Распределенные зеркала Брэгга

October 3, 2011 by admin Комментировать »

На рис. 10.6 для сравнения приведены спектры коэффициента отражения двух типов, отражателей: зеркала Брэгга и металлического зеркала. Видно, что металлические отражатели имеют широкую полосу с высоким коэффициентом отражения, тогда как для зеркал Брэгга характерен узкий диапазон с высоким коэффициентом отражения, называемый полоса затухания. Следует отметить, что отражательная способность металлических зеркал остается всегда неизменной, тогда

Рис. 10.6. Спектры коэффициента отражения двух типов отражателей: зеркал Брэгга (из 25 пар слоев AlAs/GaAs) и металлических зеркал (серебро/воздух)

 

как коэффициент отражения зеркал Брэгга растет по мере увеличения количества двойных слоев пока эти слои полностью прозрачны.

У светодиодов, выращенных на непрозрачных подложках, 50% излучения из активной области поглощается именно подложкой, что приводит к существенному снижению их эффективности. Поглощения излучения в подложке можно избежать, если между ней и активной областью светодиода поместить зеркало, отражающее лучи, испускаемые активной областью в сторону подложки, позволяя им покинуть полупроводник через верхнюю границу.

Для этих целей хорощо подходят распределенные зеркала Брэгга (DBRs). На рис. 10.7 показана структура светодиода с зеркалами Брэгга. Описание такого светодиода, реализованного на системе материалов AlGaAs/GaAs, было впервые дано Като и др. (Kato et al., 1991). В состав данного диода, излучающего в инфракрасной области спектра на длине волны 870 нм, входило зеркало Брэгга, состоящее из 25 пар слоев AlAs/GaAsили AlGaAs/GaAs.

Рис. 10.7. Светодиод с распределенным зеркалом Брэгга, расположенным между подложкой и нижним барьерным слоем

 

Распределенное зеркало Брэгга является многослойным отражателем, обычно состоящим из 5-50 двойных слоев материалов с разными показателями преломления. Из-за разницы показателей преломления на каждой границе раздела двух материалов происходит отражение Френеля. Но поскольку эта разница обычно не очень большая, отражение Френеля на каждой из границ невелико. Однако в состав зеркала Брэгга входит много таких границ. Очень важно так подобрать толщину двойных слоев, чтобы при сложении всех отраженных волн появлялась конструктивная интерференция. Для лучей, падающих на границы раздела под углом 90°, условие резонанса наступает тогда, когда толщина слоев, составляющих пары, равна четверти длины волны света, т. е. при нормальном падении лучей на границу раздела:

Здесь Ао — длина волны Брэгга в вакууме, t^h— толщина слоев с высоким(h)и низким (О показателями преломления, n^h— показатель преломления материалов с высоким (К) и низким (Z) показателями преломления. Толщина реального слоя, определяемая выражением (10.10), не обязательно должна составлять А/4, она может быть равна величине, кратной А/4, но при этом необходимо, чтобыстепень кратности была любым нечетным числом, т.е.

Для оптимизации зеркал Брэгга на практике были применены разные стратегии. В работе (Chiouetal., 2000) описан светоди-

од на основе AllnGaPс зеркалом Брэгга, состоящим из двух зеркал разного типа, размещенных одно на другом. Одно из зеркал — Alo,5lno,5P/(Alo,4Gao,6)o,5lno,5Pпрозрачное с резонансом на длине волны максимума излучения (590 нм), а второе дополнительное зеркало AlAs/GaAsрасположено под первым и обладает большой разницей показателей преломления и поглощающей способностью (хотя и небольшой); его резонанс находится на длине волны на 10% больше соответствующей пику излучения, что дает возможность отражать лучи, падающие не под прямыми углами. Авторами работы было показано, что светодиоды с составными зеркалами Брэгга отличаются более высокими значениями коэффициента оптического вывода излучения.

В работе (Lietal, 1999) рассмотрены светодиоды с непериодическими зеркалами, обладающими более широкой полосой затухания, а значит, и большими отражательной способностью и диапазоном допустимых углов падения лучей. Для расчета оптимальных непериодических зеркал Брэгга применяются методы численного моделирования.

Из расчетов, приведенных ранее, следует, что увеличение разницы в показателях преломления слоев ведет к расширению диапазона углов, при которых зеркала Брэгга обладают высокой отражательной способностью. Использование таких высококонтрастных зеркал Брэгга, как AlGaAs/AlxOj,, в структурах светодиодов было впервые предложено в работе (Chiouetal., 2003). Поскольку показатели преломления AI2O3 и AlGaAsс большим содержанием алюминия примерно равны 1,75 и 3,25, коэффициент контраста таких слоев по показателю преломления составляет An= 1,5. Формирование слоев Al^Oy, входящих в состав зеркал Брэгга, осуществляется в процессе окисления эпитаксиальных слоев AlAs, протекающего в среде водяных паров при 400-450 °С. Готовые слои Al^Oj, непроводящие, поэтому для прохождения тока между подложкой и активными областями в слоях А1а;0у необходимо оставлять участки AlAs, защищенные от окисления.

Зеркала Брэгга могут иметь большое электрическое сопротивление, мешающее протеканию тока через структуру излучающих устройств перпендикулярно ее слоям. Из-за этого сопротивления, особенно проявляющего себя в режимах сильного прямого смещения, может нарушиться работа лазеров и светодиодов. Описаны (Jewelletal., 1989; Koyamaetal., 1989) эксперименты с первыми поверхностно-излучающими лазерами с вертикальным резонатором (VCSEL), для которых было определено предельное напряжение прямого смещения ~ 30 В (Jewell, 1992), что предотвратило возможность лазерной генерации этих устройств в непрерывном режиме. Причиной возникновения больших сопротивлений в зеркалах Брэгга являются резкие гетеропереходы, создающие барьеры для перемещения носителей. К счастью, теперь научились полностью устранять барьеры в областях гетеропереходов методом параболического градиентного легирования соответствующих слоев (Schubertetal., 1992а, 1992b). Такая технология легирования щироко применяется при изготовлении современных зеркал Брэгга, поэтому проблем, связанных с их большим сопротивлением, сегодня больше не существует.

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