Università degli studi di Milano

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1 Università degli studi di Milano Facoltá di Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Fisiche ANALISI DELLE PERFORMANCES DI DIODI EMETTITORI DI LUCE (LED) A DIFFERENTI TEMPERATURE OPERATIVE Relatore Prof. D.V. Camin Correlatore Dott. V. Grassi Tesi di laurea di Giacomo Maria Brambilla Matricola Anno accademico

2 Indice Introduzione 2 1 I diodi emettitori di luce (LEDs) Il LED Effetti a basse temperature Attivitá sperimentale Apparato sperimentale Preparazione dell apparato Risultati sperimentali

3 Introduzione La trasmissione lineare di segnali analogici via fibra ottica é una materia di grande interesse, sia che il segnale trasmesso venga generato da uno strumento a temperature criogeniche sia che la temperatura si possa approssimare a quella ambientale. Questo interesse sulla trasmissione di segnali per via ottica, piuttosto che elettronica sta prendendo sempre piú spazio nel campo della trasmisssione analogica per segnali provenienti da rivelatori. Infatti, nel caso ci sia la necessitá di disaccoppiare elettricamente e termicamente il rivelatore e l elettronica di read-out é conveniente utilizzare un approccio che utilizza un metodo di trasmissione ottico. É quindi necessario trasformare un segnale elettrico analogico in un segnale ottico e per farlo si utilizzano LED in quanto un LASER a semiconduttore presenta una caratteristica estremamente non lineare ed una corrente di soglia (5mA) che diminuisce il range dinamico di utilizzo. Questo tipo di necessitá puó sorgere in qualsiasi condizione di utilizzo: strumenti situati in zone torride o nello spazio. Proprio perché vengono utilizzati in differenti condizioni, si é approfondito lo studio del comportamento di questo tipo di dispositivi. Durante l attivitá di sperimentazione si é cercato di comprendere il funzionamento di un LED AlGaAs a temperature comprese tra i 200 K e i 373 K. Le misure al di sopra della temperatura ambientale, cioé quelle superiori ai 300 K, sono state effettuate per controllare la termalizzazione della camera di simulazione ambientale. Infatti il nostro interesse era concentrato sulle temperature inferiori ai 273 K, cioé alle temperature non ancora investigate in precedenza. Oltretutto, sottoporre l apparecchiatura su cui sono state fatte le misure a temperature molto superiori a quella ambientale per parecchio 2

4 tempo avrebbe portato con sé dei rischi, soprattutto per quanto riguarda la parte vetrosa, cioé la fibra e per la giunzione del LED. 3

5 Capitolo 1 I diodi emettitori di luce (LEDs) Questo lavoro sperimentale é stato effettuato su un LED realizzato in tecnologia AlGaAs (alluminio-gallio arseniuro), pertanto é opportuno introdurre i principi alla base del suo funzionamento. 1.1 Il LED La giunzione p-n é alla base di tutto il mondo dell elettronica e dell optoelettronica a stato solido. I diodi a giunzione p-n vengono usati come switch o come rettificatori, i fotodiodi generano corrente per effetto fotoelettrico, i LED,quando polarizzati direttamente emettono fotoni per un processo di generazione ricombinazione radiativa. Nel nostro caso siamo interessati proprio a questo ultimo utilizzo della giunzione p-n. Il LED converte l ingresso di energia elettrica in un uscita di radiazione ottica, nel visibile o nell infrarosso, in dipendenza dal meteriale del semiconduttore. La conversione dell energia avviene in due stadi: per prima cosa, l energia dei portatori nel semiconduttore viene fatta crescere fino a farle passare la soglia di equilibrio da un energia elettrica entrante. In un LED a giunzione i fotoni con energia vicino all energia del bandgap sono generati da un processo di luminescenza per iniezione o elettroluminescenza durante 4

6 il quale una larga popolazione di elettroni, iniettati da una corrente di polarizzazione diretta sulla banda di conduzione, si ricombinano con le lacune nella banda di valenza. Il dispositivo quindi emette fotoni in modo spontaneo, diversamente da quanto succede per il LASER a semiconduttore in cui si utilizza un processo di emissione stimolata. Gran parte degli elettroni iniettati in banda di conduzione si ricombina in modo radiativo in modo da creare fotoni di frequenza ν = c λ data da: hc λ = ε g (1.1) Figura 1.1: Iniezione di portatori minoritari in una giunzione p-n polarizzata direttamente che porta all emissione di fotoni Non tutti i portatori si ricombinano in modo radiativo, infatti quelli che si ricombinano in modo non-radiativo hanno un eccesso di energia, che viene dispersa sotto forma di calore nel reticolo. Il numero di portatori di carica che si combinano radiativamente é generalmente proporzionale alla corrente di polarizzazione, cioé alla corrente del diodo a queste condizioni. La maggior parte dei processi di ricombinazione avvengono vicino alla giunzione, tuttavia alcuni dei portatori minoritari si spostano e quindi la ricombinazione puó avvenire in regioni ben lontane dalla giunzione. Per definire meglio l efficienza di ricombinazione radiativa si é introdotta l efficienza quantica interna del dispositivo, definita come il rapporto tra i fotoni emessi e gli elettroni forniti da un generatore esterno. Come detto sopra non tutti gli elettroni forniti si ricombinano radiativamente con le lacune, cioé l efficenza quantica é sempre minore del 100%. Se invece si applica una corrente inversa al diodo, non 5

7 avviene nessun tipo di eccitazione dei portatori e, di conseguenza, non viene emessa luce. 1.2 Effetti a basse temperature Se noi raffreddiamo un semiconduttore, di qualsiasi tipo, il bandgap tra la banda di conduzione e quella di valenza aumenterá. La relazione che lega l energia di bandgap con la temperatura é fornita da (equazione1.2e figura1.2): E g (T ) = E g (0) αt 2 (β + T ) (1.2) Figura 1.2: Dipendenza dalla temperatura del bandgap fondamentale per il gallio-arseniuro usando i parametri in tabella 1.1 Dove E g (0) é il bandgap a zero Kelvin e β é proporzionale alla temperatura di Debye. Come si puó capire facilmente questi due parametri sono caratteristici per ogni semiconduttore in quanto dipendono dalla struttura del reticolo. Quindi, spostandoci verso le basse temperature, il bandgap cresce e, 6

8 ε g (0 K) α β Semiconductor (ev) (ev \ K 2 ) (K) GaAs 1,519 5, Tabella 1.1: Parametri per l equazione di Varshni con la crescita della distanza delle due bande, diminuisce la lunghezza d onda del picco principale di emissione del LED. Un ulteriore effetto che é stato notato sperimentalmente a basse temperature é la comparsa di un secondo picco di generazione ricombinazione elettronica dovuto alla presenza di impuritá nel drogaggio del semiconduttore del LED, che si comporta esattamente come seconda regione radiativa. Questa seconda regione radiativa inizia ad essere visibile in modo piú marcato quando ci si trova a temperature inferiori ai 268 K. Il modello semiempirico ci dá una mano per la spiegazione di questo fenomeno. Infatti, noi possiamo dire che l efficienza quantica, che si puó riscrivere in termini di costanti di tempo di generazione-ricombinazione, in questo caso é data dal rapporto 1.3: η = τ nr τ nr + τ r (1.3) τ r << τ nr (1.4) Dove τ nr e τ r sono le vite medie di ricombinazione non-radiativa e radiativa di un portatore. La condizione 1.4 posta alle costanti di tempo radiative e non radiative é necessaria per incrementare l efficienza quantica del dispositivo. La vita media di un portatore di carica non-radiativo τ nr aumenta al diminuire della temperatura. Cioé il tempo che un portatore di carica passa in una trappola o in uno stato eccitato cresce con il diminuire della temperatura. Quindi a basse temperature se un portatore di carica viene intrappolato da una trappola da cui poi verrá emesso un fonone, questo ci rimarrá per piú tempo, evitando che altri elettroni rimangano intrappolati. In questo modo tutti i portatori che non passano per quella trappola tornano alla banda di valenza attraverso una transizione di tipo radiativo. Per questo 7

9 a basse temperature viene evidenziato un secondo picco di elettroluminescenza. Come il primo picco, con il diminuire della temperatura, anche questo si sposta verso frequenze di emissione maggiori, cioé aumenta l energia della transizione radiativa compiuta, oltre ad a occupare una parte piú importante nel calcolo della potenza ottica totale emessa. In esperimenti precedenti, effettuati a temperature criogeniche, si é notato che oltre all evidenziamento di questo secondo picco, la potenza totale emessa dal LED é molto maggiore rispetto a quella emessa a 300K. Questo si spiega nello stesso modo in cui si spiega la comparsa del secondo picco: la vita media piú alta dei portatori permette ad alcuni di questi di rimanere intrappolati piú al lungo in una trappola che emetterá fononi, lasciando che molti altri portatori compiano transizioni di tipo radiativo. Questa tendenza é verificata dalle misure che abbiamo effettuato a temperature superiori ai 300 K, dove si nota molto bene la diminuzione di potenza emessa dal LED. 8

10 Capitolo 2 Attivitá sperimentale 2.1 Apparato sperimentale Per lo studio del LED AlGaAs é stato necessario utilizzare diverse apparecchiature sperimentali. Prima tra queste un optical spectrum analyzer per l analisi e i primi processi sulle misure dello spettro di emissione del dispositivo. Inoltre il LED era alimentato in corrente da un Keithley SourceMeter 2400 e posizionato all interno di una camera di simulazione ambientale Vötsch capace di operare dai 198 K ai 428 K. Tuttavia, cosí facendo, ci siamo trovati nella necessitá di disporre contatti elettronici a basse temperature in alcuni casi con umiditá molto alta. Per la connessione tra l analizzatore di spettro e il LED é stata usata una fibra multimodale 50/125µm. Il generatore di corrente e lo spectrum analizer sono gestiti da un programma creato appositamente in Labview. Il programma di controllo infatti sfruttava tutte le potenzialitá di calcolo del processore integrato nello spectrum analizer, per permettere una maggiore velocitá di elaborazione. D altro canto la camera di simulazione ambientale é controllata da un software proprietario installato su un calcolatore dedicato. 9

11 2.2 Preparazione dell apparato Un ruolo importante durante queste sperimentazioni é stato svolto dalla preparazione dell apparecchiatura di misura. La preparazione accurata dell esperimento si é rivelata indispensabile per diversi motivi. Primo tra questi é stato cercare di mantenere una termalizzazione corretta della giunzione p- n del diodo. Nonostante si fosse posto una termocoppia sul case metallico dove era contenuto il LED, non siamo stati in grado di sviluppare un sistema capace di rivelare, durante le misure, la temperatura corretta della giuzione. Per questo abbiamo cercato di mantenere una termalizzazione corretta della camera, chiudendo tutte le possibili aperture verso l esterno. Per correnti di polarizzazione di un milliampére l autoriscaldamento per effetto Joule non é ancora apprezzabile. Se invece si utilizzano correnti di polarizzazione di 5 10 ma, il fenomeno dell autoriscaldamento (self-heating) puó essere consistente. Un altro problema che abbiamo dovuto risolvere é stato quello dell ingresso di umiditá nel punto di coupling tra il LED e la fibra. Per evitare questo inconveniente abbiamo iniziato ad effettuare le misure partendo da temperature inferiori e cercando di sigillare quasi ermeticamente il punto di coupling, dato che l ingresso di umiditá provocava una diminuzione della potenza totale in uscita, cosa che sarebbe stata ancora piú visibile se il vapore acqueo si fosse condensato o congelato. 2.3 Risultati sperimentali Da questa esperienza ci aspettavamo che venisse confermato l aumento di potenza emessa da un LED quando al diminuire della temperatura. La potenza totale é l area sottesa allo spettro di emissione, calcolo che, mediante Labview, abbiamo fatto effettuare direttamente dall analizzatore di spettro. I risultati si possono vedere in figura 2.1. Come si puó vedere c é un incremento della potenza emessa dal LED al diminuire della temperatura per ogni corrente di polarizzzione. I punti di discontinuitá di questo grafico, tra i 228 K e i 233 K e tra i 293 K e i 325 K, corrispondono alle misure effettuate a distanza di una notte. La spiegazione 10

12 Figura 2.1: Media delle potenze totali emesse dal LED a differenti correnti di polarizzazione va cercata negli shock termici subiti dalla connettorizzazione tra LED e la fibra ottica. Venivano fatti tre cicli di dieci misure, partendo da una corrente di polarizzazione di 10 ma, per arrivare a una corrente di 1 ma. Dopo questi tre cicli, molto ravvicinati, si impostava una diversa temperatura sulla macchina e, quando questa si era stabilizzata, si ricominciava con i cicli da dieci misure. A causa del continuo cambiamento di temperatura, all interno della giunzione tra il LED e la fibra possono esserci stati dei disallineamenti che hanno provocato questi cambiamenti repentini nella potenza trasmessa. Sempre visibile nel grafico 2.1 é la differenza tra le potenze emesse a differenti correnti di polarizzazione, meglio visibile nel grafico 2.2 Le relazioni che intercorrono tra la potenza in uscita e la corrente di polarizzazione di un LED sono paraboliche a temperatura ambiente, ma con l abbassamento della temperatura il coefficiente del termine di secondo grado della parabola si abbassa e cresce il termine di primo grado. Questo comportamento puó essre spiegato nei termini del modello sviluppato da Chuang et al., [4]. Questo modello descrive la relazione tra la luce emessa P e la corrente iniettata, secondo l equazione 11

13 Figura 2.2: Media delle potenze totali emesse in fuzione della temperatura a diverse correnti di polarizzazione P = C I + Y Y 1 + 2I Y (2.1) Dove C é una costante correlata al fattore di accoppiamento ottico e Y = esd(an d ) 2 \ 2B (e é la carica dell elettrone, S l area di iniezione della corrente, d é lo spessore della regione attiva, N d é la densitá dei difetti, e A e B sono i coefficienti non radiativi e radiativi, rispettivamente). Per correnti molto basse (I 0) possiamo espandere 2.1 in una serie di McLaurin il primo termine della serie é 2.2 P = C 2Y I2 (2.2) Quindi a 300 K, il modello predice una dipendenza parabolica tra la potenza di uscita del LED e la corrente nell ordine di grandezza dei µa. Al contrario, quanda la temperatura decresce, il coefficiente di ricombinazione non radiativa tende a diventare piú piccolo (Y 0), allora la potenza emessa é porporzionale linearmente alla corrente di polarizzazzione del LED. Ne é 12

14 Temperatura (K) α β R 2 205,32 1, ,81 0, ,28 2, ,35 0, ,85 6, ,57 0,9995 Tabella 2.1: Coefficienti dell equazione di secondo grado stata provata sperimentalmente la validitá in [2]. Figura 2.3: Media delle potenze totali emesse dal LED a 205, 253, 293 K di polarizzazione Questo effetto di linearizzazione della relazione tra corrente di polarizzazione e potenza in uscita inizia a essere visibile in figura 2.3. Riportiamo di seguito la tabella con i coefficienti dei termini dell equazione di secondo grado (tabella 2.1), dove α é il coefficiente del termine di secondo grado, β quello del termine di primo grado e, sempre nella stessa tabella riportiamo anche il coefficiente di correlazione con i dati. Abbiamo verificato un ulteriore effetto delle basse temperature su un LED, cioé la variazione dello spettro di emissione. Nello spettro aumneta la potenza del picco principale, effetto riscontrabile anche nell analisi della potenza totale emessa, inoltre questo si sposta a lunghezza d onda minori, 13

15 cioé le transizioni avvengono ad energia maggiore. Si verifica anche l altro effetto descritto in precedenza, cioé da circa 270 K si puó scorgere un secondo picco radiativo, che diventa evidente a 263 K. Figura 2.4: Spettri di emissione del LED a diverse temperature con 1 ma di corrente di polarizzazione L effetto che ha avuto la temperatura della giunzione sulla potenza di emissione, oltre che dal grafico precedente, lo si puó notare anche dal grafico, dove si vede che non solo la potenza totale cambia, ma anche la potenza emessa in corrispondenza del picco principale non segue un andamento monotono in funzione della teperatura. Per renderci meglio conto dell effetto di aumento del bandgap, abbiamo calcolato i valori dell energia dei fotoni emessi a tutte le temperature che abbiamo investigato e abbiamo notato che la loro energia ha la tendenza a seguire la legge di Varshni equazione 1.2, dato che l aumento di energia dei fotoni é direttamente proporzionale all aumento di energia del bandgap, anche questo aumenta con il diminuire della temperatura, come ci si aspettava. Nel caso si usi una corrente di polarizzazione di 1 ma l energia del fotone presenta un coefficiente di regressione piú alto rispetto a quanto succede nel caso si polarizzi il diodo con 10mA. Questo effetto é probabilmente una delle 14

16 Figura 2.5: Spettri di emissione del LED a 203 K, 228 K, 263 K e 293 K con 1 ma di corrente di polarizzazione Figura 2.6: Andamento della potenza emessa dai picchi di G-R a diverse temperature per una corrente di polarizzazione di 1 ma 15

17 Figura 2.7: Andamento dell energia dei fotoni emessi in funzione della temperatura con corrente di polarizzazione di 1 ma Figura 2.8: Andamento dell energia dei fotoni emessi in funzione della temperatura con corrente di polarizzazione di 10 ma 16

18 1 ma 10 ma R 0,9967 0,985 Tabella 2.2: Coefficienti di regressione per due correnti di polarizzazione diretta conseguenze dell autoriscaldamento della giunzione provocato dalla corrente di polarizazione piú elevata. Sul secondo picco radiativo, quello visibile da temperature inferiori a 263 K, possiamo fare le stesse considerazioni fatte sul picco di emissione principale, dato che la diminuzione di temperatura agisce su entrambi nello stesso modo. Infatti, anche la distanza tra il picco picco radiativo e la banda di conduzione aumenta, seppur in modo meno marcato rispetto a quanto non succeda nel caso del primo picco (figura 2.9). Figura 2.9: Andamento dell energia dei fotoni emessi in corrispondenza del secondo picco di G-R con corrente di polarizzazione da 1 ma In questo caso, il fit con l equazione di Varshni, non é soddisfacente come negli altri casi. Dobbiamo peró ricordare che, questo picco di generazionericombinazione, é dato da un impurezza del drogante immesso nel LED per fare in modo che il picco radiativo sia localizzato. Un altro dato interessante 17

19 scaturito da questo lavoro é la differenza di energia tra il primo picco e il secondo. Questa differenza rimane costante a diverse temperature, cioé i due picchi di emissione si spostano simultaneamente con l abbassarsi della temperatura. Figura 2.10: Differenza di energia tra i due picchi di emissione Questo interessante effetto si spiega ricordando che l abbassamento della temperatura provoca l innalzamento dell energia di bandgap in modo tale da modificare la situazione, che a temperatura ambiente é quella rappresentata in figura L energia tra le bande quindi aumenta, ma la differenza di energia tra i livelli di generazione-ricombinazione non cambia. Anche la differenza di potenza emessa in corrispondenza dei due differenti picchi cambia in funzione della temperatura. Questa differenza cresce con il diminuire della temperatura, come si puó vedere dalla figura Anche in questo caso si possono notare una discontinitá a 233 K sempre a causa di una termalizzazione differente avvenuta con il una notte frapposta tra le due misure. Un altro effetto della temperatura che abbiamo notato é la riduzione della larghezza a mezza altezza della Gaussiana di emissione riferita al massimo principale, infatti, soprattutto a correnti di polarizzazione minori di 2 ma, 18

20 Figura 2.11: Schema delle energie di bandgap a 300K Figura 2.12: Differenze delle potenza emesse nei picchi di G-R a differenti temperature si nota che che lo spettro subisce questa ulteriore trasformazione e anche grazie a questo effetto si nota piú nitidamente il secondo picco di generazione ricombinazione descritto in precedenza. Successivamente, abbiamo sperimentato il comportamento del LED sempre a temperature paragonabili, ma utilizzando correnti di polarizzazioni inferiori: da 1 ma a 100µA. I dati raccolti fanno emergere una tendenza 19

21 Figura 2.13: Andamento della larghezza a mezza altezza per correnti di polarizzazione di 1, 5, 10 ma comune a ció che giá si nota nelle misure effettuate con corrente di polarizzazione piú alta. Inoltre, per correnti inferiori ai 0,5 ma, si giunge al limite di sensibilitá dello spectrum analyzer. Riportiamo di seguito i risultati ottenuti per misure di 0,5 ma, figura

22 Figura 2.14: Spettri di emissione del LED polarizzato direttamente con una corrente di 5µA 21

23 Bibliografia [1] P. Bhattacharya, Semiconductor Optoelectronic Devices second Edition, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey, 1997 [2] D.V. Camin and V. Grassi, Cryogenic behavior of optoelectronic devices for the transmission of analog signals via fiber optics, IEEE Transaction on nuclear science, vol. 53, no.6, december 2006 [3] T.L.Larsen, The effect of Cu impurities on infrared electroluminescence in GaAs p-n junction, Applied Physics Letters, volume 3, number 7, 1 october 1963 [4] S.L. Chuang Kinetic Model for degradation of light emitting diodes, IEEE J.Quantum Electron., vol. 33, no. 6, pp ,