ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ С ИЗМЕНЯЕМЫМ СПЕКТРОМ Российский патент 2015 года по МПК H01L33/54 

Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах. Может быть использовано для разработок и производства высокоэффективных источников с управляемым спектром излучения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Источники излучений в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолета (0,1 мкм) до терагерц (100 мкм) - широко используются во всех сферах жизнедеятельности. Их действие основано на преобразовании энергии электрического поля, электрического тока, электронного потока в энергию излучений.

Основные положительные свойства источников излучения - высокие значения силы и яркости света, КПД преобразования, управляемость спектром излучения. В последнее время злободневными становятся новые свойства - управление яркостью и спектром излучения в готовом приборе (источники на принципах «умный свет»).

Известны электролюминесцентные излучатели, в которых излучение возбуждается полевым воздействием на твердотельную пленочную структуру, например: тонкопленочный электролюминесцентный индикатор - патент РФ 2065259, тонкопленочный электролюминесцентный дисплей с высокой контрастностью и способ его изготовления - патент РФ 2119274, электролюминесцентная система, многослойная структура, осветительное устройство и способ получения электролюминесцентной системы - патент РФ 2305378.

Недостатками таких источников являются: малые значения яркости и КПД преобразования, высокие значения управляющего напряжения, малый не управляемый спектральный диапазон.

Известен огромный класс светодиодов, в которых в гетероструктуре электрический ток преобразуется в свет [1, 2]. Они имеют присущие им недостатки - относительно большие стоимости, узкую направленность излучения, малый спектральный диапазон и отсутствие управляемости спектром излучения в готовом приборе.

Известны вакуумные катодолюминесцентные источники света, в которых электронный поток эмиссии из термо- или автокатода возбуждает люминесценцию в полупроводниковых порошково-пленочных структурах, например: источник света - патент РФ 2479065, вакуумный светодиод (варианты) - патент РФ 2479066, катодолюминесцентная лампа - патент РФ №2028695, диодная катодолюминесцентная лампа - патент РФ 2382436, катодолюминесцентный источник света (варианты) - патент РФ 2274924, источник света высокой яркости - патент РФ 2155416, катодолюминесцентная излучающая лампа - патент РФ 2260224.

Недостатками этих источников света являются: большая потребляемая мощность, низкий КПД, относительно небольшая яркость свечения, малый не управляемый спектральный диапазон, высокие значения напряжения питания. Преимущество таких источников - сравнительная простота технологии изготовления и способов изменений спектра излучения.

Всем перечисленным выше вариантам присущи существенные недостатки - плохая управляемость спектром излучения от прибора к прибору и отсутствие таковой в одном готовом приборе. Спектр излучения в этих приборах полностью зависит от состава материалов излучающей структуры, который постоянен для готового прибора и не зависит от режимов питания. Спектр этих приборов ограничен диапазоном видимого излучения - света.

Некоторое улучшение свойства управляемости спектром добивается интеграцией элементов и смешением их излучения в микро- и макроисполнении, например способ формирования светоизлучающих матриц - патент РФ 2474920, способ формирования светоизлучающих матриц - патент 2492550, способ формирования светоизлучающих матриц - патент 2465683, источник света, содержащий светоизлучающие кластеры - патент РФ 2462002, тонкопленочное светодиодное устройство с возможностью поверхностного монтажа - патент 2372671, светильник - патент 2366120, светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты) - патент 2295174.

Во всех этих вариантах решается задача управления спектром света только в диапазоне от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм). При этом в микроинтегральных вариантах значительно растут световые потери, а технологии их исполнений чрезвычайно сложны и дороги. Макроисполнения, в которых простыми способами смешивают свет разных цветов, проявляет худшие свойства по сравнению с обычным широко используемым (стандартным) решением - использованием чипа синего света и бело-желтой люминесценции от люминофора, внедренного в материал контактной с чипом иммерсионной линзы.

Известен вариант исполнения СИД [3], в котором за основу принято такое решение. Не рассматривая оригинальную часть этого патента, в данной заявке использовано стандартное решение (фиг.1), как прототип. На фиг.1 отображена в разрезе структурная схема светодиода, где обозначены основные ее элементы: 1 - радиатор, 9 - теплоотводящее основание, 24 - подводящий электрод, 10 - чип светодиода - излучающая структура, 11 - иммерсионная линза с люминофором, спектрально преобразующим излучение чипа. На фиг.2 изображен разрез в изометрии [1].

При протекании тока через излучающую структуру в ней происходит люминесценция и излучение в линзу. Линза содержит порошок люминофора, который возбуждается излучением светодиода и вместе с этим излучением создает свет нужной цветности. Линза, таким образом, выполняет роль пространственного интегратора излучения светодиода и его преобразования в свет с результирующими спектральными и энергетическими характеристиками.

Поскольку спектр излучения полностью определяется используемыми материалами, его характеристики не изменны. Кроме того, спектральный диапазон излучения жестко ограничен интервалом длин волн люминесценции светодиода и линзы - от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм).

Это принципиальное ограничение в свойствах излучения светодиодов преодолевается в заявленном варианте благодаря использованию в качестве излучающей структуры вместо чипа микроканальной пластины (МКП) со специфическими свойствами и в качестве люминесцирующей структуры вместо линзы специальных съемных чувствительных пластинок. Устройство генерирует излучение в широком управляемом спектре в зависимости от свойств его элементов и режимов электропитания.

Описание структуры конструкции излучателя.

Схематически в разрезе прибор показан на фиг.3, где изображены:

1 - пластина с пленочным отражающим электродом,

2 - пластина с пленочным прозрачным электродом,

3 - периметр спайки пластин,

4 - прозрачный пленочный электрод,

5 - отражающий пленочный электрод,

6 - микроканальная пластина (МКП), (излучающая структура),

7 - пластина, трансформирующая излучение (излучающая пластина),

8 - теплоотвод-держатель,

9, 10 - подводящие электроды.

Пластины 1 и 2 предельно тонкие (не более 0,5 мм) из термостойкого стекла, например молибденового. Тонкое термостойкое стекло обеспечивает надежный отвод тепла, выделяемого в излучающей структуре МКП 6, и необходимую прочность и герметичность корпуса.

Периметр спайки пластин 3 - низкоплавкое стекло, согласованное по КТР с пластинами 1 и 2.

Пластины 1 и 2 вместе с периметром спайки образуют вакуумно герметичный корпус - пакет.

Прозрачный электрод 4 - тонкопленочный прозрачный оптически просветленный электрод, например, из двуокиси индия - олова.

Отражающий электрод 5 - пленочный, например, алюминиевый.

Микроканальная пластина (МКП) 6 с нанесенными на поверхность микроканалов специальными материалами (описана ниже).

Излучающая пластина 7 - тонкая стеклянная пластина со специальными в ней материалами (описана ниже).

Теплоотвод-держатель 8 - металлическая пластина с размерами, подбираемыми для конкретных условий работы прибора.

Подводящие электроды 9 и 10 - металлическая проволока, присоединенная к электродам 4 и 5 с внешней стороны корпуса - пакета.

Описание действия излучателя и его элементов.

При подаче напряжения питания между электродами 4 и 5 в каналах МКП 6 происходит полевая эмиссия первичных электронов, размножение их потока за счет вторичной эмиссии и первичная люминесценция излучения определенного спектрального состава. Первичное излучение циркулирует по микроканалам МКП, отражаясь от пленочного электрода 5 и проходя через прозрачный (оптически просветленный) электрод 4 в пластину 7. В пластине 7 первичное излучение возбуждает ее материал, который излучает в своем спектральном составе и диапазоне.

Новыми для заявленной структуры излучателя являются применение МКП (6) со структурой, обеспечивающей специфические явления и свойства ее микроканалов, и излучающей пластины (7) с ее специальными свойствами.

Хорошо известно применение МКП для усиления потока электронов в электронно-оптических преобразователях [4]. Для МКП в заявленном варианте новым является совместное нанесение эмиттирующих и люминесцирующих материалов на поверхность микроканалов. При этом совмещаются анод и катод, смешиваются эмиттер и люминофоры. Действие явлений эмиссии и люминесценции при таком совмещении происходит благодаря двум главным обстоятельствам: несплошному покрытию нанопорошками материалов и наклону каналов к линиям поля, создаваемого приложенным к МКП напряжением и пронизывающего ее.

МКП (6) представляет собой соты, образованные большим числом микроканалов с внутренней полупроводящей поверхностью [4]. Ось капилляров наклонена к плоскости пластины. Когда в канале возникает первичный электрон, пролетая в поле, он выбивает из частицы на стенке вторичные электроны, которые также ускоряются электрическим полем. Вторичные электроны летят по своим траекториям, пока не попадут на стенку с частицами, в свою очередь, выбивая еще большее количество электронов. Этот процесс по мере пролета электрона вдоль канала повторяется много раз, формируя электронную лавину. Лавинное размножение электронов происходит с коэффициентом [4]:

K(x)=exp(kx/W),

где k - коэффициент вторичной эмиссии, который зависит от свойств эмиссионного материала, приложенного к МКП напряжения V, угла наклона φ оси канала к линиям поля; x - координата, отсчитанная от концевого края канала, на котором минусовая полярность приложенного напряжения. В этой формуле W - длина траектории электрона между соударениями с частицами, то есть длина пути электрона от его вылета из одной частицы до его соударения с другой частицей. Она, примерно - W=2w(sinφ)^-1, где w - диаметр канала. Тогда:

K(x)=exp(kxsinφ/2w)=ехр(Ax),

А=ksinφ/2w.

Для вычисления общего тока в канале необходимо проинтегрировать выражение πwJ₀K(x)dx от 0 до L, где L - величина длины канала, J₀ - плотность тока в начальной точке размножения электронов. В случае, если эмиссия электронов происходит по всей длине канала, необходимо коэффициент усиления K(x) вычислить по схеме суммирования геометрической прогрессии, что даст выражение K(x)=exp(2Ax).

Величины напряжения между точками (частицами) взаимодействия с электронами оцениваются по формуле:

V_x=gwVL^-1tgφ,

где g - форм-фактор, от 0 до 1.

При этом необходимо отметить, что подаваемое на излучающую структуру напряжение может быть переменным. Это принципиальное свойство применения МКП, которое отличает его от всех других (рассмотренных выше аналогов и прототипа) вариантов источников излучений.

Полупроводящая поверхность микроканалов МКП создается восстановлением на поверхности окислов при отжиге [4]. На поверхности возникает тончайшая пленка металла, сопротивление которой не менее 10⁷ Ом. Большое сопротивление страхует от нежелательной утечки тока по цепи, замкнутой через источник питания МКП. Так, при напряжении на МКП 100 В эта утечка будет не более 10^-5 А - величина, на 2-3 порядка меньшая по сравнению с величинами рабочего тока прибора.

Физические явления в микроканалах базируются на нескольких эффектах - полевой, вторичной и фото - эмиссии электронов из наночастиц, пролете электронов в вакууме, инжекции электронов в наночастицы дырочного полупроводника, излучательной рекомбинации электронов и дырок в наночастицах, излучении света из наночастиц, его многократном отражении от стенок микрокапилляров и выводе наружу.

В микроканалах происходят сложные физические процессы движений электронов в поле, их взаимодействий с наночастицами. При этом на электроны действуют фрагменты поля, создаваемые разностью потенциалов между противолежащими точками поверхности каналов. При этом влияет омическая проводимость по покрытию поверхности микроканалов. Все эти процессы будут зависеть от напряжения V, длины канала L, диаметра канала w, угла наклона φ, количеств наночастиц эмиттера и люминофора, соотношений между ними. Рассчитать или предугадать их практически сложно. Их конкретные свойства должны быть установлены эмпирически при разработке конкретных вариантов приборов.

Материал эмиттера подбирается из условий его высокой эффективности для полевой и вторичной эмиссии. Оптимальным для этого являются узкозонные полупроводники [5].

Материалы люминофора подбираются по требованиям цветности излучения. Наиболее оптимальным является использование двух типов люминофоров, излучения которых максимально разнесены по спектру. Поскольку в этом случае энергии фотонов будут отличаться в разы, возможно управление их спектрами путем изменения напряжения. При некоторых сравнительно малых его значениях высвечивается длинноволновое излучение одним люминофором. С увеличением напряжения с некоторого его значения появляется коротковолновая составляющая излучения другого люминофора, которая увеличивается с повышением напряжения. Подбор состава смеси люминофоров производится с учетом того, что у них разные значения светоотдачи и разный вклад в интегральный свет.

Важно отметить, что когда электроны вылетают из частицы, то это повышает ее потенциал. Попав на другую частицу в другой, отстоящей от первой, точке, они понижают ее потенциал. В результате появляется разность потенциалов и ток протекает по микроучасткам между частицами поверхности микроканала. Благодаря тому, что расстояния между частицами на много порядков меньше длины канала, сопротивления микроучастков, соответственно, на много порядков меньше сопротивления по всей длине канала, поэтому цепь замыкается внутри этих микроучастков, а не через источник питания МКП. Этот процесс устраняет нежелательное действие возможного накопления заряда на наночастицах и устраняет потери энергии на внешних (к зоне излучения) элементах электрической цепи.

Таким образом, каждый канал работает как последовательная совокупность большого числа микроизлучателей. Это создает принципиальное отличие в работе заявленного варианта от всех других, которое заключается в том, что в нем цепь протекания электронного потока и электрического тока замкнута внутри каждого микроизлучателя. Во всех других вариантах эта цепь замыкается через все последовательные элементы структурной схемы прибора и внешний источник питания, что создает значительные энергетические потери. За счет этого в заявленном варианте по оценке минимум в два раза должен вырасти КПД по отношению к известным лучшим результатам (светодиодам). Кроме того, канал имеет большие величины отношения площади своей поверхности к площади основания цилиндра - 3L/w, равные, обычно, до 100. Это позволяет иметь значительный выигрыш в площади излучающей поверхности и варьировать величины удельных энергетических нагрузок на люминофоры и эмиттер.

Излучающая пластина 7 имеет в своем составе, либо в виде микропорошковых пленок, люминофоры, создающие под воздействием первичного излучение другого спектрального состава. В качестве люминофоров для этой пластины целесообразно применить наночастицы - полупроводниковые квантовые точки (КТ). Люминесцентные свойства таких КТ активно изучаются [6] и заключаются в том, что на одном типе материала, в зависимости от размера КТ, возможно получение излучений в спектральном диапазоне от значений энергии ширины запрещенной зоны полупроводника до значений энергии работы выхода электронов (фиг.4). На фиг.4 по вертикали отложены значения энергии фотонов в электронвольтах. Пересчет энергии ∈ (эВ) и длины волны излучения X (мкм) производится по формуле: ∈=1,24/λ. Таким образом, как следует из фиг.4, структура заявленного варианта и набор применяемых люминофоров позволяют создать излучение в готовом приборе со спектрами от инфракрасного (10 мкм) до ультрафиолета (0,3 мкм). При этом спектральные свойства зависят от составов люминофоров и напряжения питания МКП.

Важным для практики является получение излучения в спектральном диапазоне от 10 до 100 мкм (терагерцовое излучение). Излучение таких частот получают, например, методами комбинационного рассеяния или плазменного резонанса в полупроводниках [7, 8]. При этом происходит изменение частоты электромагнитного излучения, то есть излучение, проходя через среду полупроводника, изменяет свою частоту. Степень величин этого изменения сильно зависит от эффективной массы электронов и дырок. В некоторых узкозонных полупроводниках она может достигать нескольких раз. Например, на антимониде индия возможно получение излучений с длиной волны, в несколько раз большей длины волны собственного излучения, которая составляет 7 мкм.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Главное предназначение заявленного варианта источника излучений - использование в аппаратуре с высокими требованиями и широкими возможностями по спектральным характеристикам. Источник способен излучать в диапазонах: видимого, инфракрасного, ультрафиолетового, терагерцового излучений. При этом в определенных интервалах возможна перестройка спектра за счет изменений напряжения питания источника и смены пластины, преобразующей излучение. Кроме того, величиной спектральной полосы излучения можно управлять, изменяя составы люминофоров.

Примеры исполнения заявленного излучателя отличаются между собой составами материалов эмиттера и люминофоров, подбираемых для каждого конкретного случая из соображений максимальности эффекта.

ПРИМЕР 1. Источник видимого излучения, света.

В качестве люминофоров на поверхности микроканалов МКП используются: нанопорошки GaN (синий цвет, 0,45 мкм) и GaP (красный цвет, 0,65 мкм), дырочной проводимости - легированные Mg, Са или Zn. Активное излучение от смешения этих цветов за счет изменений напряжения питания прибора - от красного до синего. В излучающей пластине используется состав GaN_0,5P_0,5, создающий излучение зеленого цвета. Таким образом, изменяя напряжение, и присоединяя или не присоединяя излучающую пластину, можно получить излучение: красное, белое с желтизной, красно-зеленое, зеленовато-белое, белое. При нанесении на поверхность микроканалов одного люминофора можно получить одноцветные или двухцветные варианты. При возбуждении синим светом излучающей пластины можно получить практически все цвета радуги, изменяя ее люминофор в соответствии с данными фиг.4.

ПРИМЕР 2.

Источник инфракрасного (ИК) излучения получается при использовании в излучающей пластине люминофора с излучением в ИК-диапазоне. Для этого в излучающей пластине используется материал узкозонного полупроводника, например InSb (7 мкм). Возбуждение проводится излучением, близким по спектру, например, InAs (3 мкм) или GaAs (0,9 мкм), или GaSb (1,5 мкм).

ПРИМЕР 3.

Источник ультрафиолетового излучения получается, если в МКП наносятся квантовые точки материалов InSb (0,35 мкм) или ZnS (0,3 мкм), а излучающая пластина не подсоединяется.

ПРИМЕР 4.

Источник излучения терагерцового диапазона может действовать, если использовать наночастицы узкозонного полупроводника, например антимонида индия, как люминофор в МКП и как излучатель в излучающей пластине. В МКП он должен быть дырочной проводимости, а в излучающей пластине - электронной с подбором уровня легирования для создания определенной величины концентрации электронов. Нанопорошок полупроводника в излучательной пластине должен работать на эффектах плазменного резонанса или комбинационного рассеяния. Получаемое при этом излучение может иметь частоты до 10 ТГц (длина волны 15 мкм).

Преимуществами заявленного варианта источника излучения являются: получение многообразия спектральных характеристик в одном приборном исполнении, возможность управления спектральными свойствами благодаря изменениям режима питания, высокая эффективность преобразований. Использование полупроводниковых квантовых точек позволяет получать предельно узкую спектральную полосу светодиода.

Благодаря этим свойствам заявленный источник излучений может иметь применения в направлениях использования в спектральных приборах в медицине, промышленности, науке, бытовых источниках «умный свет».

Использованные источники информации

1. Ю. Давиденко. Высокоэффективные современные светодиоды. Современная электроника. Октябрь 2004. www.soel.ru/cms/f/?/311513.pdf/311513.pdf

2. Светодиодное освещение. http://specelec.ru/reference-book/item/38-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-2.html

3. Светодиодный блок. Патент РФ №2474928. Авторы: Сиденко К.Н., Полкунов С.В., Полкунов В.А., Ширанков А.Ф., Хорохоров А.М., Павлов В.Ю., Штыков С.А. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью ′′Научно-производственное объединение ′′Новые экологические технологии и оборудование′′ (RU). Приоритеты: подача заявки: 07.10.2011, начало действия патента: 07.10.2011, публикация патента: 10.02.2013.

4. Микроканальные пластины. http://profbeckman.narod.ru/radiometr.files/L10_10.pdf http://www.ru.all.biz/mikrokanalnye-plastiny-bgg 1080825.

5. Жуков Н.Д., Глуховской Е.Г., Браташов Д.Н. Исследование фото-, автоэлектронной эмиссии в нанозернах антимонида и арсенида индия // Нанотехника. - 2013. - Вып.1. С.51-57

6. Васильев Р.Б., Дирин Д.Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение. ФНМ, Москва. 2007. www.nanometer.ru/…/PROP_FILE_files_5/qd.pdf.

7. А.Э. Юнович. Оптические явления в полупроводниках. http://geum.ru/next/refrt-88200.html

8. Гавриленко Л.В., Дубинов А.А., Романов Ю.А. Комбинационное рассеяние света в твердых телах. www.pnn.unn.ru/UserFiles/manuals/Raman_scattering.pdf.

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для разработок и производства высокоэффективных источников с управляемым спектром излучения. Источник излучения выполнен в виде двух тонких (менее 0,5 мм) пластин из термостойкого стекла, склеенных вакуумплотно по периметру, на которые нанесены пленочные электроды, на одной - прозрачный, на другой - отражающий. Между пластинами плотно к ним присоединена микроканальная пластина (МКП) с нанесенными не сплошным слоем на полупроводящую поверхность ее каналов нанопорошками люминофоров и эмиттера электронов. В МКП происходит эмиссия электронов, усиление их потока и катодолюминесценция (излучение). К пластине с прозрачным электродом с внешней от корпуса стороны присоединена съемная прозрачная пластина с нанесенным внутри нее или на ее поверхности нанопорошком материала со свойством спектрального преобразования излучения. Микроканалы МКП, имеющие длину L и диаметр w, наклонены под углом φ к линиям поля от приложенного между пленочных электродов постоянного или переменного напряжения V так, что действующее на участках канала напряжение, оцениваемое формулой V(w/L)tgφ, устанавливается в зависимости от свойств выбираемых люминофоров и эмиттера электронов. Изобретение обеспечивает расширение спектрального диапазона, управление спектральными характеристиками, повышение эффективности электронно-фотонных и электро-оптических преобразований. 4 ил.

Источник излучения с изменяемым спектром, имеющий герметичный корпус, внутри которого на изолирующей подложке, являющейся частью корпуса и присоединенной к теплоотводу-держателю, сформированы последовательно светоизлучающая структура с пленочными электродами и спектральный преобразователь излучения, отличающийся тем, что с целью расширения спектрального диапазона, обеспечения его управляемости и повышения эффективности электронно-фотонных и электро-оптических преобразований корпус выполнен в виде двух тонких (менее 0,5 мм) пластин из термостойкого стекла, склеенных вакуумплотно по периметру низкоплавким стеклом, на которые нанесены пленочные электроды, на одной - прозрачный, на другой - отражающий; светоизлучающая структура выполнена в виде микроканальной пластины (МКП), соединенной плотно через пленочные электроды с пластинами корпуса, с нанесенными не сплошным слоем на полупроводящую поверхность ее каналов нанопорошками - одного для авто- и вторичной эмиссии электронов (эмиттер) и, по крайней мере, двух типов люминофоров; спектральный преобразователь излучения выполнен как съемная (присоединяемая) прозрачная пластина с нанесенным внутри нее или на ее поверхности нанопорошком материала со свойством спектрального преобразования излучения; причем микроканалы МКП, имеющие длину L и диаметр w, наклонены под углом φ к линиям поля от приложенного между пленочных электродов постоянного или переменного напряжения V так, что действующее на участках канала напряжение, оцениваемое формулой V(w/L)tgφ, устанавливается в зависимости от свойств выбираемых люминофоров и эмиттера.