Электро-оптические задачи

Основные направления электро-оптических научных исследований, которые проводила компания «Оптоган НТС», можно кратко свести к следующим:

  1. Анализ однородности растекания тока в светодиодном (СД) чипе и связанная с этим эффективность вывода света из чипа.
  2. Изучение вывода света и диаграмм направленности СД и СД сборок, включая первичную и вторичную оптику.
  3. Контроль качества света, излучаемого СД: индекс цветопередачи (CRI), коррелированная цветовая температура, световая эффективность.

Изучение каждого из этих аспектов позволяет в дальнейшем улучшать оптические свойства светодиодов (СД), поэтому важность таких исследований не подвергается сомнениям.

Одним из важнейших параметров светодиодного чипа является его КПД – отношение мощности излучения к мощности потребления. КПД светодиода пропорционален внешнему квантовому выходу, определяемому произведением трех множителей: внутренней квантовой эффективности, коэффициента инжекции и коэффициента оптического вывода излучения.

Внутренняя квантовая эффективность ηвнутр — это отношение числа рожденных в светодиоде фотонов к числу электронов, вошедших в светодиод. В современных светодиодных чипах ηвнутр≈1, то есть практически каждый электрон генерирует фотон. Коэффициент инжекции ηинжекции показывает, какая часть тока участвует в рекомбинации, и определяется отношением значения тока неосновных носителей заряда в активной области к полному току; при использовании эффекта односторонней инжекции ηинжекции ≈1. Коэффициент оптического вывода излучения ηопт — это отношение числа фотонов, покинувших светодиодный чип, к числу рожденных фотонов в активной области: из-за эффектов распространения света в СД только 10-30 % рожденных фотонов выходят за пределы полупроводникового чипа.

Исследования, направленные на достижение однородности растекания тока в чипе

Свет в чипе генерируется преимущественно в области под непрозрачным металлическим контактом, что ведет к низкой величине коэффициента оптического вывода такого чипа. Эта проблема решается при помощи слоя растекания тока, уводящего ток в области, расположенные за пределами верхнего электрода, и с помощью оптимизации формы контактов.

Оптимальная геометрия контактов обеспечивает наилучшие условия для вывода света из чипа, растекание тока и равномерность нагрева структуры. Например, для вилоподобной формы контактных дорожек (рис. 1) наибольшая эффективность в выводе света достигается при изменении параметров a, b, c геометрии электродов. Рис. 2 Наглядно показывает увеличение однородности токорастекания при оптимизации геометрических параметров электродов.

Рис. 1. Геометрия контактных площадок светодиодного чипа (вид сверху)

Рис. 2. Распределение плотности тока в активной области для значений расстояний а=5 мкм (слева) и а=65 мкм

Исследования, направленные на увеличение коэффициента оптического выхода

Другая проблема в том, что большинство лучей, падающих на границу полупроводник-воздух, претерпевают полное внутреннее отражение, после чего частично поглощаются полупроводником, нагревая его. Для решения этой проблемы существуют разные приемы, например текстурирование поверхности, а именно – создание на поверхности полупроводникового чипа рельефного рисунка, СД или помещение СД в гель с коэффициентом преломления n, для которого nвоздуха<n<nполупроводник (рис. 3).

Рис. 3. Схематичное изображение хода лучей в СД чипе: слева – исходный СД чип, справа – СД чип с текстурированной поверхностью и СД чип, залитый гелем, nвоздуха<nгель<nполупроводник

Для дальнейшего увеличения оптического выхода возможно использование первичных оптических элементов, находящихся в оптическом контакте с гелем, которым заливается СД (рис. 4).

Рис. 4. Схематичное изображение хода лучей в СД чипе: слева – исходный СД чип, залитый гелем, справа – СД чип, залитый гелем с первичной оптикой

После того как свет покинул СД, требуется применение вторичной оптики для формирования нужной диаграммы направленности, которая определяется требованиями к светильнику. Диаграмма направленности – это распределение светового потока по углу (рис. 5).

Подбор первичной и вторичной оптики, а также свойств материалов ‒ дело трудоемкое, поэтому прежде чем реализовывать различные идеи на практике, проводится подробное изучение теории всех происходящих процессов и проведение предварительных расчетов с помощью программных комплексов. На выход света влияют так же отражающие и рассеивающие свойства используемых материалов. Для подбора оптимальных характеристик материалов и формы оптических элементов в «Оптоган НТС» проводится моделирование всего процесса вывода света с учетом всех составляющих с помощью современных программных пакетов ZEMAX и COMSOL-MultiPhysics.

Рис. 5. Вторичная оптика (стандартная сферическая линза и линза Френеля) и соответствующие диаграммы направленности для угла 90° (распределение светового потока в плоскости, перпендикулярной поверхности чипа)

Исследования, направленные на улучшение качества света

Важно также следить за качеством получаемого цвета, то есть за цветовой температурой источника и индексом цветопередачи CRI.

Цветовая температура Tцв излучения источника характеризует оттенок белого – холодный (голубоватый) или теплый (красноватый) (рис. 6).

Рис. 6. Шкала цветовой температуры

Рис. 7. Линия излучения черного тела (ЛЧТ) в цветовом пространстве CIE1931

Спектральный анализ видимого света позволяет определить цветовую температуру светодиодов. По спектральной кривой определяются координаты цветности для одного из цветовых пространств, например CIE1931, которое показано на рис. 7. Координаты цветности, лежащие на одной линии, проведенной перпендикулярно кривой излучения абсолютно черного тела, имеют одинаковую цветовую температуру Тцв. Однако равенство цветовой температуры не гарантирует равенство цветовых тонов источников. По этой и по другим причинам производители светодиодов используют сортировку по бинам.

Индекс цветопередачи (CRI)определяет то, насколько соответствует цвет объекта, освещенного исследуемым источником, естественному цвету.

Для получения белого света из синего СД используются люминофоры. (рис. 8). Правильно подобранная люминофорная смесь (концентрация и размер частиц люминофора) позволяет получить цвет источника желаемой цветовой температуры с хорошим индексом цветопередачи.

Рис. 8. Схематическое изображение генерации белого света с помощью синего цвета СД чипа и желтого света люминофора