|
| |
|
Слаботочка Книги   p L n n p г) n p B) n p Рис. 5.5. Схемы расположения p- и л-слоев и изменения ширины запрещенной зоны по сечению кристалла для основных типов светодиодных структур: W - толщина активной области, в которой идет эффективная излучательная рекомбинация; ---р-л-переход Переходя к гетероструктур ам, отметим, что введение в них дополнительного переходного слоя с плавно изменяющимся значением Eg обусловлено технологическими задачами: благодаря постепенному изменению состава меньше сказываются напряжения из-за несогласованности кристаллографических постоянных. Укажем также, что р-области на рис. 5.4,в-е, представляют собой многослойные образования, причем каждый из слоев характеризуется не только своим значением запрещенной зоны, но также видом и концентрацией легирующей примеси. Структуры рис. 5.5,6, г представляют собой ОГС и ДГС. Если в ДГС широкозонные «обкладки» активной области сделать достаточно толстыми (или хотя бы одну из них), то подложку можно удалить (стравить), и тогда лучи света, распространяющиеся вправо, не будут поглощены, а после отражения от нижней границы кристалла вновь направятся к левой поверхности и при попадании в апер-турный угол выйдут наружу. Процесс отражения от границ в глубь кристалла может повторяться многократно, до тех пор, пока световой луч не придет под нужным углом к левой поверхности. При этом нежелательного поглощения излучения в широкозонных областях не происходит. В таких многопроходных структурах с удаленной подложкой коэффициент вывода излучения может достигать десятков процентов. В структуре рис. 5.5,(3 введение второго активного слоя с шириной запрещенной зоны, меньшей, чем у основного, приводит к тому, что фотоны, распространяющиеся к подложке, поглощаются в этом слое, порождают свободные электроны, которые рекомби-нируют, генерируя несколько более длинноволновые фотоны, чем поглощенные. Часть этих фотонов выходит из кристалла. Такие структуры с переизлучением или фотоэлектролюминесцентные (ФЭЛ), так же как и многопроходные структуры, обладают повышенным внешним квантовым выходом. Излучатель с варизон-ной базой (рис. 5.5,е) представляет собой разновидность ФЭЛ-структуры: здесь переизлучение идет непрерывно во всей активной области. Параметры светодиода зависят не только от вида используемой в нем полупроводниковой структуры, но и от геометрических характеристик кристалла. Плоская конструкция (рис. 5.6,а) получила широкое распространение благодаря простоте и низкой стоимости и используется в самых массовых изделиях оптоэлектроники: индикаторах и оптопарах. Если верхний омический контакт изготовить в виде узкой полоски, то прямой ток локализуется, активная область резко сужается и преобладает торцовое излучение в месте выхода р-п-перехода на боковую грань кристалла. Такие светодиоды с торцовым свечением иногда находят применение в ВОЛС, а также в принтерах. Меза-структура (рис. 5.6,6) сложнее в изготовлении, однако ее использование позволяет уменьшить площадь излучения, а также улучшить диаграмму направленности вследствие светособираю-шего действия боковой конической поверхности суженной части кристалла. Меза-структуры нередко допол-/ J няются фокусирующими микролинзами, из-готавливаемыми из пластмассы или из са-мого полупроводникового кристалла (рис. ~2 5.6,в). В конструкциях с линзой достигает-3 ся наиболее высокая эффективность вывода излучения, однако они сложны, а иногда и -1 неприемлемо громоздки. Другие методы уменьшения площади фронтального излуче-3 ния - локальная эпитаксия или локальная диффузия в планарном процессе - также используются, но при этом не всегда уда-/ ется преодолеть деградационный эффект. Так называемый баррас-диод (рис. 5.6,г), а также светодиод со стеклянной шариковой линзой (рис. 5.6,(3) разработаны специально для ВОЛС. В первом из них локализация активной области достигается благодаря оригинальной конструкции омичес-1 кого контакта, обеспечивающей и малую площадь контактирования с полупроводни-~J ком, и хороший теплоотвод. Отрезок оптического волокна, вклеенный в кристалл, J обеспечивает наилучшие условия вывода излучения и сты-ковку это.го специфического светодиода с волоконными кабелями. Всве-тодиоде с шариковой линзой обеопечивает-  Рис. 5.6. Разновидности кристаллов светодиодов: 1 - кристалл; 2 - активная излучающая область; 3 - омические контакты; -диэлектрическая пленка; 5 - эпоксидный Клей; 6 - отрезок волоконного световода; 7 - стеклянный шарик ся сужение диаграммы направленности излучения. Обе конструкции успешно используются в ВОЛС, однако достаточно сложны, и требуют замены плоскостным планарным эквивалентом. Особое место занимает суперлюминесцентный диод, представляющий собой модификацию инжекционного лазерного диода, работающего не в режиме генерации, а в нелинейном режиме усилителя бегущей волны: выходное излучение является усиленным в активной среде с инверсной населенностью собственным спонтанным излучением. Достигается такой режим посредством «разрушения» обратной связи (третье условие лазерной генерации - см. § 5.2). Для этого используется несколько приемов: просветление одной из граней (i?-0); наклонный скол одной из граней (нарушение плоскопар аллель ности зеркал); косое по отношению к плоскости излучающей грани расположение токоподводящего контакта; обрыв активной области в толще кристалла без выхода на одну из плоскопараллельных граней (наиболее широко используемый метод, показанный на рис. 5.6,е). Во всех остальных элементах конструкции суперлюминесцентный диод подобен лазеру, обычно с ДГС. Иногда отраженного луча нет или, отражаясь, он попадает в неактивную поглощающую среду - происходит срыв генерации. Особенности такого прибора - отсутствие модовой структуры в выходном потоке и более существенная, чем у лазеров, роль спонтанного излучения. Отсюда следует, что выходные характеристики суперлюминесцентного диода занимают промежуточное положение между характеристиками лазера и светодиода, а именно: на рабочем участке ватт-амперная характеристика описывается суперлинейной (близкой к экспоненциальной) зависимостью (отсюда и название диода); пороговая плотность тока (точнее, тока, при котором происходит переход на суперлинейный участок характеристики) меньше, чем у лазеров; достигаемая выходная мощность во много раз больше, чем у светодиодов; ширина спектра Д?»,=2... 6 нм, что на порядок меньше, чем у светодиодов, но значительно больше, чем у лазеров; угол излучения изменяется в пределах от десятков до единиц градусов; излучение, в отличие от излучения светодиодов, может быть поляризованным; диапазон рабочих температур и долговечность заметно больше, чем у лазера, но уступают тем же параметрам светодиода. Основное назначение суперлюминесцентных светодиодов - ВОЛС. 5.4. НЕИНЖЕКЦИОННЫЕ ЛАЗЕРЫ Газовые лазеры. Наиболее широко применяемыми в оптоэлектронике среди приборов этой группы являются гелий-неоновые лазеры. Активный элемент такого лазера представляет собой герметизированную трубку (стеклянную, ме- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 [48] 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |