Контрольная работа: Функциональная электроника

Использование эффекта «широкозонного окна» в гетероструктурах. Следует отметить, что применение гетероструктур в светодиодах выгодно и по другим причинам. Благодаря эффектам «электронного» ограничения и суперинжекции можно резко повысить концентрацию неосновных носителей в активной области и достигнуть высокого внутреннего квантового выхода при малых прямых токах. В таких случаях рекомбинация носителей происходит в ограниченной по размерам области, в которой концентрация неравновесных носителей повышается в раз по сравнению с гомопереходом при этом же уровне возбеждения (L – диффузионная длина неосновных носителей, d – толщина базы).

Естественно, большое значение ηвн не гарантирует высокой эффективности светодиода как оптоэлектронного прибора, поэтому при его эксплуатации более важным является такой параметр, как внешний квантовый выход ηвнш (или КПД преобразования электрической энергии в световую), определяемый отношением числа фотонов, выведенных за пределы кристалла, к числу носителей заряда, проходящих через p-n-переход.

Как правило, величина ηвн не превышает нескольких процентов, так как за пределы кристалла можно вынести лишь небольшую часть генерируемого внутри активной области излучения. Наиболее существенны следующие виды потерь: 1) на полное внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник – окружающая среда под углом, большим критического; 2) на френелевское отражение для излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического; 3) на поглощение излучения в объеме полупроводника и в приконтактных областях.

Наиболее значителен первый вид потерь. Дело в том, что доля выходящего за пределы кристалла излучателя определяется значением критического угла φкр между направлением светового луча и нормалью к поверхности раздела: . В связи с большим различием показателей преломления используемых полупроводников nп и окружающей среды nокр значения φкр невелики. Например, для GaAs и GaP с показателями преломления 3.54 и 3.3. значения критического угла при выводе излучения в воздух соответственно равны 16 и 17.70. это означает, что наружу выйдут световые лучи, распространяющиеся в заштрихованном конусе с углом при вершине 2φкр (рис.2.1). В пределах этого конуса потери на френелевское отражение определяются выражением вида и составляют для границ раздела GaAs – воздух и GaP – воздух соответственно 31 и 29%.

Рис.2.1

Дальнейшая судьба отраженного от границы раздела излучения зависит от коэффициента поглощения в объеме полупроводника. Если этот коэффициент достаточно велик, то все излучение поглотится внутри кристалла. Если же кристалл прозрачен для генерируемого излучения, то оно, отражаясь от его граней, может повторно (и не один раз) падать на поверхность раздела и частично выводиться за пределы кристалла.

Ясно, что сверхизлучающие структуры с плоской геометрией не могут обладать высоким значением ηвнш даже при ηвн 100%. Поэтому в современных светодиодах используют кристаллы в виде полусферы параболоида или усеченной сферы Вейерштрасса. При этом наблюдается увеличение доли выводимого излучения до 30 – 35%.

Другие методы повышения ηвн связаны с помещением кристалла в среду с промежуточным показателем преломления (), когда критический угол возрастает до 25 – 300, а для выводимого излучения увеличивается в 2.5. – 3 раза; нанесением «просветляющих» покрытий на поверхность кристалла для сокращения френелевских потерь (применение диэлектрических пленок SiO, SiO2, Si3N4 позволяет увеличить выход излучения на 25 – 30%); уменьшением площади контактов; выводом излучения вдоль p-n-переходов с использованием эффекта «оптического» ограничения в двойных гетероструктурах и др.

2.2. Конструкции светодиодов

Основу любого светодиода составляет светоизлучающий кристалл с определенной комбинацией эпитаксиальных слоев, чаще всего выраженных на подложках из GaAs или GaP. Кристалл имеет, как правило, форму квадрата со стороной 0.35 – 0.5 мм. Для повышения плотности тока через p-n-переход уменьшают размеры активной области до нескольких десятков микрометров путем формирования мезаструктуры или изолирующих аморфных слоев, полученных протонной бомбардировкой.

Омические контакты к кристаллам изготавливают традиционными методами тонкопленочной технологии – вакуумным напылением, электрохимическим или химическим осаждением. Как правило, применяют многокомпонентные сплавы типа Au – Zn, Au – Be, Au – Ni, Aa – Ge – Ni и др. После операции нанесения контактов проводится их вжигание при температурах 500 – 6000С.

Для соединения верхних контактов с выводами применяют термокомпрессионную или лазерную сварку, а нижних - припои или токопроводящие клеи. Верхний омический контакт светодиода должен, с одной стороны, иметь минимальную поверхность для уменьшения потерь света, а с другой стороны, содержать площадку, достаточную для сварки, и иметь форму, обеспечивающую равномерное растекание тока по площади p-n-перехода (рис.2.1).

Нижний контакт может быть сплошным при непрозрачной подложке и в виде сетки или набора точек малой площади для кристаллов с прозрачной подложкой. В последнем случае контактный сплав должен обладать хорошими отражающими свойствами.

На рис.2.2. показаны конструкции некоторых наиболее распространенных типов светодиодов и их диаграммы направленности. Как видно, существуют три типа светодиодов: в металлостеклянном (АЛ 102), пластмассовом (АЛ 307) корпусе и бескорпусные (АЛ 301). Первый тип светодиодов характеризуется высокой надежностью и стабильностью параметров, а второй – технологичностью и низкой стоимостью, большой стойкостью к действию ударных и вибрационных нагрузок, возможностью управления диаграммой направленности излучения в направлении как ее расширения, так и сужения.

Рис.2.2

Как правило, кристалл помещают в специальное углубление с отражающими свет стенками, что позволяет увеличить силу света в осевом направлении при одновременном улучшении восприятия излучения в результате расширения светящейся площадки и повышения контрастности.

Пластмассовый корпус светодиодов изготавливают в виде полусферической полимерной линзы, которая перераспределяет световой поток и формирует диаграмму направленности светодиода. Чаще всего такие линзы делают на основе эпоксидных компаундов с добавкой красителей или светорассеивающих наполнителей.

Светодиоды видимого диапазона характеризуются следующими основными параметрами: силой света IV, длиной волны излучения в максимуме спектральной полосы λmax (цветом свечения), полушириной спектральной линии излучения ∆λ, диаграммой направленности (или углом излучения φ), прямым напряжением Uпр при заданном прямом токе Iпр, световой отдачей по мощности или по току, внешним квантовым выходом ηвнш или КПД , . Для большинства светодиодов ηвнш примерно равен КПД.

Для ИК светодиодов вместо силы света IV используют силу излучения (, где к - видность излучения). В некоторых случаях важное значение имеют такие параметры и характеристики светодиодов, как быстродействие и зависимость силы света (излучения) от прямого тока.

Табл.2.1

Материал	Структура энергетических зон	Цвет свечения	Длина волны λmax, мкм	Световая отдача
				типичная	максимальная
GaP: ZnO	Непрямая	Красный	0,699	0,4	3,0
GaP: N	То же	Зеленый	0,570	0,3	4,0
GaP: N	То же	Желтый	0,590	0,2	0,5
GaAs0.35P0.65	То же	Оранжевый	0,632	0,4	0,9
GaAs0.15P0.85: N	То же	Желтый	0,589	0,2	0,9
GaAs0.6P0.4	Прямая	Красный	0,649	0,15	0,4
Ga0.7Al0.3As	То же	Красный	0,675	-	0,4
In0.42Ga0.58P	То же	Оранжевый	0,617	-	0,3
SiC	Непрямая	Желтый	0,590	-	-
GaN	Прямая	Зеленый	0,575	-	-
GaxAl1-xAs	То же	ИК	0,82-0,9	-	-
GaInAsP	То же	Видимый, ИК	0,55-3,4	-	-

Материалы, используемые для светодиодов, и их основные характеристики приведены в табл.2.1. Анализируя приведенные данные, нетрудно заметить, что отсутствуют материалы, позволяющие получать свечение в голубой и синей областях спектра. В настоящее время осуществляется интенсивный поиск таких материалов. Наиболее исследованными из них являются бинарные соединения типа АIIIВV с шириной запрещенной зоны Еg > 3,0 эВ: GaN, SiC, A1N и др.

Большие перспективы имеют тройные и четверные полупроводниковые соединения, ширина запрещенной зоны которых непрерывно меняется в зависимости от их состава. Используя четырехкомпонентные соединения, можно управлять шириной запрещенной зоны Е и постоянной кристаллической решетки а в довольно широких пределах. Например, для прямозонных соединений InGaAsP Еg меняется от 0,36 до 2,2 эВ (λ = 0,55-3,4 мкм при T = 300 К). В качестве подложек можно использовать GaAs или GaAsP.

ИК светодиоды изготавливают на основе GaAs, GaAlAs и GalnAsP. Наиболее эффективными из всех излучающих структур являются двойные гетероструктуры в системе GaAs/GaAlAs, для которых может быть получен ηвн, близкий к 100%, а ηвнш - более 45% в диапазоне длин волн 0,82-0,9 мкм. Как известно, качество гетероструктур определяется согласованием параметров решеток подложки и эпитаксиальных слоев, т.е. возможностью создания изорешеточной структуры. Для гетеропереходов GaAs/Ga1-хAlхAs параметры решеток практически совпадают в широком диапазоне составов тройного соединения. Поэтому возможно получение гетеропереходов с минимальной плотностью дислокаций на границе раздела активный слой - эмиттер.

3. Когерентные излучатели

Основной тип излучателей когерентной оптоэлектроники - инжекционные полупроводниковые лазеры (ППЛ). Они представляют собой миниатюрные твердотельные приборы, изготавливаемые методами планарно-эпитак-сиальной технологии. Рассмотрим современные конструктивно-технологические варианты и основные характеристики инжекционных ППЛ.

К числу важнейших параметров и характеристик инжекционных ППЛ от носят пороговый ток Iпор (плотность порогового тока Jпор), длину волны λ и полуширину спектра излучения ∆λ, энергию Е или мощность излучения Р, длительность τ и частоту f следования импульсов, диаграмму направленности (угол расходимости), модовый состав излучения, КПД, срок службы, модуляционные характеристики и др.

Совершенствование технологии создания ППЛ позволило значительно снизить пороговые токи при одновременном повышении дифференциального КПД ηдиф, определяемого тангенсом угла наклона ватт-амперной характеристики. Так, для типичного гомолазера Jпор104-105А/см2, ηдиф10% (приводятся усредненные значения, поскольку Jпор и ηдиф зависят от температуры, толщины активного слоя и уровня легирования). Однако уже для первых образцов гетеролазеров с односторонним ограничением, появившихся в 1969г. и содержащих один гетеропереход, удалось снизить Jпор до величины порядка 103А/см2 и повысить ηдиф до 40%. Несмотря на это, такие лазеры не способны работать в непрерывном режиме. При комнатной температуре может быть реализован импульсный режим работы с РИ = 10 - 30 Вт, f 25 кГц, τ100 нс.

В том же году Ж.И. Алфёровым были созданы более эффективные ППЛ на основе двойных гетероструктур с Jпор 400 - 800 А/см2 и ηдиф > 55%, способные генерировать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Современная технология позволяет создавать гетеролазеры с контролируемым модовым составом излучения при Jпор 100 А/см2, генерирующим в диапазоне длин волн от 0,3 до 32 мкм. Активный слой изготавливают из легированных соответствующим образом трех - или четырехкомпонентных полупроводниковых соединений, выращенных методом газофазной, жидкофазной или молекулярно-лучевой эпитаксии на основе GaAs - или GaP-подложки. Высокой эффективностью вследствие малого рассогласования периодов кристаллических решеток отличаются гетероструктуры типа GaAs/GaAlAs, InP/GalnAsP, InP/AlGaAsSb, CdTe/CdHgTe и др.