Спросить
Войти
УДК 396.321.
Е.В. Удальцов
ИЛФ СО РАН, Новосибирск
ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
В работе [1] было показано, что ультрафиолетовые (УФ) источники излучения используются в различных областях науки и техники и с каждым годом находят новые применения благодаря созданию в последние годы компактных полупроводниковых источников УФ диапазона. Лидерами в этой области остается Япония и страны юго-восточной Азии, в которых, как впрочем, и в других областях производств, сосредоточены технологии из Европы и США.
Целью данной работы является сбор данных о разработках и анализ основных электрических и оптических параметров выпущенных на данный момент полупроводниковых источников УФ диапазона.
В нашей стране производство УФ полупроводниковых светодиодов (СИД) и лазеров находится на уровне научно-технических исследований, но по сравнению с прошлым годом видны позитивные сдвиги. Так, например в Физико-техническом институте Иоффе в Санкт-Петербурге с 2003 года ведутся исследования фундаментальных свойств гетероструктур InGaAlN. На данном этапе, совместно с Техническим университетом Берлина и Промышленно-технологическим институтом Тайвань ведётся разработка технологии производства гетероструктур AlGaN/GaN, которые будут использованы как активный элемент излучателей и приемников для ближнего УФ диапазона [2].
За рубежом на протяжении последнего десятилетия активно ведутся исследования по созданию полупроводниковых УФ источников излучения. На данный момент лидером в этой области остаётся корпорация NICHIA первая, выпустившая УФ СИД и запатентовавшая ключевые этапы технологии. Кроме того, это единственная компания, серийно выпускающая полупроводниковые УФ лазеры на 370-400 нм [3].
Лаборатория Sandia в США, получив поддержку национального агентства DARPA, занимается исследованиями в области создания полупроводниковых УФ источников для программы SUVOS. В 2003 году на конференции в Альбукерке, Sandia продемонстрировала готовые устройства, работающие на длине волны 275 нм и 290 нм с 0,4 мВт и 1,3 мВт излучаемой мощности соответственно на основе 50 % смеси нитрида галлия (GaN) с алюминием на подложке из сапфира. Вырастить материал с 50 % содержанием алюминия до этого времени не удавалось. Кроме того, для вывода излучения из кристалла используется прозрачный буферный слой и подложка, поэтому при изготовлении СИД такие кристаллы устанавливаются инверсно. Это нововведение, во-первых, увеличивает выход излучения, так как площадь кристалла физически не заблокирована непрозрачными металлическими контактами, а во вторых монтаж методом перевёрнутого кристалла позволяет увеличить отвод тепла за счет возможности
использования материалов с высокой теплопроводностью, что увеличивает КПД СИД в целом. Такие устройства имеют небольшой вес в сочетании с устойчивостью к вибрации и ударным нагрузкам [4, 5].
Разработанные годом позже в US University of South Carolina, кристаллы на основе AlGaN содержали уже до 72 % алюминия и только 28 % нитрида галлия, что дало возможность создать мощные УФ светодиоды, работающие на длине волны 250 нм и 255 нм с 0,16 мВт и 0,57 мВт излучаемой мощности соответственно [6].
Японские ученые под руководством Иошитака Танюси из лаборатории NTT Basic Research Laboratories в 2006 году объявили об успешном создании СИД для глубокого ультрафиолета на базе нитрита алюминия (Al-N) на кремнии с длиной волны порядка 210нм. Прежде такой состав не применялся для выращивания кристаллов СИД [7].
Корпорация Sensor Electronic Technology, Inc (SETI), США занимается промышленной реализацией разработок лаборатории Sandia и университета Южной Каролины, США. В 2006 году SETI сделала своеобразный прорыв, выпустив СИД ближнего, среднего и дальнего УФ диапазона, выращенные на подложках из сапфира по технологии MEMOCVD. Основные оптические и электрические параметры этих светодиодов приведены в табл. 1 по данным [8]. В настоящее время идет выпуск мелкими сериями в корпусе TO-39 с различными модификациями: в герметичном исполнении с кварцевым защитным стеклом или кварцевой линзой, а также в открытом исполнении, когда не требуется герметичность. Светодиоды рассчитаны на использование в температурном диапазоне от -30 до 100°С.
Таблица 1. Электрооптические параметры УФ СИД производства SETI
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Ширина спектра на АХ/2 (нм) Напряжение питания* (В) Потребляемы й ток* (мА) Мощность излучения (мВт) при I = 20 мА
UVTOP-255 255 12 6 30 <0,5
UVTOP-265 265 12 6 30 <0,5
UVTOP-270 270 12 6 30 <0,5
UVTOP-280 280 12 6 30 0,5
UVTOP-290 290 12 6 30 0,5
UVTOP-300 300 10 6 30 >0,5
UVTOP-310 310 10 6 30 >0,5
UVTOP-320 320 10 6 30 >0,5
UVTOP-330 330 10 6 30 >0,5
UVTOP-340 340 12 8 50 <1
UVTOP-360 360 12 8 50 <1
* Даны максимальные значения
Корпорация Roithner Lasertechnik (RLT), Австрия за 2006 год заметно расширила спектр изделий в УФ области, по сравнению с прошлым годом, как своего производства, так и стран юго-восточной Азии, табл. 2. Появились мощные УФ кристаллы. На их основе созданы одночиповые и многочиповые СИД, рассчитанные на использование в температурном диапазоне от -20 до 80°С табл. 3, 4 [9].
Таблица 2. Электрооптические параметры УФ СИД производства RLT
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Ширина спектра на АХ/2 (нм) Напряжен ие питания (В) Потребляе мый ток (мА) Угол расходимо сти (градусы) Мощность излучения (мВт)
RLT350-0.3-15 351 10-12 4,5 20 15 0,2-0,3
RLT350-30 351 20 3,7 20 30 0,3
RLT360-0.5-10 360 20 3,8 20 10 0,5
RLT360-0.5-15 360 20 3,8 20 15 0,5
RLT350-TO-18 351 20 3,7 20 15 0,5
RLT360-1.5-30-3CC 360 20 3,8 60 30 1,5(30,5)
RLT360-1.0-15 361 20 4,5 20 10 1
NS365L-5CLA-2 TO-46 365 15 3,8 20 10 0,4 - 0,6
RLU0408N65 SMD 365 11 3,8 80 120 4,7
UVLED365-10 TO-46 365 10 3,6 20 10 1,4
RLT365 TO-18 365 12 3,6 20 15 0,4
RLT365-525 365 - - 20 30 0,85
RLU365-1.4-30 365 16 3,9 20 30 1,4
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Ширина спектра на АХ/2 (нм) Напряжени е питания (В) Потребляе мый ток (мА) Угол расходимости (градусы) Мощность излучения (мВт)
К8370Ь-5КЬО 370 12 3,6 20 15 3
№370Ь-5СЬА-4 ТО-46 370 12 3,6 20 10 ,2 1 ,8 0,
КЬ8-иУ370Е 370 - - 20 30 1
КЬ8-ИУ370 ТО-18 370 - - 20 15 0,5
ЯЬ83708МБ0805 8МБ 370 - - 20 120 1
ЯШ370-1.7-30 370 13 3,6 20 30 1,7
ЯЬТ370 ТО-18 373 20 3,6 20 15 0,4
ЯЬТ370-10 ТО-46 370 12 3,9 15 10 0,75
КЬТ370-110 ТО-46 370 12 3,9 15 110 1
иУЬЕБ370-10 ТО-46 370 - - 15 10 0,75
иУЬЕБ370-110 ТО-46 370 - - 15 110 1
Ш375Ь-5ЯШ 375 12 3,6 20 15 6
Ш375Ь-5СЬА-4 ТО-46 375 12 3,6 20 10 0, 8 1 ,2
Ш375Ь-5СЬА-5 ТО-46 375 12 3,6 20 10 1,2 - 1,8
ЯШ375-2-30 377 12 3,6 20 30 2
ЬЕБ375-04 33 375 17 3,6 20 34 22 2,5
иУЬЕБ380-10 ТО-46 380 - - 20 10 2,0-3,4
иУЬЕБ380-110 ТО-46 380 - - 20 110 2,8-4,8
Е1809-0Р0АР-02 8МБ 382 20 3,7 20 110 1,2
ЯЬ8-ИУ380 385 - 3,4 20 15 2
ЯШ385-2-30 385 20 15 2
ЬЕБ385-04 33 385 17 3,5 20 34 22 3,5
Е1Ь5М-3РОАР-02 385 20 3,7 20 110 1,7
Е1Ь5М-4РОА2-01 385 20 3,7 20 16 1,5-2,3
Е1Ь5М-4РОА2-01 385 20 3,7 20 16 2,3-3,5
Е1809-0Р0АР-02 8МБ 385 20 3,7 20 110 1,7
ИииУ-5102Ь 393 20 3,4 20 20 2-3
ЯЬ8-ИУ395 395 - - 20 30 6
ЯШ395-8-30 395 - 3,6 20 30 8
ЬЕИУ-С31А 395 15 3,8 20 - 2
ЬЕБ395-03У 395 15 3,8 20 24 6
Б3Б-437-СУБ 395 - 3,6 20 30 5-8
ЬЕБ395-33У 395 15 3,8 20 36 3
ЬЕБ395-01У 02У 03У 395 15 3,8 20 20 10 24 3
Таблица 3. Электрооптические параметры мощных одночиповых УФ СИД
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Ширина спектра на AX/2 (нм) Напряжен ие питания (В) Потребляе мый ток (мА) Угол расходимо сти (градусы) Мощность излучения (мВт)
M3L1-HU-30* 395 - 3,7 350 30 16
M3L1-HU-60* 395 - 3,7 350 60 16
M3L1-HU-120* 395 - 3,7 350 120 16
C20A1-HU-30 395 - 3,7 350 30 16
Таблица 4. Электрооптические параметры мощных мультичиповых УФ СИД
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Ширина спектра на AX/2 (нм) Напряжен ие питания (В) Потребляе мый ток (мА) Угол расходимо сти (градусы) Мощность излучения (мВт)
LED355-66-60-110 TO-66, 60 chips 355 - - 240 110 LED360-66-60-110 TO-66, 60 chips 360 20 18 240 110 45
LED370-66-60-110 TO-66, 60 chips 370 20 18 240 110 60
LED375-66-60 TO-66, 60 chips 375 20 17 240 120 150
LED375-66-60-110 TO-66, 60 chips 375 20 17 240 110 150
LED385-66-60 TO-66, 60 chips 385 17 17 240 120 160
LED385-66-60-110 TO-66, 60 chips 385 17 18 240 110 150
LED395-66-60 TO-66, 60 chips 395 15 18 240 120 250
LED395-66-60-110 TO-66, 60 chips 395 15 18 240 110 240
TO3A4-HU-180 TO-3, 4 chips 395 - 4,5 1200 180 60
RLT-800-0056 7x42 chips 395 - 4 1260 - RLT-MIL395-12U-30 12 power chips 395 - 5,4 4200 306012 0 190
LED395-4x4PC66 TO-66, 16 chips 395 18 14,4 1000 120 260
Компания КГ^ВКЮНТ выпускает недорогие УФ СИД для ближнего ультрафиолета, например L-7113UVC на 395 нм, 36 мкКд, угол расходимости 20о, а LIGITEK производит линейку УФ СИД со сходными параметрами, например LDUV53393 на 385 нм, 1.2 мВт, угол расходимости 18о. Хочется отметить полученные корпорацией МСША мощные (до 30 мВт) УФ лазеры на 370 нм, открывающие поистине широкие возможности в компьютерной, телекоммуникационной и др. областях. Параметры выпускаемых МСША УФ СИД и лазеров приведены в табл. 5 и 6 соответственно. Вслед за МсЫа, ЯЬТ были выпущены коротковолновые лазеры на 400-415 нм, что говорит о скором создании и УФ лазера. Их характеристики также приведены в табл. 6.
Таблица 5. Электрооптические параметры УФ СИД производства МСША
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Ширина спектра на АХ/2 (нм) Напряжен ие питания (В) Потребляе мый ток (мА) Угол расходимо сти (градусы) Мощность излучения (мВт)
КСБШ33А 365 9 3,2-4,4 500-700 100 190-310
ШНШ50В 365 10 3,6 20 100 2
ШНШ90В 365 10 3,6 20 10 1,4
ШНШ50А 375 10 3,7 20 100 2
ШНШ90А 375 10 3,7 20 10 1,4
NCSU001Е SMD 380 15 4 500-700 55 85
Таблица 6. Электрооптические параметры УФ и фиолетовых лазеров
Название / Обозначение Длина волны X (нм) Напряжение питания (В) Плотность тока (мА) Рабочий ток (мА) Угол расходимо сти (градусы) Мощность излучения (мВт)
К0НШ10АРАЕ3 370-380 5,3 55 80 8,5x23 30
NDAV330E1 400-410 - - - - 3000*
NDAV521E1 400-410 - - - - 500**
К0НУ220АРАЕ1 400-415 4,2 100 230 8,5x23 200
К0НУ310АРС 400-415 4,6 40 85 8,5x23 60
КЦГ415-50РМ0 415 3 500 650 8x30 50 (max 0.2 Вт)
ЯиГ415-200РМ0 415 3 500 1150 8x30 200 (max 1 Вт)
* Водяное охлаждение, ** воздушное охлаждение
В итоге хочется отметить высокие технико-физические результаты, которых достигли производители СИД. Высокий КПД, срок службы до 10 000 ч открывают широкие возможности для применения УФ СИД в медицине, биологии, криминалистике, а также для обеззараживания и очистки воды и химических веществ, отвержения полимеров, скрытой связи вне прямой видимости, и других. Основными достижениями в развитии технологии производства УФ СИД стали переход в солнечно слепой диапазон, а также увеличение оптической мощности за счет применения более совершенных материалов, роста плотностей тока, применения подложек с очень малым тепловым сопротивлением и создания матричных СИД.
© Е.В. Удальцов, 2007
