© PIXABAY
Technologie |
Diody UV LED na superstrukturze z nanorurkami
Źródła UV znajdują szerokie zastosowanie w medycynie: do sterylizacji urządzeń medycznych, w leczeniu chorób skóry, w badaniach mikroskopowych, w przemyśle półprzewodnikowym: do fotografowania z dużą precyzją i rozdzielczością mikroskopowych elementów półprzewodnikowych, w przemyśle wytwórczym: do utwardzania materiałów oraz w oświetleniu. Do tej pory powszechnie stosowane są lampy rtęciowe, które posiadają kilka wad: krótki czas użytkowania, małą efektywność, długi czas zapłonu, a użyte do ich konstrukcji elementy są niebezpieczne dla środowiska. To spowodowało, że źródła UV oparte na LED-ach stały się ciekawą i coraz dynamiczniej rozwijającą się alternatywą. Szacuje się, że rynek źródeł UV LED wzrośnie z poziomu 166 milionów USD w roku 2016, do 555 milionów USD w roku 2021.
Pomimo rosnącego zapotrzebowania na coraz mniejsze, przyjazne dla środowiska oraz niezawodne źródła UV, okazuje się, że wydajność UV LED pozostaje jeszcze na niskim poziomie. Jest to związane z gęsto występującymi defektami i dyslokacjami w strukturze półprzewodnika: problemy z domieszkowaniem typu p, wielomodowością TM (Transverse Magnetic) oraz brakiem efektywnych kanałów rozpraszania ciepła. Do tej pory najlepsza osiągnięta zewnętrzna wydajność kwantowa (EQE - External Quantum Efficiency) dla UV LED o długości fali 270-280nm wynosi poniżej 10%, dla prądu I=20mA, i zmniejsza się znacząco wraz ze spadkiem długości fali. Dodatkowo, wraz ze wzrostem prądu maleje moc wyjściowa diod. Powodem tych problemów są głównie bardzo rezystywne warstwy p-AlGaN, które prowadzą nie tylko do dużych strat energii, ale także generują dużo ciepła, co wpływa na dalszą degradację wydajności diod. W rezultacie, do tej pory stosowane struktury UV LED wytwarzane w technologii planarnej nie mogą sprostać wielu oczekiwaniom i wyzwaniom rynku.
Rozwiązaniem dla UV LED może być nowa technologia: Droop-free AlxGa1-xN/AlyGa1-yN quantum-disks-in-nanowires ultraviolet LED emitting at 337nm on metal/silicon substrate., która została opracowana przez zespół z King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), kierowany przez Bial Janjua i Haiding Sun et al. Praca została opublikowana w czasopiśmie naukowym Optics Express, vol. 25 , Issue. 2.
© KAUST
a) Przekrój SEM nanorurek ułożonych pionowo.
b) Widok z góry ciasno ułożonych nanorurek na podłożu Ti/Si.
c) Widok nanorurek AlGaN wykonany mikroskopem elektronowym pokazujący kolejne warstwy: n-type AlGaN, dyski kwantowe AlGaN/AlGaN, p-type AlGaN, p-GaN.
d) Dyski kwantowe – 10 par.
e) Grubość poszczególnych warstw dysków kwantowych: AlxGa1-xN (~3nm), AlyGa1-yN (~4nm).
Poprzez wprowadzenie dysków kwantowych – Qdisks (Quantum disks) w nanorurki zbudowane z AlGaN/AlGaN na podłożu krzemowym, pokrytym cienką warstwą tytanu (rysunek powyżej), naukowcy z KAUST wykazali, że możliwe jest powstanie UV LED, w których nie ma spadku wydajności wraz ze wzrostem natężenia prądu. Gotowy element zasilono napięciem ~5,5V emitując falę o długości 337nm i szerokości widma 11,7nm. W prowadzonych próbach udało się zwiększyć prąd, aż do 300mA dla elementu o wymiarach 0,5x0,5 mm2, co odpowiada gęstości prądu 120A/cm2, bez wpływu na spadek wydajności.
a) Charakterystyka prądowo-napięciowa razem z mierzoną wyjściową mocą optyczną.
b) Zewnętrzna wydajność kwantowa bez widocznego spadku wydajności do 120A/cm2.
c) Widmo światła emitowane przez gotowy element z nanorurkami w zakresie gęstości prądu 0 – 32A/cm2 dla długości fali 337nm, przy I = 80mA.
d) Przesunięcie piku widma i rozbieżność wiązki (FWHM) w zależności od gęstości prądu.
Spadek efektywności jest powszechnie obserwowany zarówno w standardowych diodach LED jak i UV LED, gdzie mamy dużą koncentrację domieszek. Odpowiedzialna jest za to rekombinacja Augera, w której nośniki ładunku tracą energię na skutek oddziaływania z defektami w sieci krystalicznej półprzewodnika. Poprzez zastosowanie w UV LED podłoża z metalu lub metalu na krzemie, zespół z KAUST, poprawił możliwości odprowadzania ciepła oraz przewodnictwa prądu, poprawiając tym samym parametry diod UV. Inną ważną zaletą jest to, że pomimo występujących naprężeń w warstwach półprzewodnika, praktycznie wolne od wad nanorurki AlGaN, mogą być tworzone bezpośrednio na krzemie lub innych podłożach, takich jak metal, grafenu, diament, etc., gwarantując powodzenie powstania gotowego wyrobu.
To dopiero pierwsza odsłona UV LED zawierająca nową technologię. Kolejne działania powinny skupiać się na poprawie parametrów optycznych, poprzez:
(1) rezygnację z podłoży krzemowych,
(2) znalezienie alternatywnych podłoży, jak np. aluminium, które jest lepszą powierzchnią odbicia dla UV,
(3) optymalizację wzrostu nanorurek dla osiągnięcia lepszej jednorodności i większej ich gęstości.
Nowa super struktura, która jest wolna od spadków wydajności jest pierwszym krokiem w kierunku alternatywnych, ekologicznych i niezawodnych źródeł UV.
© KAUST
a) Przekrój SEM nanorurek ułożonych pionowo.
b) Widok z góry ciasno ułożonych nanorurek na podłożu Ti/Si.
c) Widok nanorurek AlGaN wykonany mikroskopem elektronowym pokazujący kolejne warstwy: n-type AlGaN, dyski kwantowe AlGaN/AlGaN, p-type AlGaN, p-GaN.
d) Dyski kwantowe – 10 par.
e) Grubość poszczególnych warstw dysków kwantowych: AlxGa1-xN (~3nm), AlyGa1-yN (~4nm).
Poprzez wprowadzenie dysków kwantowych – Qdisks (Quantum disks) w nanorurki zbudowane z AlGaN/AlGaN na podłożu krzemowym, pokrytym cienką warstwą tytanu (rysunek powyżej), naukowcy z KAUST wykazali, że możliwe jest powstanie UV LED, w których nie ma spadku wydajności wraz ze wzrostem natężenia prądu. Gotowy element zasilono napięciem ~5,5V emitując falę o długości 337nm i szerokości widma 11,7nm. W prowadzonych próbach udało się zwiększyć prąd, aż do 300mA dla elementu o wymiarach 0,5x0,5 mm2, co odpowiada gęstości prądu 120A/cm2, bez wpływu na spadek wydajności.
a) Charakterystyka prądowo-napięciowa razem z mierzoną wyjściową mocą optyczną.
b) Zewnętrzna wydajność kwantowa bez widocznego spadku wydajności do 120A/cm2.
c) Widmo światła emitowane przez gotowy element z nanorurkami w zakresie gęstości prądu 0 – 32A/cm2 dla długości fali 337nm, przy I = 80mA.
d) Przesunięcie piku widma i rozbieżność wiązki (FWHM) w zależności od gęstości prądu.
Spadek efektywności jest powszechnie obserwowany zarówno w standardowych diodach LED jak i UV LED, gdzie mamy dużą koncentrację domieszek. Odpowiedzialna jest za to rekombinacja Augera, w której nośniki ładunku tracą energię na skutek oddziaływania z defektami w sieci krystalicznej półprzewodnika. Poprzez zastosowanie w UV LED podłoża z metalu lub metalu na krzemie, zespół z KAUST, poprawił możliwości odprowadzania ciepła oraz przewodnictwa prądu, poprawiając tym samym parametry diod UV. Inną ważną zaletą jest to, że pomimo występujących naprężeń w warstwach półprzewodnika, praktycznie wolne od wad nanorurki AlGaN, mogą być tworzone bezpośrednio na krzemie lub innych podłożach, takich jak metal, grafenu, diament, etc., gwarantując powodzenie powstania gotowego wyrobu.
To dopiero pierwsza odsłona UV LED zawierająca nową technologię. Kolejne działania powinny skupiać się na poprawie parametrów optycznych, poprzez:
(1) rezygnację z podłoży krzemowych,
(2) znalezienie alternatywnych podłoży, jak np. aluminium, które jest lepszą powierzchnią odbicia dla UV,
(3) optymalizację wzrostu nanorurek dla osiągnięcia lepszej jednorodności i większej ich gęstości.
Nowa super struktura, która jest wolna od spadków wydajności jest pierwszym krokiem w kierunku alternatywnych, ekologicznych i niezawodnych źródeł UV.
