Szilárdtest (félvezető) fényforrások. elektrolumineszcenspanelek, világító diódák (LED-ek), szerves elektrolumineszcencia (OLED)

Átírás

1 Szilárdtest (félvezető) fényforrások elektrolumineszcenspanelek, világító diódák (LED-ek), szerves elektrolumineszcencia (OLED)

2 Áttekintés Történelmi áttekintés SiC kristályok Elektrolumineszcens cellák Világító diódák OLEDek Világító diódák működése fizikai alapok felépítés LEDek mérése: fotometria, színinger mérés Alkalmazás

3 Történeti áttekintés SiC: HJ Round, 1907; Lossew, ZnS: Destriaux, Magyar szabadalom: Szigeti-Bay: elektrolumineszcens világítás (1939) GaAsP: Holonyak & Bevacqua, GaN: Nakamura, 1991 High power LEDs * * * From S Kern: Light emitting diodes in automotive forward lighting applications, SAE 2004 Conf. Proceedings.

4 ZnS electrolumineszcencia G Destriau 1936: ZnS nagy térerősségű electrolumineszcencia: ütközéses ionizáció MKS ElLumPanelek LSI háttér vil.

5 Fényforrások fejlődése

6 LED tulajdonság függ: Felhasznált anyag III-V félvezető, közvetlen vagy közvetett átmenettel Homo- és hetero-átmenet Dióda jellemzők, hőmérsékletfüggések

7 100 lm/w AlInGaP/GaP AlInGaP/GaP 10 AlInGaP/GaAs AlGaAs/AlGaAs InGaN 1 GaAsP:N GaAs:N GaAsP GaP:Zn 3 O AlGaAs/AlGaAs SiC 0.1 GaAs 0.6 P A világító diódák fényhasznosításának változása

8 Várható fejlődés Forrás: LED Professional WEB page OIDA: Optoelectronics Industry Development Association

9 DOE előrejelzés, 2007 végi adatok Optics.org 2008 Apr.

10 LED-ek fejlődéstörténete 1967 Első LED: GaAs + LaF 3 YbEr 1973 Sárgászöld LED (GaP) 1975 Sárga LED 1978 Nagy intenzitású vörös LED 1993 Kék LED 1997 Fehér LED (kék + fénypor) 2001 Fehér LED (UV LED + fénypor)

11 III-V félvezetők

12 LED készítés lépései

13 Félvezető lapok az epitaxiális reaktorban

14 Az egyes diódák a lapon

15 LED keresztmetszete Metal p-gan Al 15 Ga 85 N In 22 Ga 78 N n-gan 0.5 nm active device area of a blue LED

16 LED kristályszerkezet és sávkép

17 Kristályhibák, diszlokációk Ponthibák Hiány-hely Rácsközi pont Kristály síkban lévő hibahelyek Különböző rácsállandójú anyagok határfelülete

18 Diszlokációk A növesztéskor a rácsállandó különbségből sok diszlokáció keletkezik A réteg növekedése adott növesztési technika esetén

19 Diszlokációk számának csökkentése, AlN közbenső réteg

20 Diszlokációk számának csökkentése, SiN maszk

21 A világító dióda egyszerűsített sávképe foton emisszió vezetési sáv alja kiürülési tartomány szabad elektron p-tip Fermi nívó n-tip. Fermi nívó szabad lyuk vegyérték kötési sáv teteje az átmenetre helyezett feszültség

22 Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség E el E el vez.sáv közvetlen átmenet közvetett fonon cst. átmenet vegyért. köt.sáv E lyuk E lyuk

23 p-n átmenet A félvezető összetétele (GaN alapú és GaAlP alapú Adalékolás Többszörös, hetero, átmenetek, quantum forrás

24 LED keresztmetszet

25 LED lapka (morzsa) a reflektáló foglalatban

26 Modern kék GaN dióda szerkezete

27 Light extraction, 1.

28 Light extraction, 2. Absorbing GaAs base Transparent GaP base

29 Fény kicsatolás GaP alapú LED lapkából

30 Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

31 Kontaktusok N-típusú kontaktus: Ti, Al és Ti/Al (oxidáció) Au védőréteg P-típusú kontaktus: bonyolult, féltve őrzött gyártási titok

32 Modern nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott lapka

33 Nagyteljesítményű LED, 5 W Luxeon III lm 1400 ma h 2005 április

34 Flip-chip elrendezés metszete

35 Fénypor, tokozás

36 Luxeon K2 tip. LED

37 Osram Golden Dragon LED

38 Cree XL LED

39 Sok egyedi LED morzsából összetett fényforrás Tipikus méret: 0,5 cm 2-2 cm 2, fényárama eléri az 50 lm értéket.

40 Photonkristály (PC) Pásztázó electron mikroszkop felvétel a felületi struktúráról. PC-LED sematikus vázlata. (Credit: Seoul National University, Korea) (Optics.org. Nov.2005.)

41 LED színképek 1.2 rel.intenzitás hullámhossz, nm fehér kék 1 kék 2 zöld 1 zöld 2 sárga narancs vörös

42 Különböző LED struktúrák hatásfok adatai

43 Droop hatás Schubert: CompoundSemi conductor,

44 Sugárzásos és nem-sugárzásos rekombinációk

45 Lehetséges droop mechanizmus

46 Kék LED+sárga fénypor=fehér Japánban a termelés: 2 millió/hó 60 pcled 50 radiance, a.u nm 800

47 Lumileds Lumiramic technológia Fénypor kerámia rétegbe ágyazva, vékony réteg flip chip technológiával kombinálva a Luxeon Rebel-ben LEDs Magazin Aug. 2007

48 Fehér teljesítmény LED metszete Cox Ch.: Improved LED modules for General lighting market, LED pfof.rev. Mar/Apr. 2008

49 The old White-Maker Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ - still works well LED, T = 25C LED,T = 105C YAG:Ce Planckian locus CIE1931 it can hit the Planckian at about 4000 o K, and even give rather good color rendering ,000K 5000K 3300K 2500K CCT=4000K, Ra= nm nm

50 However, you can hit the Planckian only once, LED, T = 25C LED,T = 105C Planckian locus 530 Phosphors CIE and the Europeans want warmer white, the Japanese want a colder white: So, replace part of the Y by Gd, and the spectrum shifts red ,000K 5000K 3300K 2500K however, the temperature dependence of efficiency increases on this way, only the Japanese version wrks well nm

51 Két fényporos kék LED 460 nm + TG:Eu + SrS:Eu kék: K GaN LED radiance K 2930K: Ra= K: Ra= K: Ra= K: Ra= K: Ra= K: Ra=90 zöld: green in SrGa 2 S 4 = TG:Eu 2+ vörös: 15 red in SrS:Eu nm 800

52 Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával HP LED, T = 25C HP LED,T = 105C Planckian locus CIE1931 Series10 Series K; Ra= nm radiance, a.u nm ,000K K 3300K 5000K

53 2007 Szeptember (Cree) Egyetlen chip-ből 4 A-nél lm, 72 lm/w hideg fehér 760 lm, 52 lm/w meleg fehér 350 ma-nél 129 lm/w hideg fehér 99 lm/w meleg fehér

54 Nov 2007 adatok NICHIA: 350 ma-nél: 134 lm/w, 1x1 mm2 felület. 1A esetén: 97 lm/w, 361 lm 20 ma-nél 169 lm/w, ez 450 nm-es kék LEDdel Elmélet optimumok: 450 nm-es LEDdel: 263 lm/w 405 nm-es LEDdel: 203 lm/w CREE 133 lm/w méret? LUMILEDS 350 ma, 1x1 mm2 chip: 115 lm/w 4x4mm2 chip: 142 lm/w OSRAM LED Magazin 2008 Július 350 ma-nél:155 lm, 136 lm/w, 1 mm2, 5000 K, 1,4A:500lm US Dep. Energy cél adatok: 2012-ig: 2A-nél 150 lm/w (Compoundsemiconductor.net Nov ) 2009Dec.: K!

55 LED élettartam LED magazin 2014 febr.

56 LED élettartam terhelés kapcsolata

57 Termikus és elektromos működés LED magazin febr.

58 LED tulajdonságok LED: félvezető p-n átmenet Közvetlen vagy közvetett sáv átmenetek Keskeny emissziós sávok: ~ 20 nm 40 nm sávszélesség Emisszió: töltéshordozó rekombináció Hőmérséklet hatása Dioda áram feszültség összefüggés: I = I 0 [exp(ev/nkt)-1]

59 Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése RD 6 20 rel. intensity wavelength, nm 23,0 C 40,0 C 59,2 C 70,7 C

60 Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése 0,7 rel. intensity 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 22,9 C 33,7 C 54,3 C 67,5 C wavelength, nm

61 Fehér LED színességének szögfüggése, (u,v ) (8-0 ) =0,006 0,482 0,481 0,48 v' 0,479 0,478 0, ,476 0,475 0,474 0,21 0,211 0,212 u'

62 Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

63 LED fényeloszlása

64 LED Detektor kör alakú apertúra d A=100mm 2 Világító dióda átlagos intenzitásának mérése: 2 eset: A.) d= 316 mm és B.) d=100 mm

65 Fényáram mérés Goniofotométer Fotométergömb Részfényáram, csak első féltérbe Teljes bemerítés

66 LED rész-fényáram mérés A részleges fényáram mérés definíciója Φ LED,x 50 mm diam. d= 25 tanx [mm] d x where 0 x 90

67 Rész-fényáram gyakorlati mérése Cosine-corrected photometer head d baffle Test LED 50 mm Substitution Standard LED Precision aperture Auxiliary LED

68 Standard LED Hőmérsékletstabilizálás szükséges Average LED Intensity (ALI) Average LED Intensity (ALI) átlagos LED fényerősség méréshez iránybeállítás szükséges

69 4. generáció: ALI méréshez, 100 ma-es Luxeon LED-del

70 A LED láthatósága Szabványos fotometriai mérés: V(λ) A V M (λ) függvény Fényjelzések esetén tengelyen kívüli látás Szín-hatások: Világosság/fénysűrűség összefüggés

71 Különböző láthatósági függvények rel. sens V'(l) V2(l) V10(l) VM(l) wavelength, nm

72 Azonos világosságú vonalak

73 Fényhasznosítások fényforrás V(λ) V M (λ) V 10 (λ) izzólámpa 14,7 14,7 15,5 AlGaInP LED, 630 nm 21,0 21,0 22,1 InGaN LED, 470 nm 6,0 6,2 11,5 InGaN+YAG LED, fehér 15,0 15,1 16,5

74 LED-ek meghibásodásának okai A kristálystruktúra hibái, ezek mozgása Az árambevezetés túlterhelése Külső kontaktus Áram eloszlás a rétegben Fénypor öregedés Tokozás külső behatások: nedvesség stb.

75 LED élettartam: korrózió

76 Tokozás Korrózió elleni védelem Fénypor hőmérséklete Termikus ellenállás csökkentés

77 LED-ek és az emberi szemvédelme Nagyteljesítményű LEDek sem nem klasszikus fényforrások sem nem lézerek Sugárzásvédelmi előírások még nem tisztázottak

78 Világító diódás (LED-es) fogalmak világító dióda: CIE light emitting diode: p-n átmenettel rendelkező szilárdtest eszköz, mely elektromos árammal gerjesztve optikai sugárzást bocsát ki Rövidítés: LED LED-lapka (morzsa): LED die 78

79 LED-tok(?) (package) Tokozott LED- LED csomag (?) 2 tokozott teljesítmény LED felépítése 79

80 LED-mátrix/tömb (LED array) Több tokozott LE D vagy lapka geometriai rendbe történt elrendezése nyomtatott áramköri lapon vagy más hordozón 80

81 LED-modul (LED module) Egy vagy több tokozott LEDből/LED-csomagból álló összeállítás, mely tartalmazhat elektromos, optikai, mechanikus és termikus alkatrészeket, interfészeket és előtéteket (vezérlő készülék - controlgear) 81

82 LED light engine Tokozott LEDekből/LED-csomagokból vagy modulokból álló összeállítás, mely tartalmazza a LED-előtétet, optikai és termikus egységeket. Külön rendelésre készített csatlakozón át csatlakozik a hálózatra. 82

83 LED-lámpa Lámpa, mely egy vagy több tokozott LEDet/LEDcsomagot vagy modult tartalmaz és lámpafejjel rendelkezik A lámpafej lehet új típusú, LED-lámpához fejlesztett lámpafej. 83

84 Villamos áramköri elemek LED-meghajtó/működtető egység (controlgear for LEDs: LED vezérlő készülék): egység, mely a hálózat és a LED-csomag vagy modul közé kapcsolódik és a LED-ek előírt áram/teljesítmény ellátására szolgál, tartalmazhat részegységeket, melyek a dimmelést, a teljesítménytényező korrekcióját, a rádiófrekvenciás zavarok csökkentését stb. látják el. LED tápegység (power supply controlgear): a LED-előtét részegysége, mely a LED-ek áram/feszültég/teljesítmény vezérlését látja el, de nincs további szabályozási szerepe LED vezérlő egység (LED control unit): a LED-előtétnek az áramellátást biztosítjó részegysége, mely részt vesz a színkeverésben, öregedés-kompenzációban 84

85 A különböző felépítésű (retrofit) LED-lámpák szerkezete PS: tápegység CU: vezérlő egység Controlgear: LEDvezérlő készülék, előtét i: integrált si: külső tápegységgel működő ni: külső előtéttel működő 85

86 LED-lámpatest Lámpatest, melyet LEDes fényforrások (tokozott LED/LEDcsomag, LEDmodul, LEDlámpa) befogadására terveztek 86

87 További technológiák Vékonyréteg II-VI félvezetők mikrokristályos rétegek párologtatott rétegek Egykristályok (ZnTe) (pl. számítógép háttérvilágítás) Szerves vékony rétegek: hajlékony, nagyfelületű

88 OLED sávszerkezet singlet triplet singlet

89 A polimer kémiai szerkezete határozza meg a színt

90 Organikus electrolumineszcencia AC el. lum.:bernanose et al.: DC el. lum: Pope et al.: 1963 Anyagok: Polymer LED-ek: PLED-ek kis molekulás OLED-ek

91 Organikus LED-ek: OLED-ek Fehér OLED-ek lm/w < 1000 cd/m h h élettartam, tárolási életttartam! Élettartam szín-függő, vösös OLED-ek stabilabbak méret problema: cm 2

92 Fehér OLED-ek lásd: S Harris OLED light sources LEDs Magazin, Feb és 46 lm/w, 5000 h, LED prof.rev. Mar/Apr.2008.

93 Szerves el.lum. kijelző metszete

94 Hajlékony szerves el.lum. panel

95 Kis és nagy felületű OLED képernyő

96 Szervetlen - szerves LED-ek összehasonlítása Szervetlen Kis méret (chip néhány mm 2 ) Merev és szilárd Hosszú élettartam szerves Nagy felület sík tábla törékenyebb Élettartam tokozás függő

97 Összefoglalás InGaAlP és GaN alapú LED technológia Jelzőlámpákban egyértelmű előny élettartam rázásállóság Nagyfelületű kijelzők Általános világításhoz fehér fény 3 chip technológia 1 chip + 1 vagy 2 fénypor technológia Szerves technológia kísérleti stádiumban