ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, СЛУЧАЙНЫЙ ЛАЗЕР И ЭКРАН
SOURCE OF RADIATION, RANDOM LASER AND SCREEN

Изобретение касается светоизлучающих приборов, в частности твердотельных источников излучения (в т.ч. видимого света), случайных лазеров (здесь и далее под этим имеется ввиду «random laser»), а также экранов (для мониторов, телевизоров, планшетов, индикаторов и т.п.).
Общеизвестны и производятся в массовом количестве светоизлучающие полупроводниковые приборы на основе p-n-переходов [Ф.Е. Шуберт. Светодиоды. - Издательство: ФИЗМАТЛИТ, 2008 г.; патенты США №4918497, 5027168, 6020078, 8314431, RU 2233013, 2202843, 2436195 и мн. др.].
Недостатком их является сложность получения излучения с заданным спектром и ограниченность пространственной области, в которой генерируется излучение. Другим недостатком является подверженность диодов электрическим пробоям и деградации.
Известны вакуумные люминесцентные источники света, в которых свечение катодолюминофоров вызывают облучением электронами, разогнанными в вакууме [Н.И. Вуколов, А.Н. Михайлов. Знакосинтезирующие индикаторы / Под ред. В.П. Балашова. - М.: Радио и связь, 1987. - С. 27-33. - 592 с., патент США №5558554, RU 2258974 и др.]. У них множество недостатков, среди которых: необходимость создания вакуумных объемов и поддержания вакуума, сложность технологии изготовления, деградация катодов (в т.ч. автокатодов) и катодолюминофоров.
Известны также люминесцентные источники света, в которых свечение катодолюминофоров вызывается облучением электронами, инжектированными в объем полупроводника и разогнанными в нем на расстояниях порядка длины свободного пробега электрона в данном материале - аналогично разгону в вакууме (например, патент RU 2194331). Недостатком их является сложность устройства и то, что свечение вызывают лишь инжектированные извне в полупроводник носители (часть их), что ограничивает яркость. Другим недостатком является то, что свечение вызывается лишь в ограниченном узком слое катодолюминофора, что также ограничивает возможности источника излучения.
Известно явление излучения света твердыми материалами (полупроводниками, диэлектриками) в сильных электрических полях, при которых лавинообразно возрастает скорость генерации неравновесных носителей и соответственно концентрация неравновесных носителей, рекомбинация которых, прямая или ассистированная, сопровождается излучением света. Описанный режим приводит к появлению излучения большой яркости, но является неустойчивым и может приводить к необратимому теплоэлектрическому пробою материала. Неустойчивость связана с возникновением лавинной генерации носителей при любом механизме полевой генерации - электротермическом, ударном или туннельном [Сканави Г.И., Физика диэлектриков. (Область сильных полей), М., 1958; Франц В., Пробой диэлектриков, пер. с нем., М., 1961; Воробьев А.А., Воробьев Г.А., Электрический пробой и разрушение твердых диэлектриков, М., 1966; Электрические свойства полимеров / Под ред. Б.И. Сажина, 3 изд., Л., 1986; Вершинин Ю.Н., Зотов Ю.А., Перегревная неустойчивость в кристаллических изоляторах в предпробивном электрическом поле, "ФТТ", 1975, т. 17, в. 3, с. 826; Борисова М.Э., Койков С.Н., Физика диэлектриков, Л,, 1979. С.Н. Койков]. Известны твердотельные люминесцентные источники света, в которых используют предпробойную люминесценцию электрически изолированных люминофоров в переменном электрическом поле [Знакосинтезирующая электроника: тонкопленочные электролюминесцентные источники излучения. - Саратов: Изд-во Сарат. гос. акад. права, 1999; Christopher N. King. Electroluminescent Displays. - Planar Systems, Inc., 1195 NW Compton Drive, Beaverton, OR 97006, RU 2143152]. В них слой электролюминофора помещен между плоскими электродами, хотя бы один из которых прозрачен, и отделен от последних диэлектрическими слоями, что останавливает развитие образующейся лавины до наступления теплового пробоя, т.е. до того, как произойдут необратимые изменения в материале - это происходит за счет заряжения образованной описанными элементами электрической емкости.
Недостатком подобных устройств является использование лавинных режимов, граничащих с режимом теплового пробоя, и необходимость приложения значительного знакопеременного напряжения, сопровождающегося знакопеременными механическими напряжениями в многослойной структуре - оба эти фактора способствуют быстрой деградация люминофора (кристаллолюминофора, электролюминофора). Недостатком при некоторых применениях является и то, что свечение в таких устройствах длится всего лишь часть периода, приводя к пульсации яркости и снижению эффективность источника света.
Известен случайные лазер («случайный лазер» - наименее искажающий, из используемых в печати, вариант перевода для «random laser»), в котором рабочее тело представляет из себя порошок люминесцирующего материала. Механизмы излучения случайных лазерах могут быть различными. Например, известен случайный лазер на основе случайно-неоднородных средах на основе ZnO, использующий наносекундную оптическую накачку для возбуждения экситонного излучения ZnO с собственным временем жизни экситонов (<200 пс), значительно меньшим длительности импульса накачки [диссертация М.С. Рыжкова «Лазерное излучение в случайно-неоднородных средах на основе ZnO при наносекундном фотовозбуждении»]. Их недостатком является необходимость источников оптической накачки и эксплуатационные трудности.
2
2
Известен случайный лазер с оптической накачкой, в котором включения в виде частиц ZnO находятся в матрице из SiO [Е.S.P. Leong, М.K. Chong, S.F. Yu, K. Pita, IEEE Photonics Technol. Lett. 2004, 16, 2418]. Он имеет низкие эксплуатационные характеристики. Известен рандомный лазер, содержащий кварцевую матрицу с наноразмерными (60-100 нм) люминесцирующими включениями ZnO и средства для электрической накачки в виде p-i-n-перехода [Eunice S.P. Leong, Siu Fung. UV Random Lasing Action in p-SiC(4H)/i-ZnO-SiO Nanocomposite/n-ZnO:Al Heterojunction Diodes YuAdv. Mater. 2006, 18, 1685-1688. - WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim]. Недостатком последнего является, как и для упомянутых ранее светодиодов, то, что зона излучения ограничена узкой пространственной областью.
Известен случайный лазер, содержащий матрицу с люминесцирующими включениями [заявка на патент US 20120225220]. Недостатком его является, в частности, необходимость использования оптической накачки, т.е. невозможность прямого преобразования электрического сигнала в оптический.
Существует ряд экранов для отображения графической информации. Наибольшее распространение в настоящее время имеют жидкокристаллические экраны (ЖКЭ), основными элементами которых (кроме электронного блока управления и вспомогательных слоев: увеличивающих однородность подсветки, маскирующих паразитные излучения, обеспечивающих коммутацию, антибликовых, просветляющих, трибостойких и т.п.) являются: блок ультрафиолетовой задней подсветки, задний поляризатор, матрица электродов и электронных элементов (TFT-матрица с разводкой), жидкокристаллический (ЖК) слой, слой светофильтров, передний поляризатор (Патенты США №№4799050; 5267062).
Их недостатком является сложность конструкции и технологии изготовления.
Известны также электролюминесцентные экраны, содержащие электролюминесцентный слой и электроды (WO 2001004925).
Их главными недостатками является низкие эксплуатационные характеристики.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение возможностей электролюминесцентных источников излучения.
Указанная цель в предлагаемом изобретении достигается тем, что излучатель света содержит полупроводниковую матрицу с одним или множеством макро- или микровключений (далее - «включений»), выполненных из материала (или материалов), электролюминесценция которого (или каждого из которых) возбуждается при энергии носителей тока меньше ширины запрещенной энергетической зоны материала матрицы, протяженность включения или каждого из включений меньше, чем расстояние формирования в материале включения (или каждого из включений) необратимого электрического пробоя при создаваемых в нем полях, а также содержит средства для создания в матрице или в матрице и во включении (включениях) постоянного, переменного или импульсного электрического поля с напряженностью Е (в случае непостоянного поля Е - это амплитуда напряженности), для которого выполняется соотношение: Ев<Е<Ем, где Ем - напряженность лавинного пробоя материала матрицы, а Ев - напряженность, необходимая для набора носителем тока энергии, достаточной для возбуждения люминесценции в материале включения (или включений).
При создании в объеме описанного излучателя электрического поля с напряженностью Е (Ев<Е<Ем), достаточной для возбуждения люминесценции в материале включения (или включений), в последнем происходит генерация носителей, при рекомбинации которых возникает излучение. Т.к. выполняется условие Е<Ем, при котором энергия носителей не превышает ширины запрещенной зоны матрицы, то и кванты излучения, вызванного рекомбинацией этих носителей во включениях, также не превосходит по энергии этой ширины, т.е. излучение не поглощается при прохождении через материал матрицы и беспрепятственно выходит. Генерация носителей в материале включений происходит при этом, в основном, за счет носителей, разогнанных в материале матрицы (аналогия - генерация люминесценции в вакуумных электронно-лучевых трубках: роль вакуума, в котором электрическим полем разгоняются носители, играет матрица). Однако в варианте изобретения дополнительная генерация носителей может происходить и благодаря разгону их в объеме включения (включений).
Для исключения развития электрического пробоя во включении (включениях) предложено протяженность включения или каждого из включений выполнять такой, чтобы она была меньше, чем расстояние формирования в материале включения (или каждого из включений) необратимого электрического пробоя при создаваемых в нем полях. Например, если протяженность включения меньше длины свободного пробега носителя в материале включения, то лавинный пробой возникнуть во включении не может. Для каждого материала и условий, при которых он находится (например, условий теплоотвода, плотности тока инжектируемых носителей и др.), существуют своя характерная длина, на которой при данном электрическом поле во включении может возникнуть необратимый пробой. Увеличивая протяженность включения вдоль поля, но не доводя до длины, достаточной для необратимого пробоя, можно регулировать число умножений лавины, возникающей во включениях, увеличивая этим яркость источника. Для оценки можно считать, что при удлинении протяженности включения на длину свободного пробега носителя в ней коэффициент умножения лавины возрастает вдвое. Возросшее благодаря такой лавине (или не возросшее из-за малой протяженности включения) число носителей далее инжектируется в матрицу, где лавина гаснет, не доходя до следующего включения из-за обратной связи по току, а также (особенно при малых поперечных размерах включений) из-за диффузии носителей в поперечном току направлении. Среднее расстояние (вдоль поля) между частицами включений должно быть по порядку величины больше длины свободного пробега носителей в матрице, чтобы лавина не развивалась по включениям.
Для генерации излучения поле в предлагаемом устройстве может быть постоянным, переменным, импульсным, может иметь иную заданную зависимость величины (и знака) напряженности от времени.
Материалом включения (или включений) в варианте изобретения является полупроводниковый материал, ширина запрещенной зоны которого меньше ширины запрещенной зоны материала матрицы, а размер включения достаточно велик для образования зонной структуры, характерной для данного материала.
В другом варианте изобретения включений множество, и они выполнены не из одного материала, а из двух или более разных полупроводниковых материалов, ширина запрещенной зоны каждого из которых меньше, чем у материала матрицы.
Предлагается также вариант изобретения, в котором включения выполнены или в виде кластеров, или в виде областей с измененной структурой материала матрицы, имеющих энергию возбуждения излучения меньшую, чем ширина запрещенной зоны материала матрицы. Кластеры могут быть как внедренными в матрицу образованиями, так и скоплением дефектов или иных структурных изменений в матрице, в том числе наноразмерных.
При использовании в качестве включения (включений) полупроводникового материала эффективность источника света выше, если этот материал - прямозонный.
Вариант с использованием включений из разных материалов позволяет задавать спектральный состав излучения источника и регулировать его режимом питания источника света. Например, задав в матрице с включениями двух разных материалов поле, достаточное для генерации света включениями из одного материала, но недостаточное для генерация его включениями из другого материала (с более широкой запрещенной зоной, например) можно получить один спектр, а увеличив напряженность поля, можно добавить к этому спектру излучение включений из второго материала. Разных материалов может быть одновременно использовано и больше двух. При этом материалы некоторых или всех полупроводниковых включений могут быть прямозонными полупроводниками.
Множественные включения одной или разной природы могут быть выполнены с заданными размерами (в пределах, указанных выше), или с заданными размерами и формами. Включения могут быть выполнены с заданной ориентацией по отношению к направлению поля. Например, во включениях, вытянутых вдоль поля, больше коэффициент умножения лавины, а для вытянутых поперек поля - больше сечение взаимодействия с разогнанными полем носителями матрицы.
Материалом включений может быть не только полупроводниковый материал, но и любой подходящий по условиям возникновения свечения электропроводный люминофор (или органический, или неорганический, или кристаллический, или аморфный, или композитный; может быть и полупроводниковый или иной), свечение которого возникает при поле, меньшем, чем пробойное для материала матрицы. Отдельные включения могут быть выполнены из отличающихся по составу электролюминофоров или из их смеси с фотолюминофорами (для задания нужного спектра излучения). Включения из электролюминофоров могут, в частности, работать по механизму генерации, аналогичной катодолюминесценции (с тем отличием, что носители разгоняются не в вакууме, а в матрице).
Включения могут быть выполнены и в виде множества включений из любых комбинаций вариантов, приведенных выше.
Распределение включений по объему матрицы может быть задано в соответствии с решаемыми задачами:
- в плане - для создания рисунка или рисунков, в том числе разных цветов, для задания яркости разных областей источника и т.п.;
- по глубине - например, для разнесения включений друг от друга на расстояние, обеспечивающее заданную интенсивность свечения за счет подавления или дозированного поддержания коэффициента умножения при лавинной генерации носителей.
Вариантом изобретения является источник, в котором включения выполнены в виде одного или множества одинаковых или отличающихся друг от друга материалом и/или толщиной слоев, поперечных направлению электрического поля и разделенных материалом матрицы.
Вариантом слоистой структуры может быть источник, в котором матрица выполнена плоской, а слой включений находится на одной ее стороне или на обеих сторонах. При этом матрица может быть выполнена толщиной порядка длины свободного пробега носителей в ее материале - при больших толщинах уменьшается энергетическая эффективность источника, т.к. носители будут терять больше энергии на нагрев матрицы.
Средством создания электрического поля в матрице могут быть проводящие покрытия (электроды) на одной или обеих поверхностях матрицы или в объеме матрицы, выполненные с возможностью подачи на них постоянного, переменного, импульсного или имеющего сложную форму электрического смещения. Проводящие покрытия могут быть непрозрачными, прозрачными целиком или иметь непрозрачные и прозрачные части, могут иметь также области, зеркально или диффузно отражающие излучение в сторону матрицы, или иметь иную комбинацию оптических свойств для повышения эффективности источника излучения.
Средства создания электрического поля могут быть выполнены в виде проводящих слоев нанесенных на поверхность или поверхности матрицы с включениями с возможностью создания электрического поля, либо параллельного поверхности матрицы, либо перпендикулярного ей, либо ориентированного под иным углом.
Интенсивностью излучения или интенсивностью и спектральным составом излучения управляют тем, что меняют или напряженность постоянного электрического поля, или амплитуду и/или частоту переменного электрического поля, или амплитуду (и/или частоту, и/или длительность, и/или скважность) импульсов импульсного электрического поля в матрице или в матрице и во включениях (включении). Увеличение, например, напряженности или амплитуды электрического поля приводит к увеличению энергии, накапливаемой носителем за время свободного пробега, и к возможности генерации люминесценции с более высоким порогом, а также к увеличению интенсивности излучения при едином для всех включений пороге генерации. Изменение частоты импульсного поля, достаточного для инициирования излучения, приводит, например, к пропорциональному изменению яркости источника.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является также возможность создания случайного лазера (random laser) с расширенными возможностями, с простой конструкцией и с простой технологией изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что случайный лазер выполнен так же, как и предложенный, описанный выше, источник излучения, с тем отличием, что включения выполнены с возможностью реализации вынужденного излучения во включениях и/или на их границах. Это условие выполняется для всех упомянутых включений благодаря, в частности, их малым (порядка длины свободного пробега носителей) размерам, и тем более для всех наноразмерных включений описанной выше природы.
Другим техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления люминесцентного экрана, увеличение срока службы, а также повышение качества изображения.
Этот технический результат достигается тем, что предложен экран, отдельные формирующие изображение элементы (пиксели) которого представляют собой одинаковые или отличающиеся друг от друга источники излучения, выполненные по любому из описанных выше вариантов. Разные элементы (пиксели, субпиксели) экрана могут быть выполнены по одинаковым или разным описанным выше вариантам. Такое техническое решение является частным случаем предложенного выше варианта, в котором распределение включений по объему может быть задано в соответствии с решаемыми задачами, при том отличии, что средства создания электрического поля выполнены с возможностью создания заданного поля в каждом элементе (пикселе) одновременно, последовательно по времени или в заданном порядке. Например, средства создания электрического поля могут быть выполнены в виде проводящих строк и столбцов, в пересечении которых находятся излучающие элементы (пиксели или субпиксели экрана), либо в виде общего прозрачного электрода и отдельных управляющих электродов для каждого пикселя, либо в виде общего прозрачного электрода и TFT-матрицы с возможностью создания заданного поля в каждом элементе (пикселе) одновременно или в заданном порядке. Электронные блоки формирования сигналов, подаваемых на подобные системы электродов, широко известны.
На Фиг.1 схематично изображен вариант предлагаемого источника излучения с множественными включениями из двух различных материалов (полупроводникового материала и проводящего электролюминофора) с оппозитным расположением электродов средств создания электрического поля. Цифрами обозначены:
1 - полупроводниковая матрица;
2 - полупроводниковые включения;
3 - включения электролюминофора;
4 - прозрачный проводящий слой;
5 - проводящий отражающий слой;
6 - блок питания (управления).
10
-3
Примером конкретного исполнения изобретения может служить источник излучения, плоская матрица которого размерами 20×20 мм и толщиной 5 мм выполнена из карбида кремния, а включения размерами до 0,1 мкм выполнены из двух материалов: полупроводникового, - ZnO (синий цвет излучения), и элетролюминофора (ZnCdS : Ag) (красный цвет излучения). Концентрация частиц каждого включения составляет 10 см. На одну поверхность матрицы нанесен слой алюминия толщиной 3 мкм, а на противоположную поверхность - слой ZnO толщиной 1 мкм с проводимостью 10 Ом/. Спектр излучения в таком источнике зависит (количественно) от приложенного напряжения.
15
-3
16
2
6
-3
Примером конкретного исполнения изобретения в варианте экрана может служить источник излучения, матрица которого выполнена в виде слоя размерами в плане 10×10 см толщиной 10 мкм из легированного фосфором (с концентрацией 10 см) карбида кремния (6H-SiC-фаза, ширина запрещенной зоны 3,05 эВ), полученного методом химического парофазного осаждения (CVD-процесс) в атмосфере аргона на подложке из плавленного сапфира с проводящими полосами из никеля шириной 20 мкм и толщиной 2 мкм (столбцы изображения). Средства создания электрического поля, в дополнение к полосам на подложке, выполнены на внешней поверхности матрицы путем ионного легирования фосфором с энергией W=80 кэВ и дозой D=2⋅10 ион/см в виде полос (строки изображения), перпендикулярных полосам на подложке, шириной 5,0 мкм с расстоянием между ними 20 мкм. Включения размерами до 0,1 мкм с концентрацией 10 см выполнены из разных материалов, в зависимости от требуемого цвета излучения субпикселя: из ZnS : Ag - для синего, ZnS : Zn - для зеленого и ZnCdS : Ag - для красного.
15
-3
12
-3
Примером конкретного исполнения изобретения может служить случайный лазер, выполненный в виде матрицы размерами 10×10×10 мм из SiC (n=10 см) с включениями из ZnO размерами до 30 нм и с концентрацией 10 см с нанесенными с двух противоположных сторон слоями ZnO толщиной 5 мкм.
Промышленная применимость предлагаемых источника излучения, случайного лазера и экрана основаны на том, что они обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики, и на том, что для их изготовления достаточно известных и широко применяемых технологий.
Предлагаемый источник излучения, включая вариант случайного лазера, имеет простую конструкцию и простую технологию изготовления, обеспечивает возможность - путем подбора соответствующих материалов - генерации излучения в широкой области спектра, включая инфракрасную и ультрафиолетовую, а также одновременную или по заданной программе генерацию излучения с разной длиной волны, обеспечивает простое управление яркостью, имеет низкую инерционность, обеспечивает широкий температурный интервал работы, имеет высокую виброустойчивость и надежность, имеет высокую радиационную стойкость. Деградация его сведена к минимуму за счет исключения режимов, близких к лавинному пробою, и за счет исключения прямого контакта излучающих включений с внешней средой. Экран, элементы (пиксели, субпиксели) которого являются описанными источниками излучения, может быть цветным (три базовых цвета), моно- или полихромным. Он обладает всеми описанными выше преимуществами источника излучения, а также - в отличие от жидкокристаллических экранов - не требует блоков подсветки, поляризаторов, светофильтров, мер по увеличению угла обзора и, в отличие от плазменных, не содержит вакуумных узлов и узлов со сложной конструкцией.