Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приборы квантовой и оптической электроники светоизлучающие и лазерные структуры. Курс лекций
.pdf
лучения или коэффициентом полезного действия (КПД) светоиз-
,
E
WWη=
( )
( )
пр
12
пр пр
пр пр
E
KK I q h
h IU
IU
ν
η=Φ ν =
123i
KKKη= η
( )
пр
3
K h qU= ν
пр пр
W IU=
2
пр
,
gg
W IR=
лучающего прибора.
КПД излучающего диода определяется как отношение энер-
гии или мощности излучения W
, вышедшего из СИП во внеш-
E
нюю среду, к электрической энергии или мощности, потребляемой светодиодом от источника питания W при прямом смещении
U
:
пр
(5.10)
, (5.11)
, (5.12)
где
.
5.2. Общие физико-технологические
принципы конструирования
светоизлучающих приборов
Базовые принципы разработки и конструирования светоизлучающих приборов могут быть сформулированы из функциональной схемы преобразования электрической мощности в световую
мощность в излучателе и рассмотрения потерь электрической
мощности при ее преобразовании в световую.
Электрическая мощность W от внешнего источника питания
рассчитывается как
Мощность W
, теряемая на последовательном сопротивлении
g
Rg светоизлучающего прибора
где R
включает омическое сопротивление базы, переходное со-
g
противление контактов и сопротивление растекания.
В результате мощность, обеспечивающая и инжекцию неосновных носителей заряда, уменьшается и составляет
. (5.13)
(5.14)
61
( )
пр прeh g g
W WW I U U
−
=−= −
W Kh
= ην
пр 1 3i pn i
W I U KK
−
= η
( )
( )
( )
= −=+ − η
пр 1 2 3E pn
W I U KKK= η
( )
опт 2
1
iEi
W WW W K=−= −
( )
1
T
WW= −η
. (5.15)
Мощность некогерентного излучения, образованного в активной области излучающего прибора в результате излучательной
рекомбинации инжектированных носителей заряда:
I
пр
i
q
(5.16)
,
1
Мощность рекомбинационных потерь W
. (5.17)
– это мощность,
рек
теряемая в результате безызлучательной рекомбинации. Ее
определяют как разность между (W
W W W W W KK
рек 1 3
eh i g i
−
Мощность некогерентного излучения во внешней среде W
) и (Wi):
e-h
1
. (5.18)
E
с
учетом (5.10) и (5.12) определяется выражением
. (5.19)
Оптические потери светодиодной структуры составляют
Электрическая мощность (W
) в результате токовых, реком-
T
. (5.20)
бинационных и оптических потерь преобразуется в тепло, которое идет на разогрев светоизлучающего прибора.
Если не учитывать тепловое сопротивление контакта полу-
проводника СИП с корпусом, величина этой энергии составляет
. (5.21)
Из вышеизложенного базовые физико-технологические принципы оптимизации конструкции и технологии формирования
светоизлучающих приборов с высоким КПД можно сформулировать следующим образом:
1. Добиться максимального увеличения внутреннего кванто-
вого выхода оптического излучения (h
) с помощью уменьшения
i
рекомбинационных потерь и использования для изготовления
полупроводниковых материалов с эффективной излучательной
рекомбинаций в активной области излучателя.
62
2. Обеспечить одностороннюю инжекцию неосновных подвижных носителей заряда в активную область излучателя, снизить безызлучательные компоненты тока и потери на последовательном сопротивлении излучателя за счет оптимального
распределения легирующих примесей в n- и p-областях или за
счет использования p-n-гетеропереходов.
3. Снизить оптические потери на поглощение излучения в
объеме полупроводника светоизлучательного прибора за счет оптимизации его конструкции.
5.3. Способы повышения эффективности
светоизлучающих приборов
Получение высокой внутренней квантовой
эффективности излучения в активной области
Главным образом эффективность светоизлучающей структуры определяется выбором полупроводникового материала и способов изготовления p-n-перехода.
Полупроводниковый материал для изготовления СИП должен отвечать следующим требованиям:
1) иметь высокую эффективность излучательной рекомбина-
ции в определенной области спектра оптического излучения;
2) быть пригодным для производства устройств большой площади с поверхностью, пригодной для технологического проведения планарных процессов;
3) обеспечивать техническую и технологическую возможность способов изготовления гомо- и гетеро- p-n-переходов с высоким уровнем инжекции.
Методики снижения омических потерь
электрической энергии в светоизлучающем приборе
Омические потери (K
) электрической энергии в светоизлу-
1
чающих структурах определяются набором параметров светоизлучающих p-n-структур, таких как коэффициент инжекции (g)
неосновных носителей заряда в активную область излучающей
p-n-структуры, последовательное сопротивление структуры и
поверхностные токи утечки.
Коэффициент инжекции неосновных носителей заряда
(ННЗ). Для получения эффективной электролюминесценции
63
необходимо добиваться односторонней инжекции, т.е. боль-
шая часть инжекционного потока неосновных носителей заряда
должна быть направлена в активную область излучающей структуры, а в противоположную неактивную область инжекция p-nструктуры должна быть минимальной.
Для гомо n-p-перехода коэффициент инжекции электронов
(gn) в p-область определяется выражением
LN
где N
γ=
n
LN D D LN
pd p n na
и Na – концентрации примесей (доноров и акцепторов) в
d
pd
+
( )
(5.22)
,
n- и p-областях; Ln и Lр – диффузионные длины неосновных
носителей заряда (электронов и дырок); Dn и Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок.
Из выражения (5.22) видно, что для получения значения ко-
эффициента инжекции, близкого к 1, требуется, чтобы N
L
> Ln; Dn > Dp. Главную роль играет обеспечение соотношения
p
>> Na;
d
Nd >> Na, но повышение уровня легирования в инжектирующей
области имеет свои ограничения. Связано это с тем, что внутренняя квантовая эффективность имеет высокое значение в полупроводниковых соединениях A
IIIBV
и их твердых растворах при
оптимальном уровне легирования. В основном величина Nd не
должна быть выше (1..5)·1019 см–3. При увеличении уровня легирования растет концентрация дефектов в полупроводниковой
структуре, которые приводят к возрастанию скорости безызлучательной рекомбинации и ухудшению инжекционных свойств
p-n-перехода.
Для повышения коэффициента внутренней квантовой эффективности генерации излучения в полупроводниках с прямозонной энергетической структурой требуется добиться высокой
концентрации носителей заряда в активной области, так как излучательное время жизни tR обратно пропорционально концентрации дырок.
Проблема достижения односторонней инжекции неосновных
носителей заряда решается с помощью формирования гетеропереходов. В полупроводниковых структурах с p-n-переходами,
при малой концентрации «поверхностных» состояний в области
металлургической границы, эффективная инжекция преиму-
64
щественно одностороннего характера происходит из наиболее
( )
KT=θ⋅
широкозонной области независимо от уровня легирования p- и
n-областей.
Обеспечение высокой оптической эффективности
излучающих приборов
Для получения эффективных светоизлучающих приборов с
максимальным КПД одновременно с получением полупроводниковых материалов с высоким коэффициентом внутренней
квантовой эффективности излучения и разработкой технологических процессов формирования на их основе совершенных излучающих p-n-структур требуется разработать оптическую конструкцию светоизлучающего прибора. Вызвано это тем, что при
малых углах полного внутреннего отражения вероятность вывода фотона через границу раздела полупроводник–воздух для
большинства полупроводников очень мала. Кроме того, большая
часть излучения, распространяющаяся от активной области генерации к излучающей поверхности, поглощается в полупроводнике и материалом контактов.
Для описания качества конструкции светодиодов введен коэффициент оптической эффективности K
.
2
При плоской конструкции светоизлучающего прибора
(рис. 5.1) доля излучения, выводимая через лицевую поверхность при первичном падении светового излучения, рассчитывают по формуле
где T
– средний коэффициент пропускания оптического излу-
ср
чения поверхностью кристалла для лучей, падающих на границу раздела под углом, меньшим критического.
Для увеличения внешней оптической эффективности могут
быть применены несколько способов.
4. Использование приборных структур в виде усеченной
сферы (сфера Вейерштрасса) (рис. 5.2). При такой топологии
прибора размер p-n-перехода значительно меньше диаметра
полусферы, что позволяет обеспечить малое отклонение луча,
падающего на поверхность, от нормали к поверхности. Такая
конструкция излучающего прибора наиболее эффективна в све-
2
sin 2 ,
2
крит ср
(5.23)
65
тодиодах, изготовленных из полупроводников, слабо поглощаю-
2
пв
,
x
nn n=
щих рекомбинационное излучение.
Рис. 5.2. Схема светоизлучающего кристалла в виде сферы
Вейерштрасса: 1 – p-n-переход; 2 – полупроводник;
3 – омические контакты
5. Для увеличения критического угла q
расположение
крит
светоизлучающего кристалла в оптической среде с показателем
преломления n должно быть меньше, чем у полупроводника nп.
Применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления n = 2–3 может дать больший эффект.
6. Снижение потерь на отражение излучения, падающего
на поверхность структуры под углом, меньшим критического,
может обеспечить нанесение на световыводящую поверхность
просветляющих диэлектрических покрытий. Для большинства
полупроводников потери излучения на границе полупроводник–
воздух составляют примерно 30 %.
Просветляющие диэлектрические покрытия позволяют достичь условий для максимально полного вывода света из приборной структуры, падающего на границу полупроводника под
углами, большими угла полного внутреннего отражения. Если
просветляющее диэлектрическое покрытие толщиной t имеет величину коэффициента преломления nx, промежуточное между
полупроводником и внешней средой, и удовлетворяет двум условиям
66
(5.24)
( )
2 14
x
nt l=λ−
, (5.25)
где l – положительное целое число; l – длина световой волны,
то коэффициент отражения света, идущего из объема полупроводника нормально к границе с воздухом, будет равен
нулю.
Просветляющие покрытия на основе диэлектрических пленок
SiO, SiO
, Si3N4 и др. позволяют увеличить выход образованного
2
излучения из полупроводника на 20..30 %. Кроме этого, диэлектрические пленки обладают пассивирующими свойствами.
7. Применение кристалла специальной конструкции, которая позволяет получить «самофокусировку» излучения под
углом, меньшим, чем критический, для данного полупроводникового материала (рис. 5.3) и увеличивает часть светового потока, попадающего на границу полупроводник–воздух под углом,
меньшим q
крит
.
Например, использование конструкции в виде мезаструктуры в полупроводнике с небольшим коэффициентом поглощения
образующегося излучения увеличивает эффективность вывода
света в 2–3 раза. На рис. 5.3 показана оптическая модель «самофокусировки» в светодиоде с мезаструктурой. Лучи света, попадающие на световыводящую поверхность под углами меньшими
q
, выходят из образца во внешнюю среду, а лучи, распростра-
крит
няющиеся в диапазоне углов q
< q <q2, попадают на конусную
1
поверхности мезаструктуры, отражаются от нее и попадают на
световыводящую поверхность под углом q < q
и выходят из
крит
кристалла. Остальная часть излучения многократно отражается
в кристалле и либо поглощается в полупроводнике, либо выходит из него в случае падения на одну из поверхностей под углом,
меньшим критического.
8. Формирование омических контактов, занимающих минимальную часть площади световыводящей поверхности, уменьшает долю света, поглощающегося в приконтактной области, и
увеличивает долю света, полностью отражающегося на границе
полупроводник–воздух или полупроводник–диэлектрик.
9. Создание шероховатой или диффузно-рассеивающей поверхности, позволяющей увеличить выход света из полупроводника после многократных на границах шероховатостей.
67
Рис. 5.3. Оптическая модель излучающего диода плоской
конфигурации с мезаструктурой
10. Создание многослойных гетероструктур с характеристиками, позволяющими получать световые потоки с заданным направлением и суженную диаграмму направленности излучения.
В светодиодах на основе многослойных гетероструктур, изготовленных из прямозонных полупроводников, можно получить
внешний квантовый выход больше 2 %.
Многократное поглощение и переизлучение впервые экспериментально наблюдались в светодиодных структурах на основе
двойных гетероструктур AlAs–GaAs (рис. 5.4).
68
Рис. 5.4. Схема светоизлучающей гетероструктуры
с двойным электронным и оптическим ограничением:
а – изображение волноводной структуры; б – распределение
ширины запрещенной зоны E
по слоям гетероструктуры
и показателя преломления n
g
Оптическое ограничение или волноводный эффект достигается в результате того, что полупроводниковый материал активного слоя имеет наибольший показатель преломления в структуре
(см. рис. 5.4). Излучение, образующееся в активной области,
распространяется вдоль оси волновода, при этом многократно
отражаясь от границ с полупроводниками с меньшими коэффициентами преломления. Приемлемое оптическое ограничение
получается при отличии коэффициентов преломления активной
области и ограничивающих слоев около 0,15–0,2. В приборах с
такой конструкцией излучение поглощается материалом активной области, и в результате этого в ней опять образуются фотоны, дающие дополнительный вклад в излучение, выходящее за
пределы полупроводника.
69
6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
К полупроводниковым лазерам относятся светоизлучающие
структуры, в которых применяются переходы подвижных носителей заряда между состояниями в энергетических зонах в полупроводниках.
Основным отличием полупроводниковых лазеров является
полупроводниковая электропроводность, позволяющая организовать процесс их накачки электрическим током и непосредственно преобразовывать электрическую энергию в лазерное излучение.
Для практического использования важными являются такие
свойства полупроводниковых лазеров, как:
1) компактность структуры вследствие высоких коэффициентов усиления в полупроводниках, которые в ряде случаев достигают значений 104 см–1;
2) большой коэффициент полезного действия, обусловленный
высокой эффективностью преобразования подводимой электрической энергии в лазерное излучение;
3) широкий оптический диапазон длин волн (от 300 до
3000 нм), обусловленный возможностью широкого выбора полупроводникового материала с различной запрещенной зоной, позволяющей генерировать излучение на межзонных переходах в
требуемом спектральном диапазоне;
4) достаточно плавная перестройка длины волны генерируемого лазерного излучения, связанная с тем, что спектр излучения полупроводника зависит от состава полупроводниковых
соединений, и тем, что величина ширины запрещенной зоны полупроводника зависит от температуры, давления, электрического и магнитных полей.
Быстродействие, определяемое малыми временами жизни неравновесных носителей заряда и безынерционностью получения
неравновесных электронов и дырок при электрической накачке,
позволяет проводить прямую модуляцию излучения с частотами, достигающими 10 ГГц.
1) простота конструкции, позволяющая совместить полупроводниковые лазеры с полупроводниковыми интегральными схемами, устройствами интегральной оптики и волоконно-оптическими линиями связи (ВОЛС).
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]