Главная / Библиотека / Преобразователи мощности лазерного излучения на основе арсенида галлия (GaAs) с КПД 74,7% на длине волны 808 нм при 150 К

Преобразователи мощности лазерного излучения на основе арсенида галлия (GaAs) с КПД 74,7% на длине волны 808 нм при 150 К

Теги фотогальванические устройства оптический преобразователь мощности GaAs
Преобразователи мощности лазерного излучения на основе арсенида галлия (GaAs) с КПД 74,7% на длине волны 808 нм при 150 К

Введение

В статье были получены впечатляющие результаты применения оптических преобразователей мощности лазерного излучения (ПМЛИ) для различных диапазонов длин волн и выходных мощностей. Диаграмма производительности силового преобразователя однозначно показала, что многопереходные ПМЛИ наиболее выгодны для получения высокой производительности оборудования. Ожидается, что устройства ПМЛИ будут работать при температуре, близкой к комнатной, или, в более общем случае, в диапазоне от -40 °C до 85 °C. Они способны функционировать с высокой производительностью при температурах до 77 K и прекрасно подходят даже для применения в условиях космоса или научных экспериментах, требующих криогенных температур.

С точки зрения диодных лазеров, многие из разработок ПМЛИ первоначально были реализованы на длинах волн около 808 нм из-за повсеместного распространения и выработанности лазеров на основе GaAs. Входная длина волны 808 нм фактически является близкой к оптимальной для ПМЛИ, разработанных с поглощающими слоями GaAs, поскольку край полосы смещается к 822 нм при 77 К. Иметь входную оптическую длину волны на ~14 нм (~26 мэВ) больше межпороговой зоны напряжений полупроводника выгодно для минимизации потерь на термализацию фотоносителей и оптимизации эффективности ПМЛИ.

В данной работе измеряются характеристики вертикальных многопереходных ПМЛИ с 5 тонкими элементами GaAs (PT5) при криогенных температурах с входной длиной волны 808 нм. Температурная зависимость ключевых параметров ПМЛИ измерена для PT5 на основе архитектуры вертикальной эпитаксиальной гетероструктуры (АВЭГ). Исследование посвящено конструкции PT5, которая изначально предназначалась для работы при комнатной температуре с входной длиной волны около 850 нм. Также ожидается, что эта конструкция будет почти идеальной при низких температурах из-за сдвига зоны напряжений GaAs в сочетании с переключением оптического входа с 850 нм на 808 нм.

Материалы и методы

Схема гетероструктуры PT5 представлена на рисунке 1а. Она основана на ранее описанной конструкции АВЭГ. Был использован закон Ламберта-Бера для расчета толщины поглотителя отдельных субъячеек. В данном случае каждая субъячейка поглощает ~1/5 падающего света. В частности, толщина использованных элементов поглотителя GaAs составляла 192, 246, 346, 581 и 2636 нм сверху вниз соответственно. Следует отметить, что также были предложены методы, основанные на машинном обучении и формирующем алгоритме для улучшения выбора оптимальных параметров отдельных толщин. Предполагается, что оценка с использованием модели Ламберта-Бера может занижать требуемую толщину первой субъячейки.

1

Рисунок 1. Схема устройств с архитектурой вертикальной эпитаксиальной гетероструктуры PT5 (АВЭГ), изготовленных с использованием 5 элементов GaAs (а), и характеристика средней плотности тока в зависимости от напряжения туннельного перехода (TJ), измеренная для структуры PT5, когда интенсивность падающего света была достаточно высокой, чтобы вызвать первое поведение отрицательного дифференциального сопротивления (ОДС) TJ (b)

Фотогальваническая вертикальная многопереходная структура была построена для работы при температуре T ~ 20 °C с оптическим входом от лазерного источника, излучающего в спектральном диапазоне с максимумом около 850 нм. Преобладающее изменение коэффициента поглощения GaAs между 20 °C и 77 K – сдвиг в сторону более коротких длин волн. По этой причине ожидается, что подобная конструкция будет оптимальной для входной оптической длины волны 808 нм при криогенных температурах. PT5 состоит из 5 оптически прозрачных фотогальванических полупроводниковых субэлементов, соединенных между собой туннельными переходами, обозначенными TJi на рисунке 1a.

Базовые вольтамперные характеристики (ВАХ) TJ могут быть получены из ВАХ PT5, снятых при входных оптических интенсивностях, которые превышают пиковые токовые характеристики TJ. Например, на рисунке 1b показана кривая ВАХ PT5, масштабированная для более четкого выделения характеристики TJ. Горизонтальная ось отображает Voc-V, тогда как вертикальная ось инвертирована по сравнению с графиком типичного p/n перехода кривой ВАХ. Этот подход выявляет область отрицательного дифференциального сопротивления одного из TJ (ОДС наблюдается для 0,3 В < V < 0,9 В), тем самым констатируя характеристики туннельного тока при 77 K. Как наблюдалось ранее, когда ОДС возникает, ВАХ является прерывистой для этой области. 

Эпитаксиальные слои выращиваются с помощью промышленных реакторов Aixtron металлоорганического химического газофазного осаждения (MOCVD). Суммарная толщина всех эмиттерных и базовых слоев различных субъячеек такова, что падающий оптический луч почти полностью поглощается на 850 нм при 20 ° C или аналогично на 808 нм при 77 K.

Тонкие субэлементы PT5 были изготовлены в виде чипов площадью 0,03 см2. Изготовление устройства включало стандартную офсетную металлизацию оборотной стороны, передние омические контакты и просветляющие покрытия (ARC), выполненные из слоев Al2O3 и TiO2. ARC обычно снижает отражательную способность (R) падающего луча до R < 4% для необходимого спектрального диапазона.

Использован диодный лазер с волоконной связью 808 нм производства BWT. Его числовая апертура NA ~0,22 при диаметре сердцевины многомодового волокна 400 мкм и оболочке 440 мкм. Устройства PT5 упакованы в обычный корпус питания Broadcom, оснащенный оптическим разъемом FC. ВАХ получены с использованием источника-измерителя Keithley 2601B. Для большинства измерений ВАХ оптоволоконный лазер подключался к корпусу PT5 через FC разъем. Соединение FC было дополнительно герметизировано лентой Kapton, а устройство погружено в жидкий азот для достижения температуры 77 К. Для измерений переменной температуры либо устройству давали нагреться после испарения жидкого азота, либо использовали криостат с жидким азотом, оснащенный стандартным резистивным датчиком температуры 1 кОм для непосредственного измерения температуры устройства.

Результаты

Характеристики PT5 при 77 K представлены на рисунке 2. Измеренные ВАХ изображены на рисунке 2a для различных оптических входных мощностей от Pin = 96 мВт до Pin = 372 мВт. Пунктирная (розовая) кривая на рисунке 2а представляет собой идеальную модель диода, аппроксимированную под данные 96 мВт. 

На рисунке 2б показано, что выходная мощность Pmpp имеет измеренную крутизну наклона Eff ∼65% при 77 K с незначительными отклонениями от линейной регрессии для оптических входных мощностей до ~0,5 Вт. В данном случае для конкретного PT5 входная мощность была ограничена пиковым током туннельного перехода. Основываясь на других наших данных и результатах испытаний альтернативных конструкций TJ при низких температурах, предполагается, что при последующих запусках PT5 входная мощность будет на порядок выше.

2

Рисунок 2. ВАХ, измеренная при 77 K для ПМЛИ PT5, освещенных на длине волны 808 нм с различной входной мощностью (Pin) (a), и результирующая зависимость выходной мощности от входной (b). Данные 96 мВт (черная кривая) на (а) также соответствуют модели идеального диода 5 Дж (розовая пунктирная линия)

Модель идеального диода на рисунке 2а также можно использовать для дальнейшего изучения более оптимизированных, но реалистичных условий: эффективность преобразования Eff ~ 75% потребует улучшения EQE до ~ 87% при сохранении коэффициентов идеальности Woc и диода на том же уровне. EQE 93% даст Eff ~ 80% при 77 K. Такие улучшения EQE достигаются за счет дальнейшего уменьшения несоответствия фототоков субэлемента. Увеличение входной оптической интенсивности в десятки Вт/см2 также может помочь повысить эффективность, если значение Woc можно будет дополнительно уменьшить при более высоких оптических интенсивностях.

Температурная зависимость свойств PT5 более подробно проанализирована на рисунке 3. Напряжение холостого хода (Voc) уменьшается всего на несколько милливольт между температурой жидкого азота и приблизительно 145 K. Voc более крупного чипа ниже, чем полученное для меньшего (рис. 2), в основном из-за относительно низкой оптической интенсивности (рис. 3a). Что еще более важно, для диапазона от 175 К до температуры выше комнатной Voc изменяется линейно с температурным наклоном -7 мВ/К, как показано на линейной регрессии на рисунке 3а. Затем температурный коэффициент можно использовать для калибровки температуры устройства по измеренному Voc. Максимальная эффективность преобразования Eff = 74,7% измерена для PT5 при температуре около 150 K и Pin = 193 мВт.

3

3_1

Рисунок 3. Измеренное Voc в зависимости от температуры (a) и эффективность преобразования в зависимости от Voc (b) для PT5 с оптическим входом на 808 нм

Снова применяя модель идеального диода к ВАХ при 150 К, мы оцениваем, что при входной оптической интенсивности ~ 62 Вт/см2 такой PT5 будет иметь значение Woc = 57 мВ и эффективность Eff ~ 77,7% (от диодной модели, не представлено). Таким образом, последняя оценка основана на экспериментальных результатах при более низком оптическом входе в сочетании с моделью диода, проецируемой на более высокую интенсивность оптического излучения. Ожидается, что будущие наработки будут соответствовать этим условиям.

Обсуждение

Самые высокие значения выходного напряжения наблюдаются при самых низких температурах. Это следует из температурной зависимости межпороговой зоны напряжений. Однако, эффективность преобразования PT5 достигает максимума при промежуточных температурах. Рекордная эффективность Eff > 70 % достигается при температурах от 130 до 180 К. Этот оптимум характеристик достигается за счет того, что в данном температурном диапазоне реализуются наилучшие условия согласования тока для конкретной конструкции слоя.

На рисунке 4 представлены температурная зависимость выходного напряжения (4a), внешней квантовой эффективности, измеренной в точке максимальной мощности (EQE при mpp) (4b) и смещения межпороговой зоны напряжений (Woc) (4c).

5

Рисунок 4. Температурная зависимость выходного напряжения (a), внешней квантовой эффективности (EQE при mpp) (b) и смещения межпороговой зоны напряжений (Woc) (c)

Как видно на рисунке 4b, при входной длине волны 808 нм хорошее условие согласования тока действительно достигается в диапазоне 150 K < T < 180 K со значениями EQE около 90% в точке оптимальной мощности. Дальнейшие постепенные улучшения могут быть получены путем обеспечения лучшего согласования токов одновременно во всех субъячейках, минимизации отражательной способности устройства и уменьшения затенения линий сетки. При более низких температурах EQE снижается до ~ 79%, что также было выведено из модели идеального диода на рис. 2а. EQE также уменьшается при более высоких температурах, достигая примерно 70% при комнатной температуре, потому что данный PT5 был разработан для оптического входа около 850 нм при 20 ° C. Таким образом, можно сделать вывод, что на 808 нм при более высоких температурах верхние субэлементы несколько перегружены, а нижние субэлементы испытывают дефицит тока. И наоборот, около 77 К верхние элементы генерируют меньший фототок по сравнению с нижними.

Заключение

Таким образом, при криогенных температурах был продемонстрирован рекордный КПД вертикального многопереходного оптического преобразователя мощности АВЭГ. Эффективность преобразования Eff ~75% была измерена для входной длины волны 808 нм с помощью ПМЛИ PT5. Для конкретной изученной конструкции PT5 значения EQE в точке максимальной мощности достигают ~ 90% в пределах оптимального диапазона температур 150 K < T < 180 K. Получены рекордные значения смещения ширины межпороговой зоны напряжений (Woc), при этом Woc составляет всего 71 мВ для температур ниже 130 K.

Измеренные данные и соответствующая модель идеального диода предполагают, что многопереходные ПМЛИ GaAs для работы в криогенных температурах с эффективностью преобразования в диапазоне от 75% до 80%, как ожидается, будут достижимы при дальнейшей оптимизации. Исследование подтверждает, что устройства ПМЛИ, предназначенные для высокой производительности при криогенных температурах с оптическим входом на 808 нм, должны также функционировать с высокой эффективностью преобразования при комнатной или близкой к комнатной температуре с оптическим входом на 850 нм.

 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по поставке оборудования 
на территории РФ

Online заявка

Теги фотогальванические устройства оптический преобразователь мощности GaAs
Новые статьи
3D-печатный с использованием фемтосекундного лазера микрообъектив для ультратонкого волоконного эндоскопа

Наиболее важным оптическим компонентом волоконно-оптического эндоскопа является объектив. Поэтому разработка ультракомпактного объектива является залогом создания ультратонкого волоконно-оптического эндоскопа с высоким качеством визуализации.

Лазерное восстановление поверхности отшлифованных пластин монокристаллического кремния

В данном исследовании показана возможность лазерного восстановления поверхности кремния, поврежденного грубой и тонкой алмазной шлифовкой, исследовано влияние на качество обработки пластин параметров лазерного излучения:  длительности импульса и плотности мощности.

 
Исследование эффективности переработки использованного пластика методом ИК-Фурье спектроскопии с помощью спектрометра Labor FTIR-990

Во всех аспектах повседневной жизни наблюдается ускоренный рост в потреблении пластика, так как он является дешевым, долговечным, устойчивым к коррозии, легким материалом, который не подвержен разложению и может быть легко преобразован в различные продукты.

sCMOS–камера TRC411 с усилением для визуализации излучения Черенкова дозы лучевой терапии.

Команда младшего научного сотрудника Цзя Мэнъюй из Школы точных приборов и оптоэлектронной инженерии Тяньцзиньского университета осуществила визуализацию излучения Черенкова дозы лучевой терапии с помощью научной sCMOS–камеры, разработанной компанией CISS

Фиксирование эволюции морфологии лазерно-индуцированной плазменной люминесценции с использованием sCMOS-камеры TRC411

Процесс эволюции лазерно-индуцированной плазмы (ЛИП) заключается в следующем: мощный импульсный лазер облучает образец, и на поверхности образца происходит процесс испарение → ионизация → расширение → излучение → рекомбинация за очень короткое время.

У Вас особенный запрос?
У Вас особенный запрос?
Весьма часто наши заказчики лучше нас знают, какое оборудование им нужно. В этом случае мы берём на себя общение с производителем, доставку и таможенную очистку, а также все вопросы гарантийного периода. Пожалуйста, заполните эту форму, и мы свяжемся с Вами, чтобы помочь решить любую Вашу задачу. Или позвоните нам по телефону +7(495)199-0-199
Форма заявки
Ваше имя: *
Ваше имя
Ваш e-mail: *
Ваш телефон: *
Ваш телефон
Наши
контакты
г. Москва, ул. Бутлерова, д. 17Б

г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3