ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕДИОДЫ

ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА

6.1. ВВОДНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Полупроводниковые диоды, излучающие в инфра­красной области спектра, благодаря высокой эффектив­ности, быстродействию, долговечности, надежности, сов­местимости по энергии излучения с фотоприемниками на основе Si, а по параметрам питания — с интегральными микросхемами, находят широкое применение в оптоэле­ктронике.

По своему назначению излучающие диоды в настоя­щее время можно подразделить на три группы: 1) диоды, предназначенные для использования в разнообразных фотоэлектрических устройствах, например в устройствах считывания информации с перфокарт и перфолент, в по- зиционно-чувствительных устройствах и т. п.; 2) диоды, предназначенные для использования в оптронах; 3) дио­ды для волоконно-оптических линий связи.

К приборам этих трех групп предъявляются несколь­ко различные требования, однако общими из них явля­ются следующие: высокая эффективность преобразова­ния электрической энергии в излучение; высокое быстро­действие; совместимость энергии излучения с спектральной областью высокой чувствительности фото­приемников, полосы пропускания световодов, «ОКОН» в атмосфере и т. п.; экономичность и низкая трудоемкость производства.

Рассмотрим последовательно три группы приборов.

6.2. ИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ ДЛЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Диоды для фотоэлектрических устройств изготавли­вают либо в полимерном, либо в металло-стеклянном корпусах. К устройству этих приборов предъявляют сле­дующие требования: а) обеспечение заданной диаграм­мы направленности излучения, минимального отклоне­ния оси диаграммы направленности излучения от геоме­трической оси прибора; б) обеспечение эффективного теплоотвода от кристалла с целью получения линейной или почти линейной зависимости мощности излучения от тока, повышения устойчивости прибора к импульсному электрическому возбуждению, а также повышения ста­бильности параметров прибора в процессе эксплуата­ции; в) минимальные габариты прибора, обеспечиваю­щие сочетание размеров корпуса с существующими конструкциями перфокарт, перфолент и т. п.; г) использо­вание излучающего кристалла минимальных размеров с целью сокращения расхода материалов и снижения сто­имости прибора.

По форме применяемого излучающего кристалла ди­оды можно подразделить на две основные группы: с кристаллом плоской конфигурации; с кристаллом с по­лусферической поверхностью для вывода излучения.

Большинство излучающих диодов для фотоэлектри­ческих устройств изготавливают на основе двухслойной жидкостно-эпитаксиальной структуры GaAs, легирован­ной Si. Эта структура, как показано в гл. 3, характери­зуется высокой эффективностью. Однако быстродействие приборов на основе этой структуры невелико: составля­ет 0,2 — 3 мкс. Для изготовления диодов с более высо­ким быстродействием используют либо диффузионную структуру GaAs (диффузия Zn в п-GaAs), либо гете­роструктуру в системе AIAs •— GaAs.

Омические контакты к структурам GaAs: Si и Gai-iAl*As соз­дают как методом вакуумного напыления, так и методом электро­химического и химического осаждения. Контакты к р-GaAs создают­ся нанесением слоев Au—Zn (содержание Zn в пределах 2,5— 15 % по массе), Ni—Au—Zn, Ni—Au, Au—Zn—Au и др. Контакты к п-GaAs и tt-Gai-acAlxAs создаются нанесением слоев Au—Ge, Ni—Ge—Au, Ni—Au—Sn. Толщина подслоя Ni порядка 0,1—0,4 мкм, толщина слоя золота 1—3 мкм. Вплавление контактов осуществля­ется в инертной или водородной среде при температуре 300—500 °С. Электрические удельные сопротивления контактов находятся в пре­делах 10-4—10-® Ом-см2.

Омический контакт к световыводящей стороне кристалла имеет площадь, как правило, не превышающую 20 % площади грани. Нижний омический контакт к кристаллам из GaAs: Si (прозрачным для генерируемого излучения) целесообразно изготавливать малой площади (20—40 % площади грани) для увеличения доли отражен­ного внутрь кристалла излучения и увеличения внешнего кванто-

Рис. 6.1. Устройство излучаюцД диодов инфракрасного диапазона ти. na АЛ108АМ. (а) и АЛ 107 (б):

1 — кристалл; 2 — медный кристаллодеп. жатель; 3 — полимерный корпус с полу! сферической линзой; 4 — полимерный к. тл - пус [108. 111] ^

вого выхода. Нижний омический кон­такт к структурам Ga. gAIo. iAs/GaAs изготовляют сплошным.

В качестве представителя ИК диодов с плоским кристаллом из Ga0.eAl(UAs в конструкции с поли­мерной герметизацией может быть рассмотрен диод типа АЛ108АМ (рис. 6.1,а). Значение одного из поперечных размеров 2,5_о,25 мм позволяет использовать диод в устройствах считывания информации со стандартных: перфокарт и перфолент [108]. Кристалл диода располагается между центром полусферической линзы и фокусом ее преломляющей поверхности, благодаря чему сужается диаграмма направленности излучения (см. рис. 6.2).

Типичный представитель ИК диодов с кристаллом из GaAs, со­держащий мезаструктуру и полусферическую поверхность, — диод типа АЛ107 (рис. 6.1,6). Диаметр сферы кристалла равен пример­но 2 мм, диаметр мезаструктуры 0,3 мм. Полусферическая поверх­ность для вывода излучения значительно увеличивает внешнюю эф­фективность диода (примерно в 3—4 раза по сравнению с диодом с плоским кристаллом в полимерной герметизации). Полуширина диаграммы направленности излучения диода типа АЛ 107 находится в пределах 40—120° (рис. 6.2).

Характерным ИК диодом в металло-стеклянном корпусе явля­ется диод типа АЛ106. Его изготавливают на. основе кристаллодер - жателя корпуса КТ-21 и баллона, имеющего окно с стеклянной линзой. Прибор имеет узкую диаграмму направленности излучения (менее 25°).

Важнейшие параметры рассматриваемых излучаю­щих диодов: мощность излучения, длина волны в мак­симуме спектральной полосы, полуширина полосы, бы­стродействие и прямое напряжение. В ряде случаев для оценки эффективности диодов используют также пара­метр — внешний квантовый выход излучения.

Мощность излучения измеряется в соответствии с ГОСТ 19834.4—79. Принцип измерения мощности излу­чения заключается в измерении электрического сигнала

с выхода фотоприемника, в котором энергия излучения преобразуется в энергию электрического сигнала. В ка­честве фотоприемника применяют либо фотометричес­кий шар с физическим приемником, либо фотометричес­кую головку, содержащую физический приемник и при­способление для формирования потока излучения. В качестве физического приемника наиболее часто при­меняют фотодиоды типа ФД-7К или ФД-24К. Мощность излучения определяют по формуле

Р — Іф/Sh,

где /ф — ток фотодиода, А; 5^—спектральная чувстви­тельность фотодиода, А/Вт.

Мощность излучения, в ограниченном угле измеряют, устанавливая излучающий диод на определенное рас­стояние d от приемной площадки фотодиода,

d — (D/2) ctg б,

где D — диаметр приемной площадки фотодиода; 6 —- половина угла, в котором измеряется мощность излуче­ния.

Фотометрическая головка для измерения полной мощности излучения может содержать параболический отражатель, в фокус которого помещается измеряемый диод. В этом случае на пути почти параллельного пото­
ка лучей устанавливается фотодиод. Полную мощность излучения рассчитывают по формуле

по л н = o/Si. , (6.3)

где а — коэффициент захвата и отражения излучения рефлектором.

Спектральный состав излучения измеряется в соот­ветствии с ГОСТ 19834.3—76. Установка для измерения спектра излучения должна содержать образцовый ис­точник излучения, спектральный прибор, фотоприемник и регистрирующий прибор. В качестве спектрального прибора обычно используют монохроматоры (например, типа МДР-2 или МДР-3), проградуированные в рабо­чем спектральном интервале длин волн. В качестве фо­топриемников могут быть использованы ФЭУ, фотоэле­менты и полупроводниковые фотоприемники, чувстви­тельные в спектральном диапазоне регистрируемых излучений.

Параметры импульса излучения измеряют, как пра­вило, на установке, содержащей генератор прямоуголь­ных импульсов, фотоприемное устройство и измеритель временных интервалов. С генератора прямоугольных импульсов (например, Г5-4Б) подаются в прямом на­правлении импульсы тока на измеряемый диод. Дли­тельность импульса — несколько миллисекунд. Величи­на и форма импульсов тока через диод контролируется осциллографом (например, С1-54 или С1-65). Параметр ры импульса света с фотоумножителя (например, ФЭУ-62) измеряются также на осциллографе. Быстро­действие определяется как сумма времени задержки светового импульса по отношению к электрическому и длительности переднего фронта импульса света до уров­ня 0,9. Полученное значение должно быть уменьшено на время задержки ФЭУ й на значение, равное длительно­сти переднего фронта импульса тока по уровню 0,1—0,9.

Основные параметры некоторых типов излучающих ■диодов приведены в табл. 6.1. Типичное значение прямо­го напряжения диодов различных типов находится в пределах 1,2—1,6 В. Дифференциальное сопротивление на линейном участке прямой ветви составляет 0,5— 2 Ом. Температурный коэффициент изменения прямого напряжения А^пр/^прДГ в рабочем интервале темпера­тур равен примерно 1,2- 10-3К-1.

Напряжение пробоя обратной ветви вольт-амперной характеристики, определенное экстраполяцией линейио-

го участка характеристики ток — напряжение. на ось напряжений, составляет 10—20 В. Средний обратный ток при напряжении 3—4 В составляет примерно 0,05— €,1 мкА.

Зависимость мощности излучения от постоянного тока для ИК диода типа АЛ108АМ близка к линейной {рис. 6.3). Мощность излучения в угле 90 ° для диодов типа АЛ108АМ лежит в пределах 2,5—5,0 мВт при то­ке 100 мА. Типичная зависимость мощности излучения от температуры приведена на рис. 6.4. Температурное изменение мощности излучения АР/РАТ в интервале + 85-=—60 °С составляет примерно (6—7)-10~3К-1.

Типичные спектры излучения диодов представлены на рис. 6.5. Длина волны в максимуме полосы излуче­ния диодов из GaAs : Si находится в интервале 920— 965 нм (типичное значение 930—950 нм). Полуширина спектральной полосы 50—60 нм. Типичный температур­ный Коэффициент СПеКТраЛЬНОГО СДВИГа Амане около

2,3 А/град.

Спектр излучения диодов из Ga^AlxAs и ФЭЛ ге- тероструктур содержит, как правило, два максимума (основного излучения и переизлучения). Форма спектра и полуширина полосы существенно зависят от ширины запрещенной зоны переизлучающего слоя. Длина волны

Рис. 6.3. Зависимость мощ - Рис. 6.4. Зависимость мощно-

ности излучения в угле 90° сти излучения ИК днодов от

от постоянного прямого то - температуры. Пунктир — ти­ка для диодов типа пичная зависимость. Заштри-

АЛ108АМ: хована область значений для

I — типичная; 2 — для диодов большинства Приборов

максимальной эффективности

в максимуме основной полосы 840+20 нм, полуширина полосы может колебаться в пределах 30—80 нм. Темпе­ратурный сдвиг спектрального максимума в интервале

от —60 до +85 °С составляет 2,7—3,0 А/град. Спектр излучения диода из Ga0,9Al0,iAs лучше согласуется со спектральной характеристикой кремниевых фотоприем­ников, чем спектр диода из GaAs: Si. Примерный выиг­рыш за счет лучшего спектрального согласования со­ставляет 20 %.