|
| |
|
Слаботочка Книги ласти спектра (более чем двадцатилетние эксперименты на SiC и <3aN дали очень незначительный промышленный выход); синтез материала, позволяющего генерировать белый свет, а также «кос-моцветного» материала, т. е. такого единого полупроводника, различная обработка которого позволяла бы получать любой цвет свечения из видимой части спектра или требуемую комбинацию таких цветов. Может быть указано несколько путей решения проблемы кос-моцветности. Во-первых, это использование широкозонных полу-пр 5В0-НИК0В. Например, SiC, кристаллизующийся в большом числе политинов, может иметь ширину запрещенной зоны Eg от 3,2 эВ (для гексагональной модификации 6Н-SiC) до 2,05 эВ (для кубической модификации ЗС - SiC). Это позволяет изготавливать на основе одного материала светодиоды фиолетового, синего, голубого, зеленого, желтого цветов свечения; по-видимому, возможно и дальнейшее продвижение в «красную» область. Принципиальный недостаток SiC заключается в непрямозонности полупроводника (максимально достигнутый т)е9;(=10~*... 10-), а также в сложности его получения и обработки (температура эпитаксии и диффузии превышает 2000°С). Однако успехи технологии производства аморфного SiC позволяют по-иному взглянуть на возможности его применения в индикаторной технике. Подходящими материалами являются также прямозонные полупроводники ZnS (£§«;;3,8 эВ) и ZnSe {tgf2,7 эВ), но несмотря на очень длительный период исследований в них, как и в других соединениях типа АВ, не удалось получить качественные р-п-переходы. Второй путь связан с антистоксовой люминесценцией. Еще в 1966 г. установлено, что многие фотолюминофоры, содержащие присадки редкоземельных элементов, способны эффективно преобразовывать ИК-излучение в видимый свет. В основе этого лежит тот факт, что энергия разрешенного перехода в ионе иттербия (сенсибилизатор) оказывается т-кратной (т=2, 3,...) энергиям квантовых переходов в ионах других редкоземельных элементов, таких как эрбий, гольмий, тулий (активаторы). Поэтому большую вероятность имеет процесс передачи энергии двух (или более) возбужденных ионов иттербия одному иону активатора, причем эта передача может осуществляться как последовательно (дву.хстадийный механизм), так и одновременно, резонансно (кооперативное возбуждение). Б итоге в обоих случаях длины волн возбуждающего и излучаемого потоков связаны между собой соотношением Я„зл - Ko.d2. (5.30) Светодиоды, изготовленные путем нанесения люминофора La202S Yb3+, ErS+) на поверхность GaAs (Si)-излучателя, позволили получить свечение красного, зеленого, голубого цветов. Коэффициент полезного действия двойного преобразования энергии в лучших из этих приборов невелик (менее 1%), однако теоретические оценки показывают, что оптимизация структуры может увеличить светоотдачу более чем на порядок. Третий путь реализации космоцветности, пока экспериментально не проверенный, заключается в создании поверхностно-вари-зонных структур, в которых изменение ширины запрещенной зоны будет осуществлено вдоль поверхности кристалла. Функциональная интеграция излучаюиих приборов все еще не получила заметного развития; известны лишь отдельные примеры, как правило не подтверждающие ни техническую, ни экономическую эффективность этого направления. Создавая в кристалле GaP два активных слоя, один легированный азотом, а другой цинком и кислородом, и изготавливая контакты к каждой из этих областей, получают светодиоды, способные излучать в красной и зеленой областях спектра. При одновременном включении и изменении соотношения токов в двух цепях возможна генерация и промежуточных цветов. Размещение в том же светодиодном корпусе еще и кристалла с голубым свечением (обычно на основе SiC) расширяет возможности прибора до перекрытия всего 7?СБ-треугольника (см. § 4.2). Аналогично этому, создавая в GaAlAs- или InGaAsP-кристал-ле две активные гетероструктуры с разными ширинами запрещенной зоны, получают двухволновые лазеры для ВОЛС. Сдвоенные (в одном кристалле) лазеры создаются для оптических дисковых накопителей: один из них используется в режиме записи, другой - маломощный, малошумящий - в режиме считывания. Некоторое распространение получили бистабильные излучающие приборы, основанные на трехслойных p-i-n- или четырехслой-ных р-п р-п-структурах (обычно в GaP- или GaAlAs-кристаллах), в которых одна из областей эффективно люминесцирует. Функционально эти приборы представляют собой динисторы или тиристоры, которые во включенном состоянии еще и светятся красным или зеленым светом. Направляя часть светового потока излучающей структуры на кристалл кремниевого фотоприемника, вмонтированного в тот же корпус, получают «светодиод-оптопару». Излучающая структура с широкой варизонной активной областью представляет собой излучатель, управляемый светом, или преобразователь спектра излучения: внешний световой поток генерирует свободные носители во входной плоскости активной области, эти носители проходят (дрейфуют или диффундируют) через толщу активной области и в ее выходной плоскости происходит их рекомбинация с излучением квантов, длина волны которых определяется шириной запрещенной зоны в этой плоскости и не зависит от длины волны падающего света. В зависимости от характера изменения Eg в активной области может быть осуществлено преобразование излучения как «вправо», так и «влево» по оси длин волн. Перечисленные многофункциональные приборы успешно прошли лабораторную проверку, многие из них выпускаются промыш-ленно, однако широкого распространения они не получили по следующим основным причинам: их параметры, как правило, ниже, 160 чем у аналогичных дискретных приборов; структуры сложны в изготовлении и дороги; набор выполняемых функций очень мал и не дает решающего выигрыша в сфере применения. Генеральное направление развития функционально интегрированных структур может быть связано лишь с созданием универсальных оптоэлектронных устройств,- в которых удалось бы одновременно совместить: излучатель (в перспективе многоэлементный, многоволновый или с перестраиваемым цветом свечения); схемы возбуждения излучателя, логической обработки (дешифрации) и преобразования входных сигналов, памяти (при необходимости); фоточувствительную схему обратной связи, обеспечивающую корректировку режима возбуждения при деградационном, температурном или любом другом изменении мощности излучения; оптические элементы, направленно и управляемо воздействующие на выходной сигнал (избирательность мод, поляризация, модуляция, разделение выходного потока и т. п.). Наиболее эффективный путь решения этой задачи связан с использованием принципов интегральной оптики. Электронные схемы могут изготавливаться либо на кристалле излучателя (в этом случае в нем должны быть созданы две резко отличающиеся по электрофизическим свойствам области, что усложняет эпитаксию), либо на кремниевом кристалле, гибридно объединяемом с кристаллом излучателя. Таким образом, оптоэлектронный излучатель будущего видится как лазер или светодиод, интегрально совмещенный (монолитно или гибридно) со схемами и элементами электронного и оптического обрамления Искусственные квантовые ящики и сверхрешетки находят все большее применение при разработке излучателей. По мере умень- А В А В А В   Рис. 5.12. Квантовый размерный эффект в гетероструктуре: а - представление электрона в виде волнового пакета де Бройля; б - электрон (волна де Бройля) ; в двумерной квантовой яме 2; в - чередование слоев арсенид-фосфида галлия с меньшим (Л) и большим (В) содержанием мышьяка в сверхрешетке; г - энергетическая диаграмма сверхрешетки (/ - энергетические зоны, обусловленные эффектом размерного квантования) 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 |