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向深紫外进军的半导体光源

 
半导体光源前沿已移到紫外区。开辟者们正在对用于蓝紫光激光器的宽带III-V族氮化镓化合物停止进一步的研讨,试图经由进程增添铝来增添它的禁带宽度,从而取得更短的波长。从现实上讲,若是感化层是氮化铝的话,这个资料便可发射短至205nm波长的光。短于240nm波长的电致发光也已察看到了。可是,国防部前进前辈研讨打算暑(DARPA; 华盛顿特区)半导体紫外光源打算司理John Carrano说:现实的镓铝氮(GaAlN)器件,发射波长是遭到限定的,LED波长限定在280nm,二极管激光器的波长限定在370nm



1.氮化物半导体的带宽、晶格常数及响应波长。普通来讲, 由较轻元素组成的晶体,晶格常数较小,禁带宽度较大。砷化镓的晶格常数为0.565nm

有报道说:更短的波长已从尝试室的器件中取得。Carrano可是谁会去关怀那些只能发射纳瓦量级的工具。我只斟酌能够或许或许适用的器件,它的输入功率应当有毫瓦量级,并且,最少能任务几百小时。如许的功率和寿命程度与DARPA想用于生物传感器、水污染、杀菌和无线大气通讯的器件程度比拟靠近。Carrano以为,如许的请求是能够或许做取得的,不管是LED,仍是二极管激光器,都能够或许将波长向略微再短一些的标的目的鞭策。

紫外半导体资料

用于短波长光源的质料是GaxAl1-xN。由图1可见:从纯GaN到纯AlN,带宽从3.4增添到6.2电子伏特。以是,增添铝浓度,就会使波长变短。可是,当带宽和铝浓度增添时,LED和二极管激光器的建造,就会碰到很多题目。

增添带宽,就会有更多的非辐射机构,耗损更多的由载流子复合所开释出来的能量,从而致使功率转换效力的降落,使散热加倍题目。在铝浓度较高时,用来将光限定在量子阱内的折射率差变小了,从而增添了光的泄漏。另外,非辐射机构还增添了长波辐射份量,这类辐射能够或许会使以荧光为根本的传感器遭到搅扰。

氮化镓是轻易发生外部缺点的,这些缺点加快了器件退步和生效。固然开辟者们已在这方面取得了很大前进, 可是缺点依然会使器件的电学特征退步,并终究致使器件完整粉碎。当铝浓度增添时,要建造好的电打仗变得加倍坚苦,p-AlGaN的阻抗随铝浓度增添而增大。当打仗电阻和体电阻都增添时,经由进程二极管的压降也增添,从而致使功率转换效力降落,外部热量增添,终究致使寿命变短。

增添铟,便可发生四元系化合物AlGaInN,如许就多了一个自在度,可对带宽和晶格常数别离停止调剂。铟还对成长进程有益, 它引发的某些不平均性,现实上对供给辐射效力有益。铟在成长蓝光二极管激光器时起了很首要的感化,可是它削减了禁带宽度,是以,它的利用增添了取得更短波长的坚苦。

紫外LED的引诱

现实上,发光二极管与二极管激光器比拟,有很多上风。第一,它们比拟简略。不须要在外部经心建造微细布局,以用来限定光和组成谐振腔。第二,LED的靠得住性较高,由于它们的驱动电流较小,是以,外部电流密度较小、功耗小、外部发生的热量也较小。从实质上说:短波长的运行首要受器件的退步所限定,是以,退步越慢,LED就越靠得住,是以,许可LED在比二极管激光器短很多的波长运行。

荣幸的是, 在大大都半导体光源利用范畴,激光辐射的窄线宽和高度标的目的性,都不是出格须要的。DARPA夸大须要毫瓦级功率、室温持续(CW)运行和公道寿命。到今朝为止,发射波长近280nm的毫瓦级LED,在室温的运行寿命已达几百小时。这个波长是个关头方针,由于它处在太阳盲带谱的边缘。大气接收,禁止更短波长的紫外辐射到达地球,从而消弭了日光背景的影响。

Carrano
对改良LED效力比对取得更短的紫外波长更关怀。到今朝为止,在280nm波段,最好的功率转换效力只要1%2%。在尝试室里,如许的效力或许还能接管,但在田野,这是远远不够的。在田野,器件凡是由电池供电,在田野,它们被烧坏了,就很难改换。是以,DARPA的方针是:转换效力要到达10%。较高的效力也有助于耽误LED自身的寿命,这是在田野任务时人们关怀的另外一个题目。DARPA但愿寿命最少能到达10,000小时,如许,用一全年也不须要补缀。

一个方针是建造一系列便宜的电池供电的生物传感器,这类传感器能散布在田野,为能够或许存在的生物制剂供给预警。在活细胞中发明的某些化合物,在紫外光的鼓励下,会发生很强的荧光。虽然便宜的LED生物传感器不能辨认生物制剂的详细品种,但它们能够或许组成预警体系,让队伍能够或许或许接纳掩护性办法。



2.氛围份子散射深紫外光,从而使无线光通讯成为能够或许。地面大气接收使旌旗灯号随间隔的增大而减小,从而使通讯规模遭到了限定,但也使远间隔的窃听不能够或许停止。

到今朝为止,毫瓦级280nm LED的寿命为几百小时。波长较永劫,寿命也较长。在近340nm波长,寿命已到达数千小时,DARPA须要的是更短波长,由于它们能够或许带来新的利用。短于280nm的波长能够或许用于短间隔失密通讯,这类通讯不请求能够或许瞥见的线。大气发生很强的瑞利散射可将旌旗灯号散射到很广的角度,而大气接收则限定了传输间隔,并消弭了阳光背景(见图2)
Carrano
说:现实上,要取得260-265nm的光,不存在任何难以降服的坚苦。这些波长可对活细胞中的DNA发生首要影响:在两个DNA串之间组成毗连,禁止它们复制,终究将细胞杀死。 DARPA设想的利用便是:用紫外光来杀灭水中或物体外表的细菌。此刻,这项任务请求峰值波长为254nm的水银灯。

LED
的尝试成果

在波士顿资料研讨协会春季集会时代(Nov. 29-Dec. 02, 2004)停止的氮化物半导体会商会上,有一项对于紫外LED的报道使人难忘。



3 深紫外LED是如许建造的:在蓝宝石衬底上,堆积AlN缓冲层和AlN/AlGaN短周期超晶格布局。从AlGaN感化层的大批子阱中发生的辐射经由进程衬底发射出来。在p+-GaNn+-AlGaN层上建造欧姆打仗。

南卡罗来纳大学的Vinod Adivarahan描写了在AlN/AlGaN超晶格上建造的大批子阱LED(图3)。在280nm波长脉冲运行时,当任务电流为20mA时,他们取得了1.1mW的输入功率;当任务电流增至200mA时,输入功率增添到了11mW。在265nm波长脉冲运行时,任务电流为20mA时,取得了0.4mW的输入功率。但Adivarahan说,这是有史以来在如许短的波长察看到的最好成果,由于,在如许短的波长运行,坚苦要大很多。将任务电流增添到200mA,脉冲输入功率可增添到6.5mW;当任务电流增添到350mA,峰值功率可达10.5 mW

在较长的波长,输入功率要高很多。耶鲁大学(New Haven, CT)Jung Han将辐射340nmAlInGaN LED与辐射280nmAlGaN LED停止了比拟。当脉冲电流为1A时,大面积340nm LED输入79mW,响应的功率转换效力为2.2%。在280nm LED中,必须将铟全数消弭,将铝的浓度前进。当AlGaN LED800mA脉冲任务时,输入功率为8.5mW,响应的功率转换效力仅为0.24%
Sandia
国度尝试室(Albuquerque, NM)Mary Crawford报告:她从含79%铝的AlGaN层(未包装的电影)中,取得了237nm波长的电致发光。可是,她称这个尝试只是观点性的演示。别的的人也察看到了比265nm还要短的波长,但功率远远低于现实须要。Sandia小组在稍长一点的波长做得要好很多,他们报道的LED,276nm波长,持续输入功率已跨越1mW;在297nm波长,持续输入功率已达2mW
寿命是短波长LED的关头题目,虽然这方面的数据报导很少。南卡罗来纳大学的Ashay Chitnis报导:他们对包装好的280nmLED停止了寿命尝试,在20mA的半功率点任务时,寿命可跨越100小时。 Chitnis抱怨顶部p-型资料金属化层的退步,能够或许是使器件短命的首要缘由。
开辟者们指出了一些配合的题目。P-资料的高阻抗和电连触致使高压降和热散坚苦;螺旋形位错是引发器件各层缺点的罪魁罪魁;光学限定很差;过量的光在比LED峰值波长还要长的波长发射,成为荧光利用中的一个潜伏题目;AlGaN蒙受着高位错密度的压力;纯AlN265nm波长不通明,用它作衬底是不合适的;等等。可是,人们在前进短波长LED的输入功率和寿命方面,正在稳步前进。

紫外激光器题目

Carrano
说:紫外激光二极管是一个比LED“还要难做的器件,更庞杂的异质结布局和更高的电流密度对半导体资料提出了更高的请求。

400nm
波长的紫光二极管已有商品出卖,它是成立在三元系化合物铟镓砷根本上的,但若是不加铝,就不能够或许让其将波长延长到360nm。但增添铝,会影响器件的寿命。向更短波长成长,还会在光子限定、非辐射进程、保持粒子数反转等方面带来新的坚苦。

一切这些身分都使激光二极管的室温运行波长不得不比LED波长长很多。对毫瓦级激光器来讲,最短波长在370nm,寿命为数百小时。在CLEO 2004(旧金山,加州)集会上,Cree(Durham, NC)报导:他们研制的激光二极管,可在348nm波长持续运行和在343nm波长脉冲运行,但输入功率和运行寿命都很是低。DARPA但愿激光器的运行寿命,在室温,能到达数千小时。

Palo Alto
研讨中间(PARC; Palo Alto, CA)一向尽力任务,但愿二极管激光器能在320nm波长运行。此刻,他们已演示了光学泵浦的激光异质结,可在308nm波长任务。他们正在改良它们的电学性子。PARCNoble Johnson以为:他们小组离取得电驱动的320nm激光器已不远了,但还不能预言什么时候能力使它们真正受激。他补充说:此刻,坚苦是若何能力将阈值电压、阈值电流降到公道程度,咱们正在稳步前进

对半导体激光器的首要乐趣在于:它能用于高端生物传感器,能比LED的预警体系供给更切确的信息。激光是能够或许调谐的,能够或许将其波长调谐到与峰值接收波长婚配。如许,便可用激光器传感器来监督某种特别的制剂,这类特别的制剂在该波长发射的荧光最强。这些传感器可用来掩护首要方针,如首要修建或军事举措措施。对能够或许已蒙受生物制剂攻击的人停止诊断,肯定特定病毒,或许还须要接纳别的生物手艺和别的尝试室前提,这约莫须要几个小时。

瞻望

半导体紫外光源的成长,是在Shuji NakamuraInGaN建造蓝光和紫光二极管激光器完成冲破的根本上停止的。商品开辟者们已发明:400nm波长是最好的发光波长,或许这便是新一代光存储装配的根本。

鞭策半导体光源向更短波长成长是一场艰辛的战役, 最少在近期,LED比激光器更适用。不过,大大都的利用是不须要激光器的,并且,从根本资料到器件布局范畴,都在不时前进。半导体光源正在向深紫外进军。
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点击次数:  更新时候:2012-04-11 09:05:30  【打印此页】  【封闭
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