Kvantfysik i praktiken lysdioder och laserdioder

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Kvantfysik i praktiken lysdioder och laserdioder"

Monica Lind
för 5 år sedan
Visningar:

1 Kvantfysik i praktiken lysdioder och laserdioder Åsa Haglund Chalmers Tekniska Högskola affilierad med NanoLund, LTH asa.haglund@chalmers.se

2 Innehåll 1. Användningsområden för lysdioder och laserdioder 2. Hur fungerar en lysdiod? optiska processer (absorption, spontan emission, stimulerad emission) pn-övergång heterostrukturer kvantbrunnar utkoppling av ljus 3. Hur fungerar en laserdiod? Vad behövs? 4. Forskning på LTH och Chalmers

3 Lysdiod (Light-Emitting Diode = LED) LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Intensitet ultraviolett synligt LASER välriktad monokromatisk (~en våglängd) koherent strålning Våglängd (nm) LASER = konstgjord ljuskälla

4 Användingsområden för LED:ar Fjärrkontroll Li-Fi Kommunikation med synligt ljus

5 Användningsområden för laserdioder Optiska data-länkar 3D ansikts-igenkänning Laser displays (head-up, near-eye, picoprojectors) Gas-sensorer Biomedicin (mäta blodflöde) Infraröd belysning

Nobelpriset i fysik 2014 Isamu Akasaki Meijo

för uppfinningen av effektiva blå lysdioder

6 Nobelpriset i fysik 2014 Isamu Akasaki Meijo University, Nagoya, Japan Hiroshi Amano Meijo University, Nagoya, Japan Shuji Nakamura University of California at Santa Barbara, USA för uppfinningen av effektiva blå lysdioder vilka möjliggjort ljusstarka och energisnåla vita ljuskällor

7 Vita lysdioder = Blå LED + fosfor (= lysämne, inte grundämnet P!) fosfor fosforescens blått ljus Blå LED Intensitet Blå LED kombinerad emission fosforescens Våglängd (nm)

8 Lysdiod (Light-Emitting Diode = LED) LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation välriktad monokromatisk (~en våglängd) koherent strålning

9 Bohrs atommodell antal elektroner/skal joniseringsenergi (fri elektron)

10 Bohrs atommodell antal elektroner/skal joniseringsenergi (fri elektron)

12 På tavlan: absorption state in the conduction band E 2 icke-strålande rekombination state in the valence band stimulated absorption Detectors stimulated stimulerad emission emission lasers spontan emission spontaneous emission LEDs E 1 Stimulerad strålning koherent strålning = fotoner har samma våglängd riktning fas

13 Halvledarmaterial elektrisk ledningsförmåga som vi kan skräddarsy mellan metal och isolator

14 Periodiska systemet III IV V VI II

15 Bohrs atommodell N Si Ga 5 valenselektroner 4 valenselektroner 3 valenselektroner

16 Bohrs atommodell N Si Ga 5 valenselektroner 4 valenselektroner 3 valenselektroner

17 Si-kristall

18 Si-kristall

19 Bohrs atommodell N Si Ga 5 valenselektroner 4 valenselektroner 3 valenselektroner

20 GaN-kristall

21 GaN-kristall Perfekt kristall, men leder inte ström (alla valenselektroner är bundna) Lysdiod/laser: omvandla elektrisk energi till ljus kräver elektriskt ledande material

22 Elektriskt ledande material rörliga laddningar störning av en perfekt kristall = dopning + - Rörlig elektron (n-dopning)

23 Störning av en perfekt kristall = dopning + - Rörliga elektroner n-dopning Energi jonisations -energin (fri elektron) N M L (bunden elektron)

24 Elektriskt ledande material (p-dopning) + - Rörlig tom plats = hål (p-dopning)

25 p-dopning (hål som leder strömmen) + -

26 Övergång mellan hål- och elektron- material p-dopat + n-dopat -

28 På tavlan bandgap energin (färgen) på ljuset E=hc/λ p-dopad GaN + n-dopad GaN - framspänd diod Lysdiod (LED) = framspänd pn-övergång

29 Våglängder på ljuset 29

32 På tavlan p-dopad GaN Varför använda heterostrukturer (olika bandgapsmaterial)? InGaN (mindre bandgap) n-dopad GaN E C p pn-homojunction L e J e n E F L h E V - ledningsband J h pin-heterostructure J e E C Energi P i N + valensband E F J 1. Undvika åter-absorption av ljus h 2. Laddningsbärar-inneslutning (hög laddningsbärartäthet för sammma ström) spontan emission > icke-radiativ strålning E V

33 På tavlan Varför kvantbrunnar? - Energi a a < λ debroglie ( Å) laddningsbärares rörelse begränsad laddningsbärar-inneslutning och energi-kvantisering E C E e2 + EE nn = ħ 2 ππ 2 nn 2 /(2mmaa 2 ) a= kvantbrunns-tjockleken m=elektron/hål-massa n= heltal (1,2,3, ) E e1 E e0 E hh0 E hh 1 E hh E V 2 E = E + E + E E g1 E geff geff g1 e0 hh0 1. Styra våglängd med tjocklek, och även andra viktiga egenskaper 2. Högre laddningsbärardensitet för samma ström

34 Kan vi kombinera vilka halvledarmaterial som helst i en heterostruktur?

35 Två sätt att packa atomer på tätast sätt (111)

36 Ga As Kubisk struktur a 0 Ett viktigt atom-atom-avstånd (a 0 ) Hexagonal struktur c 0 Ga N Två viktiga atom-atom-avstånd (a 0, c 0 ) a 0 Page 3

37 Spänningar sprickbildning Spricka Substrat

40 På tavlan Vad behövs för att en lysdiod ska fungera? 1. pn-övergång (elektroner och hål) 2. tillföra elektrisk energi som kan omvandlas till ljus framspänna dioden (spontan emission > absorption) 3. heterostruktur (undvika absorption, hög laddningsbärartäthet vid viss ström), gärna kvantbrunnar Tre viktiga processer: 1. Injektion av elektroner och hål 2. Spontan emission (skapa fotoner) 3. Extrahera fotoner (optisk uteffekt) Energi d - +

41 Foton-utkoppling begränsas av: - Reabsorption (undviks i heterostruktur-led) - Total intern reflektion = största begränsningen Enbart ljus inom en kon definierad av en kritisk vinkel Θ c transmitteras genom ytan n 1 sin Θ 1 = n 2 sin Θ 2 Θ < Θ C Θ = Θ C Θ > Θ C Ex: GaAs (n 1 = 3.5) / air (n 2 = 1) Θ c = 16 n 2 n 1 En planär ytemitterande LED: Θ Θ Θ P i N +V I P out n 2 n 1 transmission into medium 2 isotropic radiation source The fraction of photons emitted by a point source that is transmitted into the upper medium (n 2 < n 1 ): F T 1 4 n n n n n n Ex: GaAs (n 1 = 3.5) / air (n 2 = 1) F T = 1.4% Page 7

43 1. Formad inkapsling light escape cone epoxy 2. Strukturerad yta 3. Volym-emitter Tri-LED

45 Hur fungerar en laser? Laserns delar: 1. Optisk resonator optisk återkoppling 2. Förstärkningsmedium 3. Energi-tillförsel (pump) optisk förstärkning Energitillförsel Optiskt förstärkningsmaterial spegel p-dopad GaN n-dopad GaN spegel Laserljus Laserljus optisk resonator

46 Hur fungerar en laser? Optisk förstärkning spegelreflektivitet resonans Laserns delar: 1. Optisk resonator optisk återkoppling 2. Förstärkningsmedium 3. Energi-tillförsel (pump) optisk förstärkning Våglängd Energitillförsel Optiskt förstärkningsmaterial spegel p-dopad GaN n-dopad GaN spegel Laserljus Laserljus optisk resonator

47 Hur ser en halvledar-laser ut i verkligheten? Energitillförsel Optiskt förstärkningsmaterial spegel p-dopad GaN n-dopad GaN spegel Laserljus Laserljus optisk resonator

48 Hur ser en halvledar-laser ut i verkligheten? Laser-ljus Energitillförsel Laserljus p- GaN n- GaN

49 Hur ser en halvledar-laser ut i verkligheten? Laser-ljus + -

50 Hur ser en halvledar-laser ut i verkligheten? Mikrokavitets-laser Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) Laser-ljus 10 µm 1 µm 1 µm 10 µm

51 Microkavitets-laser Diameter på ett människo-hårstrå: 50 µm µm 11/35

52 Lysdiod- och laserforskning Blå/UV-lasrar UV LED Infraröda lasrar Forskning och utveckling: 1. Nya våglängder (kräver nya material) 2. Nya LED- och laser-typer 3. Förbättrad prestanda hos existerande komponenter

53 1. Nya material Energi + p-gan InGaN n- GaN - valensband ledningsband Stor skillnad i bandgap stor skillnad i atom-atom-avstånd sprickbildningar

54 Nanotrådsbaserade material Större skillnader i atom-atom-avstånd utan sprickbildningar Färre sprickor som propagerar in i materialet

55 2. Nya LED och lasrar (emitterar blått och UV) baserade på tunna filmer Energieffektiv LED Contact n-gan QWs p-gan Bond and contact metal Si carrier Effektverkningsgrad blå LEDs 84% (borttaget substrat) UV LEDs 1-3 % Mikrokavitetslaser Substrat-borttagning: 1. Bättre utkoppling av ljus 2. Återanvända substrat

57 Elektrokemisk etsning av (Al)GaN Världens första UV-LED med denna teknik

58 3. Snabbare infraröda lasrar (λ=850 nm) för datakommunikation Optisk uteffekt (mw) modulerad optisk effekt I th Ström (ma) modulationsström Fasta telenätet (ADSL): 24 Mbit/s Bredbandsuppkoppling fiber: Mbit/s (= 1 Gbit/s) Världsdrekord på Chalmers: Mbit/s (= 57 Gbit/s) (~0.5s ladda ner en HD-film)

59 Hjälp till och skapa en ljusare framtid!

Relevanta dokument

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Föreläsning 6: Opto-komponenter Opto-komponent Interaktion ljus - halvledare Fotoledare Fotodiod / Solcell Lysdiod Halvledarlaser 1 Komponentfysik - Kursöversikt Bipolära Transistorer pn-övergång: kapacitanser