Оптоэлектроника. Полупроводниковые светоизлучающие структуры

. 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.
1.1. Предмет оптоэлектроники.

Оптоэлектроника представляет собой раздел науки и техники, занимающийся вопросами генерации, переноса (передачи и приёма), переработки (преобразования), запоминания и хранения информации на основе использования двойных (электрических и оптических) методов и средств.

Оптоэлектронный прибор - это (по рекомендации МЭК) прибор, чувствительный к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной или ультрафиолетовой областях; или прибор, излучающий и преобразующий некогерентное или когерентное излучение в этих же спектральных областях; или прибор, использующий такое электромагнитное излучение для своей работы.

Обычно подразумевается также "твердотельность" оптоэлектронных приборов и устройств или такая их структура (в случае использования газов и жидкостей), которая допускала бы реализацию с применением методов современной интегральной техники в микроминиатюрном исполнении. Таким образом, оптоэлектроника базируется на достижениях целого ряда достижений науки и техники, среди которых должны быть выделены прежде всего квантовая электроника, фотоэлектроника, полупроводниковая электроника и технология, а также нелинейная оптика, электрооптика, голография, волоконная оптика.

Принципиальные особенности оптоэлектронных устройств связаны с тем, что в качестве носителя информации в них наряду с электронами выступают электрически нейтральные фотоны. Этим обуславливаются их основные достоинства:

Высокая информационная ёмкость оптического канала. Острая направленность излучения. Возможность двойной модуляции светового луча - не только временной, но и пространственной. Бесконтактность, "элетропассивность" фотонных связей. Возможность простого оперирования со зрительно воспринимемыми образами.

Эти уникальные особенности открывают перед оптоэлектронными приборами очень широкие возможности применения в качестве элементов связи, индикаторных приборов, различных датчиков. Тем самым оптоэлектроника вносит свою, очень значительную, долю в комплексную микроминиатюризацию радиоэлектронной аппаратуры. Дальнейшее развитие и совершенствование средств оптоэлектроники служит техническим фундаментом разработки сверхвыскопроизводительных вычислительных комплексов, запоминающих устройств гигантской ёмкости, высокоскоростной связи, твердотельного телевидения и инфравидения.

Основу практически любой оптоэлектронной системы составляет источник излучения: именно его свойства и определяют, в первую очередь, лицо этой системы. А все источники можно подразделить на две большие группы: с когерентным (лазеры) и с некогерентным (светоизлучающие диоды и др.) излучением. Устройства с использованием когерентного или некогерентного света обычно резко отличаются друг от друга по важнейшим характеристикам.

Всё это оправдывает использование таких терминов как "когерентная оптоэлектроника" и "некогерентная оптоэлектроника". Естественно, что чёткую грань провести невозможно, но различия между ними очень существенны.

История оптоэлектроники ведёт своё начало с открытия оптического квантового генератора - лазера (1960 г.). Примерно в то же время (50-60-е гг.) получили достаточно широкое распространение светоизлучающие диоды, полупроводниковые фотоприёмники, устройства управления световым лучом и другие элементы оптоэлектроники.

1.2. Генерация света.

Оптический диапазон составляют электромагнитные волны, длины которых простираются от 1 мм до 1 нм. Оптический диапазон замечателен тем, что именно в нём наиболее отчётливо проявляется корпускулярно-волновой дуализм; энергия фотона и соответствующиеей частота колебаний и длина волны света связаны следующими соотношениями:

7)
7n 0[Гц] = 3 77 010 514 0/ 7l 0[мкм] 7 2
78
7e 4ф 0[эВ] = 1,234/ 7l 0[мкм] 7 2
70

При известной удельной мощности P плотность фотонного потока N определяется выражением

N[м 5-2 0с 5-1 0] = 5,035 77 010 512 77l 0[мкм] 77 0P[мкВт 77 0м 5-2 0].

Все светогенерационные эффекты относят либо к тепловому излучению, либо к одному из видов люминесценции. Спектр излучения нагретого тела определяется формулой Планка, которая для так называемого абсолютно чёрного тела имеет вид

f( 7l 0,T) = 2 7p7 0h 77 0c 52 77l 5-5 0[ exp(hc/(kT 7l 0)) - 1] 5-1 0,

где h, c, k - известные универсальные константы; T – абсолютная температура. При достаточно высоких температурах (>2500...3500 К) часть спектра теплового излучения приходится на видимую область.

При этом, однако, всегда значителен длинноволновый "хвост".

Люминесценция представляет собой излучение, характеризующееся тем, что его мощность превышает интенсивность теплового излучения при данной температуре ("холодное" свечение).

Известно, что электроны в атоме могут находиться в ряде дискретных энергетических состояний, при тепловом равновесии они занимают наинизшие уровни. В люминесцирующем веществе за счёт энергии того или иного внешнего воздействия часть электронов переходит на более высокие энергетические уровни E 42 0. Возвращение этих электронов на равновесный уровень E 41 0 сопровождается испусканием фотонов с длиной волны, определяемой простым соотношением:

1,23
7l 0 = ------------- [мкм]
(E 42 0 - E 41 0)[эВ]

Физика люминесценции предопределяет две примечательные особенности процесса: узкий спектр излучения и возможность использования большого числа способов возбуждения. В оптоэлектронике главным образом используются электролюминесценция (пробой и инжекция p-n перехода в полупроводниках), а также фото- и катодолюминесценция (бомбардировка люминофора быстрыми электронами).

При распространении световых лучей важную роль играет дифракция, обусловленная волновой природой света и приводящая, в частности, к тому, что выделенный с помощью оптической системы параллельный пучок становится расходящимся, причём угол расходимости близок к 7f 4D 0 = 7 l 0/D , где D - апертура (диаметр луча света).

Дифракционный предел разрешающей способности оптических систем соизмерим с 7 l 0, а плотность записи информации с помощью световых потоков не может превысить 7 l 5-2 0.

В веществе с показателем преломления n скорость распространения светового луча становится c/n, а поскольку величина n зависит от длины волны (как правило, растёт с уменьшением 7 l 0), то это обуславливает дисперсию.

1.3. Источники излучения.

Оптоэлектроника базируется на двух основных видах излучателей: лазерах (когерентное излучение) и светоизлучающих диодах (некогерентное излучение).

В оптоэлектронике находят применение маломощные газовые, твердотельные и полупроводниковые лазеры. Разрежённость газового наполнения в рабочем объёме обусловливает высокую степень монохроматичности, одномодовость, стабильность частоты, острую направленность и, в конечном счёте, когерентность излучения. В то же время значительные габариты, низкий к.п.д., прочие недостатки газоразрядных приборов не позволяют рассматривать этот вид ОКГ как универсальный оптоэлектронный элемент.

Значительные мощности излучения твердотельных лазеров обуславливают перспективность применения этих генераторов в дальнодействующих волоконнооптических линиях связи.

Наибольший интерес для разнообразных оптоэлектронных применений представляют полупроводниковые лазеры благодаря высокому к.п.д., малым габаритам, высокому быстродействию, простоте управления. Особенно выделяются гетеролазеры на основе тройного полупроводникового соединения Ga Al As. В их структуре тонкий слой n-типа проводимости "зажат" между областями n- и p-типов того же материала, но с большими значениями концентраций алюминия и соответственно этому большими ширинами запрещённой зоны. В роли резонатора может также выступать поверхностная дифракционная решётка, выполняющая функцию распределённой оптической обратной связи.

Для оптоэлектроники особый интерес представляют полупроводниковые излучатели - инжекционные (светодиоды) и электролюминесцентные (электролюминофоры). В первых излучение появляется в результате рекомбинации дырок с инжектированными через pn-переход электронами. Чем больше ток через светодиод, тем ярче его высвечивание. В зависимости от материала диода и примесей в нём меняется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, синий (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и пр., см. табл.1). Светодиоды на основе соединения галия с мышьяком генерируют невидимое излучение с длиной волны 0,9...0,92 мкм. На этой длине волны кремниевые фотоприёмники имеют максимальную чувствительность. Для светодиодов характерны малые размеры (0,3 7& 00,3 мм), большие срок службы (до 100 тыс. ч.) и быстродействие (10 5-6 0...10 5-9 0 с), низкие рабочие напряжения (1,6...3,5 В) и токи (10...100 мА).

Таблица 1. Основные материалы для светодиодов.

Полупроводник	4050 710, А	Цвет	Эффективность %	Быстродействие, нс
GaAs	9500 9000	ИК	12; 50 5* 0 2	10 5-7 0...10 5-6 0 10 5-9 0...10 5-8 0
GaP	6900 5500	Красный Зелёный	7 0,7	10 5-7 0...10 5-6 0 10 5-7 0...10 5-6 0
GaN	5200 4400	Зелёный Голубой	0,01 0,005
GaAs 41-x 0P 4x 0	6600 6100	Красный Янтарный	0,5 0,04	3 77 010 5-8 0 3 77 010 5-8 0
Ga 41-x 0Al 4x 0As	8000 6750	ИК Красный	12 1,3	10 5-8 0 3 77 010 5-8 0