»FEHÉR«LED A KÖZELI INFRAVÖRÖS TARTOMÁNYBAN

Átírás

1 »FEHÉR«LED A KÖZELI INFRAVÖRÖS TARTOMÁNYBAN LED-ek a vlágítástechnkában Nádas József Óbuda Egyetem, Kandó Vllamosság Kar, Mkroelektronka és Technológa Intézet Rakovcs Vlmos MTA Energatudomány Kutatóközpont, Műszak Fzka és Anyagtudomány Intézet A vlágítástechnka napjankban forradalm változáson megy keresztül, a LED-ek egyre nkább kszorítják a korább fényforrásokat. Egyrészt a lámpatestekben használt zzólámpák, fénycsövek és kompakt fénycsövek helyett alkalmazott úgynevezett retroft LED fényforrások formájában, másrészt olyan LED vlágítótestekben, amelyekbe a gyártó a vlágító berendezés teljes élettartamára tervezett (és kcserélhetetlen) LED fényforrást épít. Az ember látás a nm hullámhosszúság tartományban érzékel a fényt. Érzékelésünk hullámhosszfüggõ, azaz nem mnden hullámhosszra azonos érzékenységû az ember szem, ám ebben a tartományban folyamatos. A hõmérséklet sugárzó zzólámpák folytonos színképû sugárzása lleszkedk ehhez, a kompakt fénycsövek és fénycsövek esetén pedg a hgany UV-sugárzását többféle (általában vöröses, zöldes és kékes színárnyalatú) fényporral átalakítva több-kevesebb hányossággal fed le a sugárzás a látható tartományt. A LED-ek esetén az alapvetõ probléma, hogy nagyon keskeny tartományban sugároznak, egy LED önmagában mndg határozottan színes fényérzetet ad. A LED keskeny sugárzás sávja matt vlágítástechnka célokra a sávszélesítés mndenképpen szükséges, de ennek számos módját használják a gyártók, például: RGB LED 3 chp, vörös+zöld+kék chp egy tokban szerelve (1. ábra); A ckk az Eötvös Loránd Fzka Társulat szeged Vándorgyûlésén (2016. augusztus ) bemutatott poszter alapján készült nm 1. ábra. A kék, zöld, vörös (RGB) LED-ek közvetlenül sugároznak. RGB LED 1 chp, vörös+zöld+kék félvezetõk egy hordozóra egymás mellé növesztve; kék LED sárga fényporral (2.a és 3. ábra); kék LED sárga és vörös fényporral (2.b ábra); kék LED zöld és vörös fényporral (2.c ábra); kék LED sárga fényporral és InGaAlP vörös színû LED. 2. ábra. A látható tartományban vlágító LED-ek fényporos sávszélesítésére három leggyakorbb megoldás: (a) kék LED + sárga fénypor, (b) kék LED + sárga fénypor + vörös fénypor, (c) kék LED + zöld fénypor + vörös fénypor [1]. a) b) Nádas József, mérnöktanár, vllamosmérnök, vlágítástechnka szakmérnök, az Óbuda Egyetem Kandó Vllamosmérnök Karának oktatója. Kutatás területe a közel nfravörös tartományban sugárzó vegyületfélvezetõ anyagok és eszközök. Rakovcs Vlmos, vegyész, az anyagtudományok és technológák kanddátusa, az MTA EK Mûszak Fzka és Anyagtudomány Intézet kutatója, tudományos fõmunkatárs. Kutatás területe a vegyület-félvezetõ anyagok és eszközök technológája, az egykrstályos vékonyrétegek növesztése folyadékfázsból, valamnt a napelemek, nfravörös dódák, lézerek és detektorok. c) SZÁM FIZIKAI SZEMLE 2017 / 1

2 nm 3. ábra. A kék LED fénye részben változatlanul áthalad a sárga fényporrétegen, részben elnyelõdk benne, gerjeszt azt és sárga fény formájában távozk. A fényporos LED-ek szembetûnõen eltérnek még abban, hogy a fénypor a tokot ktöltve kerül felvtelre a LED felszínére, vagy a LED körül egy búra-szerû hordozón helyezkedk el (ez utóbbt közsmerten remote phosphor -nak hívják). Fehér fényt ma túlnyomó többségben két módon állítunk elõ LED-ek segítségével: a dekorácós célú fényforrások (például LED szalagok) esetén RGB LED-del, a vlágítás célokra szánt LED-ek esetében pedg kék LED és sárga fénypor alkalmazásával. Az RGB LED-ek három alapszínû fény addtív keverésével mûködnek, amely így fehér érzetet okoz. A színvsszaadása nagyon rossz, mert az egyes dódák sugárzás tartománya nagyon keskeny (fzkalag adott) és a széles látható tartomány ( nm) nagyon ks részét fed le. A fényhasznosítása (hatásfoka) szntén vszonylag alacsony, mert az e célra széles körben használt vegyület-félvezetõk nem optmálsak a magas fényhasznosítás elérésére, lletve a zöld a látás érzékenységünk maxmuma környékén sugároz, ezért a fehér színérzet eléréséhez vsszafogottan üzemel. Üzemeltetése problémás, mert a három dóda munkapontját külön-külön kell beállítan, ez külön meghajtó áramköröket gényel, és a változatlan korrelált színhõmérséklet tartásához az egyes dódák eltérõ öregedésével párhuzamosan folyamatosan korrgáln szükséges. A kék LED sárga fényporral a napjankban leggyakrabban használt megoldás. A kék és sárga komplementer színû fény addtív keverése fehér érzetet okoz. A színvsszaadás és a színhõmérséklet nagyrészt a sárga fénypor összetételén és mennységén múlk. Kevesebb fénypor esetén több kék összetevõt tartalmaz a fény, színhõmérséklete hdegebbé (kékesebbé) válk, ugyanakkor a fénypor által kbocsátott sárga fény kevesebb lesz, a sárga tartomány a gyakorlatban keskenyebbnek s látszk. Mndez gyengébb színvszszaadást eredményez, a kevesebb hullámhossz-átalakítás matt vszont kssé nõ a fényhasznosítás. Rövden: hdegebb, rosszabb fénymnõségû, de jobb hatásfokú fényforrást kapunk. Több fénypor esetén sárgás összetevõk mennysége nõ, a színhõmérséklet melegebbé válk, színvsszaadás javul, a hatásfok azonban romlk. Ugyanazon LED ugyanazzal a fényporral, annak mennységétõl függõen lehet mnõség fehér fényt sugárzó ksebb hatásfokú, vagy rosszabb spektráls eloszlású és jobb hatásfokú eszköz. A fénypor és a hordozó, amelybe beágyazták, vszont így s, úgy s számottevõ veszteséget okoz. A LED pontszerûsége több nagyságrenddel csökken, az egyebekben korszerûnek teknthetõ COB (Chps On Board) LEDekben pénzérme nagyságúra nõ a sugárzó felület. A fénypor a LED-del termkus kontaktusban van, öregedésére a hõmérséklet s hat. A remote phosphor típusú LED-ekben lyen közvetlen termkus kontaktus nncs, de a fényport hordozó szerkezet tovább veszteségeket okoz. A kék fény részleges átalakításából eredõ fzka és anyagszerkezet veszteségek ellenére s a kék LED sárga fénypor megoldással készülnek napjank legjobb fényhasznosítású vlágítás célú LED fényforrása. A fényhasznosítás azonban nem emelhetõ mnden határon túl. A fénykbocsátó dódák hordozót, rétegszerkezetének anyagat, növesztés technológáját folyamatosan fejlesztk, mközben a fényporréteg egy vszonylag állandó része e LED-eknek. Az energamegtakarítás gény (különösen EU-ban) a következõ évtzed elejére olyan fényhasznosítás követelményeket támaszt a LED fényforrásokkal szemben, amelyet csak a fényporok lényeges korszerûsítésével, vagy olyan technológákkal lehet megvalósítan, amelyek a LED-ek újszerû szerkezet felépítésének köszönhetõen részben vagy egészben elhagyhatóvá teszk a fénypor alkalmazását. Az erre rányuló kísérletek eddg nem hoztak áttörést, csak ksebb mértékben szélesítették a sugárzás tartományt, például kék sugárzást kék-kékeszöld tartományba. LED-ek az nfravörös spektroszkópában A közel nfravörös tartományt (near nfrared, NIR) spektroszkópa célokra, szerves anyagok vzsgálatára lehet használn. Ezekben az -OH, -NH, -CH csoportokat lehet kmutatn, a kötések vegyértékrezgésere jellemzõ rezonanca-hullámhossz elnyelésének mérésével. Egyk módszer, hogy e csoportokban a vegyértékkötés 1 3. felharmonkus-tartományában mérünk, ebben a hullámhossztartományban ugyan ksebb a jel, mnt az alapharmonkuson, de jobb a jel-zaj arány és mélyebbre látn a mntában. Ez a közel nfravörös tartomány, amely nm-g terjed. A LED-ek megjelenése elõtt a mérésekhez zzólámpát használtak. A mérés hullámhossztartományában az zzó üzemeltetéséhez szükséges energához képest a haszno- NÁDAS JÓZSEF, RAKOVICS VILMOS:»FEHÉR«LED A KÖZELI INFRAVÖRÖS TARTOMÁNYBAN 3

3 sított sugárzás energája nagyon kcs, a hatásfok nagyon rossz. A LED hullámhossztartománya keskeny és tervezhetõ, valamnt számos tovább elõnye van az zzókhoz képest: rövd, néhányszor 10 9 s válaszdejû, geometrája pontszerû, jól fókuszálható, ks fogyasztású, várható élettartama az zzólámpáénak többszöröse [2]. Széles sávú és hangolható LED-ekkel ez a mérés hatékonyabbá és pontosabbá tehetõ. A LED egyk legnagyobb elõnye a keskeny sugárzás sugárzott energa (relatív egység) ultrabolya látható 5. ábra. Az MFA-ban készült közös hordozóra növesztett LED-array mûködés közben (nfravörös felvétel) és a mért spektruma. relatív ntenztás 1,0 0,8 0,6 LED sugárzása közel nfravörös zzólámpa sugárzása nfravörös ábra. Izzólámpa (T = 3000 K) és LED (λ k = 1250 nm) jellemzõ sugárzás spektruma. sáv a legnagyobb hátránya s egyben (4. ábra). A probléma hasonló, mnt a látható tartományban a vlágításra használt LED-ek esetében: egyetlen LED hullámhossz-félértékszélessége keskeny a mérés kvtelezéséhez, ezért jó hatásfokú és tervezhetõ hullámhossz-tartományú sávszélesítésre van szükség. A méréstechnka alkalmazás matt tovább követelmény az üzemeltetés egyszerûsége, az alacsony hõmérsékletfüggés, a mérés nagyon ks méretehez vszonyított pontszerûség. Tehát magasabbak az elvárások. A több hullámhosszúságon sugárzó LED megvalósítására deálst közelítõ megoldások már léteznek, például a tandem-led vagy a kvantum-led. A kompakt felépítés ellenére ezeken eltérõ hullámhosszúságú sugárzást kbocsátó aktív rétegek mûködnek, amelyek elektromos és hõtechnka paramétere deálsan nem állíthatók be, ezek (jellemzõen két-három hullámhosszra) mûködõképes, de kompromsszumos megoldások. Egy adott anyag a kmutatásához, vagy a koncentrácóméréséhez legalább két-három eltérõ hullámhosszon kell mérn. A jelenleg gyakorlatban ezt több (jellemzõen három) különbözõ hullámhosszúságú egyed LED üzemeltetésével valósítják meg. A megoldás hátránya, hogy a sugárforrás nem teljesen pontszerû, leképezés hbák keletkeznek, jelentõs lesz a spektrum rányfüggése, valamnt különbözõ hullámhosszon sugárzó LED-ek hõmérsékletfüggõ paramétere és öregedése különbözõ. A külön tokozott LED-ek helyett az egy hordozóra épített, de különbözõ hullámhosszúságon sugárzó önálló dódaként növesztett, úgynevezett LED-array szerkezetek a legnkább pontszerûek. Ilyen LED-eket m s készítettünk és mértünk (5. ábra). A LED-array lényegesen ksebb és pontszerûbb, mnt az egy tokba épített 3 független dóda, de méréstechnka feladatokhoz gényelt pontosság elérése hasonló nehézségekbe ütközk, mnt a vlágítástechnka célú RGB LED-ek esetén: geometra leképezés hbák, nehéz elektromos és hõtechnka stabltás, eltérõ öregedés. Az deáls sugárforrás egyetlen félvezetõ szerkezet, amely a méréshez szükséges tartományban széles sávban sugároz és hõmérsékletfüggése mnmáls. Ez esetben mnden hullámhosszon egy-egy független aktív réteg sugározna, amely legjobb hatásfokra méretezve a legksebb nytófeszültségen mûködne, de ebbõl következõen több LED-hez több meghajtó áramkör s szükséges lenne, amely tovább üzemeltetés nehézségeket okoz. Sávszélesítés lumneszkáló réteggel mm Egyk megoldás a LED aktív rétege mellé az azonos anyagrendszerben növesztett, de kssé eltérõ összetételû lumneszkáló réteg. Az elsõdleges rétegben keletkezõ sugárzás csak részben lép k változatlan formában a dódából, egy része tovább réteget gerjeszt (már nem elektromosan, hanem a fény mnt elektromágneses sugárzás által), amely anyag összetételének megfelelõ hullámhosszon lumneszkálással sugároz (6. ábra). A lumneszkáló réteg pontosan ugyanazt a feladatot látja el, mnt a fénypor, de a LED szerkezetébe ntegrálva. Az összetétel pontos beállításával SZÁM FIZIKAI SZEMLE 2017 / 1

4 n n p p + n p p + InP GaInAsP kontaktus InP GaInAsP kontaktus beütésszám (1000) beütésszám ábra. Sávszélesítés lumneszkáló réteggel ábra. A két hullámhosszon, nm-en sugárzó GaInAsP/ InP LED sugárzása és hõmérsékletfüggése. relatív ntenztás 1,0 0,8 0,6 30 C 40 C 50 C 60 C 70 C 80 C 90 C 100 C pontosan hangolható a kívánt másodlagos sugárzás hullámhossza, a réteg vastagságával pedg a hullámhossz-átalakításra kerülõ fény aránya. A LED a lumneszkálással így egyszerre több sugárzás csúcsot valósít meg [6, 7]. A kísérlethez készült lumneszkáló LED-ek az MFA laboratórumaban folyadékfázsú eptaxával készültek (LPE) GaInAsP/InP anyagrendszerben. A lumneszkáló LED-ek alkalmasak széles hullámhossztartományban való mérés felhasználásra, ekkor a több hullámhosszon mûködõ dódasoros érzékelõhöz elegendõ egyetlen LED fényforrás alkalmazása. A két sugárzás csúccsal rendelkezõ LED esetén a hõmérséklet-változás hatására bekövetkezõ csúcseltolódások hatása összeadódnak. A két vagy több sugárzás hullámhossz matt hõfokfüggésük egy-egy szakaszon közel konstans, lletve több szakaszon azonos rányú lneárs. Ennek köszönhetõen másk lehetséges alkalmazás terület a ks hõfokfüggésû felhasználás gények kelégítése (7. ábra), különösen például kézmûszeres mérésekhez, amelyekben az egyszerûség matt bonyolult áramkör korrekcó, lletve a ks teljesítményfelvétel matt termosztálás nem valósítható meg. Több lumneszkáló sáv alkalmazásával összetett rétegszerkezet alakul k. Az így elkészített lumneszkáló rétegszerkezetet hullámhosszkonverternek nevezzük, amely egy vagy több abszorpcós rétegbõl és egy vagy több emsszós rétegbõl áll. A rétegszerkezetben ezek felváltva követk egymást. Az lyen hullámhosszkonverter teljes vastagsága határozza meg az abszorpcó nagyságát. Az egyes hullámhosszakhoz tartozó emsszó nagyságát az emsszós rétegekbe vándorolt töltéshordozók mennysége határozza meg, tehát a töltéshordozó szabad úthosszán belül szomszédos abszorpcós rétegek vastagsága. Ha egy abszorpcós réteg két emsszós réteggel s határos, akkor az adott rétegben elnyelt sugárzás a két emszszós rétegben megosztva konvertál új hullámhoszszakra (8. ábra). A lumneszkáló LED hullámhossz-átalakítás hatásfokának számítása során a két hullámhosszon sugárzó LED transzmsszós és emsszós spektrumának mérése egynél nagyobb konverzós értéket mutatott, amely a konverzós réteg transzmsszójának a nö- NÁDAS JÓZSEF, RAKOVICS VILMOS:»FEHÉR«LED A KÖZELI INFRAVÖRÖS TARTOMÁNYBAN 5

5 relatív kbocsátás 0,5 0,3 0,1 InGaAsP( l 2 ) InGaAsP( l 3 ) l 1 l 1 l 2 l 3 elsõdleges sugárzás az aktív rétegbõl összesen 1. réteg 2. réteg 3. réteg ábra. Három hullámhosszon sugárzó LED lumneszkáló rétegszerkezetének elv felépítése és a sugárzás tartományok összeadódásának elve. vesztett és mért transzmsszóhoz korrgálásával a mért értéknél s nagyobb arányt kaptunk, az ebbõl számítható hatásfok 90% felett. Összegzés Összességében mnden korábbnál több elõnyt nyújt az egy chpes lumneszkáló rétegekkel felépített megoldás. Az egyetlen aktív réteg munkapontja könnyen beállítható. Lumneszkáló réteg alkalmazásával az elsõdleges rétegben keletkezõ sugárzás csak részben lép k változatlan formában a dódából, egy része a tovább rétegeket gerjeszt és lumneszkálással több sugárzás csúcsot valósít meg. Egy szerkezetben több lumneszkáló réteg s növeszthetõ, amelyek egymással s kölcsönhatásban állnak. Az általunk növesztett LED egyetlen félvezetõszerkezet, amely a méréshez szükséges tartományban széles sávban sugároz és hõmérsékletfüggése mnmáls. Az aktív és a lumneszkáló réteg hullámhossza az anyagösszetétellel, az ampltúdó a rétegvastagsággal hangolható. Ennek köszönhetõen tág határok közt növeszthetõ jó hatásfokú, pontosan a kívánt hullámhosszakra hangolt és közel hõmérséklet-független LED. A mûködés elv sávszélesítés céljából más anyagrendszerekben, így a látható tartományban s felhasználható. A széles látható tartomány és a nagyobb rácsállandó-különbségek matt 2-3 réteggel részleges eredmények, esetleg a fénypor részleges kváltása várható. Irodalom 1. Rakovcs V., Rét I.: Infravörös dódák alkalmazása az élelmszerek spektroszkópa vzsgálatára. Mûszak Kéma Napok 08, áprls Veszprém, Zarr, R.: LEDs Lne up to Replace Resdental Incandescent Bulbs. Electronc Desgn (2013/02) Rét I., Ürmös A., Nádas J., Rakovcs V.: Nanostruktúrás LED-ek Elektrotechnka 11 (2014) E. Kuphal: Phase Dagrams of InGaAsP, InGaAs and InP Lattce- Matched to (100)InP. Journal of Crystal Growth 67 (1984) Rakovcs V., Nádas J., Rét I., Dücsõ Cs., Battstg G.: Broad spectrum GaInAsP/InP near nfrared emttng devce. Poster n secton TOP8 the 23rd HETECH 2014 Conference Justus Lebg Unversty Gessen, Germany. 6. Rakovcs V.: Optcal nvestgaton of InGaAsP/InP double heterostructure wafers. Advanced Optoelectroncs and Lasers (CAOL), 2010 Internatonal Conference on, Sevastopol, Ukrane, IEEE Communcatons (2010) Rakovcs V., Balázs J., Rét I., Püspök S., Lábad Z.: Near-Infrared Transmsson Measurements on InGaAsP/InP LED Wafers. Physca Status Sold C Conferences and Crtcal Revews 00:(3) (2003) Rakovcs V., Püspök S., Balázs J., Rét I., Frger C.: Spectral characterstcs of InP/InGaAsP Infrared Emttng Dodes grown by LPE. Materals Scence and Engneerng B Sold State Materals for Advanced Technology (2002) Rakovcs V., Balázs J., Püspök S., Frger C.: Influence of LPE growth condtons on the electrolumnescence propertes of InP/ InGaAs(P) nfrared emttng dodes. Materals Scence and Engneerng B Sold State Materals for Advanced Technology 80/ 1 3 (2001) Támogasd adód 1%-ával az Eötvös Társulatot! Adószámunk: SZÁM FIZIKAI SZEMLE 2017 / 1