GaInAsP/InP LED-ek kutatása és spektroszkópiai alkalmazása a közeli infravörös tartományban

Átírás

1 GaInAsP/InP LED-ek kutatása és spektroszkópiai alkalmazása a közeli infravörös tartományban NÁDAS JÓZSEF TÉMAVEZETŐ: DR. RAKOVICS VILMOS

2 Tartalom Feladat ismertetése Első félév rövid összefoglalása Jelen félévben elvégzett feladatok Mérési eredmények Következtetések, kutatás további irányai Feladatok a következő félévre Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 2

3 Feladat Biológiai eredetű szerves anyagok indikatív kimutatásához és spektroszkópiai vizsgálatához optimalizált GaInAsP/InP LED tervezése és készítése kéziműszerben történő alkalmazásra Követelmények: [1] [7] miniatürizálás, pontszerűség a pontos optikai leképezéshez kis fogyasztás nagy intenzitás vizsgálandó anyaghoz illesztett széles hullámhossz tartomány [4] Sajátos, egyedi tulajdonságokkal bíró LED-et kell készíteni. [5] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 3

4 Közeli IR -OH, -NH, -CH funkciós csoportok kimutatása kötések vegyértékrezgéseire jellemző rezonancia-hullámszám cm -1, (kb μm) 1-3. felharmonikus közeli IR-ben helyezkedik el, nagyságrendekkel kisebb jelek is hatékonyan mérhetők felharmonikusok hullámhosszán mélyebbre látni az anyagban [1] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 4

5 Miért LED? Izzólámpa + Folytonos spektrum IR-ben Miniatürizálás nehézkes, nem pontszerű Válaszidő hosszú (x*10-1 s) Sugárzás erősen feszültségfüggő Élettartama rövid (x*10 3 h) LED Tervezhető, de keskeny tartományú sugárzás + Miniatürizálható, pontszerű + Válaszidő rövid (x*10-9 s) + Munkapont könnyen beállítható + Élettartama hosszú (x*10 4 h) [2] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 5

6 LED sorozat Led spektrum kiszélesítésének egyik módja: LED sorozat [1] keskeny spektrumok közt átfedés hátrányok: nem teljesen pontszerű, eltérő öregedés InGaAsP/InP LED sorozat elvi spektruma és egy 5 chipes megvalósított LED sorozat mért spektruma Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 6

7 Anyagrendszerek Vegyületfélvezetők rácsállandó-tiltottsávhullámhossz összefüggése keskeny és hangolható hullámhossz változtatni kell a fénykibocsátó félvezető réteg összetételét optimális eredményt InP alapú diódával lehet elérni [3] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 7

8 Rácsillesztettség Négy komponensű GaInAsP/InP LED-ek rácsillesztettsége [4] Az összetétel változtatásával változik a rácsállandó A rácsfeszültség okozta hibák csökkentik hatásfokot. GaInAsP/InP hangolható a hullámhossz, közben a rácsállandó változatlan marad. Az nm tartományban az InP-hoz rácsillesztett LED (hordozó abszorpciója elhanyagolható) Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 8

9 Sávszélesítés lumineszkáló réteggel Elsődleges rétegben keletkező sugárzás csak részben lép ki változatlan formában a diódából, Egy része a további rétegeket gerjeszti majd lumineszkálással több sugárzási csúcsot valósít meg PRS=Photon Recycling Semiconductor [5] [9] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 9

10 Sávszélesítés lumineszkáló réteggel A kontaktusréteg alatt körben szigetelő van A kis kinyitott kontaktuson nagy áramsűrűség -> nagy sugárzási intenzitás A hőelvezető felület nagy, a hőellenállás kicsi -> az aktív réteg kevésbé melegszik A sugárzási kúpszög 2-3, a sugárzás nagyon jól irányítható [5] [9] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 10

11 Mérések nm LED rel. intenzitás 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Az nm LED elsődleges sugárzása és lumineszkálása. A kisebb intenzitású lumineszkáló tartomány növelhető a rétegvastagsággal arányosan Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 11

12 Mérések A növesztett diódák sugárzási csúcsának ellenőrzéséhez egyszerű passzív spektrális transzmisszió mérés elegendő, ahol a transzmisszió gyors növekedési szakasza (első deriváltjának csúcsa) mutatja meg a sugárzási csúcsot Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 12

13 Mérések A növesztett diódák sugárzási csúcsának ellenőrzéséhez egyszerű passzív spektrális transzmisszió mérés elegendő, ahol a transzmisszió gyors növekedési szakasza (első deriváltjának csúcsa) mutatja meg a sugárzási csúcsot Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 13

14 Hőmérsékletfüggés Hőmérsékletnövekedés hatására a sugárzási csúcs a nagyobb hullámhossz felé tolódik, miközben a hatásfok csökken ill. az eloszlás alakja változik. Nagy áramsűrűrségek esetén vörös eltolódás a hőmérsékletemelkedés miatt, kis belső hőellenállás esetén a nagy áramok miatti kék eltolódás kis mértékben kompenzálja ezt. [5] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 14

15 Relatív intenzitás Hőmérsékletfüggés 1220nm LED 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Hullámhossz (nm) Hőmérsékletváltozás hatására egymáshoz közel álló hullámhosszokon nemlineárisan és ellentétes irányban változhat a sugárzás intenzitása Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 15

16 Relatív intenzitás Hőmérsékletfüggés 1,1 Intenzitás rel. változása csúcs-λ környékén 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0, ,75 0, Hőmérséklet C A sugárzási maximum környezetében közeli hullámhosszokon is ellentétes irányú intenzitásváltozás lép fel hőmérsékletváltozás hatására Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 16

17 Relatív intenzitás Hőmérsékletfüggés 1220nm és 1250nm LED hőmérsékletfüggése 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Hullámhossz [nm] 30(1220) 40(1220) 50(1220) 60(1220) 70(1220) 80(1220) 88(1220) 100(1220) 30(1250) 40(1250) 50(1250) 60(1250) 70(1250) 80(1250) 90(1250) Primer sugárzó és lumineszkáló réteg hőfokfüggésének modellezése két LED mérési eredményeinek felhasználásával Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 17

18 Relatív intenzitás Hőmérsékletfüggés 1220nm és 1250nm LED hőmérsékletfüggése 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 0,9 1 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Hullámhossz [nm] 30(1220) 40(1220) 50(1220) 60(1220) 70(1220) 80(1220) 88(1220) 100(1220) 30(1250) 40(1250) 50(1250) 60(1250) 70(1250) 80(1250) 90(1250) 100(1250) 30( ) 40( ) 50( ) 60( ) 70( ) 80( ) 90( ) 100( ) A két réteg sugárzása összeadódik, de hőfokfüggés jellege nem változik Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 18

19 Relatív intenzitásváltozás Hőmérsékletfüggés Rel.intenzitásváltozás T=30⁰C 100⁰C esetén 1220nm és 1250nm LED esetén (elvi) 0,60 0,40 0,20 0, , ,40 Hullámhossz [nm] D T100-T30 (1220) D T100-T30 (1250) DT(1220)+DT(1250) A két réteg sugárzásának együttes hőfokfüggése a sugárzási csúcsok közt azonos irányú, csúcsok környezetében relatív kicsi és közte kisebb szakaszon közel konstans. (Lumineszkáló LED elvi modellezése elsődleges sugárzó valós mérési eredményei alapján.) Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 19

20 Hőmérsékletfüggés di/i (%)dt nm LED fajlagos hőfokfüggése (mért) l (nm) nm di/i*dt (%) Lumineszkáló nm-es LED mért fajlagos (%) hőfokfüggése. A két sugárzási csúcs közt közel lineáris szakasz. Hőmérséklet kompenzálás nélküli méréstechnikai felhasználási lehetőség Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 20

21 Etanol kimutatása vízben Modellanyag jól reprezentálja szerves anyagok mérését a gyakorlatban (pl. etanol, víz és egyéb szerves anyagok arányainak kimutatása) Emberi szövetek, szerves növényi anyagok OH CH kötéseinek kimutatása vízben nagyon hasonló Projektfeladat Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 21

22 Etanol kimutatása vízben Víz relatív transzmissziója néhány rétegvastagság esetén 1 0,8 0,6 0.2mm 1mm 4mm 8mm 0,4 0, Célszerű kis rétegvastagságokat mérni, ahol a víz relatív transzmissziója nagy és a mérendő anyagra jellemző abszorpció a vízhez képest nagyobb Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 22

23 Etanol kimutatása vízben Etanol (96%) relatív transzmissziója néhány rétegvastagság esetén 1 0,8 0,6 0,2 mm 1 mm 8mm 0,4 0, Az etanol CH és OH kötéseire jellemző 1200nm körüli tartományban a jelentős abszorpció. Ha cukroktól is meg kell különböztetni, akkor az 1300nmes hullámhosszat is mérni kell Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 23

24 Etanol kimutatása vízben Az etanol koncentrációját a vízhez képest az 1400nm hullámhossznál lehet mérni, ahol az éles letörésnél jelentős a relatív abszorpciós különbség a két anyag közt. [1] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 24

25 Etanol kimutatása vízben Pontosabb képet kapunk a vizsgálandó hullámhosszakról az abszorpció első deriváltjának elemzésével. [1] Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 25

26 Kitűzött feladatok 2. félévre Az optimális sugárzási hullámhosszak kiválasztása a spektroszkópiai szakirodalom alapján Megismerkedés az MFA-ban kidolgozott LED technológiával Önálló mérések Tervezett hullámhosszú LED szerkezetek növesztése folyadékfázisból sugárzási sáv szélesítése beépített lumineszkáló rétegekkel hőfokfüggés kiküszöbölése nagy hatásfokú és kis kúpszögben sugárzó diódaszerkezet Nagy pontossággal és kis szórással reprodukálhatóság Eredmények feldolgozása Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 26

27 Publikációk Cikk: Réti István, Rakovics Vilmos, Ürmös Antal, Nádas József, Nanostruktúrás LED-ek, Elektrotechnika 107 (11) (2014) Konferencia előadás: Réti István, Rakovics Vilmos, Ürmös Antal, Nádas József, Nanostruktúrás LED-ek, V. LED Konfrencia, Budapest, 2014 február 4-5 Konferencia poszter: Vimos Rakovics, József Nádas, István Réti, Csaba Dücső and Gábor Battistig, Broad spectrum InGaAsP/InP near infrared emitting device, HETECH 2014, 23 rd European Workshop on Heterostructure Technology - HETECH 2014, October, Justus Liebig University Giessen, Germany. (hetech2014.org) József Nádas : GaInAsP/InP LEDs for Application in Near Infrared Spectroscopy; International Conference on Design and Light Industry Technologies ICDLIT November 2014, Budapest, Hungary Óbuda University Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 27

28 Munkaterv 3. félévre Etanol illetve víz méréséhez illesztett spektroszkópiai rendszerek vizsgálata Etanol-víz elegy méréséhez LED optimalizálási lehetőségei a sugárzás irányfüggése a lehetséges mérési hullámhosszokon (a mérések lehetséges geometriai elrendezése ismeretében) áramfüggése hőmérsékletfüggése a növesztett szerkezetek abszorpcióinak és lumineszcenciáinak mérése rétegvastagságok mérése elektronmikroszkóppal Eredmények feldolgozása Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 28

29 Irodalom [1] Rakovics V., Réti I.: Infravörös diódák alkalmazása az élelmiszerek spektroszkópiai vizsgálatára in:műszaki Kémiai Napok 08, április Veszprém, pp [2] Zarr, R.: LEDs Line Up To Replace Residential Incandescent Bulbs in: Electronic Design, Vol.02/2013, p [3] Réti I.-Ürmös A.-Nádas J.-Rakovics V.: Nanostruktúrás LED-ek in: Elektrotechnika 2014/11 p. [7] Rakovics V, Balázs J, Réti I, Püspöki S, Lábadi Z.: Near- Infrared Transmission Measurements on InGaAsP/InP LED Wafers Physica Status Solidi C-Conferences and Critical Reviews 00:(3) pp (2003) [8] Rakovics V, Püspöki S, Balázs J, Réti I, Frigeri C.: Spectral characteristics of InP/InGaAsP Infrared Emitting Diodes grown by LPE Materials Science and Engineering B - Solid State Materials for Advanced Technology : pp (2002) [4] E. Kuphal: Phase Diagrams of InGaAsP, InGaAs and InP Lattice-Matched to (100)InP in:journal of Crystal Growth 67 (Amsterdam, 1984) p [5] Rakovics V.-Nádas J.-Réti I.-Dücső Cs.-Battistig G.: Broad spectrum GaInAsP/InP near infrared emitting device, Poster in section TOP8 the 23rd HETECH 2014 Conference Justus Liebig University Giessen, Germany. [6] Rakovics V.: Optical investigation of InGaAsP/InP double heterostructure wafers, Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL), 2010 International Conference on, Sevastopol, Ukraine, IEEE Communications, pp [9] Rakovics V, Balázs J, Püspöki S, Frigeri C.: Influence of LPE growth conditions on the electroluminescence properties of InP/InGaAs(P) infrared emitting diodes Materials Science and Engineering B - Solid State Materials for Advanced Technology 80: (1-3) pp (2001) [10] Bugyjás, J.: Elektromechanikus szerkezetek elemei (Főiskolai jegyzet BMF KVK-2019), Budapest Nádas József - GaInAsP/InP LED-ek kutatása (Féléves beszámoló 2) 29

30 Köszönöm a figyelmet! NÁDAS JÓZSEF