[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究评估了采用雪崩晶体管脉冲驱动器驱动的超亮InGaN/GaN蓝色LED作为纳秒光源的长期稳定性和温度依赖性。在2.2 A电流和100 kHz重复频率下，光源在长达10^10次脉冲的运行中保持稳定的光输出和脉冲宽度，增益波动小于1%，但不同批次的LED（'旧'批次为快速，'新'批次为慢速）在发射动力学上表现出显著差异。

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%.

研究动机与目标

• 评估在高重复频率、高电流条件下，基于超亮蓝色InGaN/GaN LED的纳秒光源的长期稳定性。
• 研究在-30°C至+45°C温度范围内，这些光源的光输出和脉冲宽度的温度依赖性。
• 比较不同LED制造商及生产批次的性能，尤其关注发射动力学特性。
• 验证此类光源在高精度实验物理应用（如探测器校准）中的可靠性。

提出的方法

• 使用带有3–10 pF放电电容的雪崩晶体管驱动器，生成通过LED的纳秒级电流脉冲（0.6–2.2 A）。
• 采用恒温腔体实现温度控制（±0.1°C），并在100 Hz、1 kHz、10 kHz和100 kHz重复频率下测试稳定性。
• 通过光电倍增管（ET9116B）测量光输出，并利用LeCroy 2249A ADC进行电荷积分，校准采用Am-241/YAlO3:Ce源。
• 利用恒幅因子甄别器和时间到数字转换器（BVT-12A，75 ps分辨率）监测脉冲宽度（FWHM）和幅度稳定性。
• 对温度依赖的光输出进行指数拟合：NICHIA为Y = Y₀(1.12 – 0.15e^αT)，KINGBRIGHT为Y = Y₀(0.94 + 0.105e^αT)，其中α分别为-0.015和-0.026 °C⁻¹。
• 对NICHIA和KINGBRIGHT各类型LED测试15只，包括'旧'（1995–96年）和'新'（2002–03年）批次。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高电流和高重复频率下，经过10^10次纳秒脉冲后，InGaN/GaN LED的光输出是否退化？
• RQ2 从-30°C到+45°C的温度变化如何影响不同LED类型的光输出？
• RQ3 这些光源的时序特性（脉冲宽度、幅度）在长时间运行后是否保持稳定？
• RQ4 为何同一LED型号的'旧'批次和'新'批次表现出截然不同的发射动力学？
• RQ5 这些基于LED的光源能否在物理实验的精密时间与幅度校准中可靠使用？

主要发现

• 在严苛条件（2.2 A，100 kHz）下，经过10^10次总脉冲后，NICHIA NSPB500S和KINGBRIGHT L7113NBC LED的光输出保持稳定，波动小于1%。
• NICHIA LED在-30°C至+45°C温度范围内光输出增加7%，其行为良好符合Y = Y₀(1.12 – 0.15e^αT)模型，其中α = -0.015 °C⁻¹。
• KINGBRIGHT LED在同一温度范围内光输出减少9%，其行为良好符合Y = Y₀(0.94 + 0.105e^αT)模型，其中α = -0.026 °C⁻¹。
• 脉冲宽度（FWHM）在时间和温度变化下保持稳定，表明时序特性无显著退化。
• '旧'批次NICHIA（1995–96年）和'旧'批次KINGBRIGHT（NBC标记）LED表现出快速发射动力学，而'新'批次（如L7113PBC）则显著更慢。
• 尽管光输出和时序特性表现出高度稳定性，但现代LED的发射动力学相比早期批次已明显劣化，表明存在关键的批次相关性能变化。