紅外發光二極管制造技術

一種紅外發光二極管裝置，所述裝置包括：紅外發光二極管，其在被正偏置時發射正發光，在被反向偏置時發射負發光。所述紅外發光二極管被交變的正負偏置輸入驅動，使得所述發光二極管在正發光和負發光之間的輸出功率之差相對于溫度是穩定的。所述紅外發光二極管裝置尤其適用于氣體檢測器的光源，并且能夠減少或消除對紅外發光二極管光源的溫度控制的要求。（*該技術在2019年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及發出紅外波長的電磁輻射的半導體發光二極管(LED)。紅外發光二極管可以應用于電信、光譜學領域，特別是氣體檢測器領域。紅外氣體檢測器技術已經被付諸應用，并且可以給出選擇的和定量的氣體檢測，用于檢測具有波長為3和12微米之間的振動轉動吸收的各種氣體。現有的用于紅外波長的氣體檢測器的紅外源需要在高溫下操作，因而在其自身的安全性、波長范圍、穩定性和壽命方面具有許多缺點。此外，現有的紅外源發射的紅外輻射的脈沖的頻率受到數量級為幾赫茲的最大頻率的限制，這和用于操作電子的最佳工作頻率不一致，因而限制了可以在氣體檢測器中使用的紅外信號檢測器的類型。近來研制的紅外發光二極管克服了其在氣體檢測器應用中的許多問題。新的紅外發光二極管被間歇地正偏置，以便產生一系列紅外輻射的脈沖。不過，這些脈沖的輸出功率極大地依賴于溫度。因而，在氣體檢測器的結構中使用這種紅外發光二極管時，或者必須監視發光二極管的溫度和通過計算來對溫度變化進行的校正的結果，或者必須穩定發光二極管的溫度。用于使發光二極管的光輸出功率相對于溫度穩定的方法是使用溫度控制方法，例如使用熱電或珀耳帖冷卻和溫度傳感器的組合。因此，使溫度穩定以及對溫度進行監視對在氣體檢測中應用的紅外發光二極管的操作增加了費用和復雜性。本專利技術的目的在于提供一種紅外發光二極管裝置，其不需要使溫度精確地穩定，便可以以穩定的方式進行操作。因而，本專利技術的第一個方面提供一種紅外發光二極管裝置，所述裝置包括紅外發光二極管，其在被正偏置時發射正發光，在被反向偏置時發射負發光，以及驅動裝置，用于對發光二極管提供交替的正負偏置輸入，使得所述發光二極管在正發光和負發光之間的輸出功率之差相對于溫度是穩定的。按照本專利技術的第二方面，提供一種用于操作紅外發光二極管的方法，所述二極管在正偏置下發射正發光，在負偏置下發射負發光，所述方法包括以下步驟對所述發光二極管提供交替的正負偏置輸入，使得所述發光二極管在正發光和負發光之間的輸出功率之差相對于溫度是穩定的。因此，在一個選擇的溫度范圍內，隨交變的正負偏置輸入而改變的發光二極管發出的輸出功率的成分在正負發光的每個周期具有在最大(正發光)和最小(負發光)輸出功率之間的恒定的差值。因而，如果使用最小的負發光作為測量輸出功率的基值，則在一個選擇的溫度范圍內，對于每個正負發光周期，所述基值(其隨溫度而改變)和正發光的最大值(其也隨溫度而改變)之間的差值將保持恒定。因而可以使用溫度穩定的交變輸出功率作為各種紅外應用的光源，特別是具有很少的或者沒有外部溫度控制的在氣體檢測器中。按照本專利技術的紅外發光二極管裝置還可以增加有用的紅外信號的幅值，因為在氣體檢測器應用中，除正發光脈沖之外，還可以使用負發光脈沖。這參照圖4a、4b可以理解，圖4a表示對于一個紅外發光二極管試樣其正發光和負發光(反向的)隨溫度的改變，圖4b表示在兩個不同的溫度下一個發光二極管試樣一個正負發光周期。由圖4a可以看出，在圖4a中測量的半導體紅外發光二極管的正發光(在正偏置下發光)在至少0-50℃的范圍內隨溫度的增加而穩定地減少。這是因為在LED內的輻射的和主要的非輻射的重組機制的溫度依賴性的比例所致。這也示于圖4b中，其中在10℃時的正發光輸出功率是PP1，在25℃時的正發光輸出功率被減少到PP2。對于負發光(在負偏置下發光)，由圖4a可見，從0℃以下大約到35℃，發光強度隨溫度穩定地增加。這是因為在這個溫度范圍內，LED處在反向飽和狀態下，使得負發光強度主要和LED內的輻射處理相關所致。這也示于圖4b中，其中在10℃時的負發光的輸出功率是PN1，在25℃時的負發光的輸出功率是具有較大的強度(即更加負向)的PN2。不過，通過選擇正確的正向或反向偏置，在一個選擇的溫度范圍內，從10℃到25℃的溫度范圍內的正發光的改變可以基本上和負發光的改變相等因而抵銷。這便在每個周期產生了在正發光和負發光的輸出功率之間的恒定的差值。這在圖4b示出了，因為dP1＝dP2。因此，最好是如此選擇正負偏置，使得在選擇的溫度范圍內，在正偏置下LED的輸出功率隨溫度的改變基本上等于在負偏置下LED的輸出功率隨溫度的改變，因而使所述改變抵銷。通過利用交變的正負偏置輸入操作圖4a測量的LED，使得LED交替地進行正發光和負發光，在0-35℃之間的選擇的溫度范圍內，可以使圖4a所示的溫度相關性被相互抵銷。因而減少正發光和負發光之間的輸出功率差值的溫度敏感性。所實現的能夠減少溫度敏感性的溫度范圍相應于紅外二極管的實際操作的溫度。這使得按照本專利技術的LED裝置能夠利用更簡單的溫度穩定技術操作。為了改善溫度穩定，交替的正負偏置輸入被有規律地改變。特別是最好正偏置輸入的時間間隔與/或強度在連續的正發光周期內基本相同，負偏置輸入的時間間隔與/或強度在連續的負發光的周期內基本相同。不過，正偏置輸入的時間間隔與/或強度不必和負偏置輸入的時間間隔與/或強度相同。為了達到最大的輸出功率，同時仍然實現溫度穩定，如此選擇反向偏置，使得其在選擇的操作溫度范圍內的最大溫度下給出最大的負發光。然后，按照上述選擇正偏置的值。此處所述的LED的正負發光隨施加的偏置的值而增加，例如，隨著偏置電流的增加而增加直至在負偏置內出現飽和。因此，為了得到最大的輸出功率，同時仍然保持溫度穩定，最好選擇反向偏置的值是能夠給出接近飽和電流的電流值所需的最小值。在優選實施例中，交變的偏置輸入信號的頻率至少是1Hz，最好至少是5Hz。交變偏置輸入信號的頻率必須足夠高，使得在信號的半周期期間輸出功率中的溫度相關改變(即在正偏置或負偏置的每個周期期間溫度相關輸出功率的改變)是可以被忽略的。只限制頻率的上限是因為紅外發光二極管對正負偏置之間的改變的響應不是瞬時的。本專利技術可用于高達至少幾十兆赫茲的頻率。在優選實施例中，發光二極管發射紅外波長范圍為3-13微米的輻射。在另一個實施例中，發光二極管由窄能帶隙的半導體材料構成。按照本專利技術的第三方面，提供一種包括上述的溫度穩定的紅外發光二極管的檢測器裝置。按照本專利技術的發光二極管適用于需要紅外源的所有類型的檢測器，尤其適用于氣體檢測器。本專利技術提供一種溫度穩定的紅外發光二極管裝置，所述裝置包括紅外發光二極管，以及用于對發光二極管提供交變的正負偏置輸入的驅動裝置。下面參照附圖說明本專利技術，其中圖1示意地表示適用于按照本專利技術的裝置的半導體紅外發光二極管(LED)的結構；圖2表示沿著圖1的發光二極管的導帶能量和價帶頂邊能量中的變化；圖3示意地表示為形成圖1的裝置而生成的半導體異型結構；圖4a表示圖1所示的發光二極管在正向偏置和反向偏置下輸出功率的正發光和負發光與溫度的關系；圖4b表示圖1所示的發光二極管在10℃和25℃的溫度下的正發光和負發光；圖5示意地表示圖1的發光二極管的驅動電路；圖6表示可以被輸入圖5所示的驅動電路的方波電壓驅動信號；圖7示意地表示使用圖1所示的發光二極管的氣體檢測器；圖8a-8c表示按照本專利技術的發光二極管裝置的正發光和負發光之間的輸出功率之差與溫度的關系；圖9表示圖1所示類型的發光二極管的3個試樣的輸出發射光譜。參看圖3，其中示意地示出了適用于構成按照本專利技術的發光二極管的半導體異型結構10。異型結構10基于窄能帶隙材料InSb，并且包本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種紅外發光二極管裝置，所述裝置包括：紅外發光二極管，其在被正偏置時發射正發光，在被反向偏置時發射負發光，以及驅動裝置，用于對發光二極管提供交替的正負偏置輸入，使得所述發光二極管在正發光和負發光之間的輸出功率之差相對于溫度是穩定的。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】GB 1998-7-4 9814462.91.一種紅外發光二極管裝置，所述裝置包括紅外發光二極管，其在被正偏置時發射正發光，在被反向偏置時發射負發光，以及驅動裝置，用于對發光二極管提供交替的正負偏置輸入，使得所述發光二極管在正發光和負發光之間的輸出功率之差相對于溫度是穩定的。2.如權利要求1所述的裝置，其中所述交變的正負偏置輸入有規則地改變。3.如權利要求1或2所述的裝置，其中正偏置輸入的時間間隔與/或強度在連續的正發光周期內基本相同，負偏置輸入的時間間隔與/或強度在連續的負發光的周期內基本相同。4.如前面任何一個權利要求所述的裝置，其中在一個選擇的溫度范圍內，在正偏置輸入值下LED的輸出功率隨溫度的改變基本上等于并抵銷在負偏置輸入值下LED的輸出功率隨溫度的改變。5.如前面任何一個權利要求所述的裝置，其中施加于LED的負偏置輸入被這樣選擇，使得其在選擇的操作溫度范圍內的最大溫度下在LED中產生最大的負發光。6.如前面任何一個權利要求所述的裝置，其中發光二極管發射紅外波長范圍為3-13微米的輻射。7.如前面任何一個權利要求所述的裝置，其中發光二極管由窄能帶隙的半導體材料構成。8.一種包括上面任何一個權利要求所述的紅外發光二極管裝置的檢...

【專利技術屬性】
技術研發人員：T阿什利，JG克勞德，VP曼海姆，SD史密斯，
申請(專利權)人：英國國防部，
類型：發明
國別省市：GB[英國]