[論文レビュー] Stability studies of nanosecond light sources based on blue ultra bright LEDs

Б. К. Лубсандоржиев, Y. E. Vyatchin|ArXiv.org|Mar 1, 2004

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、アバランチトランジスタパルスドライバで駆動される超高輝度InGaN/GaN青色LEDを用いたナノ秒光源の長期安定性および温度依存性を評価する。光源は2.2 A、100 kHz繰り返しレートで10^10パルスにわたり安定した光出力とパルス幅を維持し、1%未満のゲイン変動にとどまるが、『古め』（高速）と『新め』（遅速）のLEDバッチ間で発光動態に顕著な差が認められる。

ABSTRACT

We present the results of stability studies of nanosecond light sources based on single quantum well (SQW) InGaN/GaN ultra bright blue LEDs. It is shown that the light yield of such light sources and their timing characteristics don't deteriorate even after 10^10 total pulses. The longterm stability of the sources light yield is better than 1%.

研究の動機と目的

• 超高反復レート・高電流動作下における、超高輝度青色InGaN/GaN LEDを用いたナノ秒光源の長期安定性を評価すること。
• これらの光源における光出力およびパルス幅の温度依存性（-30°C ～ +45°C 範囲）を調査すること。
• 異なるLEDメーカーおよび生産バッチの性能を比較し、特に発光動態に注目すること。
• このような光源が、検出器キャリブレーションなどの高精度実験物理学応用分野での信頼性を検証すること。

提案手法

• 3–10 pFの放電コンデンサを備えたアバランチトランジスタドライバを用い、LEDにナノ秒パルス電流（0.6–2.2 A）を印加した。
• ±0.1°Cの精度で温度制御可能なサーモスタットチャンバーを用い、100 Hz、1 kHz、10 kHz、100 kHzの各繰り返しレートで安定性をテストした。
• 光出力をPMトランスフォーマー（ET9116B）で測定し、LeCroy 2249A ADCを用いて電荷積分を実施。Am-241/YAlO3:Ceを用いたキャリブレーションを実施。
• FWHM（全波幅半最大）を用いたパルス幅およびアーリュードの安定性を、一定分岐ディスクリミネータおよびTDC（BVT-12A、75 ps分解能）でモニタリングした。
• 温度依存光出力に指数関数的フィッティングを適用：NICHIAではY = Y₀(1.12 – 0.15e^αT)、KINGBRIGHTではY = Y₀(0.94 + 0.105e^αT)。それぞれα = -0.015および-0.026 °C⁻¹。
• NICHIAおよびKINGBRIGHTの各タイプについて15個のLEDをテストし、『古め』（1995–96年）および『新め』（2002–03年）のバッチを含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電流・高繰り返しレート下で10^10ナノ秒パルスを経過した後、InGaN/GaN LEDの光出力に劣化が生じるか？
• RQ2 温度が-30°C から +45°C の範囲で変化する際、異なるLEDタイプの光出力にどのような影響を与えるか？
• RQ3 長時間の動作下で、光源のタイミング特性（パルス幅、アーリュード）は安定しているか？
• RQ4 同じLEDタイプでも『古め』と『新め』のバッチで発光動態が著しく異なるのはなぜか？
• RQ5 これらのLEDベースの光源は、物理学実験における高精度タイミングおよびアーリュードキャリブレーションに信頼性をもって使用可能か？

主な発見

• NICHIA NSPB500SおよびKINGBRIGHT L7113NBCのLEDは、2.2 A、100 kHzの過酷な条件下で10^10パルスにわたり、光出力が1%未満の変動で安定している。
• NICHIAのLEDは-30°C から +45°C にかけて7%の光出力上昇を示し、Y = Y₀(1.12 – 0.15e^αT)（α = -0.015 °C⁻¹）で良好にフィットした。
• KINGBRIGHTのLEDは同温度範囲で9%の光出力低下を示し、Y = Y₀(0.94 + 0.105e^αT)（α = -0.026 °C⁻¹）でフィットした。
• パルス幅（FWHM）は時間的・温度的要因に関係なく安定しており、タイミング特性に顕著な劣化は認められなかった。
• 『古め』NICHIA（1995–96年）および『古め』KINGBRIGHT（NBCマーク）のLEDは高速発光動態を示したが、『新め』バッチ（例：L7113PBC）は顕著に遅くなった。
• 光出力およびタイミング特性に高い安定性を示す一方で、現代のLEDは初期バッチと比較して発光動態が著しく劣化しており、バッチ依存の顕著な性能シフトが示された。