Светоизлучающие диоды с управляемым цветом свечения. Светоизлучающие диоды - одни из немногих источников света, которые позволяют реализовать управляемое изменение цвета свечения.
В настоящее время рассмотрено несколько путей создания светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения двухпереходный однокристальный GaP диод однопереходный двухполосный однокристальный GaP диод двухкристальный биполярный диод с параллельным соединением кристаллов двухкристальный диод с независимым включением кристаллов двухпереходный однокристальный диод. один из р-n-переходов которого излучает красный свет, а другой-инфракрасное излучение, преобразуемое с помощью антистоксового люминофора в зеленое свечение.
Анализ оптических и электрических характеристик, технологичности и применения вышеуказанных видов светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший интерес в настоящее время представляет двухпереходный однокристальный GaP диод. Основные преимущества этого вида светоизлучающих диодов следующие 1 позволяет получить более широкий, чем у однопереходного двухполосного GaP диода, диапазон изменения цвета свечения 2 рабочий ток во всем спектральном диапазоне не более 20 мА в отличие от однопереходного GaP диода, у которого диапазон изменения тока существенно шире 3 сила света примерно одинакова во всем спектральном диапазоне в отличие от однопереходного GaP диода, у которого сила света существенно различна для разных цветов свечения 4 обеспечивает эффективное смешивание излучений двух полос, благодаря чему желтый и оранжевый цвета свечения имеют значительно лучшее качество, чем у двухкристальных диодов последние фактически являются только двухцветными диодами 5 позволяет отображать до пяти состояний объекта с помощью цветов красный -оранжевый -желтый -зеленый - выключено число отображаемых состояний может быть по крайней мере удвоено за счет использования мигающего свечения 6 позволяет осуществить аналоговое отображение информации путем непрерывного изменения цвета свечения от красного до зеленого через все оттенки 7 имеет симметричную диаграмму направленности излучения в отличие от двухкристального диода, у которого кристаллы смещены относительно центра прибора, благодаря чему оси диаграмм направленности излучения расположены под углом к оптической оси прибора 8 двухпереходный диод значительно эффективнее светоизлучающего диода, использующего преобразование инфракрасного излучения в видимое, так как Эффективность процесса антистоксового преобразования весьма низка.
Однако двухпереходный однокристальный GaP диод имеет и недостатки, а именно-более сложную технологию эпитаксиального выращивания структуры и изготовления кристаллов с тремя контактными областями. Максимальная Плотность тока через p-n-переход c зеленым свечением составляет 5,5 А см2, через р-n-переход с красным свечением-9,0 А см2. Омический контакт к верхней p-области занимает примерно 20 ее площади, а контакт к нижней р-области- примерно 40 площади нижней грани.
Омический контакт к базовой n-области выполнен сплошным и непрозрачным, как для улучшения цветовой характеристики прибора, так и для повышения надежности получения низкоомного омического контакта к n-GаР. Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами.
Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке ватт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление стимулированное излучение. Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода.
Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА см2 . Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.
В ряде случаев в качестве управляемых источников света применяют инжекционные лазеры.
Они отличаются от светодиодов тем, что излучение сконцентрировано в узкой спектральной области и является когерентным.
Лазеры имеют относительно высокий КПД и большое быстродействие. При когерентном излучении все частицы излучают согласованно вынужденное стимулированное излучение и синфазно с колебаниями, установившимися в резонаторе. Для обычных светодиодов характерны спонтанное излучение, складывающееся из волн, посылаемых различными частицами независимо друг от друга, и хаотическое изменение амплитуды и фазы суммарной электромагнитной волны.
Стимулированное излучение возникает при высокой концентрации инжектированных в полупроводник носителей заряда и наличии оптического резонатора. Поэтому объем зоны, где происходит излучательная рекомбинация, в полупроводниковых лазерах ограничивают с помощью конструктивных и технологических мер площадь поперечного сечения 0,5-2 мкм2, протяженность зоны 300-500 мкм и эту активную область выполняют из материала с другим показателем преломления, чем у окружающей ее среды.
В итоге получается световод, торцы которого ограничены с обеих сторон зеркальными гранями полупрозрачными зеркалами, получающимися при сколе кристалла. Он выполняет роль резонатора. При токе инжекции, меньшем порогового значения пор наблюдается спонтанное излучение, как и в обычном све-тодиоде. При увеличении тока до пор пор 50-150 мА и выше возникает стимулированное излучение и наблюдается резкое увеличение выходной оптической мощности, например с 5 мкВт мА, характерной для спонтанного излучения, до 200 мкВт мА. Благодаря тому что фотоны, появившиеся в процессе рекомбинаций, многократно проходят через световод, отражаясь от зеркальных граней, прежде чем им удается выйти за пределы кристалла через полупрозрачное зеркало, наблюдается монохроматичность и когерентность излучения.
Из-за дифракционных явлений в резонаторе сечение светового луча имеет эллипсоидную форму. Угол расходимости светового пучка около 20-50 . Полупроводниковые лазеры широко применяются при создании световодных линий связи большой протяженности и в измерительных устройствах различного назначения.
Конструктивно диод выполнен в полимерной герметизации на основе металлостеклянной ножки, содержащей отражающую свет коническую поверхность, что позволяет использовать боковое излучение и увеличить в 2-3 раза силу света. Наличие заглубленного посадочного места облегчает центровку кристалла относительно оптической оси прибора. Высота полимерной линзы определена исходя из необходимости обеспечения заданной диаграммы направленности излучения угол излучения 35 . Отношение высоты полимерной линзы S к радиусу сферы R выбрано равным 1,7. Зависимость силы света от тока для зеленого цвета свечения сверхлинейна, для красного-сублинейна.
Зависимость силы света от температуры для обоих р-n-переходов примерно одинакова. Температурный коэффициент составляет минус 5-8 10-3 К-1. Диод позволяет управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов оранжевого, желтого и др. В последнее время появились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности, содержащих оба р-n-перехода с одной стороны подложки.
Структура диода выращивается жидкостной эпитаксией на подложке n-GаР, ориентированной в плоскости 111 В, двумя раздельными процессами. Устройство структуры следующее слой n1 примыкающий к подложке толщиной 40 мкм, легированный Те до n 8 1017см-3 слой р1 толщиной 50 мкм, легированный Zn до p2 1017см-3 и кислородом слой р2 толщиной 40 мкм, легированный Zn до p6 1017см-3 и азотом слой n2 толщиной 25 мкм, легированный S до nl 1017 см-3 азотом.
Первый р-n-переход n1-p1 излучает красный свет, второй n2-р2 - зеленый. В отличие от диода типа АЛС331А, описанного выше, данный диод имеет общий анод. Верхний р-n-переход часто изготавливается планарным благодаря применению разделительной диффузии цинка. Для восстановления эффективности р-n-перехода с красным свечением, снизившейся в результате проведения второй эпитаксии по выращиванию р-n-перехода с зеленым свечением, применяется-длительная термообработка структуры 400-600 С на воздухе в течение 20-70 ч Полученные диоды в полимерной герметизации Характеризуются высокими значениями внешнего квантового выхода излучения для красного света -4 при токе 3 мА плотность тока 2 А см2 , для зеленого света- 0,4 при токе 20 мА 12,5 А см2 . Такие значения примерно соответствуют эффективности одноцветных светоизлучающих диодов.