проводников (Звенигород, 2005).

¶ E-mail: yunovich@phys.msu.ru на атомы Ga [14]. Добавки Gd позволяли смещать Спектры люминесценции, эффективность и цветовые характеристики светодиодов белого свечения... максимум полосы люминесценции от 530 до 590 нм, добавки Ga — смещать максимум поглощения от 475 до 445 нм для согласования с максимумом спектра излучения диода. Эффективность возбуждения люминофора зависит от положения максимума синей линии относительно полосы поглощения люминофора.

Количество люминофора варьировалось, что позволяло изменять спектры и цветовые характеристики СД.

Конструкции мощных светодиодов создавались в соответствии с патентом [20]. Чипы устанавливались прямым монтажом стороной выращенной структуры с p-областью на металлизированную поликоровую пластину толщиной 0.3 мм, вывод излучения осуществлялся через прозрачную подложку из SiC. Площадь кристалла варьировалась для разных СД, приведены данные для площади p-n-перехода S = 0.8мм2. Такая конструкция позволяла пропускать большие токи (до 350 мА). Рис. 1. Спектры электролюминесценции СД синего свечения при изменении тока от 10 до 350 мА. Показана эксДля сбора и преобразования бокового излучения крипоненциальная аппроксимация наклонов с показателями Eсталлов использовался накладной керамический отраи E1 = mkT. Стрелками в длинноволновой части показаны жатель [21], согласованный по размерам с полимерной относительные минимумы, обусловленные интерференцией, с линзой. Для фокусировки излучения использовался попериодом =(17 ± 1) нм.

лимерный купол полусферической или эллиптической формы, показатель преломления полимера n 1.55.

Спектры люминесценции исследовались по методике, описанной в [12]. Световой поток измерялся с примене- по In, от флуктуаций пьезоэлектрических полей и шинием калиброванной интегрирующей сферы, мощность рины ям, слабо зависит от условий роста на разных излучения — измерителем Coherent FieldMax-Top или подложках и изменяется в узких пределах 56–65 эВ.

градуированным кремниевым фотоэлементом. Максимум в спектрах излучения смещался в пределах длин волн max 455-450 нм (энергии фотона max = 2.729-2.755 эВ) при изменении тока от J = 3. Экспериментальные результаты до 350 мА (плотность тока j = 1.2-44 А/см2). Полный сдвиг максимума ( max) =26 мэВ (рис. 1) больше, чем 3.1. Спектры излучения и эффективность для синих структур с модулированно-легированными синих светодиодов множественными квантовыми ямами, выращенными на сапфире, где ( max) =5мэВ [12,22,23]. Заметим, что На рис. 1,a представлены спектры электролюмиэнергия максимума max для создания белых светодионесценции одного из СД синего свечения, на основе дов должна совпадать с энергией максимума в спектрах которых были изготовлены белые СД.

возбуждения люминофоров и не изменяться в области Общая форма спектров, так же как и спектров элекрабочих токов.

тролюминесценции структур типа InGaN/AlGaN/GaN, Показатель экспоненты коротковолнового спада спеквыращенных на сапфире, описывалась в модели, учитытра, определяемый из спектра в полулогарифмивающей комбинированную двумерную плотность состояческом масштабе, d( )/d(ln I) (I — интенсивний вблизи краев зон, имеющих „хвосты“ с характерным ность), изменялся при увеличении тока в пределах показателем экспоненциального спада в длинноволновой E1 = mkT = 41-49 мэВ. Отсюда был оценен нагрев области E0. Модель учитывает произведение функций структуры при 350 мА: T 60 K.

заполнения состояний в зоне проводимости и в ваНа длинноволновом крыле наблюдалась особенность лентной зоне f (1 - f ) с характерным показателем c v вблизи длины волны 465-466 нм. Более подробный экспоненциального спада E1 = mkT (T — температуанализ формы спектров по методике [22,23] показал, что ра, k — постоянная Больцмана) [22,23]. Заметим, что частично эта особенность связана с интерференционной эта же модель хорошо описывает и спектры фотомодуляцией спектров (рис. 1). Из периода модуляции люминесценции структур с квантовыми ямами типа =(17 ± 1) нм была оценена общая толщина слоя InGaN/AlGaN/GaN [24].

GaN и активной области структур:

Показатель экспоненты длинноволнового спада спектра имел значения E0 = 58-61 мэВ. Физический смысл d =(/2)(1 + / )/n[1 +(/n)(dn/d)] 2.3мкм. (1) этого показателя — характерная энергия флуктуаций потенциала в структурах. Следует понять, почему этот На рис. 2 показана зависимость мощности излучения параметр, зависящий от неоднородностей состава InGaN (P) и коэффициента полезного действия (P) синеФизика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 760 М.Л. Бадгутдинов, Е.В. Коробов, Ф.А. Лукьянов, А.Э. Юнович, Л.М. Коган, Н.А. Гальчина...

разброс параметров синих СД по исходной пластине и влияние поглощения части излучения люминофором.

Положение максимума желто-зеленой полосы люминофора в спектрах зависело от описанных выше небольших изменений состава люминофора и изменялось в пределах 566–575 нм; ширина спектральной полосы на половине интенсивности была 135 нм (( )1/2 0.50 эВ). Отношение интенсивности синей полосы к интенсивности полосы люминофора в максимумах слабо зависело от тока при J > 200 мА и от диода к диоду изменялось в пределах от 2.8 до 0.при последовательном увеличении толщины слоя люминофора. Вариации этих спектров определяли цветовые Рис. 2. Зависимость мощности излучения P и коэффициента характеристики светодиодов.

полезного действия P синего светодиода от тока.

На рис. 5 приведены зависимости светового потока (L), измеренного с помощью интегрирующей сферы, и светоотдачи (L) белого СД с повышенным содержанием го диода от тока. Зависимость имеет пологий максимум вблизи токов J = 300-350 мА (плотности токов j = 38-44 А/см2). При увеличении тока до 350 мА мощность излучения синих СД с полимерным корпусом изменялась в пределах 200–270 мВт. По измерениям светового потока в интегрирующей сфере это соответствовало кпд P 21-28%.

3.2. Спектры излучения и эффективность белых светодиодов На рис. 3 представлены спектры излучения белого СД со сравнительно малой долей люминофора при изменении тока до 350 мА. Основная полоса спектра обусловлена излучением кристалла синего СД.

Максимум смещается с током от 459.5 до 457 нм ( max = 2.694-2.713 эВ). Небольшой сдвиг максимума Рис. 3. Спектры электролюминесценции СД белого свечения (1–1.5 нм) в длинноволновую сторону заметен при токах с пониженным содержанием люминофора при разных токах.

J > 100 мА. Показатель экспоненты коротковолнового спада изменяется в пределах E1 = mkT = 43-62 мэВ.

Сделанная отсюда оценка нагрева при J = 350 мА дает T 130 K, т. е. несколько больше, чем для синего диода без люминофора. Ширина полосы на полувысоте при J = 350 мА равна ( )1/2 = 0.13 эВ.

Широкая желто-зеленая полоса излучения люминофора имеет максимум при 575 нм (2.156 эВ) во всем диапазоне токов, ширина полосы равна 0.5 эВ. В спектре излучения люминофора наблюдается пик в красной области, связанный с наличием в составе люминофора редкоземельных металлов (Dy, Pr). Пик разрешается как дублет с длинами волн 695.5 и 694 нм. Минимум спектральной интенсивности (2.45–2.48 эВ) между основной линией диода и желто-зеленой полосой люминофора проявляется достаточно резко.

На рис. 4 приведены спектры излучения трех белых СД с последовательным увеличением содержания люмиРис. 4. Спектры электролюминесценции СД белого свечения нофора. Положение максимума синей полосы в спектрах с разным содержанием люминофора. При последовательном разных СД при токе J = 350 мА изменяется в пределах увеличении содержания люминофора характер свечения измеmax = 450-457 нм ( max = 2.755-2.713 эВ). Неболь- няется как coldmoderatewarm. Стрелка 460 нм указывает шое отличие этих значений от данных рис. 1 отражает на максимум в спектре поглощения люминофора.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Спектры люминесценции, эффективность и цветовые характеристики светодиодов белого свечения... сти (X, Y ) трех белых СД (см. таблицу). Значения координат цветности дают количественное определение восприятия данного спектра системой человеческого зрения. Видно, что в зависимости от количества нанесенного люминофора координаты цветности (X, Y) могут меняться в довольно широких пределах. Левая точка соответствует так называемому „холодному“ источнику света, правая — „теплому“. Центральная точка (0.31, 0.32) для диода с умеренным содержанием люминофора близка к центру диаграммы E (0.33, 0.33) — стандартному источнику света на кривой Планка с T = 6770 K.

По формуле для люмен-эквивалента (световой эффективности) спектра VyI d Рис. 5. Зависимость светового потока и светоотдачи белого Leq =, (2) СД „теплого“ свечения от тока.

I d где Vy — спектральная функция чувствительности глаза, I — спектральная интенсивность излучения (число квантов на единичный интервал длин волн), были рассчитаны значения Leq для трех белых СД. Эта величина характеризует предельную светоотдачу L при заданной форме спектра (светоотдачу при внешнем квантовом выходе и кпд, равных 100%).

Значения Leq при J = 350 мА приведены в таблице.

Люмен-эквивалент Leq дает связь между кпд P и светоотдачей L:

L = PLeq. (3) В таблице приведена также коррелированная цветовая температура (ближайшая к координатам цветности точка на кривой Планка по цветовой диаграмме 1960 г.).

Для цветовых характеристик источников белого цвета необходимо учитывать отражение света от поверхностей с различными спектрами отражения в сравнении с отражением стандартного излучения черного тела при определенной температуре. Этот учет количественно Рис. 6. Цветовая диаграмма МКО 1931 г. с точками, соот- обоснован эмпирическим введением индекса цветопеветствующими трем белым СД при изменении содержания редачи как среднего значения индексов цветопередачи люминофора. Штриховая линия — кривая Планка. Звездочот 8 стандартных поверхностей (см. определения в [19]).

ками отмечены координаты цветности синего диода и желтоВ таблице приведены общие индексы цветопередачи зеленого люминофора.

трех белых СД (методика расчета приведена в [25,26]).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.