Светодиоды видимого диапазона

Полупроводниковые
светодиоды и лазеры
Светодиоды
Светодиодом, или излучающим диодом,
называют полупроводниковый диод на базе
p-n- либо гетероперехода, излучающий
кванты света при протекании через него
прямого тока.
По характеристике излучения светодиоды
разделяют на две группы:
 светодиоды с излучением в видимой части
спектра;
 светодиоды с излучением в инфракрасной
части диапазона - диоды ИК-излучения.
Светодиоды выпускаются красного (GaP : ZnO,
GaAs0,6P0,4), оранжевого (GaAs0,35P0,65), зеленого
(GaP), желтого (GaAs0,14P0,86), голубого (GaAs ErYb, SiC), фиолетового (GaN) цветов свечения, а
также с переменным цветом свечения. Последние
имеют два электронно-дырочных перехода.
Общий свет свечения зависит от соотношения
токов, протекающих через эти переходы.
Светодиоды чаще всего используют как
индикаторные устройства. Поскольку глаз
чувствителен только к свету с энергией hv~1.8 эВ
(~0.7 мкм), то полупроводники, которые могут
быть использованы для создания светодиодов
видимого диапазона, должны иметь ширину
запрещённой зоны больше этого значения. На
практике наибольший интерес представляет
GaAs(1-x)Px.
На рис. приведены
зонные диаграммы
GaAs(1-x)Px с
различными
значениями
компонентов
фосфора Р и
мышьяка As.
Из рис. Видно, что
при x = 0,45 и
значении ширины
запрещенной зоны
Eg = 1,77 эВ
полупроводник
переходит из
прямозонного в
непрямозонный (те
минимумы,
которые
расположены в
точке Г, являются
прямыми, тогда как
другие,
расположенные на
оси х, непрямые).
Светодиоды видимого диапазона
На рис. приведена
диаграмма хроматичности,
показывающая
соотношение между тремя
основными компонентами
цвета (красный, зеленый,
синий), необходимыми для
получения заданного
цвета.
Спектральная
чувствительность
человеческого глаза
находится в диапазоне
цветов от фиолетового до
красного и имеет максимум
для зеленого цвета. По
длинам волн этот диапазон
находится от 0,39 до 0,77
мкм, что соответствует
энергии квантов света от
2,8 до 1,8 эВ.
Светодиоды инфракрасного диапазона
Областями применения светодиодов ИК-излучения
являются оптоэлектронные устройства коммутации,
оптические линии связи, системы дистанционного
управления. Наиболее распространенный в настоящее
время инфракрасный источник — это светодиод на основе
GaAs (λ = 0,9 мкм). Он обладает наибольшей
эффективностью электролюминесценции в oсновном
благодаря тому, что среди всех прямозонных
полупроводников GaAs является технологически
наиболее освоенным. Для изготовления инфракрасных
светодиодов используются многие другие
полупроводники, имеющие запрещенную зону шириной
менее 1,5 эВ. К ним относятся твердые растворы, в состав
которых входят три или четыре элемента III и V групп
периодической системы. Среди них твердый раствор
переменного состава GaInAsP (λ = 1,0 - 1,3 мкм),
наиболее популярный Ga0,28In0,72As0,6P0,4 (λ = 1,26 мкм).
Конструкции светодиодов
Среди светодиодных структур основной является структура с
плоской геометрией (см. рис.). Обычно прямозонные
светодиоды (красное излучение) формируются на подложках
GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и
зелёное излучения) - на подложках GaP (б).
Уменьшение количества излучаемых светодиодом фотонов
обусловлено поглощением в материале светодиода, потерями за
счет отражения и потерями за счет полного внутреннего отражения.
Потери, связанные с поглощением, весьма существенны в
светодиодах на подложках GaAs (а), т.к. в этом случае подложка
поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых переходом. В
светодиодах на подложках GaP (б) поглощение составляет ~25%, и
эффективность излучения может быть существенно увеличена.
Полная эффективность преобразования электрического сигнала в
оптический даётся следующим выражением:
На рис. Показаны поперечные разрезы других светодиодов, которые
имеют параболическую, полусферическую и усечённо сферическую
геометрию.
Основное отличие этих трёх
структур от структуры с
плоской геометрией
состоит в том, что
телесный угол для них
равен 1. Таким образом,
отношение
эффективностей равно
Это означает, что для структур на GaP c
n=3.45 при данной геометрии можно
ожидать увеличения эффективности на
порядок.
«Голубые» светодиоды на соединениях
нитрида галлия
Нитриды элементов третьей
группы (GaN, AlN, InN) и
тройные соединения на их
основе являются
широкозонными
полупроводниками с прямыми
оптическими переходами и
наиболее перспективными
материалами для
изготовления голубых
светодиодов и светодиодов
ультрафиолетовой области
света. Особенностью таких
светодиодов является
высокая интенсивность
люминесценции и высоким
значением квантового выхода
η = 5,4 %. На рис. показана
типичная структура
светодиода с планарной
генерацией излучения на
основе GaN [27, 49].
а
б
Внутренний слой InGaN имеет
меньшую ширину запрещенной
зоны, чем наружный слой GaN,
поэтому верхний электрод
является прозрачным для
оптического излучения видимого
диапазона.
Светодиоды на основе
гетероструктур InGaN/GaN [9, 27]:
а) голубой светодиод с двойной
гетероструктурой;
б) зеленый светодиод с квантовой
ямой
В синих светодиодах используется
активный слой In0,06Ga0,94N,
легированный цинком (рис. а). В
зеленых светодиодах активный
слой толщиной 3 нм имеет состав
In0,2Ga0,8N (рис. б).
Применение светодиодов
Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковым лазером называют
оптоэлектронное устройство, генерирующее
когерентное излучение при пропускании через
него электрического тока.
Генерация стимулированного когерентного
излучения, или лазерный эффект, была
разработана для газовых лазеров и хорошо
описана с использованием представления об
электронных уровнях в атомных системах.
Рассмотрим два энергетических уровня E1 и E2.
Любой переход между этими состояниями
сопровождается испусканием или
поглощением фотона с частотой ν12,
определяемой из соотношения hν12 = E2 – E1.
При обычных температурах большинство
атомов находится в основном состоянии. Эта
ситуация нарушается в результате воздействия
на систему фотона с энергией, равной hν12. Атом
в состоянии E1 поглощает фотон и переходит в
возбужденное состояние E2. Это и составляет
процесс поглощения излучения.
Возбужденное состояние является
нестабильным, и через короткий промежуток
времени без какого-либо внешнего воздействия
атом переходит в основное состояние, испуская
фотон с энергией hν12 (спонтанная эмиссия).
Время жизни, связанное со спонтанной
эмиссией (т.е. среднее время возбужденного
состояния), может изменяться в широком
диапазоне, обычно в пределах 10-9 – 10-3 с, в
зависимости от параметров полупроводника,
таких как структура зон (прямая или непрямая)
и плотность рекомбинационных центров.
Столкновение фотона, обладающего энергией
hν12, с атомом, находящимся в возбужденном
состоянии, стимулирует мгновенный переход
атома в основное состояние с испусканием
фотона с энергией hν12 и фазой,
соответствующей фазе падающего излучения
(стимулированное излучение).
Зонная диаграмма и конструкция
полупроводникового лазера
Принцип действия и конструктивные особенности полупроводниковых
лазеров во многом сходны с полупроводниковыми светодиодами.
Инверсная населенность, необходимая для стимулированного
когерентного излучения, формируется путем инжекции через
прямосмещенный p-n-переход.
Резонатор, необходимый для усиления когерентного излучения,
формируется путем шлифовки граней кристалла.
Для того чтобы переходы с излучением преобладали над переходами с
поглощением, необходимо область рекомбинации в полупроводниковом
лазере легировать до вырождения: подобных лазерах p- и n-области
выполнены на одном материале, причем обе области являются
вырожденными полупроводниками с концентрацией носителей порядка
1020 ат/см3. При такой концентрации уровень Ферми Fр для p-области
попадает в валентную зону, а уровни Ферми Fn для n-области — в зону
проводимости.
В отсутствие напряжения оба уровня имеют одну и ту же энергию. Когда
напряжение будет приложено, то оба уровня расщепляются на величину
ΔE = eU.
Из рисунка видно, что в
области p-n-перехода, а
также на расстоянии порядка
диффузионной длины в
квазинейтральном объеме
возникает инверсная
заселенность.
В силу того что энергия
оптических переходов с
излучением меньше, чем
энергия переходов с
поглощением, вероятность
первых переходов выше, чем
вторых.
Дальнейший процесс
рекомбинации вызовет
лазерную генерацию.
Конструктивно активный слой из p-n-перехода
помещается между двумя металлическими электродами.
Типичные размеры активной области не превышают
200-500 мкм, отражающие поверхности создаются путем
скалывания выходных граней полупроводникового
монокристалла.
В таком виде полупроводниковый лазер имеет
недостаток, заключающийся в том, что размер
лазерного пучка (~5 мкм) значительно превышает
активную область в поперечном направлении (d = 1мкм),
результате чего проникает далеко в p- и n-области, где
испытывает сильное поглощение. По этой причине
пороговая плотность тока достигает большой величины
(~105 А/см для GaAs) и лазер быстро выходит из строя
от перегрева. Работоспособен такой лазер только в
импульсном режиме, а для непрерывного режима
излучения необходимо глубокое охлаждение.
При прямом смещении в p+ и n+ происходит инжекция
неравновесных носителей, и в этих областях на
расстояниях порядка диффузионной длины Lp, Ln будет
происходить рекомбинация неравновесных носителей.
При малых плотностях тока (низкий уровень инжекции)
высока вероятность спонтанного излучения и
спектральная линия достаточно широкая.
При высоких уровнях тока (высокий уровень инжекции)
вероятность стимулированного излучения возрастает по
отношению к вероятности спонтанного излучения и
поглощения, и на спектральной характеристике
появляется узкая линия когерентного излучения.
Значение тока, при котором появляется линия
когерентного излучения, называют пороговым
током.
Две боковые грани структуры скалываются или
полируются перпендикулярно плоскости перехода.
Две другие грани делаются шероховатыми для того,
чтобы исключить излучение в направлениях, не
совпадающих с главным. Такая структура называется
резонатором Фабри – Перо.
Смещение лазерного диода в прямом
направлении вызывает протекание тока.
Вначале, при низких значениях тока, возникает
спонтанное излучение, распространяющееся во
всех направлениях.
При увеличении смещения ток достигает
порогового значения, при котором создаются
условия для стимулированного излучения,
и p-n-переход испускает монохроматичный луч
света, направленный в плоскости
p-n-перехода.
Лазеры на гетероструктурах
С целью уменьшения пороговой плотности тока были
реализованы лазеры на гетероструктурах (nGaAs-pGe).
Использование гетероперехода позволяет
реализовать одностороннюю инжекцию при
слаболегированном эмиттере лазерного диода и
существенно уменьшить пороговый ток.
Приборная
реализация
лазерного диода
Al0,3Ga0,7As (p) –
GaAs (p)
и
GaAs (n) –
Al0,3Ga0,7As (n)
В области гетероперехода возникает волноводный
эффект, и излучение лазера происходит в плоскости,
параллельной гетеропереходу.
Активная область представляет собой слой nGaAs
толщиной всего 0,1–0,3 мкм.
В такой структуре удалось снизить пороговую
плотность тока почти на два порядка (~103 А/см2) по
сравнению с устройством на гомопереходе, в
результате чего лазер получил возможность работать в
непрерывном режиме при комнатной температуре.
Срок службы лазеров на двойных гетероструктурах
достигает 5·105 часов.
Преимущества:
 уменьшение
пороговой плотности тока происходит
из-за того, что оптические и энергетические
характеристики слоев, участвующих в переходах
таковы, что все инжектированные электроны и
оставшиеся дырки эффективно удерживаются только
в активной области
 лазерный пучок сосредоточен только в активной
области, где и происходит его основное усиление и
распространение
 лазерный пучок не испытывает поглощения в
областях, соседних с активной
 длина волны излучения такого лазера (λ = 0,85 мкм)
попадает в диапазон, в котором оптический
волоконный кварц имеет минимум потерь.
В настоящее время разработаны и широко внедряются
лазеры на материалах GaAs с присадками In, P и др. с
λ = 1,3 и 1,6 мкм, также попадающие в окна прозрачности
оптического кварца.
Уменьшением ширины полоски лазеров с полосковой
геометрией удалось довести пороговый ток до 50 мА,
КПД до 60 % (величина, рекордная для всех видов
существующих в настоящее время лазеров).
Дальнейшее развитие лазеров на двойной
гетероструктуре лежит в области новых
полупроводниковых материалов на основе нитрида
галлия с использованием квантовых ям в качестве
областей рекомбинации. Генерация лазерного излучения
в такого сорта лазерных диодах проходит в направлении,
перпендикулярном плоскости гетеропереходов,
поскольку внешний слой GaN имеет большую ширину
запрещенной зоны и является оптически прозрачным.
Применений лазеров на ДГ:
 считывающий
элемент в компакт-дисковых системах
(лазеры на соединениях AlGaInP излучают в видимой
области спектра, что позволяет считывать более
плотно записанную информацию)
 лазерные указки
 источники излучения для волоконно-оптической
связи
Презентацию подготовили:
Мехнецова Е.С.
Давыдова М.А.
ФТФ гр. 21306
2009г.