Светодиоды большой площади с переизлучением фотонов

August 22, 2011 by admin Комментировать »

Вместо того, чтобы добиваться снижения излучения в поперечном направлении, можно найти способ переизлучения фотонов, летящих в горизонтальном направлении, т.е. постараться направить излучение в сторону верхней границы светодиода. Переизлучение фотонов, летящих вдоль слоев, сохраняет энергию в активной области, которая в дальнейшем может быть использована для испускания других фотонов в нужном направлении. Далее будут рассмотрены два примера таких устройств.

О первом таком устройстве в структуре с оптической накачкой, сообщалось в работе (Schnitzeretal., 1993). Структура устройства показана на рис. 15.13, а. Нижняя сторона тонкого полупроводникового слоя покрыта золотом. При оптической накачке образца излучением небольшой интенсивности практически все внешние фотоны поглощаются активной областью. Около 95% поглощенных фотонов, долетевших до границы раздела полупроводник-воздух, из-за полного внутреннего отражения остаются в полупроводнике. В инфракрасном диапазоне золото является хорошим отражателем. Полупроводник, формирующий активную область, поглощает на длине волны излучения, т. е. по достижении некоторой средней длины поглощения Labsпойманные фотоны имеют шанс освободиться. Внешний квантовый выход такой структуры достигает 72%. Для этого внутренний квантовый выход должен быть не менее 99,7%. При изготовлении такой структуры сначала на соответствующей подложке выращивается активный слой, после чего он подтравливается и отделяется от подложки. Отметим, что в рассматриваемой структуре нет электрических контактов. Коэффициент оптического вывода структур без контактов всегда намного выше, чем у инжекционных устройств с электрическими контактами. Однако устройства, изготовленные таким способом, обладают меньшей надежностью, что связано с хрупкостью эпитаксиальных слоев, отделенных от подложки. В работе (Blondelleetal., 1995) рассмотрено похожее, но более практичное излучающее свет устройство.

В работе (DeNeveetal., 1995) описано переизлучение фотонов, реализованное в светодиодах на основе InGaAs/GaAs/AlGaAsс резонатором. На рис. 15.13,6 показана упрощенная диаграмма структуры такого светодиода. Если вокруг квантовых ям расположены довольно толстые барьерные слои с постепенно изменяющимся профилем легирования, активная область ведет себя как волновод с градиент-

Рис. 15.13. Два подхода к построению светодиодов с переизлучением фотонов: а — объемный эпитаксиальный слой размещается сверху слоя золота, большая часть спонтанного излучения, не покинувшего активный слой, переизлучается, и фотоны получают еще один шанс покинуть структуру в нужном направлении; б —активная область структуры, встроенная в микрорезонатор, имеет вид волновода, излучение, проходя через волновод, переизлучается через несколько десятков микрон, часть вновь высвобождаемых фотонов выходит наружу через верхнюю поверхность устройства

 

ным показателем преломления. Рассчитано, что 30% фотонов, излученных активной областью, попадает в эту волноводную моду, где через несколько десятков микрометров переизлучается, чтобы вновь испущенные фотоны имели шанс выйти через верхнюю поверхность структуры. Такая структура позволяет повысить внешний квантовый выход почти на 30%. При недостаточной толщине активной области с квантовыми ямами светодиод с резонатором не может поддерживать волноводный режим работы. На первый взгляд может показаться, что работа активной области в качестве волновода ведет к снижению мощности нормального излучения, но, к счастью, это не так. Световод- ная волна формируется за счет фотонов, вылетающих под большими углами, поэтому ее существование практически никак не сказывается на величине внешнего квантового выхода. А за счет явления переизлучения фотонов этот параметр не только не снижается, но и значительно возрастает.

У метода переизлучения фотонов есть существенный недостаток: для осуществления значительного числа актов переизлучения устройство должно обладать большим диаметром излучающей области. Это снижает его привлекательность для применения в волоконно-оптических системах связи, где больше подходят диоды малого диаметра, особенно если они снабжены согласующими линзами. Другим недостатком светодиодов с переизлучением фотонов является сравнительно невысокая максимальная частота модуляции, что связано с явлением внутреннего поглощения фотонов, неминуемо ведущего к увеличению времени жизни спонтанного излучения.

Правда, авторы устройства и не ставили своей задачей создание светодиода для работы в волоконно-оптических системах связи, они хотели сделать диод большого диаметра, обладающий большим к.п.д., и это им удалось. При высоких плотностях тока уменьшается ограничение носителей в квантовых ямах, что приводит к снижению эффективности светодиода, но чем больше размер устройства, тем меньше влияние этого фактора. К тому же резонанс таких светодиодов, как правило, не совпадает с максимумом спектра естественного излучения, а смещен в длинноволновую сторону. Это приводит к сдвигу максимальной интенсивности главного лепестка диаграммы направленности излучения на некоторый угол от оси, в результате чего общая интенсивность излучения, попадающего в эту область, становится максимальной. Светодиоды, описанные в работах (Blondelleetal., 1995) и (DeNeveetal., 1995), разрабатывались для увеличения излучения, выходящего через верхнюю поверхность диодов, что необходимо для применениий в дисплеях и устройствах передачи данных в свободном пространстве, а не для волоконно-оптических систем. В этих работах сообщалось о достижении максимального внешнего квантового выхода, равного 16%, тогда как для идеальных объемных излучателей из аналогичных материалов данный показатель теоретически составляет 2 %.

Источник:

 Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты