9.3. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ НА ОСНОВЕ ДВОЙНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

Достоинства двойной гетероструктры наиболее полно могут проявиться в светодиоде Барраса. На рис. 9.14 для примера показан такой диод, в котором применено травление вплоть до слоя Травитель селективно воздействует на GaAs, но не разрушает GaAlAs. В результате удается снизить самопоглощение излучения между активным слоем и излучающей поверхностью.

Один из недостатков двойной гетероструктуры обусловлен низкой теплопроводностью слоя GaAlAs, составляющей примерно третью часть теплопроводности GaAs. В результате пропорционально возрастает температура перехода при той же самой плотности тока. Отметим, что активный слой может быть изготовлен из GaAlAs с меньшим содержанием чем в ограничивающем слое. При этом появляется возможность частотной перестройки и снижения плотности дислокаций в активном слое.

Показанная на рис. 9.14 активная область ограничена изолятором, полученным в результате облучения протонами. При облучении полупроводника, такого как GaAs или GaAlAs, протонами высокой энергии происходят нарушения кристаллической решетки, что приводит к значительному росту электрического сопротивления. Доза увеличивает сопротивление в 100 раз. Глубина

проникнивения протонов определяется их энергией и ориентировочно составляет 1 мкм на 100 кэВ.

Путем внедрения ионов кислорода также можно получить полуизолирующий материал. Использование протонного облучения предпочтительнее по следующим соображениям. Во-первых, кремнезем имеет сравнительно низкую теплопроводность, поэтому его устранение приводит к увеличению теплоотвода на периферии активной области и снижению температуры при данной плотности тока. Во-вторых, при оксидном изоляторе площадь неактивного -перехода остается большой, что приводит к большой емкости обедненного слоя Протонное облучение предотвращает паразитную перезарядку емкости, что важно при работе на высоких частотах. Показанный на рис. 9.14 светодиод характеризуется повышенной надежностью и имеет незначительную деградацию при комнатной температуре, если плотность тока в активной площади не превышает Как следует из приведенных в § 8.6 соображений, следует ожидать, что в воздух будет излучаться стерад, т. е. светодиод диаметром 50 мкм обеспечит При соединении с волокном большего диаметра можно

Рис. 9.14. Светодиод Барраса на основе двойной гетероструктуры. Показано эпоксидное согласующее соединение с волокном. Активная область ограничена материалом, который доведен до состояния изолятора путем протонной бомбардировки. Обозначения слоев: или контактный слой

Рис. 9.15. Схематическое изображение светодиода на основе двойной гетероструктуры с самоустаиавливающейся сферической линзой [S. Horiuchi et al. A new LED structure with a selfaligned sphere lens for efficient coupling to optical fibers. - IEEE Trans, on Elect. Devices, ED-24, 986-90, ©, 1977, IEEE.]

ожидать, что мощность в волокне составит 50 мкВт. Это обычно реализуется на практике.

Ясно, что очень важно свести к минимуму потери на соединении. При площади активной области, ограниченной допустимой температурой, они определяются числовой апертурой и диаметром волокна. Согласующая линза помогает, если диаметр волокна превышает диаметр светодиода. Будет наиболее полезным согласовать среднюю ширину полосы, среднее расстояние и длину волны излучения, скажем, при 0,85 мкм. Тогда источник можно использовать с волокном, имеющим большую числовую апертуру и диаметр стержня, чем в случае, предусмотренном для широкодиапазонной высокоскоростной связи. Возможно, предпочтительнее сделать светодиод малой площади, работающий при высоких плотностях тока, и использовать линзы для оптимизации коэффициента связи. Это особенно важно, когда существенны тепловые потери на периферии активной области, поскольку тепловой импеданс уменьшается с диаметром. В результате при меньшем диаметре активной области можно использовать более высокие плотности тока.

Обнаружено, что использование волокна со сферическим концом, полученным в результате Контролируемого оплавления, увеличивает коэффициент связи в 4 раза. Например, светодиод с диаметром излучающей области 35 мкм был соединен с волокном диаметром 85 мкм, имеющим числовую апертуру 0,14 и радиус закругления конца 75 мкм. Этот метод, однако, чувствителен к точности выравнивания (юстировки) светодиода и волокна. Для примера на рис. 9.15 показано применение самоюстирующейся сферической линзы и GaAlAs/GaAs светодиода на основе двойной гетероструктуры, имеющего диаметр активной площади 35 мкм. С помощью сферической линзы диаметром 100 мкм и показателем преломления 2,0 могло быть передано около 100 мкВт в волокно с диаметром сердцевины 80 мкм и числовой апертурой 0,14 при

токе При этом использован светодиод не «типа Барраса» с высоким тепловым импедансом активного слоя. Тем не менее в течение при окружающей температуре 25°С и плотности тока деградация была мала.

На рис. 9.16 показан светодиод на основе двойной гетероструктуры работающий на длине волны 1,3 мкм. Подложка из прозрачна для излучения. Как видно из этого рисунка, в данном приборе используется сферическая линза, изготовленная из стекла с высоким показателем преломления. Коэффициент связи зависит от точности юстировки и правильности усечения линзы. Около 100 мкВт может быть передано в световод с диаметром сердцевины при плотности тока Спектральный диапазон такого светодиода составляет около при длине волны 1,3 мкм, что соответствует величине

Использование работающих в таком диапазоне светодиодов обусловлено малым значением дисперсии волокна на этой длине волны (см. § 3.3 и 17.3.2). В диапазоне оптическое волокно имеет минимальное поглощение. Можно изготовить светодиоды на основе

Рис. 9.16. (см. скан) Светодиод на основе двойной гетероструктуры для длинноволнового диапазона: а — схематическое поперечное сечение; микрофотография, полученная на сканирующем электронном микроскопе [Воспроизведено с разрешения Plessey Research (Caswell Ltd.)]

Рис. 9.17. Вариант светодиода на основе двойной гетероструктуры для длинноволнового диапазона: а — схематическое поперечное сечение; б - зависимость связанной мощности от тока [О. Wad a et al. Perfomance and reliability ti high radiance InGaAsP DH LEDs operating in the 1,15-1,5 u m wavelength region.- IEEE Jnl. of Qn. Ets. QE-18., 368-74; ©, 1982, IEEE.]

двойной гетероструктуры InGaAsP/InP с различным составом активного слоя, что позволит перекрыть диапазон Источники излучения, типа схематически показанного на рис. 9.17, а, имеют спектральные характеристики, приведенные на рис. 8.5. Поскольку подложка из прозрачна для излучения светодиода, имеется возможность изготовить методом травления монолитную микролинзу. При этом диаметр контакта составляет а толщина активного слоя 1,5 мкм. Основные характеристики при токе смещения представлены в табл. 9.1. Выходная мощность на длине волны нелинейно зависит от тока, как это заметно на рис. 9.17, б. Причины этого могут быть следующие: рекомбинационный безызлучательный процесс (см. рис. 8.1); инверсия населенностей (см. § утечка тока через потенциальный барьер; аномальные тепловые эффекты. Проблемы такого типа будут разрешаться по мере совершенствования технологии изготовления приборов, работающих на длинных волнах. Это относится и к наблюдаемой температурной зависимости выходной мощности при постоянном токе питания. Она аппроксимируется соотношением вида

Значение меняется от 80 до 145 К для светодиодов различного производства, работающих на длине волны 1,3 мкм. Оно уменьшается при переходе к более длинноволновым приборам, что указывает на увеличение температурной чувствительности.

Зависимость оптической мощности от времени с ростом температуры описывается экспоненциально падающей кривой

Постоянная времени экспоненциально зависит от температуры

где k — постоянная Больцмана, эмпирические коэффициенты. Эти выражения указывают на термический механизм деградации при энергии активации Измерения на GaAlAs/GaAs диодах показали тогда как для InGaAsP/InP приборов Такое высокое значение является полезным свойством четверных соединений. Эти результаты можно экстраполировать для более низких температур, что дает возможность предсказать срок службы приборов до спада мощности вдвое чдля диодов и для GaAlAs диодов при 61° С.

Светодиод с торцевым излучением на основе двойной гетероструктуры, показанный на рис. 9.18, дает увеличение излучения с очень малой излучающей поверхности. Он имеет целый ряд интересных особенностей. Благодаря полному внутреннему отражению оптическое излучение распространяется вдоль перехода. Активная область ограничивается полосковым контактом и щелью на задней части активного слоя. Это позволяет сделать активную область достаточно короткой, чтобы не возникали лазерные колебания (см. § 10.3). Световое излучение может самопоглощаться в активном слое, но он сделан очень тонким, в результате чего большая часть оптической мощности распространяется в слое, который ее не поглощает, так как имеет более широкую запрещенную зону. Поглощение оказывается максимальным для коротковолнового излучения. Это существенно сужает спектральную ширину линии — от 35 до на длине волны и от 100 до на 1,3 мкм. Действие оптического волновода приводит к сужению диаграммы направленности излучения до 30°. Это, а также малая площадь излучателя, делает светодиод с краевым излучением хорошо приспособленным для работы с линзовым согласующим устройством.

Таблица 9.1. (см. скан) Основные характеристики светодиодов, конструкция которых показана на рис. 9.17

Рис. 9.18. Схематическое изображение светодиода на основе двойной гетероструктуры с торцевым излучением.

Обозначения слоев: 1 — кремниевый изолятор (ограничивающий контактную полосу); 2 — активный слой эпитаксиальный слой

Хороший коэффициент связи может быть получен даже с волокнами, имеющими относительно малый диаметр сердцевины, скажем, порядка 50 мкм. В приборах этого типа, одиако, труднее осуществить теплоотвод, чем в светодиодах с излучающей поверхностью, они сложнее в обращении и еще не получили широкого распространения.