Ст. Роговский Д.И
Национальный
технический университет Украины «КПИ», Украина
Температурные зависимости излучения светодиодов
Исследованы
температурные зависимости ЛАХ и спектры люминесценции светодиодов на основе
гетеро структур InGaN/ GaN и AlInGaP/GaN в диапазоне температур -40-+60 С, и диапазоне токов 20-200 мА.
Светодиоды фирмы Cree имели напряжение
зажигания красного 1,75 В, зеленого 2,35 В, и синего 2,55В. Было выявлено что
светодиоды синего и зеленого цвета излучения на основе твердых растворов InGaN/
GaN имеют четко выраженный максимум на температурных зависимостях излучения,
светодиоды красного цвета излучения на основе AlInGaP/GaN имеет монотонно
убывающую характеристику. ЛАХ синих и зеленых светодиодов имеет ограничение по
интенсивности до определенных температур, чего не наблюдалось на ЛАХ красных
светодиодов. Изменение спектров люминесценции структур InGaN/ GaN в зависимости
от температуры в основном проявляются в увеличении ширины спектра излучения.
Ширина спектра синего светодиода изменялась от 43 до 53 нм, в измеряемом
температурном диапазоне, изменение положения максимума составило 3 нм. Зеленого
от 60 до 94 нм, смещение максимума 4 нм. Красного – от 41 до 49 нм, смещение
максимума составило 14 нм.
ВВЕДЕНИЕ
В данный момент
существует много способов получения светодиодов белого цвета излучения. Одним
из самых распространённых является размещение на одном чипе нескольких областей
с разной длиной волны излучения. Популярным материалом для получения синего и
зеленого цвета излучения являются структуры InGaN/ GaN с разным содержанием
индия. для получения красного цвета часто используют AlInGaP/GaN. В этой статье
предлагаются результаты температурных измерений ЛАХ и спектров люминесценции
этих двух материалов на примере измерения 10-ти кристаллов в RGB
матрице для формирования белого цвета излучения. Из-за разницы в температурных
зависимостях материалов при работе прибора в разных климатических условиях
будет наблюдаться изменение цвета свечения, т.н. цветовая температура.
Вследствие этого важно при проектировании источников белого света знать
температурные зависимости ЛАХ используемых светодиодов.
ЦВЕТОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА
Цветовая температура
является основным параметром на который влияет изменение спектров
люминесценции. цветовая температура определяется как температура абсолютно
черного тела, при котором оно излучает с такой же длиной волны, что и
рассмотренный источник.
Более детально расчет
значения цветовой температуры, на основании экспериментально полученных
независимо друг от друга источников красного, зеленого и синего цветов,
получаем за счет вычислений, приведенных ниже.
Уравнения 1-3 могут быть использованы для определения
соотношения между базисными цветами RGB согласно
рекомендациям ITU (International Telecommunication Union
– Международный Союз Электросвязи) и
пространственными координатами XYZ
X = (–0.14282)(R) + (1.54924)(G) +
(–0.95641)(B) (1)
Y =
(–0.32466)(R) + (1.57837)(G) + (–0.73191)(B) (2)
Z = (–0.68202)(R) + (0.77073)(G) + (0.56332)(B) (3)
После определения трехцветного значения могут быть
рассчитаны координаты цветности. Этот процесс позволяет рассчитывать цветовую
температуру на двумерной диаграмме цветности, как показано на рис. 1. Для этого
используем уравнения 62 и 63.
x = X/(X+Y+Z) (4)
y
= Y/(X+Y+Z) (5)
Рис. 1. Диаграмма цветности МКО, 1931 для
определения цветовой температуры RGB-источников света.[4]
СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ СТУКТУР INGAN/ GAN И
ALINGAP/GAN
Сегодня синий и зеленый
цвет излучения получают на основе InGaN/ GaN. Это твердый раствор InN и GaN и в
зависимости от концентрации индия у него сильно изменяется ширина запрещенной
зоны, вследствие и длина волны излучения. Теоритически этот материал позволяет
получать длину волны излучения даже в красной области излучения, но технически
сложно получить структуры с большим количеством индия. Вследствие
рассогласованности постоянных решеток InN и GaN твердый раствор фазово
распадается. В работе [2] показано,что длину
волны красного диапазона волн можно получить выращивая структуры в нанопорах.
Ширину запрещенной зоны можно вычислить по формуле
Eg(InGaN)
= xEg(InN)
+ (1 − x)Eg(GaN)− b(InGaN)x(1 − x)
(6)
где b(InGaN)=3 еВ- эмпирический коэффициент твердого раствора, Eg(InN)=1,9еВ, Eg( GaN)=3.4еВ. (3)
На основе AlInGaP
получают излучение от желтого до красного цвета. Этот раствор может быть
согласован с параметрами решетки GaAS, что не приводит к
образованию большого количества дефектов. (AlхGa1-х)0,5In0,5P является прямозонным до концентрации х=0,5.
Рис.2. Диаграмма зависимости длин волн и
постоянных решеток системи AlInGaP
[1]
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ
ЗАВИСИМОСТИ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ СВЕТОДИОДОВ.
При изменении температуры изменяется как
интенсивность излучения, так и положение максимума спектра излучения, и его ширины.
Изменение интенсивности происходит вследствие процессов генерации в толщине
полупроводника. Изменение ширины связано с темроупругими деформациями и
локальными дефектами.
Вследствие зависимости
ширины запрещённой зоны от температуры изменяется и длина волны максимума
излучения. Эта зависимость может быть описана формулой Варшни
(7)
где α та β – эмпирично подобранные
коэффициенты Варшни.[1]
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе было измерено по 10свтодиодов красного,
зеленого, синего цвета. усредненные значения относительной интенсивности
представлены ниже.
Рис.3. Температурные зависимости относительной интенсивности
излучения для трех диодов разного цвета для разных токов.
Наглядно видно, что на малых токах одинаково
преобладают излучения синего и зеленого светодиода, но в то же время их
характеристики убывают больше чем при больших токах. При больших токах до +10 С
явно доминирует синий светодиод, с повышением температуры все больше
увеличивается разница в интенсивности с красным, и уменьшается с зеленым.
Из графиков видно, что для формирования матрицы
белого цвета нужно выбирать диоды красного цвета, которые будут иметь большую
интенсивность излучения чем зеленый и синий. так же следует учитывать, что чип
греется в процессе работы, независимо от температуры окружающей среды.
Так же в работе были проведены измерения
спектральных характеристик.
При анализе спектральных характеристик выяснено,
что диоды на основе InGaN имеют незначительное смещение максимума
излучения порядка 2 нм, однако с повышением температуры ширина спектра
значительно увеличивается(13-40нм на 100С для синего и 14,5-17,5нм нм для
зеленого). в измеряемом диапазоне температур смещение максимума излучения
красного светодиода на основе AlInGaP составило 14 нм, что по сравнению с InGaN-структурами
достаточно велико. Однако ширина спектра менялась от 12нм и до 20,что в сравнении с синим светодиодом
не так значительно.
Рис. 4. Спектральные храрактеристики RGB
светодиодов
при температурах -40С, и +60С при токе
180 мА.
ВЫВОДЫ
Светодиоды на основе AlInGaP имеют большие
перспективы при работе в холодных областях, для индикации, подсветки в
охлаждающих установках, и как маяки в непогоду на севере.
Для формирования матриц белого цвета излучения
лучше использовать однотипные материалы, что было показано на рис.3. однако при
низких температурах так же происходит несовпадение интенсивностей излучения,
Так же было замечено что при малых температурах структуры InGaN
имеют граничное значение интенсивности излучения, что позволяет снизить ток
питания, ведь нельзя получить более интенсивное излучение.
InGaN имеет малое смещение
максимума, что полезно в системах индикации и датчиках, AlInGaP не имеет такого достоинства.
Все температурные процессы приводят к изменению
цвета излучения и должны быть учтены при проектировании источников белого
света. выбор материалов для формирования светодиодных структур определяется потребностями каждого
конкретного случая.
ЛИТЕРАТУРА
1.
1. Шуберт Ф. Светодиоды/
пер. с англ. под ред. А.Э.Юновича.-2-е изд.- М.: ФИЗМАТЛИТ,2008. – 496с.
2.
Моделювання впливу темплетних розмірів на дислокаційність
наноструктур при селективній епітаксії ІІІ-нітридів. Ляхова.Н.О.
3.
Спектры и квантовый выход излучения светодиодов с квантовыми ямами
на основе гетероструктур GaN. В.Е.
Кудряшов, С.С. Мамакин
4.
Расчет цветности излучения: учебно-методические указания
к курсовой расчетно-графической работе / И.В. Мигалина. — М.: МАРХИ, 2011. — 36
с