Розрахунково-графічна робота
по предмету: Функціональна електроніка
ЗМІСТ
1. ВСТУП. 3
2. НЕКОГЕРЕНТНОГО ВИПРОМІНЮВАЧІ .. 5
2.1. Принцип дії світлодіодів. 5
2.2. Конструкції світлодіодів. 10
3. Когерентні випромінювачі. 14
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ .. 19
ОЕ надає помітний вплив на сферу інформатики та індустрії обробки даних.
Останнім часом інтенсивно розвиваються оптичні методи обробки інформації в основному за трьома напрямками:
1) створення цифрових оптичних обчислювальних машин (ОВМ) з широким застосуванням різних оптоелектронних та оптичних компонентів, волоконної оптики, оптичних запам'ятовуючих пристроїв і процесорів і ін Теоретичні оцінки показують, що такі машини можуть мати швидкодію порядку декількох мільярдів операцій в секунду і підвищену надійність завдяки відсутності затримок, притаманних електричним сигналам, двовимірному характером вихідної інформації нечутливості до зовнішніх і перехресним перешкод і т.д.;
2) створення аналогових ОВМ, принцип дії яких заснований на тому, що певна комбінація досить простих оптичних елементів (лінз, дифракційних решіток, голограм та ін) дозволяє здійснювати над оптичним сигналом вельми складні інтегральні перетворення, які використовуються замість елементарних операцій арифметичного додавання і логічного порівняння в ЕОМ. Однак, ОВМ аналогового типу мають порівняно малу точність обчислень (у межах декількох відсотків), і їх доцільно застосовувати в тих випадках, коли потрібно швидко обробляти значні обсяги інформації без підвищених вимог до точності обчислень;
3) створення ОВМ з картинною логікою, здійснюють одночасну обробку великих масивів інформації у вигляді двомірних зображень.
Перспективи практичного застосування більшої частини розглянутих пристроїв визначаються рівнем розвитку інтегральної оптики - нового фізико-технічного та схемотехнічного напрямки ОЕ, який дозволяє створити методами інтегральної технології мікромініатюрних твердотільні пристрої, що містять як пасивні (лінзи, дзеркала, призми, дифракційні решітки), так і активні (випромінювачі , фото приймачі, модулятори, дефлектори і т.д.) оптоелектронні елементи.
Залежно від характеру оптичного сигналу розрізняють когерентного та некогерентного оптоелектроніку.
Когерентна ОЕ базується на використанні лазерного випромінювання. До некогерентної ОЕ відносять дискретні і матричні некогерентних випромінювачі та побудовані на їх основі цифрові індикаторні пристрої візуального представлення інформації, шкали, табло, екрани, а також фото приймальні пристрої, оптопари, оптронна інтегральні мікросхеми (ІМС) і ін
Доцільно розділити світлодіоди на дві групи: 1) світлодіоди, що випромінюють у видимому діапазоні спектру і використовувані, головним чином, для відображення інформації; 2) ІК світлодіоди, застосовувані в оптронах та волоконно-оптичних лініях зв'язку.
Хоча виготовляють світлодіоди обох груп з різних напівпровідникових матеріалів, принцип дії їх однаковий і заснований на явищі спонтанної инжекционной електролюмінісценціі - інжекції неосновних носіїв в активну область прямосмещенного pn-, гомо - або гетеропереходу з подальшою випромінювальної рекомбінацією в цій області.
Специфіка процесів інжекції в світлодіодах полягає в тому, що одна з областей pn-переходу має бути оптично активна, тобто повинна володіти високим внутрішнім квантовим виходом випромінювання.
Як відомо, повне число випромінювальних переходів в одиниці об'єму при міжзонних рекомбінації дорівнює добутку
Очевидно, що pn-перехід з високим внутрішнім квантовим виходом ηвн, рівним відношенню числа генеруються в базі фотонів до числа інжектованих в неї неосновних носіїв, повинен бути виготовлений з прямозонних напівпровідника, для якого В
Кардинальне вирішення даної проблеми дає використання гетеропереходів. У цьому випадку завдяки ефекту суперінжекціі можна отримати заданий np при не дуже сильно легованому емітері. Одностороння інжекції (γп → 1) забезпечується за рахунок різниці в ширині заборонених зон використовуваних напівпровідників:
Міжзонних випромінювальні переходи конкурують з безвипромінювальної і випромінювальними переходами, пов'язаними з рекомбінацією через проміжні стани (дефекти структури, сторонні домішки і включення, глибокі домішкові центри, поверхневі стану і т.д.). Всі ці конкуруючі переходи, які можна охарактеризувати деяким ефективним часом життя τбезізл, знижують величину ηвн, оскільки супроводжуються зникненням інжектованих в базу носіїв для генерування фотона відповідної енергії.
Зниження частки безвипромінювальної рекомбінації (збільшення τбезизл) - одна з найважливіших задач технології світлодіодів, спрямована на підвищення ηвн. Для придушення безвипромінювальної переходів приймають різноманітні заходи: 1) оптимізують випромінювальні структури з метою зниження концентрації дефектів на границях шарів, виключення безвипромінювальної рекомбінації на поверхні і т.д.; 2) використовують якісні епітаксиальні шари, отримані методами рідинної, газової чи молекулярно-променевої епітаксії . Через низьку температуру і невисокій швидкості росту таких верств різко знижується щільність дислокацій та інших дефектів структури, концентрація сторонніх домішок. Наприклад, у шарах Ga1-xAlxAs при x <0.3, отриманих методом рідинної епітаксії, ймовірність безвипромінювальної рекомбінації зведена практично до нуля (τбезизл → ∞), і, отже, ηвн наближається до 100%.
Важливим завданням є також зниження частки поглинається усередині кристала випромінювання. Існує три методи боротьби з цим явищем.
Зменшення енергії фотонів за рахунок компенсації домішок в активній області. За таким принципом створено епітаксиальні pn-структури в GaAs, легованих кремнієм, в яких генеруються фотони з енергією, меншою ширини забороненої зони (hvізл <Eg). При цьому коефіцієнт поглинання не перевищує 100 см-1. У GaAs: Si-структурах ηвн становить 40 - 70%. Основним недоліком таких структур є невисока швидкодія.
Використання непрямозонних напівпровідників зокрема GaP. Відомо, ймовірність міжзонного рекомбінації в GaP невелика (У
Використання ефекту «широкозонного вікна» в гетероструктурах. Слід зазначити, що застосування гетероструктур в світлодіодах вигідно і з інших причин. Завдяки ефектів «електронного» обмеження і суперінжекціі можна різко підвищити концентрацію неосновних носіїв в активній області і досягти високого внутрішнього квантового виходу при малих прямих струмах. У таких випадках рекомбінація носіїв відбувається в обмеженій за розмірами області, у якій концентрація нерівноважних носіїв підвищується в
Природно, велике значення ηвн не гарантує високої ефективності світлодіода як оптоелектронного приладу, тому при його експлуатації більш важливим є такий параметр, як зовнішній квантовий вихід ηвнш (або ККД перетворення електричної енергії в світлову), який визначається відношенням числа фотонів, виведених за межі кристала, до числу носіїв заряду, що проходять через pn-перехід.
Як правило, величина ηвн не перевищує кількох відсотків, так як за межі кристала можна винести лише невелику частину генерується всередині активної області випромінювання. Найбільш важливими є такі види втрат: 1) на повне внутрішнє віддзеркалення випромінювання, що падає на межу розділу напівпровідник - навколишнє середовище під кутом, більшим за критичний, 2) на френелевское відображення для випромінювання, що падає на границю розділу під кутом, меншим критичного, 3) на поглинання випромінювання в об'ємі напівпровідника і в пріконтактних областях.
Найбільш значний перший вид втрат. Справа в тому, що частка виходить за межі кристала випромінювача визначається значенням критичного кута φкр між напрямком світлового променя і нормаллю до поверхні розділу:
Рис.2.1
Подальша доля відбитого від кордону розділу випромінювання залежить від коефіцієнта поглинання в об'ємі напівпровідника. Якщо цей коефіцієнт досить великий, то все випромінювання поглинеться всередині кристалу. Якщо ж кристал прозорий для генерованого випромінювання, то воно, відбиваючись від його граней, може повторно (і не один раз) падати на поверхню розділу і частково виводитися за межі кристала.
Ясно, що сверхізлучающіе структури з плоскою геометрією не можуть володіти високим значенням ηвнш навіть при ηвн
Інші методи підвищення ηвн пов'язані з приміщенням кристала в середу з проміжним показником заломлення (
Омічні контакти до кристалів виготовляють традиційними методами тонкоплівкової технології - вакуумним напиленням, електрохімічним або хімічним осадженням. Як правило, застосовують багатокомпонентні сплави типу Au - Zn, Au - Be, Au - Ni, Aa - Ge - Ni та ін Після операції нанесення контактів проводиться їх вжигание при температурах 500 - 6000С.
Для з'єднання верхніх контактів з висновками застосовують термокомпрессіонную або лазерну зварювання, а нижніх - припої або струмопровідні клеї. Верхній омічний контакт світлодіода повинен, з одного боку, мати мінімальну поверхню для зменшення втрат світла, а з іншого боку, містити майданчик, достатню для зварювання, і мати форму, що забезпечує рівномірне розтікання струму по площі pn-переходу (рис.2.1).
Нижній контакт може бути суцільним при непрозорою підкладці і у вигляді сітки або набору точок малої площі для кристалів з прозорою підкладкою. В останньому випадку контактний сплав повинен мати гарні, що відбивають.
На рис.2.2. показані конструкції деяких найбільш поширених типів світлодіодів та їх діаграми спрямованості. Як видно, існують три типи світлодіодів: у металлостеклянном (АЛ 102), пластмасовому (АЛ 307) корпусі і безкорпусні (АЛ 301). Перший тип світлодіодів характеризується високою надійністю і стабільністю параметрів, а другий - технологічністю і низькою вартістю, великою стійкістю до дії ударних і вібраційних навантажень, можливістю управління діаграмою спрямованості випромінювання у напрямі як її розширення, так і звуження.
Рис.2.2
Як правило, кристал поміщають у спеціальне поглиблення з відбивають світло стінками, що дозволяє збільшити силу світла в осьовому напрямку при одночасному поліпшенні сприйняття випромінювання в результаті розширення світиться майданчики та підвищення контрастності.
Пластмасовий корпус світлодіодів виготовляють у вигляді напівсферичної полімерної лінзи, яка перерозподіляє світловий потік і формує діаграму спрямованості світлодіода. Найчастіше такі лінзи роблять на основі епоксидних компаундів з добавкою барвників або светорассеивающих наповнювачів.
Світлодіоди видимого діапазону характеризуються такими основними параметрами: силою світла IV, довжиною хвилі випромінювання в максимумі спектральної смуги λmax (кольором світіння), напівшириною спектральної лінії випромінювання Δλ, діаграмою спрямованості (або кутом випромінювання φ), прямим напругою Uпр при заданому прямому струмі Іпр, світловою віддачею за потужністю або по струму, зовнішнім квантовим виходом ηвнш або ККД
Для ІК світлодіодів замість сили світла IV використовують силу випромінювання
Табл.2.1
Матеріали, використовувані для світлодіодів, і їх основні характеристики наведені у табл.2.1. Аналізуючи наведені дані, неважко помітити, що відсутні матеріали, що дозволяють отримувати світіння в блакитний і синій частинах спектра. В даний час здійснюється інтенсивний пошук таких матеріалів. Найбільш дослідженими з них є бінарні сполуки типу АIIIВV з шириною забороненої зони Еg> 3,0 еВ: GaN, SiC, A1N та ін
Великі перспективи мають потрійні і четверні напівпровідникові з'єднання, ширина забороненої зони яких безперервно змінюється в залежності від їх складу. Використовуючи чотирьохкомпонентні з'єднання, можна керувати шириною забороненої зони Е і постійної кристалічної решітки а в досить широких межах. Наприклад, для прямозонних сполук InGaAsP Еg змінюється від 0,36 до 2,2 еВ (λ = 0,55-3,4 мкм при T = 300 К). В якості підкладок можна використовувати GaAs або GaAsP.
ІК світлодіоди виготовляють на основі GaAs, GaAlAs і GalnAsP. Найбільш ефективними з усіх випромінюючих структур є подвійні гетероструктури в системі GaAs / GaAlAs, для яких може бути отриманий ηвн, близький до 100%, а ηвнш - більше 45% в діапазоні довжин хвиль 0,82-0,9 мкм. Як відомо, якість гетероструктур визначається узгодженням параметрів решіток підкладки і епітаксійних шарів, тобто можливістю створення ізорешеточной структури. Для гетеропереходів GaAs/Ga1-хAlхAs параметри грат практично збігаються в широкому діапазоні складів потрійне з'єднання. Тому можливе отримання гетеропереходів з мінімальною щільністю дислокацій на межі розділу активний шар - емітер.
До числа найважливіших параметрів і характеристик інжекційних ППЛ від носять пороговий струм Iпор (щільність порогового струму Jпор), довжину хвилі λ і напівширину спектру випромінювання Δλ, енергію Е або потужність випромінювання Р, тривалість τ і частоту f проходження імпульсів, діаграму спрямованості (кут розходження ), Модовий склад випромінювання, ККД, термін служби, модуляційні характеристики та ін
Удосконалення технології створення ППЛ дозволило значно знизити порогові струми при одночасному підвищенні диференціального ККД ηдіф, що визначається тангенсом кута нахилу ват-амперної характеристики. Так, для типового гомолазера Jпор
У тому ж році Ж.І. Алфьоровим були створені більш ефективні ППЛ на основі подвійних гетероструктур з Jпор
Сучасна технологія дозволяє створювати гетеролазери з контрольованим модових складом випромінювання при Jпор
Рис.3.1
На рис.3.1. наведені найбільш поширені конструкції інжекційних ППЛ. Імпульсні лазери мають зазвичай мають широкі контакти, плоский або гофрований активний шар (рис.3.1, а, б). Для більшості безперервних лазерів, що працюють при кімнатній температурі, характерна Полоскова геометрія з резонатором, утвореним дзеркальними відколами торцевих поверхонь кристала. Смуга контакт (рис.3.1, в) забезпечує зменшення ширини активного шару W до величини 3-25 мкм і різке зниження порогового струму. На практиці застосовують різні методи формування смужкових структур - з використанням окисной ізоляції (рис.3.1, в), мезаструктур, створення високоомних областей, що оточують активний шар з бічних сторін, та ін При W <10 мкм вдається усунути виникнення в межах активного шару декількох областей з високою інтенсивністю випромінювання (так званих світлових "шнурів"), які можна трактувати як поперечні моди. На рис.3.2. показана структура таких мод при різній ширині активного шару W. Видно, що при W = 10 мкм випромінюється одна мода, яка характеризується гауссовских розподілом інтенсивності.
Рис.3.2
Гетероструктура з канавкою, яку формують перед вирощуванням епітаксійних шарів (рис.3.1, г), забезпечує одномодовим генерацію. Іноді товщину шарів гетероструктури роблять змінної, а самі шари розташовують похило, як, наприклад, в ППЛ «терасного» типу (рис.3.1, д). Мінімальний по ширині пучок випромінювання характерний для ППЛ з «зарощенной» мезаполосковой структурою (рис.3.1, е), з V-подібною структурою (рис.3.1, ж) і з поперечним pn-переходом (рис.3.1, з).
Найкращими характеристиками мають інжекційні ППЛ з «зарощенной» мезаполосковой гетероструктурою, в яких активна область має форму смужки прямокутного перерізу площею dW <1 мкм2, зануреної в середовище з меншим показником заломлення і ширшою забороненою зоною. Ефективна електрична ізоляція поза активної області та малий обсяг активної області дозволяють знизити порогові струми до декількох міліампер, а споживану електричну потужність - до декількох десятків міліват. Такі ППЛ мають досить високий ККД, можуть випромінювати в одномодовом і навіть одночастотне режимі потужність до 5 мВт, володіють хорошими модуляційних характеристиками (fмод> 2 ГГц). Термін їх служби перевищує 10 000 ч.
При необхідності збільшити потужність випромінювання використовують ППЛ з додатковими хвилеводними шарами, званими BOG-Lasers (лазери з «великим» оптичним резонатором). Такі лазери при довжині резонатора 300 мкм, шириною 2-4 мкм і товщині активного шару 0,1 мкм стабільно генерують в одномодовом режимі потужності більше 10 мВт (з захисними покриттями на дзеркалах до 30 мВт) при ККД вище 30%. Типові значення Jпор складають 1,4-1,8 кА/см2, мінімальний пороговий струм у безперервному режимі 9 мА.
В даний час ведуться роботи з удосконалення інжекційних ППЛ, спрямовані на збільшення терміну їх служби, ККД, потужності випромінювання, розширення діапазону довжин хвиль генерованого випромінювання, створення лазерів. Одна з найбільш актуальних завдань, особливо для безперервних лазерів, - збільшення гарантійного терміну служби до 100 000 год, характерного для інших елементів електронної техніки. У зв'язку з цим ретельно досліджуються механізми деградації інжекційних ППЛ, пов'язані з тривалим протіканням електричного струму великої щільності і "старінням" напівпровідникового матеріалу.
Залежно від характеру прояву і швидкості розвитку виділяють три групи деградаційних процесів: 1) катастрофічна деградація; 2) утворення дефектів темних ліній, 3) повільна деградація.
При катастрофічної деградації відбувається руйнування дзеркал резонатора (Ркр
Дефекти темних ліній представляють собою тривимірну сітку дислокацій, яка формується в процесі роботи ППЛ і впроваджується всередину резонатора. Розвиток дефектів прискорюється під дією механічних напруг. В області таких дефектів швидкість безвипромінювальної рекомбінації висока, отже, великі втрати генерованого випромінювання, а це призводить до збільшення Iпор. Для зменшення ймовірності утворення дефектів темних ліній необхідно використовувати вчинені епітаксиальні структури з низькою щільністю дислокацій і малими механічними напруженнями.
Якщо усунути причини, що викликають катастрофічну деградацію через дефекти темних ліній, ППЛ можуть безперервно працювати протягом багатьох років з відносно повільною деградацією властивостей, зумовленої міграцією неконтрольованих домішок в активну область і поступовим збільшенням там концентрації безвипромінювальної центрів, зростанням теплового опору, а також послідовного опору шарів і т.д. При цьому спостерігається однозначна зв'язок: чим менше значення Iпор, тим вище довговічність ППЛ.
Відзначимо одну особливість інжекційних ППЛ, яку необхідно враховувати при їх використанні, а саме: велику кутову расходимость випромінювання. Вона різна в площині активного шару (θII
2. Н.М. Тугов, Б.А. Глєбов. Напівпровідникові прилади. М., - 1990р.
3. А.Г. Смирнов. Квантова електроніка і оптоелектроніка. М., - 1987.
4. В.В. Пасинків, Л.К. Чиркин. Напівпровідникові прилади. М., - 1978р.
по предмету: Функціональна електроніка
ЗМІСТ
1. ВСТУП. 3
2. НЕКОГЕРЕНТНОГО ВИПРОМІНЮВАЧІ .. 5
2.1. Принцип дії світлодіодів. 5
2.2. Конструкції світлодіодів. 10
3. Когерентні випромінювачі. 14
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ .. 19
1. ВСТУП
Оптоелектроніка (ОЕ) - це область науки і техніки, пов'язана з розробкою і застосуванням комбінованих електронно-оптичних пристроїв і систем для передачі, приймання, обробки, зберігання і відображення інформації.ОЕ надає помітний вплив на сферу інформатики та індустрії обробки даних.
Останнім часом інтенсивно розвиваються оптичні методи обробки інформації в основному за трьома напрямками:
1) створення цифрових оптичних обчислювальних машин (ОВМ) з широким застосуванням різних оптоелектронних та оптичних компонентів, волоконної оптики, оптичних запам'ятовуючих пристроїв і процесорів і ін Теоретичні оцінки показують, що такі машини можуть мати швидкодію порядку декількох мільярдів операцій в секунду і підвищену надійність завдяки відсутності затримок, притаманних електричним сигналам, двовимірному характером вихідної інформації нечутливості до зовнішніх і перехресним перешкод і т.д.;
2) створення аналогових ОВМ, принцип дії яких заснований на тому, що певна комбінація досить простих оптичних елементів (лінз, дифракційних решіток, голограм та ін) дозволяє здійснювати над оптичним сигналом вельми складні інтегральні перетворення, які використовуються замість елементарних операцій арифметичного додавання і логічного порівняння в ЕОМ. Однак, ОВМ аналогового типу мають порівняно малу точність обчислень (у межах декількох відсотків), і їх доцільно застосовувати в тих випадках, коли потрібно швидко обробляти значні обсяги інформації без підвищених вимог до точності обчислень;
3) створення ОВМ з картинною логікою, здійснюють одночасну обробку великих масивів інформації у вигляді двомірних зображень.
Перспективи практичного застосування більшої частини розглянутих пристроїв визначаються рівнем розвитку інтегральної оптики - нового фізико-технічного та схемотехнічного напрямки ОЕ, який дозволяє створити методами інтегральної технології мікромініатюрних твердотільні пристрої, що містять як пасивні (лінзи, дзеркала, призми, дифракційні решітки), так і активні (випромінювачі , фото приймачі, модулятори, дефлектори і т.д.) оптоелектронні елементи.
Залежно від характеру оптичного сигналу розрізняють когерентного та некогерентного оптоелектроніку.
Когерентна ОЕ базується на використанні лазерного випромінювання. До некогерентної ОЕ відносять дискретні і матричні некогерентних випромінювачі та побудовані на їх основі цифрові індикаторні пристрої візуального представлення інформації, шкали, табло, екрани, а також фото приймальні пристрої, оптопари, оптронна інтегральні мікросхеми (ІМС) і ін
2. НЕКОГЕРЕНТНОГО ВИПРОМІНЮВАЧІ
2.1. Принцип дії світлодіодів
Як некогерентних випромінювачів можна використовувати понад мініатюрні накальное і газорозрядні лампочки, порошкові, плівкові люмінофори, світловипромінюючі діоди і т.д. Однак вимогам, щодо оптоелектронних приладів, задовольняють лише світловипромінюючі діоди, що характеризуються високою ефективністю прямого перетворення електричної енергії в світлову, надійністю і великим терміном служби, стійкістю до механічних і кліматичних впливів, високою швидкодією.Доцільно розділити світлодіоди на дві групи: 1) світлодіоди, що випромінюють у видимому діапазоні спектру і використовувані, головним чином, для відображення інформації; 2) ІК світлодіоди, застосовувані в оптронах та волоконно-оптичних лініях зв'язку.
Хоча виготовляють світлодіоди обох груп з різних напівпровідникових матеріалів, принцип дії їх однаковий і заснований на явищі спонтанної инжекционной електролюмінісценціі - інжекції неосновних носіїв в активну область прямосмещенного pn-, гомо - або гетеропереходу з подальшою випромінювальної рекомбінацією в цій області.
Специфіка процесів інжекції в світлодіодах полягає в тому, що одна з областей pn-переходу має бути оптично активна, тобто повинна володіти високим внутрішнім квантовим виходом випромінювання.
Як відомо, повне число випромінювальних переходів в одиниці об'єму при міжзонних рекомбінації дорівнює добутку
Очевидно, що pn-перехід з високим внутрішнім квантовим виходом ηвн, рівним відношенню числа генеруються в базі фотонів до числа інжектованих в неї неосновних носіїв, повинен бути виготовлений з прямозонних напівпровідника, для якого В
Кардинальне вирішення даної проблеми дає використання гетеропереходів. У цьому випадку завдяки ефекту суперінжекціі можна отримати заданий np при не дуже сильно легованому емітері. Одностороння інжекції (γп → 1) забезпечується за рахунок різниці в ширині заборонених зон використовуваних напівпровідників:
Міжзонних випромінювальні переходи конкурують з безвипромінювальної і випромінювальними переходами, пов'язаними з рекомбінацією через проміжні стани (дефекти структури, сторонні домішки і включення, глибокі домішкові центри, поверхневі стану і т.д.). Всі ці конкуруючі переходи, які можна охарактеризувати деяким ефективним часом життя τбезізл, знижують величину ηвн, оскільки супроводжуються зникненням інжектованих в базу носіїв для генерування фотона відповідної енергії.
Зниження частки безвипромінювальної рекомбінації (збільшення τбезизл) - одна з найважливіших задач технології світлодіодів, спрямована на підвищення ηвн. Для придушення безвипромінювальної переходів приймають різноманітні заходи: 1) оптимізують випромінювальні структури з метою зниження концентрації дефектів на границях шарів, виключення безвипромінювальної рекомбінації на поверхні і т.д.; 2) використовують якісні епітаксиальні шари, отримані методами рідинної, газової чи молекулярно-променевої епітаксії . Через низьку температуру і невисокій швидкості росту таких верств різко знижується щільність дислокацій та інших дефектів структури, концентрація сторонніх домішок. Наприклад, у шарах Ga1-xAlxAs при x <0.3, отриманих методом рідинної епітаксії, ймовірність безвипромінювальної рекомбінації зведена практично до нуля (τбезизл → ∞), і, отже, ηвн наближається до 100%.
Важливим завданням є також зниження частки поглинається усередині кристала випромінювання. Існує три методи боротьби з цим явищем.
Зменшення енергії фотонів за рахунок компенсації домішок в активній області. За таким принципом створено епітаксиальні pn-структури в GaAs, легованих кремнієм, в яких генеруються фотони з енергією, меншою ширини забороненої зони (hvізл <Eg). При цьому коефіцієнт поглинання не перевищує 100 см-1. У GaAs: Si-структурах ηвн становить 40 - 70%. Основним недоліком таких структур є невисока швидкодія.
Використання непрямозонних напівпровідників зокрема GaP. Відомо, ймовірність міжзонного рекомбінації в GaP невелика (У
Використання ефекту «широкозонного вікна» в гетероструктурах. Слід зазначити, що застосування гетероструктур в світлодіодах вигідно і з інших причин. Завдяки ефектів «електронного» обмеження і суперінжекціі можна різко підвищити концентрацію неосновних носіїв в активній області і досягти високого внутрішнього квантового виходу при малих прямих струмах. У таких випадках рекомбінація носіїв відбувається в обмеженій за розмірами області, у якій концентрація нерівноважних носіїв підвищується в
Природно, велике значення ηвн не гарантує високої ефективності світлодіода як оптоелектронного приладу, тому при його експлуатації більш важливим є такий параметр, як зовнішній квантовий вихід ηвнш (або ККД перетворення електричної енергії в світлову), який визначається відношенням числа фотонів, виведених за межі кристала, до числу носіїв заряду, що проходять через pn-перехід.
Як правило, величина ηвн не перевищує кількох відсотків, так як за межі кристала можна винести лише невелику частину генерується всередині активної області випромінювання. Найбільш важливими є такі види втрат: 1) на повне внутрішнє віддзеркалення випромінювання, що падає на межу розділу напівпровідник - навколишнє середовище під кутом, більшим за критичний, 2) на френелевское відображення для випромінювання, що падає на границю розділу під кутом, меншим критичного, 3) на поглинання випромінювання в об'ємі напівпровідника і в пріконтактних областях.
Найбільш значний перший вид втрат. Справа в тому, що частка виходить за межі кристала випромінювача визначається значенням критичного кута φкр між напрямком світлового променя і нормаллю до поверхні розділу:
Рис.2.1
Подальша доля відбитого від кордону розділу випромінювання залежить від коефіцієнта поглинання в об'ємі напівпровідника. Якщо цей коефіцієнт досить великий, то все випромінювання поглинеться всередині кристалу. Якщо ж кристал прозорий для генерованого випромінювання, то воно, відбиваючись від його граней, може повторно (і не один раз) падати на поверхню розділу і частково виводитися за межі кристала.
Ясно, що сверхізлучающіе структури з плоскою геометрією не можуть володіти високим значенням ηвнш навіть при ηвн
Інші методи підвищення ηвн пов'язані з приміщенням кристала в середу з проміжним показником заломлення (
2.2. Конструкції світлодіодів
Основу будь-якого світлодіода становить светоизлучающий кристал з певною комбінацією епітаксійних шарів, найчастіше висловлених на підкладках з GaAs або GaP. Кристал має, як правило, форму квадрата зі стороною 0.35 - 0.5 мм. Для підвищення щільності струму через pn-перехід зменшують розміри активної області до декількох десятків мікрометрів шляхом формування мезаструктур або ізолюючих аморфних шарів, отриманих протонної бомбардуванням.Омічні контакти до кристалів виготовляють традиційними методами тонкоплівкової технології - вакуумним напиленням, електрохімічним або хімічним осадженням. Як правило, застосовують багатокомпонентні сплави типу Au - Zn, Au - Be, Au - Ni, Aa - Ge - Ni та ін Після операції нанесення контактів проводиться їх вжигание при температурах 500 - 6000С.
Для з'єднання верхніх контактів з висновками застосовують термокомпрессіонную або лазерну зварювання, а нижніх - припої або струмопровідні клеї. Верхній омічний контакт світлодіода повинен, з одного боку, мати мінімальну поверхню для зменшення втрат світла, а з іншого боку, містити майданчик, достатню для зварювання, і мати форму, що забезпечує рівномірне розтікання струму по площі pn-переходу (рис.2.1).
Нижній контакт може бути суцільним при непрозорою підкладці і у вигляді сітки або набору точок малої площі для кристалів з прозорою підкладкою. В останньому випадку контактний сплав повинен мати гарні, що відбивають.
На рис.2.2. показані конструкції деяких найбільш поширених типів світлодіодів та їх діаграми спрямованості. Як видно, існують три типи світлодіодів: у металлостеклянном (АЛ 102), пластмасовому (АЛ 307) корпусі і безкорпусні (АЛ 301). Перший тип світлодіодів характеризується високою надійністю і стабільністю параметрів, а другий - технологічністю і низькою вартістю, великою стійкістю до дії ударних і вібраційних навантажень, можливістю управління діаграмою спрямованості випромінювання у напрямі як її розширення, так і звуження.
Рис.2.2
Як правило, кристал поміщають у спеціальне поглиблення з відбивають світло стінками, що дозволяє збільшити силу світла в осьовому напрямку при одночасному поліпшенні сприйняття випромінювання в результаті розширення світиться майданчики та підвищення контрастності.
Пластмасовий корпус світлодіодів виготовляють у вигляді напівсферичної полімерної лінзи, яка перерозподіляє світловий потік і формує діаграму спрямованості світлодіода. Найчастіше такі лінзи роблять на основі епоксидних компаундів з добавкою барвників або светорассеивающих наповнювачів.
Світлодіоди видимого діапазону характеризуються такими основними параметрами: силою світла IV, довжиною хвилі випромінювання в максимумі спектральної смуги λmax (кольором світіння), напівшириною спектральної лінії випромінювання Δλ, діаграмою спрямованості (або кутом випромінювання φ), прямим напругою Uпр при заданому прямому струмі Іпр, світловою віддачею за потужністю або по струму, зовнішнім квантовим виходом ηвнш або ККД
Для ІК світлодіодів замість сили світла IV використовують силу випромінювання
Табл.2.1
| Матеріал | Структура енергетичних зон | Колір світіння | Довжина хвилі λmax, мкм | Світлова віддача | |
| типова | максимальна | ||||
| GaP: ZnO | Непряма | Червоний | 0,699 | 0,4 | 3,0 |
| GaP: N | Те ж | Зелений | 0,570 | 0,3 | 4,0 |
| GaP: N | Те ж | Жовтий | 0,590 | 0,2 | 0,5 |
| GaAs0.35P0.65 | Те ж | Помаранчевий | 0,632 | 0,4 | 0,9 |
| GaAs0.15P0.85: N | Те ж | Жовтий | 0,589 | 0,2 | 0,9 |
| GaAs0.6P0.4 | Пряма | Червоний | 0,649 | 0,15 | 0,4 |
| Ga0.7Al0.3As | Те ж | Червоний | 0,675 | - | 0,4 |
| In0.42Ga0.58P | Те ж | Помаранчевий | 0,617 | - | 0,3 |
| SiC | Непряма | Жовтий | 0,590 | - | - |
| GaN | Пряма | Зелений | 0,575 | - | - |
| GaxAl1-xAs | Те ж | ІК | 0,82-0,9 | - | - |
| GaInAsP | Те ж | Видимий, ІК | 0,55-3,4 | - | - |
Великі перспективи мають потрійні і четверні напівпровідникові з'єднання, ширина забороненої зони яких безперервно змінюється в залежності від їх складу. Використовуючи чотирьохкомпонентні з'єднання, можна керувати шириною забороненої зони Е і постійної кристалічної решітки а в досить широких межах. Наприклад, для прямозонних сполук InGaAsP Еg змінюється від 0,36 до 2,2 еВ (λ = 0,55-3,4 мкм при T = 300 К). В якості підкладок можна використовувати GaAs або GaAsP.
ІК світлодіоди виготовляють на основі GaAs, GaAlAs і GalnAsP. Найбільш ефективними з усіх випромінюючих структур є подвійні гетероструктури в системі GaAs / GaAlAs, для яких може бути отриманий ηвн, близький до 100%, а ηвнш - більше 45% в діапазоні довжин хвиль 0,82-0,9 мкм. Як відомо, якість гетероструктур визначається узгодженням параметрів решіток підкладки і епітаксійних шарів, тобто можливістю створення ізорешеточной структури. Для гетеропереходів GaAs/Ga1-хAlхAs параметри грат практично збігаються в широкому діапазоні складів потрійне з'єднання. Тому можливе отримання гетеропереходів з мінімальною щільністю дислокацій на межі розділу активний шар - емітер.
3. Когерентні випромінювачі
Основний тип випромінювачів когерентної оптоелектроніки - інжекційні напівпровідникові лазери (ППЛ). Вони являють собою мініатюрні твердотільні прилади, що виготовляються методами планарно-епітак-сіальной технології. Розглянемо сучасні конструктивно-технологічні варіанти і основні характеристики інжекційних ППЛ.До числа найважливіших параметрів і характеристик інжекційних ППЛ від носять пороговий струм Iпор (щільність порогового струму Jпор), довжину хвилі λ і напівширину спектру випромінювання Δλ, енергію Е або потужність випромінювання Р, тривалість τ і частоту f проходження імпульсів, діаграму спрямованості (кут розходження ), Модовий склад випромінювання, ККД, термін служби, модуляційні характеристики та ін
Удосконалення технології створення ППЛ дозволило значно знизити порогові струми при одночасному підвищенні диференціального ККД ηдіф, що визначається тангенсом кута нахилу ват-амперної характеристики. Так, для типового гомолазера Jпор
У тому ж році Ж.І. Алфьоровим були створені більш ефективні ППЛ на основі подвійних гетероструктур з Jпор
Сучасна технологія дозволяє створювати гетеролазери з контрольованим модових складом випромінювання при Jпор
Рис.3.1
На рис.3.1. наведені найбільш поширені конструкції інжекційних ППЛ. Імпульсні лазери мають зазвичай мають широкі контакти, плоский або гофрований активний шар (рис.3.1, а, б). Для більшості безперервних лазерів, що працюють при кімнатній температурі, характерна Полоскова геометрія з резонатором, утвореним дзеркальними відколами торцевих поверхонь кристала. Смуга контакт (рис.3.1, в) забезпечує зменшення ширини активного шару W до величини 3-25 мкм і різке зниження порогового струму. На практиці застосовують різні методи формування смужкових структур - з використанням окисной ізоляції (рис.3.1, в), мезаструктур, створення високоомних областей, що оточують активний шар з бічних сторін, та ін При W <10 мкм вдається усунути виникнення в межах активного шару декількох областей з високою інтенсивністю випромінювання (так званих світлових "шнурів"), які можна трактувати як поперечні моди. На рис.3.2. показана структура таких мод при різній ширині активного шару W. Видно, що при W = 10 мкм випромінюється одна мода, яка характеризується гауссовских розподілом інтенсивності.
Рис.3.2
Гетероструктура з канавкою, яку формують перед вирощуванням епітаксійних шарів (рис.3.1, г), забезпечує одномодовим генерацію. Іноді товщину шарів гетероструктури роблять змінної, а самі шари розташовують похило, як, наприклад, в ППЛ «терасного» типу (рис.3.1, д). Мінімальний по ширині пучок випромінювання характерний для ППЛ з «зарощенной» мезаполосковой структурою (рис.3.1, е), з V-подібною структурою (рис.3.1, ж) і з поперечним pn-переходом (рис.3.1, з).
Найкращими характеристиками мають інжекційні ППЛ з «зарощенной» мезаполосковой гетероструктурою, в яких активна область має форму смужки прямокутного перерізу площею dW <1 мкм2, зануреної в середовище з меншим показником заломлення і ширшою забороненою зоною. Ефективна електрична ізоляція поза активної області та малий обсяг активної області дозволяють знизити порогові струми до декількох міліампер, а споживану електричну потужність - до декількох десятків міліват. Такі ППЛ мають досить високий ККД, можуть випромінювати в одномодовом і навіть одночастотне режимі потужність до 5 мВт, володіють хорошими модуляційних характеристиками (fмод> 2 ГГц). Термін їх служби перевищує 10 000 ч.
При необхідності збільшити потужність випромінювання використовують ППЛ з додатковими хвилеводними шарами, званими BOG-Lasers (лазери з «великим» оптичним резонатором). Такі лазери при довжині резонатора 300 мкм, шириною 2-4 мкм і товщині активного шару 0,1 мкм стабільно генерують в одномодовом режимі потужності більше 10 мВт (з захисними покриттями на дзеркалах до 30 мВт) при ККД вище 30%. Типові значення Jпор складають 1,4-1,8 кА/см2, мінімальний пороговий струм у безперервному режимі 9 мА.
В даний час ведуться роботи з удосконалення інжекційних ППЛ, спрямовані на збільшення терміну їх служби, ККД, потужності випромінювання, розширення діапазону довжин хвиль генерованого випромінювання, створення лазерів. Одна з найбільш актуальних завдань, особливо для безперервних лазерів, - збільшення гарантійного терміну служби до 100 000 год, характерного для інших елементів електронної техніки. У зв'язку з цим ретельно досліджуються механізми деградації інжекційних ППЛ, пов'язані з тривалим протіканням електричного струму великої щільності і "старінням" напівпровідникового матеріалу.
Залежно від характеру прояву і швидкості розвитку виділяють три групи деградаційних процесів: 1) катастрофічна деградація; 2) утворення дефектів темних ліній, 3) повільна деградація.
При катастрофічної деградації відбувається руйнування дзеркал резонатора (Ркр
Дефекти темних ліній представляють собою тривимірну сітку дислокацій, яка формується в процесі роботи ППЛ і впроваджується всередину резонатора. Розвиток дефектів прискорюється під дією механічних напруг. В області таких дефектів швидкість безвипромінювальної рекомбінації висока, отже, великі втрати генерованого випромінювання, а це призводить до збільшення Iпор. Для зменшення ймовірності утворення дефектів темних ліній необхідно використовувати вчинені епітаксиальні структури з низькою щільністю дислокацій і малими механічними напруженнями.
Якщо усунути причини, що викликають катастрофічну деградацію через дефекти темних ліній, ППЛ можуть безперервно працювати протягом багатьох років з відносно повільною деградацією властивостей, зумовленої міграцією неконтрольованих домішок в активну область і поступовим збільшенням там концентрації безвипромінювальної центрів, зростанням теплового опору, а також послідовного опору шарів і т.д. При цьому спостерігається однозначна зв'язок: чим менше значення Iпор, тим вище довговічність ППЛ.
Відзначимо одну особливість інжекційних ППЛ, яку необхідно враховувати при їх використанні, а саме: велику кутову расходимость випромінювання. Вона різна в площині активного шару (θII
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Технологічні лазери. Довідник: 2 том. Під ред.В.Г. Гонтар, А.А. Колпаков, М., - 1991р.2. Н.М. Тугов, Б.А. Глєбов. Напівпровідникові прилади. М., - 1990р.
3. А.Г. Смирнов. Квантова електроніка і оптоелектроніка. М., - 1987.
4. В.В. Пасинків, Л.К. Чиркин. Напівпровідникові прилади. М., - 1978р.