Вывод света из полупроводника. Из светоизлучающего кристалла может быть выведена только часть генерируемого р - n-переходом излучения в связи со следующими основными видами потерь 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 nп и воздуха na доля выходящего излучения определяется значением критического угла пр между направлением светового луча и нормалью к поверхности пр arcsin n-1, где n nn nв. Для полупроводников GaAs и GaP значения показателя преломления составляют соответственно 3,54 и 3,3, а значения критического угла пр 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.
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 частично выводиться из кристалла в соответствии с долей света, подходящей к световыводящей поверхности под углом, меньшим критического. Долю светового излучения, которая может быть вы ведена через верхнюю поверхность кристалла плоско конфигурации при первом падении световой волны, определяют по формуле F sin2 пр 2 Тср , 7 где Тср - 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 4 n 1 n -2 8 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 Тcр0,67 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 p-n-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. В этих конструкциях кристалла размер р-n-перехода существенно меньше диаметра полусферы, что и позволяет получать малое отклонение падающего на поверхность луча от нормали к поверхности. Если провести расчет, при некоторых допущенных не учитывать поглощение света в толще материала, отраженное поверхностью полупроводника излучение считать полностью поглощенным, то он покажет, 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, 0 GaP N и др. 2. Помещение кристалла в среду с показателем преломления nв n nn для увеличения критического угла. Если в качестве среды использовать прозрачный эпокскдный компаунд с показателем преломления nк 1,5-1,6, то критический угол пр 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 n 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 показателей преломления n1, то, при выполнении двух условий nnnв n12 9 n1t p- 4 2l-1 , 10 где l-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, SiO2,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, падающего 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. Кванты света, падающие на световыводящую грань под углами пр, выходят из образца за исключением отраженных по формуле Френеля. Кванты света, распространяющиеся в диапазоне углов 1 2, проходят до конусной поверхности мезаструктуры, отражаются от нее и, попадая на излучающую поверхность под углом пр, 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-n-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-n-переходом. Приконтактные 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 кристалла 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 позволяет существенно увеличить вывод излучения из кристалла при использовании структур GaAs Si, GaP Zn, GaP N, GaP N, Zn-0, GaAs1-xPx 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, тосоздание днффузно-рассеивающей поверхности улучшает условия вывода излучения для косых лучей. Сферическая симметрия генерируемого излучения внутри кристалла возникает в диодах с низким самопоглощением излучения в активной области.
Такие условия осуществляются в диодах из GaP Zn, О, GaP N, GaAs Si, а также в гетероструктурах из Ga1-xAlxAs с тонкой активной областью ka d 1, где ka -усредненный коэффициент поглощения излучения активной областью, d - толщина активной области. Если самопоглощение излучения в активной области велико, то угловое распределение фотонов, выходящих из активной области, носит лампертовский характер. В этом случае применение диффузно-рассеивающей поверхности не увеличивает В результате создания диффузно-рассеивающей поверхности диодов с низким самопоглощением излучения экспериментально получено увеличение внешнего квантового выхода излучения на 25-40 . 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.
Эффекту оптического ограничения, или волноводному эффекту, благоприятстзует 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-n-перехода.
Сужение диаграммы направленности излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения в волокно в системах оптической связи. Основные полупроводниковые материалы, используемые в производстве светоизлучающих диодов