11.2. Полупроводниковые излучатели

В основу работы источников оптического излучения положены известные физические эффекты:

- тепловое излучение нагретых тел;

- люминесценция.

Приборы, основанные на превращении тепловой энергии в энергию оптического излучения, имеют:

- широкий спектр излучения;

- полное отсутствие направленности излучения;

- низкую устойчивость к механическим воздействиям;

- небольшой срок службы;

- несовместимость с интегральной технологией.

Эти недостатки существенно сужают возможности использования в оптоэлектронике излучателей, основанных на тепловом излучении нагретых тел.

Преимущественно используется второй механизм получения оптического излучения - люминесценция.

Под люминесценцией понимают электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Таким образом, в определении подчеркивается тот факт, что в отличие от свечения накаленных тел для люминесценции не требуется нагревания тела, хотя конечно, подведение энергии в том или ином виде необходимо. Кроме того, в отличие от рассеяния света люминесценция продолжается некоторое время после отключения возбуждающей энергии. Иначе говоря, поглощенная люминесцирующим проводником энергия на некоторое время задерживается в нем, а затем частично превращается в оптическое излучение, частично – в теплоту.

В зависимости от вида энергии, возбуждающей люминесценцию, различают фото- , электро- и другие виды люминесценции. Люминесцировать могут твердые, жидкие и газообразные вещества. В оптоэлектронных полупроводниковых приборах используется люминесценция кристаллических примесных полупроводников с широкой запрещенной зоной.

Люминесценция включает в себя два основных этапа. На первом из них под воздействием внешней возбуждающей энергии происходит генерация носителей заряда. Этот этап определяет тип люминесценции. На втором этапе генерированные носители заряда рекомбинируют на центрах рекомбинации. Выделяющаяся при рекомбинации энергия превращается либо в оптическое излучение, либо в теплоту. В полупроводниках генерация оптического излучения обеспечивается обычно с помощью инжекционной электролюминесценции. Как ясно из самого названия, инжекционная электролюминесценция объединяет два процесса: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию. С помощью инжекции обеспечивается создание неравновесных носителей заряда.

Упрощенный механизм генерации электромагнитного излучения представлен на рис. 11.3.

Рис. 11.3

В люминесцирующем веществе за счет энергии внешнего воздействия часть электронов с нижних равновесных энергетических уровней переходит на уровни с большей энергией(инжекция), а затем в результате быстрых безызлучательных переходов оказывается на некотором метастабильном уровне. Переход электронов с уровняна уровеньс последующей рекомбинацией с дырками осуществляется с высвобождением энергии. Если бы рекомбинация электронов и дырок происходила только с излучением фотонов, то внутренний квантовый выход (отношение числа излученных фотонов к числу рекомбинировавших пар носителей) был бы равен 100%. Однако значительная часть актов рекомбинации может заканчиваться выделением энергии в виде элементарных квантов тепловых колебаний – фононов. Такие переходы электронов между энергетическими уровнями также являются безызлучательными. Соотношение между излучательными и безызлучательными переходами зависит от ряда причин, в частности от структуры энергетических зон полупроводника, ширины запрещенной зоны, наличия примесей, которые могут увеличивать или уменьшать вероятность излучательных переходов. Длина волныфотонов связана с шириной запрещенной зонысоотношением. Отсюда следует, что для того, чтобы излучаемые фотоны соответствовали видимой части спектра, необходимо применять так называемые широкозонные полупроводники, у которых ширина запрещенной зоны. Это требование сразу исключает использование германия и кремния и обуславливает применение материалов типа, к которым относятся широко используемыеGaAs(), AlAs (),GaP(),GaN(), а также типа, к которым относятсяCdTe(), CdS (),ZnSe(),ZnS().

Инжекционная электролюминесценция является физической основой работы излучающих полупроводниковых диодов. Термином «излучающие диоды» охватывают диоды, работающие в диапазоне видимого излучения – это светоизлучающие диоды (СИД), которые используются для визуального отображения информации, и диоды, работающие в инфракрасном диапазоне оптического излучения, - инфракрасные излучающие диоды (ИК-диоды).

СИД представляет собой pn-структуру (рис.11.4), заключенную в пластмассовый или металлический корпус с окном (линзой) для выхода излучения. Схема включения СИД приведена на рис. 11.5.
	Рис. 11.4	Рис. 11.5

При наличии контакта однородных полупроводников с разными типами электропроводности уровень Ферми в равновесном состоянии должен быть единым. Это приводит к искривлению зон и образованию потенциального барьера. При приложении прямого напряжения потенциальный барьер понижается и увеличивается инжекция неосновных носителей: дырок в n- область и электронов вp- область. Инжектированные вp- базу электроны рекомбинируют там вблизиpn- перехода. При этом, как уже было сказано, наряду с рекомбинацией, которая обеспечивает генерацию оптического излучения, существуют механизмы безызлучательной рекомбинации, не дающие излучения.

Обычно излучающей является область только по одну сторону pn-перехода (p-область на рис. 11.4). Желательно, чтобы количество инжектированных носителей было максимально именно в излучающей (активной)p-области. С этой целью вn-область вводят больше донорной примеси, чем акцепторной вp-область. Таким образом, в излучающей структуре инжекция практически односторонняя – изn-эмиттера вp-базу, и излучает базовая область.

Количественно эффективность рекомбинации при люминесценции характеризуют внутренним квантовым выходом , который определяется отношением числа актов излучательной рекомбинации к полному числу актов рекомбинации. Эффективность инжекционной электролюминесценции оценивается произведением, где- коэффициент инжекции.

Предельное значение определяется условиями изготовленияpn-перехода и электрическим режимом работы. Прежде всегозависит от плотностипрямого тока(рис. 11.6).
	Рис. 11.6

Качество СИД характеризуется внешним квантовым выходом , где- оптическая эффективность или коэффициент вывода света.

Отсюда видно, что даже при большом значении внешний квантовый выход может оказаться малым вследствие низкого вывода излучения из структуры диода во внешнюю среду. При выводе излучения из активной области диода имеют место потери энергии (рис. 11.7).
	Рис. 11.7

1. Потери на самопоглощение (излучение 1 на рис. 11.7). При поглощении полупроводником фотонов их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости. Возможно поглощение энергии фотонов свободными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны. При этом энергия фотонов расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой.

2. Потери на полное внутреннее отражение (излучение 2 на рис. 11.7). При падении излучения на границу раздела оптически более плотной среды (полупроводник) с оптически менее плотной средой (воздух) для частиц излучения выполняется условие полного внутреннего отражения. Излучение, падающее на поверхность раздела под углом , превышающим критический угол, претерпевает полное внутреннее отражение; приизлучение частично отражается от непросветленной поверхности. Если на поверхность полупроводника нанести диэлектрическую пленку с соответствующими значениями толщины и показателя преломления, то она будет оказывать просветляющее действие, и коэффициент пропускания увеличится.

3. Потери на обратное и торцевое излучение (излучения 3 и 4 на рис. 11.7). Генерация в активной области полупроводника является спонтанной и характеризуется тем, что лучи направлены равновероятно во все стороны. Излучение, распространяющееся в сторону эмиттера (излучение 3 на рис. 11.7), быстро поглощается. Активная область нередко слегка отличается значением показателя преломления от соседних областей. Поэтому излучение вследствие многократных отражений фокусируется вдоль активной области, так что интенсивность торцевого излучения (излучение 4 на рис. 11.7) выше, чем в других направлениях выхода света из кристалла.

Таким образом, внешний квантовый выход - это интегральный показатель излучательной способности СИД, который учитывает эффективность инжекции, эффективность электролюминесценциии вывода излученияв создании оптического излучения.

Основные характеристики и параметры излучающих диодов условно могут быть подразделены на оптические и электрические характеристики.

Одной из основных оптических характеристик является излучательная характеристика. В зависимости от способа приема излучения излучающего диода – визуального или невизуального – оптические свойства излучения диода описываются световыми или энергетическими параметрами. При визуальной передаче информации (в знаковых индикаторах, при подсветке надписей и кнопок, индикации состояния электронного устройства и т.п.) приемником излучения служит человеческий глаз. Невизуальная передача информации характеризуется тем, что обнаружение потока излучения от диода, работающего обычно в инфракрасном диапазоне, исключает человеческое зрение и осуществляется физическим фотоприемником. К невизуальной области применения относятся, например, всевозможные оптические устройства связи и сигнализации и т.п. В связи с этим для СИД излучательная характеристика задается обычно зависимостью силы света (световой параметр) от прямого токачерез диод.

Для ИК – диодов излучательная характеристика представляет собой зависимость потока излучения (энергетический параметр) от прямого токачерез диод (рис. 11.8). При малых токах велика доля
	Рис. 11.8

безызлучательной рекомбинации и мал коэффициент инжекции. С ростом тока поток излучения сначала быстро увеличивается и растет до тех пор, пока в токе диода не становится преобладающей диффузионная составляющая тока. Дальнейшее увеличение приводит к постепенному насыщению центров люминесценции и снижению излучательной способности диода. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. Совместное действие рассмотренных механизмов влияния прямого тока на силу излучения приводит к тому, что излучательная характеристика имеет максимум при некотором токе. Максимальная сила излучения зависит от площади и геометрии излучающегоpn-перехода и от размеров электрических контактов.

Другой оптической характеристикой СИД является яркостная характеристика. Яркостной характеристикой называется зависимость яркости от проходящего через прибор тока. Единицей яркости в системе СИ служит кандела на квадратный метр (кд/м²) – яркость источника излучения, каждый квадратный метр излучаающей поверхности которого имеет в данном направлении силу света, равную одной канделе.

Желательно иметь линейную зависимость яркости излучения от проходящего тока, что будет соответствовать неизменности квантового выхода, однако реальная яркостная характеристика является нелинейной (рис. 11.9).
	Рис. 11.9

Аналогом яркостной характеристики для ИК- диодов является зависимость мощности излучения от проходящего тока.

Зависимость параметров излучения (в относительных единицах) от длины волны оптического излучения называется спектральной характеристикой излучающего диода. Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции.

В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения различна в разных типах излучающих диодов (рис. 11.10).
	Рис. 11.10

Так как переход электронов при рекомбинации носителей зарядов обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами энергетических уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучающего диода характеризуется шириной спектра излучения измеряемой на высотемаксимума спектральной характеристики. Излучение большинства излучающих диодов близко к квазимонохроматическому () и имеет относительно высокую направленность распределения мощности в пространстве.

Сила излучения зависит от направления излучения. Направленность излучения описывается диаграммой направленности или углом излучения , которая представляет собой зависимость относительного значения силы света от направления распространения (рис. 11.11).
	Рис. 11.11

В пределах угла излучения сила излучения составляет не менее половины ее максимального значения. С помощью диаграммы направленности и угла излучения можно определить зрительно воспринимаемый световой поток при взгляде под некоторым углом к геометрической оси излучателя. На рис. 11.11 приведены диаграммы двух различных СИД (кривые 1и2): угол излучениядля диаграммы1равен примерно45^о, для диаграммы2- примерно15^о.

Помимо оптических излучающие диоды характеризуются электрическими параметрами. Основной электрической характеристикой излучающего диода является его вольтамперная характеристика. Различия прямых ветвей ВАХ связаны с разницей в ширине запрещенной зоны применяемых материалов (рис. 11.12).
	Рис. 11.12

Чем меньше длина волны излучения (сопоставить с рис. 11.10), тем больше прямое падение напряжения на излучающем диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви ВАХ имеют малое допустимое обратное напряжение, так как в излучающих диодах ширина pn-перехода незначительна.

Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 11.13).

	Время переключения складывается из времени включенияи времени выключенияизлучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезаряда барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода.
Рис. 11.13

Для СИД быстродействие оказывается второстепенной характеристикой, так как инерционность человеческого глаза около 50 мс, что больше СИД. Для ИК-диодовстремятся сделать минимально возможным.

В заключение рассмотрения излучающих диодов целесообразно обобщить их достоинства и недостатки.

К достоинствам СИД можно отнести:

- достаточно узкий спектр излучения и его направленность;

- достаточно высокое быстродействие (10^-7– 10^-9с);

- малое напряжение питания;

- малые габариты, вес и высокая экономичность;

- устойчивость к механическим воздействиям;

- возможность непосредственной связи с транзисторными устройствами.

К недостаткам СИД можно отнести:

- большой разброс характеристик и параметров от экземпляра к экземпляру даже в пределах одного типа;

- сильная температурная зависимость – сила света уменьшается с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Источниками когерентного излучения в оптоэлектронике являются полупроводниковые лазеры.

В полупроводниковых лазерах излучение, как и в СИД, порождается рекомбинацией электронов и дырок. В СИД, как указано ранее, рекомбинация осуществляется без электромагнитного воздействия, т.е. является самопроизвольной или спонтанной. Акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени. Так как спонтанное излучение случайно и имеет статистический характер, то оно некогерентно. Переход электрона на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света может произойти с помощью электромагнитного воздействия. Такая рекомбинация называется вынужденной или стимулированной. Следовательно, квант света с определенной частотой может не только поглощаться полупроводником, но и вызывать добавочное индуцированное излучение. Индуцированное излучение происходит в том же направлении, что и вызвавшее его излучение, в одной и той же фазе и с одинаковой поляризацией, т.е. индуцированное излучение является когерентным. Явление вынужденной рекомбинации дает возможность управлять излучением возбужденных атомов полупроводника с помощью электромагнитных волн и таким образом усиливать и генерировать когерентный свет. Именно поэтому источники вынужденного излучения назвали лазерами (Laser – Light wave Amplification by Stimulated Emission of Radiation– усиление световых волн с помощью стимулированного излучения).

Для работы лазера необходимо преобладание вынужденной излучательной рекомбинации над поглощением квантов света. Преобладание излучения над поглощением или поглощения над излучением зависит от соотношения в кристалле полупроводника возбужденных и невозбужденных атомов, т.е. населенности энергетических уровней полупроводника. В равновесных условиях на более высоких энергетических уровнях при любой температуре число электронов меньше, чем на более низких энергетических уровнях. При этом нельзя получить усиления света в результате вынужденной рекомбинации. Для преобладания вынужденной рекомбинации над поглощением квантов света необходимо, чтобы верхние энергетические уровни были больше заполнены электронами, чем нижние. Состояние полупроводника, в котором число электронов на одном из энергетических уровней с большей энергией больше числа электронов на уровне с меньшей энергией, называется состоянием с инверсной населенностью. Поглощение квантов света в полупроводнике с инверсной населенностью энергетических уровней мало, так как около потолка валентной зоны почти нет электронов, которым может быть передана энергия кванта света. С другой стороны, в полупроводнике с инверсной населенностью может происходить вынужденная рекомбинация.

Инверсную населенность в полупроводнике можно создать различными способами:

- с помощью инжекции носителей заряда при прямом включении pn- перехода, что используют в так называемых инжекционных лазерах;

- путем электронного возбуждения, т.е. путем бомбардировки полупроводника пучком быстрых электронов;

- с помощью оптической накачки, то есть путем возбуждения атомов полупроводника квантами света от мощного излучателя когерентного или некогерентного света;

- путем использования эффектов сильного электрического поля, то есть лавинного размножения носителей заряда или туннелирования электронов при их переходе с энергетических уровней, расположенных вблизи потолка валентной зоны, на энергетические уровни, расположенные вблизи дна валентной зоны.

Наибольший практический интерес представляют инжекционные лазеры.

Инверсную населенность в инжекционном лазере с pn-переходом проще получить, если одна из областей диодной структуры является вырожденной, т.е. содержит большую концентрацию соответствующих примесей. При прямом включенииpn-перехода прямой токсостоит из двух составляющих: электронной и дырочной. Чем больший ток проходит черезpn-переход, тем с большим запасом выполняется условие инверсной населенности. Минимальный ток, при котором происходит преимущественно вынужденная рекомбинация, называется пороговым током.

Если ток, проходящий через pn-переход, больше порогового, тоpn-переход является усиливающей средой для света, распространяющегося в плоскостиpn-перехода. Число актов вынужденной рекомбинации можно увеличить, если обеспечить прохождение каждого кванта света несколько раз в плоскостиpn-перехода. Для этого две противоположные грани монокристалла полупроводника делают строго параллельными и тщательно отполированными. Большой коэффициент преломления полупроводникового материал обеспечивает отражение от этих торцов до 35% квантов света. Кванты света, двигающиеся строго перпендикулярно торцам кристалла, могут много раз пройти через активную область с инверсной населенностью и тем самым создать большую лавину квантов света. После многократного отражения от полированных торцов и соответствующего многократного прохождения вдольpn-перехода свет выходит из полупроводника. Две другие боковые грани кристалла должны быть скошены под некоторым углом, чтобы воспрепятствовать возникновению генерации света между ними. Те кванты света, которые начали двигаться не вдольpn-перехода и не перпендикулярно торцам кристалла, уходят из активной области с инверсной населенностью и не вызывают вынужденной рекомбинации.

Наиболее широкое распространение получили инжекционные лазеры на основе арсенида галлия GaAs.

Пороговая плотность тока инжекционного лазера существенно зависит от температуры: для лазеров на основе арсенида галлия пороговая плотность тока порядка10² А/см²приТ=4,2^оКи порядка10⁴ А/см²приТ=77^оК. Таким образом, для уменьшения пороговой плотности тока необходимо глубокое охлаждение инжекционного лазера. Инжекционные лазеры с использованием гетеропереходов, имеющие значительно меньшие пороговые плотности токов, могут работать при комнатной температуре в непрерывном режиме. Гетеропереходом называется переходной слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками, в отличие от обычногоpn-перехода, который формируется в монокристалле одного полупроводника. Основной особенностью гетероперехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и для дырок, в результате чего прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака.

Спектральная характеристика лазера, как и любого другого источника света, представляет собой зависимость интенсивности излучения (чаще в относительных единицах) от длины волны (рис. 11.14).
	Рис. 11.14

При плотности тока ниже пороговой излучение, возникающее в основном из-за самопроизвольной рекомбинации, является некогерентным. Поэтому спектральная характеристика получается широкой (кривая 1 на рис. 11.14), т.е. лазер работает как СИД. При плотности тока выше пороговойинтенсивность излучения значительно больше, так как излучение получается когерентным и строго направленным (кривая 2 на рис. 11.14).

Диаграмма направленности излучения лазера характеризует пространственное распределение интенсивности излучения. Излучение полупроводниковых лазеров обладает достаточно малым (не превышающим нескольких градусов) углом расходимости светового пучка.

Коэффициент полезного действия полупроводникового инжекционного лазера на основе арсенида галлия достигает 70%.

Яркостная характеристика лазера представляет собой почти линейную зависимость интенсивности излучения от проходящего через лазер тока.