ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ВЫВОД СВЕТА ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКА

Из светоизлучающего кристалла может быть выве­дена только часть генерируемого р — n-переходом излу­чения в связи со следующими основными видами по-

/ — р — л-переход; 2 — полупровод­ник; 3 — омические контакты

тсрь: 1) потери на внутреннее отражение излучения, па­дающего на границу раздела полупроводник — воздух под углом, большим критического; 2) поверхностные потери на френелевское отражение излучения, падаю­щего на границу раздела под углом, меньшим критичес­кого; 3) потери, связанные с поглощением излучения в приконтактных областях; 4) потери на поглощение из­лучения в толще полупроводника.

Наиболее значительны потери на полное внутреннее отражение излучения. В связи с большим различием по­казателей преломления полупроводника пп и воздуха пв доля выходящего излучения определяется значением критического угла 0Пр между направлением светового луча и нормалью к поверхности:

0пр = arcsin п~х,

гд еп=п„/пв-

Для полупроводников GaAs и GaP значения показа­теля преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла 0Пр равны примерно 16 и 17,7°.

Излучение, падающее на поверхность раздела полу­проводник — воздух под углом, меньшим критического, выводится из кристалла, а под углом, большим критиче­ского, испытывает полное внутреннее отражение (рис. 1.14). Если коэффициент поглощения света веществом кристалла велик, то все отраженное световыводящей по­верхностью излучение поглотится внутри кристалла. Ес­ли же полупроводник прозрачен для генерируемого излу­чения, то свет, отраженный верхней, нижней, а также боковыми гранями кристалла, может повторно (и не
один раз) падать на светоизлучающую поверхность и частично выводиться из кристалла в соответствии с до­лей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического.

Долю светового излучения, которая может быть вы­ведена через верхнюю поверхность кристалла плоской конфигурации при первом падении световой волны, оп­ределяют по формуле

F = sin2 (0пр/2) Тср, (1.16)

где Гер — средний коэффициент пропускания света по­верхностью кристалла для лучей, падающих на грани­цу раздела под углом, меньшим критического. Коэффи­циент пропускания света, падающего нормально к по­верхности, определяется по формуле Френеля

Т = 4л(1 + и)-2 (1.17)

и равен для границы GaAs — воздух — 0,69; GaP— воздух — 0,715. Так как вблизи критического угла про­пускание уменьшается, то можно ожидать средний ко­эффициент пропускания соответственно Гер ~ 0,67 и 0,695.

Как следует из формулы (1.16), значение величины F для таких полупроводников, как GaAs и GaP, нахо­дится в пределах 1,3—1,65 %. Малое значение величины F для кристаллов плоской конфигурации послужило причиной поиска различных путей повышения внешней оптической эффективности светоизлучающих диодов. В настоящее время существует несколько таких путей, кратко их рассмотрим.

1. Применение такой геометрии кристалла, чтобы большая часть излучаемого р — п-переходом света па­дала на границу раздела под углом, меньшим критиче­ского.

В качестве примеров такой геометрии могут служить полусферический кристалл, усеченная сфера (сфера Вейерштрасса) и другие (рис. 1.15). В этих конструкци­ях кристалла размер р — п-перехода существенно мень­ше диаметра полусферы, что и позволяет получать ма­лое отклонение падающего на поверхность луча от нор­мали к поверхности. Расчет, проведенный в работе [36] при некоторых допущенных (поглощение света в толще материала не учитывалось, отраженное поверх­ностью полупроводника излучение считалось полностью поглощенным), показал, что использование кристаллов

полусферической геометрии позволяет увеличить вывод излучения из кристалла в воздух до 34 % всего генери­руемого излучения. Полусферическую конфигурацию кристалла эффективно применять в тех случаях, когда поглощение света в толще полупроводника мало. Та­кие условия возникают при использовании структур GaAs: Si, GaP : Zn, О; GaP : N и др.

2. Помещение кристалла в среду с показателем пре­ломления tiB<Cn<Znn для увеличения критического угла.

Если в качестве среды использовать прозрачный эпоксидный компаунд с показателем преломления пк= = 1,5—1,6, то критический угол 0пр возрастает до 25—• 30 °. В этом случае выход излучения из кристалла в ок­ружающую среду (в данном случае в компаунд) возра­стет в 2,5—3 раза. Если прибор предназначен для выво­да излучения в воздух, то для сохранения коэффициента вывода излучения конфигурация полимерного покрытия должна быть такой, чтобы свет падал на поверхность раздела компаунд — воздух под углом, меньшим крити­ческого для этой границы. Еще более положительный эффект может дать применение прозрачного купола из стекла с показателем преломления п=2—3.

3. Нанесение антиотражающих покрытий на поверх­ность кристалла для снижения потерь на отражение света, падающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

Как показано выше, эти потери для границы полу­проводник— воздух составляют примерно 30%. Одна­ко, если на поверхность полупроводника нанести про­зрачную однородную пленку толщиной t с показателем преломления Пи то, при выполнении двух условий:

nit = — (21— 1),

где / — положительное целое число; % — длина волны излучения, — коэффициент отражения света, падающе­го внутри полупроводника нормально к поверхности раз­дела с воздухом, будет равен нулю. Практически, приме­няя антиотражающие покрытия из различных диэлект­рических пленок (SiO, Si02, Si3N4 и др.), удается уве­личить выход излучения на 20—30 %.

4. Применение специальной конфигурации плоского кристалла для обеспечения «внутренней фокусировки»

, излучения и увеличения доли генерируемого света, па-

дающего на световыводящую поверхность под углом, меньшим критического.

Так, применение мезаструктуры в кристалле с низ­ким коэффициентом поглощения генерируемого излуче­ния позволяет повысить эффективность вывода излуче­ния в 2—3 раза [15]. Схематический ход лучей в диоде показан на рис. 1.16. Кванты света, падающие на свето­выводящую грань под углами 0<0пр, выходят из образ­ца (за исключением отраженных по формуле Френеля). Кванты света, распространяющиеся в диапазоне углов Єі<Є<02, проходят до конусной поверхности меза­структуры, отражаются от нее и, попадая на излучаю­щую поверхность под углом 0<0пр, также выходят из кристалла. Остальные кванты, испытывая многократное внутреннее отражение, либо поглощаются в кристалле, либо выходят из него в случае падения на одну из по­верхностей под углом, меньшим критического. По-види­мому, более эффективно применение мезаструктур, по­лученных специальным травлением, с отражающей поверхностью, наклоненной под углом около 45 ° к пло­скости р—п-перехода.

5. Создание омических контактов, занимающих не­значительную часть площади грани кристалла, с целью уменьшения поглощения света в кристалле.

Контакты малой площади целесообразны при ис­пользовании полупроводников с низким коэффициентом поглощения света, генерируемого р—п-переходом. При - контактные области омических контактов, как правило, поглощают свет. Уменьшение площади омических кон­тактов, в связи с этим, способствует увеличению доли света, претерпевшего полное внутреннее отражение на границе полупроводник — воздух или полупроводник — диэлектрик (поэтому такие контакты часто условно на­зывают отражающими свет). Отраженные внутрь крис талла фотоны будут совершать многократные проходы сквозь него, причем каждый из проходов будет вносить вклад в выводимое излучение за счет падения части фо­тонов на границу раздела под углом, меньшим критиче­ского. Применение отражающих свет контактов позво ляет существенно увеличить вывод излучения из крис­талла при использовании структур GaAs : Si, GaP : Zn, О, GaP : N, GaP : N, Zn—O, GaAsi-жРж : N на GaP-под­ложке и др.

6. Создание диффузно-рассеивающей излучающей поверхности с целью повышения внешнего квантового выхода излучения.

Если угловое распределение фотонов, выходящих из активной области, имеет сферическую симметрию, то создание диффузно-рассеивающей поверхности улучша­ет условия вывода излучения для косых лучей (падаю­щих на границу раздела под углом, большим критичес­кого) и тем самым приводит к увеличению т)БН [37]. Сфе­рическая симметрия генерируемого излучения внутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощени - ем излучения в активной области. Такие условия осуще­ствляются в диодах из GaP : Zri, О/GaP : N, GaAs : Si, а также в гетероструктурах из Ga^A^As с тонкой ак­тивной областью (k&d<i 1, где ks — усредненный коэффи­циент поглощения излучения активной областью, d — толщина активной облети). Если самопоглощение излу­чения в активной области велико, то угловое распределе­ние фотонов, выходящих из активной области, носит лам­бертовский характер. В этом случае применение диф - фузно-рассеивающей поверхности не увеличивает

Т)вн.

В результате создания диффузно-рассеивающей по­верхности диодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличение внешнего кван­тового выхода излучения на 25—40 % [37].

7. Создание многослойных структур переменного со­става, позволяющих получить направленные световые потоки и суженную диаграмму направленности излуче­ния.

Большие возможности получения направленных све­товых потоков создает эффект «оптического ограниче­ния», возникающий в двойных гетероструктурах из-за различий в показателях преломления полупроводников различного состава (рис. 1.17). Эффекту оптического

ограничения, или волноводному эффекту, благоприятст­вует такое распределение показателя преломления, ког­да он больше в волноводном слое по сравнению с окру­жающими слоями. Фотоны,- генерируемые в активной области, распространяются вдоль волновода с много­кратным отражением от границ с ограничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение излучения достигается различием показателей преломления волно­вода и ограничивающих слоев около 0,15—0,2. Вследст­вие эффекта оптического ограничения резко уменьша­ются дифракционные потери излучения, а также сужает­ся диаграмма направленности излучения в направлении, перпендикулярном плоскости р—п-перехода. Суже­ние диаграммы направленности излучения позволяет по­высить эффективность ввода излучения в волокно в сис­темах оптической связи.