ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

БЕСКОРПУСНЫЕ ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ДЛЯ ОПТРОНОВ

Основные требования, предъявляемые к источникам излучения для оптронов, следующие: высокий внешний квантовый выход излучения; высокое быстродействие; спектральное согласование излучения источника и мак­симальной чувствительности фотоприемника; миниатюр­ные размеры диода или излучающего пятна на его све­товыводящей поверхности; наличие плоской излучаю­щей поверхности, удобной при монтаже диода в оптрон; высокая стабильность параметров диода в процессе эк­сплуатации оптрона; технологичность изготовления, обес­печивающая низкую трудоемкость производства ИК диодов и оптронов, а также их низкую стоимость.

Следует отметить, что требование миниатюрности диода или излучающего пятна весьма существенно, так как позволяет получить высокую поверхностную плот-
рис. 6.5. Типичный спектр излу­чения ИК диодов из GaAs: Si (/) „ из ФЭЛ гетероструктур в си­стеме AlAs—GaAs (2) при ком­натной температуре.

ность падающего потока излучения, обеспечить мак­симальный захват излуче­ния фотоприемником при минимальной площади фото - приемного окна, благодаря чему уменьшается темповой ток фотоприемника и повышается помехозащищенность оптрона. Кроме того, миниатюрные размеры излучаю­щего р—п-перехода расширяют диапазон линейности ватт-амперной характеристики диода, что позволяет увеличить диапазон токов аналоговых оптоэлектронных устройств.

Оптроны — широко применяемые изделия электрон­ной техники, поэтому требования высокой технологич­ности и низкой трудоемкости производства очень важны.

Бескорпусные ИК диоды для оптронов в большинстве случаев изготавливают на основе эпитаксиальной струк­туры GaAs : Si или гетероструктуры в системе AlAs — GaAs. Оба вида структур позволяют получить диоды с высокой эффективностью, но различным быстродействи­ем. Быстродействие диодов из GaAs: Si, как показано выше, составляет 0,5—3 мкс, диодов из гетероструктур на основе Gai-xAlxAs — 0,02—0,06 мкс.

По конструктивному оформлению ИК диоды для оптронов можно разделить на два основных вида: с плоской конфигурацией кристалла; с мезаструктурой со стороны р — п-перехода и плоской излучающей поверх­ностью.

Первый вид диодов характеризуется наименьшей материалоемкостью и стоимостью. Второй вид, уступая первому по вышеуказанным характеристикам, превос­ходит его по внешнему квантовому выходу излучения (за счет эффекта внутренней фокусировки излучения) и удобству монтажа диодов в оптрон (одностороннее расположение выводов).

Рассмотрим наиболее типичные виды диодов.

Устройство ИК диода плоской конфигурации на ос­нове гетероструктур в системе AlAs — GaAs с переизлу- чающим фотолюминесцентным слоем (ФЭЛ гетеро­структур) представлено на рис. 6.6, а. Диод имеет ма-

лые размеры — около 0,5X0,5X0,25 мм. Омический контакт к излучающей стороне имеет вид креста, зани­мающего примерно 25 % ее площади. Омический кон­такт к тыльной стороне — сплошной, поскольку подлож­ка непрозрачна для генерируемого излучения. Источник защищен тонким слоем компаунда с делью укрепления выводов, просветления и обеспечения необходимого сопротивления изоляции в оптроне.

Мощность излучения диодов лежит в пределах 300— 500 мкВт при 10 мА (типичное значение 350 мкВт). Это соответствует внешнему квантовому выходу излуче­ния — 2—3,5 % ■ Прямое напряжение диодов находится в пределах 1,2—1,3 В при 10 мА. Как видим, при про­стой конструкции описанный ИК диод характеризуется сочетанием достаточно высоких значений мощности йз - лучения и быстродействия.

■Устройство ИК диода с мезаструктурой на основе эпитаксиальной структуры GaAs, легированной Si, представлено на рис. 6.6, б. Диаметр мезы обычно бли­зок к 0,3 мм, глубина — на 20—30 мкм превышает глу­бину р — «-перехода. Напомним, что подложка диода из п-GaAs: Те прозрачна для излучения, генерируемого в активной области прибора.

В рассматриваемом источнике эффективность вывода излучения повышена по сравнению с плоскими образца­ми за счет эффекта «внутренней фокусировки». Схема­тически ход лучей в диоде показан на рис. 1.16. Благо­даря этому эффекту мощность излучения возрастает

примерно в 2 раза по сравнению с диодами плоской кон­фигурации из тех же структур. Одновременно возраста­ет поверхностная плотность падающего потока, так как излучение локализуется под мезаструктурой в пятно, диаметр которого примерно равен двум диаметрам ме - зы. Источник со стороны мезаструктуры защищается тонким слоем компаунда для укрепления выводов. При этом на 10—20 % возрастает мощность излучения за счет отражения света от границы полимер — воздух.

Мощность излучения диодов находится в пределах 300—500 мкВт при 10 мА (типичное значение 350— 400 мкВт). Это соответствует внешнему квантовому вы­ходу излучения 2,5—4 %. Прямое напряжение диодов менее 1,3 В при 10 мА.

Спектр излучения диодов представлен на рис. 6.5 и хорошо согласуется со спектральной характеристикой кремниевых фотоприемников. Следует отметить, что излучение GaAs : Si, как более длинноволновое, имеет большую глубину поглощения в Si, чем излучение из гетероструктуры Gai-aAlaAs. Диаграмма направлен­ности излучения рассмотренных бескорпусных диодов носит ламбертовский характер (полуширина примерно 120 °).