Функциональная электроника

Расчетно-графическая работа

по предмету: Функциональная электроника

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ

Оптоэлектроника (ОЭ) – это область науки и техники, связанная с разработкой и применением комбинированных электронно-оптических устройств и систем для передачи, приема, обработки, хранения и отображения информации.

ОЭ оказывает заметное влияние на сферу информатики и индустрии обработки данных.

В последнее время интенсивно развиваются оптические методы обработки информации в основном по трем направлениям:

1) создание цифровых оптических вычислительных машин (ОВМ) с широким применением различных оптоэлектронных и оптических компонентов, волоконной оптики, оптических запоминающих устройств и процессоров и др. Теоретические оценки показывают, что такие машины могут иметь быстродействие порядка нескольких миллиардов операций в секунду и повышенную надежность благодаря отсутствию задержек, присущих электрическим сигналам, двумерному характеру исходной информации нечувствительности к внешним и перекрестным помехам и т.д.;

2) создание аналоговых ОВМ, принцип действия которых основан на том, что определенная комбинация достаточно простых оптических элементов (линз, дифракционных решеток, голограмм и др.) позволяет осуществлять над оптическим сигналом весьма сложные интегральные преобразования, используемые вместо элементарных операций арифметического суммирования и логического сравнения в ЭВМ. Однако, ОВМ аналогового типа имеют сравнительно малую точность вычислений (в пределах нескольких процентов), и их целесообразно применять в тех случаях, когда требуется быстро обрабатывать значительные объемы информации без повышенных требований к точности вычислений;

3) создание ОВМ с картинной логикой, осуществляющих одновременную обработку больших массивов информации в виде двухмерных изображений.

Перспективы практического применения большей части рассмотренных устройств определяются уровнем развития интегральной оптики – нового физико-технического и схемотехнического направления ОЭ, позволяющего создать методами интегральной технологии микроминиатюрные твердотельные устройства, содержащие как пассивные (линзы, зеркала, призмы, дифракционные решетки), так и активные (излучатели, фото приемники, модуляторы, дефлекторы и т.д.) оптоэлектронные элементы.

В зависимости от характера оптического сигнала различают когерентную и некогерентную оптоэлектронику.

Когерентная ОЭ базируется на использовании лазерного излучения. К некогерентной ОЭ относят дискретные и матричные некогерентные излучатели и построенные на их основе цифровые индикаторные устройства визуального представления информации, шкалы, табло, экраны, а также фото приемные устройства, оптопары, оптронные интегральные микросхемы (ИМС) и др.

2. НЕКОГЕРЕНТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

2.1. Принцип действия светодиодов

В качестве некогерентных излучателей можно использовать сверх миниатюрные накальные и газоразрядные лампочки, порошковые, пленочные люминофоры, светоизлучающие диоды и т.д. Однако требованиям предъявляемым к оптоэлектронному прибору, удовлетворяют лишь светоизлучающие диоды, характеризующиеся высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в световую, надежностью и большим сроком службы, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, высоким быстродействием.

Целесообразно разделить светодиоды на две группы: 1) светодиоды, излучающие в видимом диапазоне спектра и используемые, главным образом, для отображения информации; 2) ИК светодиоды, применяемые в оптронах и волоконно-оптических линиях связи.

Хотя изготавливают светодиоды обеих групп из различных полупроводниковых материалов, принцип действия их одинаков и основан на явлении спонтанной инжекционной электролюминисценции – инжекции неосновных носителей в активную область прямосмещенного p-n-, гомо - или гетероперехода с последующей излучательной рекомбинацией в этой области.

Специфика процессов инжекции в светодиодах заключается в том, что одна из областей p-n-перехода должна быть оптически активна, т.е. должна обладать высоким внутренним квантовым выходом излучения.

Как известно, полное число излучательных переходов в единице объема при межзонной рекомбинации равно произведению , где В – коэффициент рекомбинации; np – неравновесная концентрация электронов в активной p-области; pp0 – равновесная концентрация дырок в этой области.

Очевидно, что p-n-переход с высоким внутренним квантовым выходом ?вн, равным отношению числа генерируемых в базе фотонов к числу инжектированных в нее неосновных носителей, должен быть изготовлен из прямозонного полупроводника, для которого В10-10 см3/с (для непрямозонных полупроводников В?10-14 см3/с). В отношении уровня легирования p - и n-областей возникают противоречивые требования: с одной стороны, для увеличения np необходимо, чтобы коэффициент инжекции ?п?1, а это связано с понижением уровня легирования базы Na; с другой стороны, для увеличения pp0 этот уровень следует повышать. Как правило, выбирают компромиссный вариант: оптимальный уровень легирования активной области составляет 1017 – 1018 см-3 для доноров и 3.1018 – 3.1019 см-3 для акцепторов.

Кардинальное решение данной проблемы дает использование гетеропереходов. В этом случае благодаря эффекту суперинжекции можно получить заданное np при не очень сильно легированном эмиттере. Односторонняя инжекция (?п?1) обеспечивается за счет разницы в ширине запрещенных зон используемых полупроводников: .

Межзонные излучательные переходы конкурируют с безызлучательными и излучательными переходами, связанными с рекомбинацией через промежуточные состояния (дефекты структуры, посторонние примеси и включения, глубокие примесные центры, поверхностные состояния и т.д.). Все эти конкурирующие переходы, которые можно охарактеризовать некоторым эффективным временем жизни ?безизл, снижают величину ?вн, поскольку сопровождаются исчезновением инжектированных в базу носителей для генерирования фотона соответствующей энергии.

Снижение доли безызлучательной рекомбинации (увеличение ?безызл) – одна из важнейших задач технологии светодиодов, направленная на повышение ?вн. Для подавления безызлучательных переходов принимают разнообразные меры: 1) оптимизируют излучательные структуры с целью снижения концентрации дефектов на границах слоев, исключения безызлучательной рекомбинации на поверхности и т.д.; 2) используют качественные эпитаксиальные слои, полученные методами жидкостной, газовой или молекулярно-лучевой эпитаксии. Из-за низкой температуры и невысокой скорости роста таких слоев резко снижается плотность дислокаций и других дефектов структуры, концентрация посторонних примесей. Например, в слоях Ga1-xAlxAs при x‹0.3, полученных методом жидкостной эпитаксии, вероятность безызлучательной рекомбинации сведена практически к нулю (?безызл??), и, следовательно, ?вн приближается к 100%.

Важной задачей является также снижение доли поглощаемого внутри кристалла излучения. Существует три метода борьбы с этим явлением.

Уменьшение энергии фотонов за счет компенсации примесей в активной области. По такому принципу созданы эпитаксиальные p-n-структуры в GaAs, легированным кремнием, в которых генерируются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны (hvизл‹Eg). При этом коэффициент поглощения не превышает 100 см-1. В GaAs: Si-структурах ?вн составляет 40 – 70%. Основным недостатком таких структур является невысокое быстродействие.

Использование непрямозонных полупроводников в частности GaP. Известно, вероятность межзонной рекомбинации в GaP невелика (В5.10-14 см3/с), однако при наличии подходящего промежуточного примесного центра она резко возрастает. К сожалению, выбор таких центров ограничен. Так, для GaP ими могут служить азот и комплексы Zn-O. Эти центры создают глубокие энергетические уровни в запрещенной зоне, поэтому потери на межзонное поглощение отсутствуют ().

Использование эффекта «широкозонного окна» в гетероструктурах. Следует отметить, что применение гетероструктур в светодиодах выгодно и по другим причинам. Благодаря эффектам «электронного» ограничения и суперинжекции можно резко повысить концентрацию неосновных носителей в активной области и достигнуть высокого внутреннего квантового выхода при малых прямых токах. В таких случаях рекомбинация носителей происходит в ограниченной по размерам области, в которой концентрация неравновесных носителей повышается в раз по сравнению с гомопереходом при этом же уровне возбеждения (L – диффузионная длина неосновных носителей, d – толщина базы).

Естественно, большое значение ?вн не гарантирует высокой эффективности светодиода как оптоэлектронного прибора, поэтому при его эксплуатации более важным является такой параметр, как внешний квантовый выход ?внш (или КПД преобразования электрической энергии в световую), определяемый отношением числа фотонов, выведенных за пределы кристалла, к числу носителей заряда, проходящих через p-n-переход.

Как правило, величина ?вн не превышает нескольких процентов, так как за пределы кристалла можно вынести лишь небольшую часть генерируемого внутри активной области излучения. Наиболее существенны следующие виды потерь: 1) на полное внутреннее отражение излучения, падающего на границу раздела полупроводник – окружающая среда под углом, большим критического; 2) на френелевское отражение для излучения, падающего на границу раздела под углом, меньшим критического; 3) на поглощение излучения в объеме полупроводника и в приконтактных областях.

Наиболее значителен первый вид потерь. Дело в том, что доля выходящего за пределы кристалла излучателя определяется значением критического угла ?кр между направлением светового луча и нормалью к поверхности раздела: . В связи с большим различием показателей преломления используемых полупроводников nп и окружающей среды nокр значения ?кр невелики. Например, для GaAs и GaP с показателями преломления 3.54 и 3.3. значения критического угла при выводе излучения в воздух соответственно равны 16 и 17.70. это означает, что наружу выйдут световые лучи, распространяющиеся в заштрихованном конусе с углом при вершине 2?кр (рис.2.1). В пределах этого конуса потери на френелевское отражение определяются выражением вида и составляют для границ раздела GaAs – воздух и GaP – воздух соответственно 31 и 29%.

Рис.2.1

Дальнейшая судьба отраженного от границы раздела излучения зависит от коэффициента поглощения в объеме полупроводника. Если этот коэффициент достаточно велик, то все излучение поглотится внутри кристалла. Если же кристалл прозрачен для генерируемого излучения, то оно, отражаясь от его граней, может повторно (и не один раз) падать на поверхность раздела и частично выводиться за пределы кристалла.

Ясно, что сверхизлучающие структуры с плоской геометрией не могут обладать высоким значением ?внш даже при ?вн 100%. Поэтому в современных светодиодах используют кристаллы в виде полусферы параболоида или усеченной сферы Вейерштрасса. При этом наблюдается увеличение доли выводимого излучения до 30 – 35%.

Другие методы повышения ?вн связаны с помещением кристалла в среду с промежуточным показателем преломления (), когда критический угол возрастает до 25 – 300, а для выводимого излучения увеличивается в 2.5. – 3 раза; нанесением «просветляющих» покрытий на поверхность кристалла для сокращения френелевских потерь (применение диэлектрических пленок SiO, SiO2, Si3N4 позволяет увеличить выход излучения на 25 – 30%); уменьшением площади контактов; выводом излучения вдоль p-n-переходов с использованием эффекта «оптического» ограничения в двойных гетероструктурах и др.

2.2. Конструкции светодиодов

Основу любого светодиода составляет светоизлучающий кристалл с определенной комбинацией эпитаксиальных слоев, чаще всего выраженных на подложках из GaAs или GaP. Кристалл имеет, как правило, форму квадрата со стороной 0.35 – 0.5 мм. Для повышения плотности тока через p-n-переход уменьшают размеры активной области до нескольких десятков микрометров путем формирования мезаструктуры или изолирующих аморфных слоев, полученных протонной бомбардировкой.

Омические контакты к кристаллам изготавливают традиционными методами тонкопленочной технологии – вакуумным напылением, электрохимическим или химическим осаждением. Как правило, применяют многокомпонентные сплавы типа Au – Zn, Au – Be, Au – Ni, Aa – Ge – Ni и др. После операции нанесения контактов проводится их вжигание при температурах 500 – 6000С.

Для соединения верхних контактов с выводами применяют термокомпрессионную или лазерную сварку, а нижних - припои или токопроводящие клеи. Верхний омический контакт светодиода должен, с одной стороны, иметь минимальную поверхность для уменьшения потерь света, а с другой стороны, содержать площадку, достаточную для сварки, и иметь форму, обеспечивающую равномерное растекание тока по площади p-n-перехода (рис.2.1).

Нижний контакт может быть сплошным при непрозрачной подложке и в виде сетки или набора точек малой площади для кристаллов с прозрачной подложкой. В последнем случае контактный сплав должен обладать хорошими отражающими свойствами.

На рис.2.2. показаны конструкции некоторых наиболее распространенных типов светодиодов и их диаграммы направленности. Как видно, существуют три типа светодиодов: в металлостеклянном (АЛ 102), пластмассовом (АЛ 307) корпусе и бескорпусные (АЛ 301). Первый тип светодиодов характеризуется высокой надежностью и стабильностью параметров, а второй – технологичностью и низкой стоимостью, большой стойкостью к действию ударных и вибрационных нагрузок, возможностью управления диаграммой направленности излучения в направлении как ее расширения, так и сужения.

Рис.2.2

Как правило, кристалл помещают в специальное углубление с отражающими свет стенками, что позволяет увеличить силу света в осевом направлении при одновременном улучшении восприятия излучения в результате расширения светящейся площадки и повышения контрастности.

Пластмассовый корпус светодиодов изготавливают в виде полусферической полимерной линзы, которая перераспределяет световой поток и формирует диаграмму направленности светодиода. Чаще всего такие линзы делают на основе эпоксидных компаундов с добавкой красителей или светорассеивающих наполнителей.

Светодиоды видимого диапазона характеризуются следующими основными параметрами: силой света IV, длиной волны излучения в максимуме спектральной полосы ?max (цветом свечения), полушириной спектральной линии излучения ??, диаграммой направленности (или углом излучения ?), прямым напряжением Uпр при заданном прямом токе Iпр, световой отдачей по мощности или по току, внешним квантовым выходом ?внш или КПД , . Для большинства светодиодов ?внш примерно равен КПД.

Для ИК светодиодов вместо силы света IV используют силу излучения (, где к - видность излучения). В некоторых случаях важное значение имеют такие параметры и характеристики светодиодов, как быстродействие и зависимость силы света (излучения) от прямого тока.

Табл.2.1

Материалы, используемые для светодиодов, и их основные характеристики приведены в табл.2.1. Анализируя приведенные данные, нетрудно заметить, что отсутствуют материалы, позволяющие получать свечение в голубой и синей областях спектра. В настоящее время осуществляется интенсивный поиск таких материалов. Наиболее исследованными из них являются бинарные соединения типа АIIIВV с шириной запрещенной зоны Еg > 3,0 эВ: GaN, SiC, A1N и др.

Большие перспективы имеют тройные и четверные полупроводниковые соединения, ширина запрещенной зоны которых непрерывно меняется в зависимости от их состава. Используя четырехкомпонентные соединения, можно управлять шириной запрещенной зоны Е и постоянной кристаллической решетки а в довольно широких пределах. Например, для прямозонных соединений InGaAsP Еg меняется от 0,36 до 2,2 эВ (? = 0,55-3,4 мкм при T = 300 К). В качестве подложек можно использовать GaAs или GaAsP.

ИК светодиоды изготавливают на основе GaAs, GaAlAs и GalnAsP. Наиболее эффективными из всех излучающих структур являются двойные гетероструктуры в системе GaAs/GaAlAs, для которых может быть получен ?вн, близкий к 100%, а ?внш - более 45% в диапазоне длин волн 0,82-0,9 мкм. Как известно, качество гетероструктур определяется согласованием параметров решеток подложки и эпитаксиальных слоев, т.е. возможностью создания изорешеточной структуры. Для гетеропереходов GaAs/Ga1-хAlхAs параметры решеток практически совпадают в широком диапазоне составов тройного соединения. Поэтому возможно получение гетеропереходов с минимальной плотностью дислокаций на границе раздела активный слой - эмиттер.

3. Когерентные излучатели

Основной тип излучателей когерентной оптоэлектроники - инжекционные полупроводниковые лазеры (ППЛ). Они представляют собой миниатюрные твердотельные приборы, изготавливаемые методами планарно-эпитак-сиальной технологии. Рассмотрим современные конструктивно-технологические варианты и основные характеристики инжекционных ППЛ.

К числу важнейших параметров и характеристик инжекционных ППЛ от носят пороговый ток Iпор (плотность порогового тока Jпор), длину волны ? и полуширину спектра излучения ??, энергию Е или мощность излучения Р, длительность ? и частоту f следования импульсов, диаграмму направленности (угол расходимости), модовый состав излучения, КПД, срок службы, модуляционные характеристики и др.

Совершенствование технологии создания ППЛ позволило значительно снизить пороговые токи при одновременном повышении дифференциального КПД ?диф, определяемого тангенсом угла наклона ватт-амперной характеристики. Так, для типичного гомолазера Jпор104-105А/см2, ?диф10% (приводятся усредненные значения, поскольку Jпор и ?диф зависят от температуры, толщины активного слоя и уровня легирования). Однако уже для первых образцов гетеролазеров с односторонним ограничением, появившихся в 1969г. и содержащих один гетеропереход, удалось снизить Jпор до величины порядка 103А/см2 и повысить ?диф до 40%. Несмотря на это, такие лазеры не способны работать в непрерывном режиме. При комнатной температуре может быть реализован импульсный режим работы с РИ = 10 - 30 Вт, f 25 кГц, ?100 нс.

В том же году Ж.И. Алфёровым были созданы более эффективные ППЛ на основе двойных гетероструктур с Jпор 400 - 800 А/см2 и ?диф > 55%, способные генерировать в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Современная технология позволяет создавать гетеролазеры с контролируемым модовым составом излучения при Jпор 100 А/см2, генерирующим в диапазоне длин волн от 0,3 до 32 мкм. Активный слой изготавливают из легированных соответствующим образом трех - или четырехкомпонентных полупроводниковых соединений, выращенных методом газофазной, жидкофазной или молекулярно-лучевой эпитаксии на основе GaAs - или GaP-подложки. Высокой эффективностью вследствие малого рассогласования периодов кристаллических решеток отличаются гетероструктуры типа GaAs/GaAlAs, InP/GalnAsP, InP/AlGaAsSb, CdTe/CdHgTe и др.

Рис.3.1

На рис.3.1. приведены наиболее распространенные конструкции инжекционных ППЛ. Импульсные лазеры имеют обычно широкие контакты, плоский или гофрированный активный слой (рис.3.1, а, б). Для большинства непрерывных лазеров, работающих при комнатной температуре, характерна полосковая геометрия с резонатором, образованным зеркальными сколами торцевых поверхностей кристалла. Полосковый контакт (рис.3.1, в) обеспечивает уменьшение ширины активного слоя W до величины 3-25 мкм и резкое снижение порогового тока. На практике применяют различные методы формирования полосковых структур – с использованием окисной изоляции (рис.3.1, в), мезаструктур, создание высокоомных областей, окружающих активный слой с боковых сторон, и др. При W < 10 мкм удается устранить возникновение в пределах активного слоя нескольких областей с высокой интенсивностью излучения (так называемых световых "шнуров"), которые можно трактовать как поперечные моды. На рис.3.2. показана структура таких мод при различной ширине активного слоя W. Видно, что при W = 10 мкм излучается одна мода, характеризуемая гауссовским распределением интенсивности.

Рис.3.2

Гетероструктура с канавкой, которую формируют перед выращиванием эпитаксиальных слоев (рис.3.1, г), обеспечивает одномодовую генерацию. Иногда толщину слоев гетероструктуры делают переменной, а сами слои располагают наклонно, как, например, в ППЛ «террасного» типа (рис.3.1, д). Минимальный по ширине пучок излучения характерен для ППЛ с «зарощенной» мезаполосковой структурой (рис.3.1, е), с V-образной структурой (рис.3.1, ж) и с поперечным p-n-переходом (рис.3.1, з).

Наилучшими характеристиками обладают инжекционные ППЛ с «зарощенной» мезаполосковой гетероструктурой, в которых активная область имеет форму полоски прямоугольного сечения площадью dW < 1 мкм2, погруженной в среду с меньшим показателем преломления и более широкой запрещенной зоной. Эффективная электрическая изоляция вне активной области и малый объем активной области позволяют снизить пороговые токи до нескольких миллиампер, а потребляемую электрическую мощность – до нескольких десятков милливатт. Такие ППЛ имеют достаточно высокий КПД, могут излучать в одномодовом и даже одночастотном режиме мощность до 5 мВт, обладают хорошими модуляционными характеристиками (fмод > 2 ГГц). Срок их службы превышает 10 000 ч.

При необходимости увеличить мощность излучения используют ППЛ с дополнительными волноводными слоями, называемыми BOG-Lasers (лазеры с «большим» оптическим резонатором). Такие лазеры при длине резонатора 300 мкм, ширине 2-4 мкм и толщине активного слоя 0,1 мкм стабильно генерируют в одномодовом режиме мощности более 10 мВт (с защитными покрытиями на зеркалах до 30 мВт) при КПД выше 30%. Типичные значения Jпор составляют 1,4-1,8 кА/см2, минимальный пороговый ток в непрерывном режиме 9 мА.

В настоящее время ведутся работы по совершенствованию инжекционных ППЛ, направленные на увеличение срока их службы, КПД, мощности излучения, расширение диапазона длин волн генерируемого излучения, создание перестраиваемых лазеров. Одна из наиболее актуальных задач, особенно для непрерывных лазеров, - увеличение гарантийного срока службы до 100 000 ч, характерного для других элементов электронной техники. В связи с этим тщательно исследуются механизмы деградации инжекционных ППЛ, связанные с длительным протеканием электрического тока большой плотности и "старением" полупроводникового материала.

В зависимости от характера проявления и скорости развития выделяют три группы деградационных процессов: 1) катастрофическая деградация; 2) образование дефектов темных линий; 3) медленная деградация.

При катастрофической деградации происходит разрушение зеркал резонатора (Ркр 1,5-106 Вт/см2), появление трещин или оплавлений вблизи активного слоя при недостаточном теплоотводе и т.д. Эффективное средство борьбы с такими процессами – улучшение качества контактов и теплоотвода, введение технологических тренировок и отбраковок.

Дефекты темных линий представляют собой трехмерную сетку дислокаций, которая формируется в процессе работы ППЛ и внедряется внутрь резонатора. Развитие дефектов ускоряется под действием механических напряжений. В области таких дефектов скорость безызлучательной рекомбинации высока, следовательно, велики потери генерируемого излучения, а это приводит к увеличению Iпор. Для уменьшения вероятности образования дефектов темных линий необходимо использовать совершенные эпитаксиальные структуры с низкой плотностью дислокаций и малыми механическими напряжениями.

Если устранить причины, вызывающие катастрофическую деградацию из-за дефектов темных линий, ППЛ могут непрерывно работать в течение многих лет с относительно медленной деградацией свойств, обусловленной миграцией неконтролируемых примесей в активную область и постепенным увеличением там концентрации безызлучательных центров, ростом теплового сопротивления, а также последовательного сопротивления слоев и т.д. При этом наблюдается однозначная связь: чем меньше значение Iпор, тем выше долговечность ППЛ.

Отметим одну особенность инжекционных ППЛ, которую необходимо учитывать при их использовании, а именно: большую угловую расходимость излучения. Она различна в плоскости активного слоя (?II 10°) и в перпендикулярном направлении (?? 35-60°) (рис.3.4). Другими словами, степень пространственной когерентности инжекционных ППЛ невелика.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Технологические лазеры. Справочник: 2 том. Под ред.В.Г. Гонтарь, А.А. Колпаков, М., - 1991г.

2. Н.М. Тугов, Б.А. Глебов. Полупроводниковые приборы. М., - 1990г.

3. А.Г. Смирнов. Квантовая электроника и оптоэлектроника. М., - 1987г.

4. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы. М., - 1978г.