Полупроводниковые источники оптического излучения

Для излучения фотонов и их последующего вывода из полупроводникового материала необходимо, чтобы энергия излучаемых фотонов была слишком мала для их последующего поглощения в материале.

Для перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости, необходима энергия, большая Е_g, но если состояния в минимуме зоны проводимости заняты (квазиуровень Ферми F_n находится выше дна зоны проводимости), а квазиуровень Ферми F_p находится ниже потолка валентной зоны, то минимальная энергия фотона должна превышать Е_g. Энергия же излучения может быть , а концентрации носителей . Это соответствует вырожденному состоянию в полупроводнике. При этом лазерном условии достигается инверсная населенность, при которой ни одно состояние, участвующее в процессе излучения не может участвовать в поглощении.

Накачка, то есть создание неравновесного возбужденного состояния с инверсной населенностью уровней можно осуществить инжекцией носителей.

Различают также спонтанные (самопроизвольные) и вынужденные переходы. Вынужденные переходы с излучением с уровня E₂ на уровень E₁ происходят под действием фотонов с энергией

, (7.7)

Спонтанная рекомбинация генерирует фотоны, распространяющиеся в произвольном направлении и имеющие произвольные фазы, хотя их частота определяется выражением (7.7). При вынужденной рекомбинации генерируются фотоны, имеющие ту же частоту, направление распространения и фазу, что и фотон, индуцирующий рекомбинацию.

В состоянии равновесия имеет место преимущественно спонтанная рекомбинация, когда же система выходит из равновесия, увеличивается плотность электронов в верхнем состоянии, растет скорость вынужденной рекомбинации.

Светодиоды и полупроводниковые лазеры принадлежат к классу люминесцентных приборов. Люминесценцией называется оптическое излучение, возникающее в результате электронного возбуждения материала. В зависимости от источника энергии возбуждения выделяют несколько видов люминесценции, мы будем рассматривать инжекционную электролюминесценцию, которая представляет собой оптическое излучение, возникающее при инжекции неосновных носителей при прямом смещении pn -переходов, так как в этом случае электрическая энергия непосредственно преобразуется в фотоны.

Эффективным с точки зрения люминесценции является такой материал, в котором излучательные переходы превалируют над безизлучательными.

Эффективность люминесценции () определяется как отношение числа возбужденных носителей, дающих вклад в излучение, к полному числу носителей, участвующих в рекомбинации можно определить следующим образом:

, (7.8)

где и – скорости излучательной и полной рекомбинации, и – времена жизни безизлучательной и излучательной рекомбинации соответственно.

Из (7.8) следует, что для обеспечения высокой квантовой эффективности времена жизни излучательной рекомбинации должно быть мало.

Наиболее вероятны излучательные переходы у материалов прямозонных полупроводников группы А^IIIB^V. Для индикаторных устройств используют широкозонные полупроводники с E_g > 1, 7 эВ.

Светодиоды – это полупроводниковый прибор, с гомо- или гетеро- pn- переходом, вблизи которого возникает люминесценция при включении прибора в прямом направлении.

Рис. 4.45. Энергетические диаграммы и распределение носителеи заряда по энергиям (по сечению А—А) для рп-перехода в отсутствие внешнего напряжения (а) и в случае приложения напряжения U в прямом направлении

Достоинства светодиодов: высокое быстродействие и легкость амплитудной модуляции в широком частотном интервале; миниатюрные размеры, позволяющие изготовлять на их основе интегральные излучающие матрицы; широкая возможность выбора материала излучателя для спектрального согласования с фотоприемником при конструировании оптопар.

Спектральная характеристика излучения светодиода при межзонных переходах представляет собой линию полушириной kT и центрированную при значении (рис.).

Рис. 6.5. Излучательная рекомбинация, обусловленная межзонными электронными переходами: а – энергетическая диаграмма; б – спектр излучательной рекомбинации InSb при Т=4, 2 К

Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та часть, которая проходит через поверхность полупроводника.

Внутренний квантовый выход равен отношению количества излученных фотонов на единицу площади pn- перехода к количеству инжектированных носителей заряда через pn- переход в единицу времени и равно отношению полного времени жизни носителей, определяемого излучательной и безизлучательной рекомбинацией к излучательному времени жизни носителей заряда:

где и - значения внутреннего квантового выхода для p - и n -областей, и - коэффициенты инжекции электронов и дырок.

Коэффициент инжекции электронов в p–область записывается в виде:

где – плотность тока электронов, – плотность тока дырок, – плотность генерационно-рекомбинационного тока, – плотность туннельного тока.

Светодиоды конструируют таким образом, чтобы была преимущественная инжекция носителей одного знака и, следовательно, излучательная рекомбинация в одной из областей pn -перехода. Для этого эмиттерную область сильно легируют, вплоть до вырождения, однако при этом возрастает вероятность туннельного тока.

Другим способом повышения коэффициента инжекции является применение гетероперехода. Если использовать узкозонный материал p или n -типа (GaAs) и широкозонный материал (GaAlAs), инжекция электронов из широкозонного полупроводника будет происходить значительно легче, чем из узкозонного.

Рис. 7.5. схема гетероперехода р -GaAs-Ga1-хAlхAs.

Внешний квантовый выход есть отношение количества фотонов, излученных в единицу времени во внешнюю среду к количеству носителей, прошедших через pn- переход, будет обусловлено поглощением в материале светодиода и потерями за счет отражения при выходе света через границу полупроводник – внешняя среда.

,

где – коэффициент инжекции, T – коэффициент пропускания света материалом, Г – коэффициент выхода света через границу полупроводник – внешняя среда.

Коэффициент выхода света Г оптимизируют путем использования просветляющих покрытий и подбором формы той области кристалла, через которую излучение выводится во внешнюю среду. При этом наибольшее значение Г наблюдается для сферической конфигурации светодиода.

В отличие от светодиодов, в полупроводниковых лазерах преобладает вынужденное излучение. При выполнении лазерного условия необходимо также добиться накачки лазера, то есть определенной плотности тока J_t, называемой пороговой, когда возрастание интенсивности излучения в максимуме спектра будет больше потерь. При плотности тока ниже J_t преобладают спонтанные переходы, при плотности тока выше J_t - вынужденные, причем интенсивность излучения резко возрастает. Для того чтобы получить лазерное излучение в виде направленного пучка необходимо добиться когерентности излучения.

Для получения когерентности излучения используют резонатор, который поддерживает рост колебаний определенной частоты и фазы. В простейшем случае резонатор Фабри-Перо представляет собой две зеркальные грани кристалла, перпендикулярные плоскости pn- перехода. Излучение, распространяющееся перпендикулярно этой паре граней образует в резонаторе стоячие волны, когда на длине резонатора укладывается целое число полуволн излучения. Две другие плоскости, также перпендикулярные pn -переходу, обрабатывают грубо, чтобы устранить от них отражение. Для предотвращения попадания излучения в квазинейтральные области активная область лазера, в которой происходит вынужденная излучательная рекомбинация, имеет более высокий показатель преломления, чтобы излучение за счет полного внутреннего отражения не выходило за пределы активной области, а вызывало бы вновь вынужденное излучение, то есть вынужденное сверхсвечение.

Таким образом, полупроводниковые лазеры испускают вынужденное излучение, когерентное в пространстве и во времени, совпадающее с вызвавшими его фотонами. Излучение лазера высокомонохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго направленный луч света. Особенностями полупроводникового лазера по сравнению с другими квантовыми генераторами (газовыми и твердотельными) являются малая длина резонатора и малый объем активной области.

Инжекционные лазеры на основе гомогенных pn -переходов имеют высокое значение плотности порогового тока j_t, сильно зависящую от температуры. Это связано с тем, что для достижения инверсной населенности полупроводник необходимо легировать до вырождения. Однако в результате сильного легирования в материале появляется большое количество дефектов, которые служат центрами безизлучательной рекомбинации.

Для компенсации потерь излучения необходимо увеличивать уровень инжекции и прямой ток. Это в свою очередь приводит к выделению в полупроводнике большого количества тепла, поэтому такие приборы работают преимущественно в импульсном режиме при низкой температуре.

Успехи в технике эпитаксиального наращивания пленок полупроводников позволили изготовить гетероструктуры, в которых недостатки гомопереходов были в значительной степени устранены. Впервые лазеры на основе таких структур были изготовлены сотрудниками ФТИ АН им. А. Ф. Иоффе под руководством Ж. И. Алферова.

Типичная структура, энергетическая диаграмма которой представлена на рис. 7.5 следующая: широкозонный полупроводник n -типа с концентрацией N_d = (1…5)·10¹⁷ см^-3 толщиной 50…100 мкм, средний слой толщиной 1…5 мкм с концентрацией N_a = 10¹⁷ см^-3 и правый слой с концентрацией N_a = (1…5)·10¹⁸ см^-3. Инжекция ведется в средний слой, там же происходит рекомбинация. Инверсная населенность образуется за счет двойной инжекции: слева инжектируются электроны, справа – дырки, при этом может наблюдаться явление суперинжекции, когда носителей в средней области (базе) становится много больше, чем в эмиттерах.

Рис. 8.5. Структура энергетических зон гетероперехода: а — инжекция элек тронов и дырок в активный слой; б — распределение коэффициента прелом.ления; в — распределение светового излучения;

В гетеропереходах области инверсной населенности и рекомбинации практически совпадают. Можно снизить уровень легирования базы, что уменьшает количество дефектов, а, следовательно, и количество центров безизлучательной рекомбинации. Если подобрать полупроводники таким образом, чтобы базовый слой имел коэффициент преломления больше, чем у левого и правого слоя, излучение в нем будет распространяться как в волноводе за счет внутреннего отражения от эмиттерных областей. Такое явление называется оптическим ограничением.

Современные полупроводниковые лазеры – многослойные структуры (рис. 7.6) имеют следующие преимущества: уменьшение рабочего тока вследствие малой площади активной полоски; улучшение условий теплоотвода вследствие двумерного растекания энергии в толще диода; уменьшение деградации приборов вследствие удаления почти всего pn -перехода от поверхности кристалла.

Дальнейшее развитие техники и технологии приводит к лазерам с квантово-размерными слоями.

При уменьшении толщины базы гетероструктур начинают наблюдаться квантово-размерные эффекты. Для этого толщина базы () должна стать соизмеримой с длиной волны де Бройля , то есть составлять десятки ангстрем. Современная технология позволяет выращивать квантоворазмерные структуры из различных материалов: InP-InAlPAs, InP-InGaPAs, GaAs-AlGaAs. На рис. 7.6, а представлена энергетическая структура системы GaAs-AlGaAs. Здесь E₁, Е₂ представляют энергетические состояния электронов E_hh1, Е_hh2, Е_hh3 – состояния тяжелых дырок, E_lh1, Е_lh2 – состояния легких дырок. На рис. 7.6, б представлена соответствующая диаграмма плотности состояний.

Рис. 75. Диаграмма энергетических уровней КРС на основе AlxGa1–xAs / GaAs / AlxGa1–xAs	Рис. 7.6. Плотности состояний в зоне проводимости и валентной зоне однослойной КРС

Полупараболы, представляющие собой край зоны проводимости E_c и валентной зоны E_v, соответствуют плотностям состояний объемного полупроводника. Ступенчатое изменение плотности состояний характеризует структуру с квантовыми ямами. Междузонные рекомбинационные переходы (правило отбора ) происходит из основного состояния в зоне проводимости (например, E₁) в основное состояние в валентной зоне (например, E_hh1). Энергия перехода дается выражением:

Носители, захваченные из широкозонного полупроводника в квантовую яму при малой толщине ямы , не успевают релаксировать на наиболее глубокие уровни, прежде чем рекомбинируют с дырками, в результате происходит ослабления полос излучения.

Квантово-размерный лазер имеет высокую спектральную и пространственную когерентность излучения, низкие потери излучения на поглощение в активной области, низкую пороговую плотность тока и ее меньшую чувствительность к температурным изменениям.

Полупроводниковые лазеры с квантово-размерными слоями изготовляются с помощью жидкофазной и газофазной эпитаксии.