B27 Светодиоды с объёмными четвертьволновыми резонаторами

Гутцайт Э.М., МЭИ (ТУ), г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Светодиоды (СД) с объёмными резонаторами (ОР) обладают существенными преимуществами перед обычными СД по эффективности. Например, в [1] отмечается, что интенсивность спонтанного излучения СД при использовании высокодобротного резонатора увеличивается на порядок за счёт сужения спектра люминесценции. Кроме того, улучшается спектральная чистота и повышается направленность, а также температурная стабильность излучения.

При проектировании СД с ОР рекомендуется использовать резонаторы с наименьшей длиной, возбуждаемые на фундаментальном виде колебаний (ВК) и имеющие наиболее высокую собственную добротность, т.е. наименьшее поглощение (потери) в резонаторе. Однако реальные СД с ОР, включающие распределённые зеркала Брегга и работающие на высших ВК, не вполне удовлетворяют современным требованиям.

Стремительное развитие нанотехнологии теперь уже позволяет использовать богатый опыт техники сверхвысоких частот (СВЧ) в оптическом диапазоне длин волн. Например, появилась возможность изготавливать металлические резонаторы и отрезки традиционных линий передач с размерами менее 100 нм и создавать на их основе светодиодные модули (СДМ), использующие квантоворазмерные гетероструктуры.  

В [1] приведены реальные гетероструктуры с квантовыми «ямами», которые используются в инфракрасном диапазоне длин волн для передачи сигналов по волоконно-оптическим линиям связи.

В настоящей работе предлагаются некоторые варианты СДМ на основе электродинамических систем в виде четвертьволновых многорезонаторных систем с квантовыми «точками». Следует заметить, что могут быть также представлены устройства СДМ на основе электродинамических систем в виде полуволновых отрезков линий передач с квантовыми «нитями». Наглядные модели квантовых ям, нитей и точек, где по-разному локализованы фотоны, в соответствии с [2] показаны на рис.1.


     а)                              б)                                в)            
Рисунок 1.   Модели квантовых ям (а), нитей (б) и точек (в).

В данной работе мы ограничимся рассмотрением четвертьволновых резонаторных систем на основе многоштыревых  структур и цепочек  связанных  цилиндрических резонаторов, возбуждаемых на противофазном ВК (π-виде). Этот вид колебаний, как известно из техники СВЧ, является наиболее устойчивым.

В качестве активных элементов будем ориентироваться на квантовые точки в виде квантовых дисков (КД) диаметром 20 - 50 нм и высотой до 10 нм.
Упомянутые варианты предлагаемых устройств СДМ на основе ОР с КД представлены на рис. 2 и 3. 

 

               а)                                                                                                                   б) 
Рисунок 2. СДМ на основе многоштыревой системы с квантовыми дисками.

На рис. 2 а в изометрии изображена многорезонаторная штыревая система (МШС).  Полупроводниковая структура с КД и люминофором показана на рис.2 б. Там же показаны электрические силовые линии на входе МШС и эпюра электрического поля Е. КД на основе нитрида галлия синего свечения возбуждают жёлтый люминофор, обеспечивая белое свечение СДМ. На рис. 2 б также отмечены предполагаемые размеры МШС. Длина штырей l соответствует четверти длины волны синего цвета, т.е. около 115 нм. Пространственный период (шаг) МШС в 3-4 раза меньше длины l. КД расположены через один штырь в синфазных электрических полях противофазного ВК (π-вида).

Аналогичный СДМ со штырями квадратного сечения был рассмотрен в [3]. Проведенные электродинамические расчёты, выполненные доцентом МЭИ Курушиным А.А., показали, что МШС с круглыми штырями обладает более высоким значением собственной добротности. Аналогичные КД были представлены в докладе   Журавлёва [4], где отмечалось, что полупроводниковая структура с GaN квантовыми точками в матрице AlN выращивалась на сапфировой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

На рис. 3  схематически изображён ещё один вариант СДМ на основе ОР с КД, который содержит цилиндрические четвертьволновые резонаторы, использующие низший ВК Н111.  Резонаторы выполнены в виде цилиндрических углублений в медной пластине. Система состоит из цепочек связанных резонаторов (ЦСР), простирающихся вдоль электрических силовых линий. КД расположены через один резонатор в синфазных электромагнитных полях.

Расчёты размеров этих резонаторов выполняются по известным (см., например, [5]) формулам для волноводной λв и критической λкр длин волн в круглом волноводе с волной типа Н11:

,  где D - диаметр цилиндрического резонатора.

Диаметры резонаторов и их длины взаимосвязаны. При изменении диаметра необходимо изменить длину резонатора для сохранения резонансной длины волны.

Размеры четвертьволновых резонаторов для различных длин волн диапазона видимого света, рассчитанные по приведенным формулам, представлены в табл. 1 для двух вариантов, когда все резонаторы имеют одинаковые диаметры при разных длинах или одинаковые длины при разных диаметрах.

На рис.3 показаны резонаторы для синих и красных КД с разными диаметрами при одинаковой длине. Например, как видно из табл.1, возможен вариант: D1 = 304 нм,      D2 = 482 нм, l = λв/4 = 250 нм, h = 10 нм и L1 = L2 = 750 нм. 


Рисунок 3. СДМ на основе четвертьволновых цилиндрических резонаторов с ВК Н111.

Таблица 1. Размеры (в нм) четвертьволновых цилиндрических резонаторов с ВК Н111

Материал

GaN

InGaN

ALInGaP

ALInGaP

ALGaAs

Длина волны λ

460

525

605

615

635

Цвет

синий

зелёный

янтарный

оранжевый

красный

Диаметр D одинаковый

400

400

400

400

400

λкр

682

682

682

682

682

Длина (λв/4)

156

206

328

356

435

Диаметр D

одинаковый

500

500

500

500

500

λкр

852,5

852,5

852,5

852,5

852,5

Длина (λв/4)

137

167

215

222

238

Длина (λв/4)

одинаковая

250

250

250

250

250

Диаметр D

304

362

446

457

482

Из приведенной таблицы 1 также видно, что в СДМ с одинаковыми диаметрами четвертьволновых цилиндрических резонаторов на ВК Н111 для синих и красных КД можно использовать следующие размеры: D = 400 нм,  l1 = 156 нм, l2 = 435 нм, h = 10 нм и  L = 700 нм. Заметим, что добавление красных КД к синим при наличии люминофора позволяет повысить индекс цветопередачи СДМ белого свечения.

Рассмотренные варианты СДМ на основе электродинамических систем с квантовыми точками ни в коей мере не ограничивают разнообразия этих устройств. Не трудно представить и другие ЦСР на основе четвертьволновых отрезков волноводов с другими ВК.  Это обстоятельство лишний раз свидетельствует о возможности использования обширного арсенала СВЧ-техники и нанотехнологических  достижений для создания высокоэффективных световых приборов.

Следует также заметить, что не только СВЧ-устройства могут быть при этом использованы, но и метрика  СВЧ тоже может найти применение. Например, можно ввести пробное тело продуванием поглощающего газа для определения режима пересвязи или недосвязи нагруженной резонаторной системы и т.п.

На вопрос, какие из электродинамических систем наиболее перспективны, можно ответить после проведения глубокого сравнительного анализа с использованием электродинамических и экономических расчётов на современном уровне и с учётом нанотехнологических возможностей. Пока лишь можно с уверенностью утверждать, что поиски оптимальных решений при создании СДМ на основе электродинамических систем с квантовыми точками позволят существенно улучшить параметры световых приборов с наноразмерными источниками излучений. 

Литература

  1. Schubert  F. Light Emitting Diodes. Second edition. - Cambridge University Press, 2006.
  2. Шуберт Ф.Е. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича - М.: ФИЗМАТЛИТ,  2008.- 496 с.
  3. Звездин А.К. Оптические микрорезонаторы, волноводы, фотонные кристаллы. Природа. 2004. №10.
  4. Гутцайт Э. М., Маслов В. Э. Светодиод с квантовыми «точками» и многорезонаторной системой. Международный Форум по нанотехнологиям. М. 3-5.12.2008. Сборник тезисов докладов научно-технологических секций. Т.1, c.150-152.
  5. Александров И.А., Журавлёв К.С., Мансуров В.Г., Никитин А.Ю. Безизлучательная рекомбинация в квантовых точках GaN/AlN // Тезисы докладов 6-й ВК «Нитриды галлия, индия и алюминия - структуры и приборы». 18-20 июня 2008. Санкт-Петербург. Физико-Технический Институт им. А.Ф. Иоффе РАН.- С.210,211.
  6. Гутцайт Э. М. Техника и приборы сверхвысоких частот. Радио и связь, 1994. 224 с.

Тематика:

Комментариев: 2


» Атаев Артем (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 11:06:13 }

Уважаемый Эдуард Михайлович!
Статья мне очень понравилась.
Наверное было бы полезно указать и привести данные по внедрению светотехническихъ установок со светодиодами.
С наилучшими пожеланиями А.Е. Атаев

» Гутцайт Эдуард (об авторе) { Июнь 10, 2009 - 06:06:20 }

Уважаемый Артём Еремович!
У меня достаточно много идей по созданию светодиодных модулей с электродинамическими системами. В докладе изложена лишь небольшая их часть. Но у меня нет возможностей для внедрения этих идей. Я их готов подарить тому олигарху, у которого эти возможности имеются. Конечно, желательно, чтобы они получили внедрение в нашей стране.

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
26 queries. 0.096 seconds.