ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ 6. ΔΙΟΔΟΙ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ (LIGHT EMITTING DIODE, LED)

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ 6. ΔΙΟΔΟΙ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ (LIGHT EMITTING DIODE, LED) 6.1 Γενικά Οι δίοδοι εκπομπής φωτός έχουν βρει τα τελευταία χρόνια ευρεία εφαρμογή σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές, όπως σε ηλεκτρικές συσκευές καθημερινής χρήσης ως ενδεικτικές λάμπες λειτουργίας, στην ηλεκτρονική αυτοκινήτων, αεροπλάνων, παιγνιδιών, σε συσκευές τηλεφώνου, σε κάμερες, σε όλα τα είδη των υπολογιστών και πολλές άλλες. Αντικατέστησαν σχεδόν πλήρως τις μικρές λάμπες πυράκτωσης, επειδή παρουσιάζουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι αυτών, όπως μεγάλη διάρκεια ζωής, μικρό μέγεθος, πολύ μικρή κατανάλωση και κυρίως η επίτευξη χρωμάτων χωρίς τη χρήση οπτικών φίλτρων. Διατάξεις LED σε μορφή σειράς ή στήλης ή κύκλου, είναι κατάλληλες να δείχνουν αναλογικές ή ψηφιακές τιμές λειτουργίας σε αναλογική μορφή, όπως για παράδειγμα αριθμό στροφών, ταχύτητα, στάθμες κ.λ.π. Ο γρήγορος χρόνος απόκρισης καθώς και η υψηλή πυκνότητα φωτισμού κάνει τις LED αναντικατάστατες σ ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Για την κατασκευή των LED s χρησιμοποιούνται κυρίως τα ημιαγωγικά υλικά GaAs 1-x P x και GaP. Βέβαια εκτός από αυτά χρησιμοποιούνται, επίσης, υλικά όπως SiC και GaN για τα χρώματα κίτρινο, πράσινο και μπλε, Ga 1-x Al x As για κόκκινο, GaAs με προσμίξεις φωσφόρου για κόκκινο, πράσινο και μπλε, ανάλογα με την περιεκτικότητα σε P και τέλος In 1-x Ga x P για κίτρινο και πορτοκαλί.δίοδοι εκπομπής στο πράσινο και μπλε υλοποιούνται επίσης με τη χρήση του υλικού GaN.Είναι δύσκολο να υλοποιήσει κανείς επαφές τύπου pn με ημιαγωγούς των οποίων το ενεργειακό χάσμα ξεπερνά τα 2,3eV.Αυτό είναι ουσιαστικά και η αιτία ότι LED στο μπλέ χρώμα είναι πολύ πιο ακριβότερες από αυτές που εκπέμπουν στο κόκκινο, κίτρινο ή πράσινο χρώμα. Δίοδοι εκπομπής που εκπέμπουν στο κοντινό και βαθύ IR- φάσμα κατασκευάζονται από διμερή, τριμερή και τετραμερή κράματα των ομάδων ΙΙΙ V, όπως είναι το GaAs, GaAlAs, InGaAs και InGaAsP. Εξυπηρετούν σχεδόν αποκλειστικά εφαρμογές στην οπτική μετάδοση σημάτων είτε ως οπτοζεύκτες ως μία μονάδα με ένα λήπτη σήματος είτε στον τηλεχειρισμό 109

2 συσκευών, ως πομποί στο άνοιγμα και κλείσιμο θυρών και στη μετάδοση πληροφοριών με οπτικές ίνες. 6.2 Βαθμοί απόδοσης Η ακτινοβολία των LED δημιουργείται από το φαινόμενο της ακτινοβολούσας ανασύζευξης μιας περίσσειας φορέων μειοψηφίας που εγχέονται στη διάταξη διαμέσου της επαφής pn (στην προς τα πρόσω πόλωση). Σε καμιά περίπτωση όμως το κάθε ένα ηλεκτρόνιο που συμμετέχει στο ρεύμα διαμέσου της διόδου δεν δίνει και ένα φωτόνιο. Αυτό έχει τις ακόλουθες αιτίες: Παράλληλα προς τη διαδικασία ακτινοβολούσας ανασύζευξης λαμβάνουν χώρα και φαινόμενα μη ακτινοβολούσας ανασύζευξης. Υπάρχουν μηχανισμοί μεταφοράς φορέων που δεν οδηγούν σε ακτινοβολούσα ανασύζευξη. Δεν εξέρχονται από το ημιαγωγικό υλικό όλα τα παραγόμενα φωτόνια. Ένας βαθμός απόδοσης, ο οποίος μπορεί να εξαχθεί σχετικά εύκολα από μία μέτρηση είναι ο βαθμός απόδοσης ισχύος:, p hf P (6.1) UI όπου Φ είναι ροή των φωτονίων, f η συχνότητα του φωτός, U η εφαρμοζόμενη στη LED τάση πόλωσης και Ι η ένταση του ρεύματος διαμέσου της διόδου. Ανάλογος προς τον προηγούμενο είναι και ο εξωτερικός βαθμός απόδοσης μιας LED, ext ως ο λόγος της ακτινοβολούμενης ροής φωτονίων προς τη ροή των ηλεκτρονίων ext (6.2) ( I / e) 110

3 Στην περίπτωση που η LED εκπέμπει φως κοντά στο όριο του ενεργειακού χάσματος και η τάση λειτουργίας πλησιάζει το ενεργειακό χάσμα, τότε οι τιμές των (6.1) και (6.2) γίνονται ίσες. Ο εξωτερικός βαθμός απόδοσης ext ορίζεται επίσης ως το γινόμενο του εσωτερικού βαθμού απόδοσης, int και του οπτικού opt, δηλαδή int (6.3) ext opt όπου int είναι το γινόμενο του βαθμού απόδοσης ακτινοβολούντων φαινομένων ανασύζευξης,, και του βαθμού απόδοσης του φαινομένου έγχυσης φορέων r., inj int r inj (6.4) O βαθμός απόδοσης ακτινοβολούντων φαινομένων ανασύζευξης ορίζεται ως ο λόγος r των ακτινοβολούντων (δείκτης r) προς το άθροισμα των ακτινοβολούντων και μη (δείκτης nr) φαινομένων ανασύζευξης, δηλαδή 1 ( r ) (6.5) r 1 1 ( ) ( ) r nr όπου τ r είναι ο χρόνος ζωής της περίσσειας φορέων μειοψηφίας για φορείς που συμμετέχουν σε φαινόμενα ακτινοβολούσας ανασύζευξης, ενώ τ nr είναι ο χρόνος ζωής της περίσσειας φορέων μειοψηφίας που συμμετέχουν σε φαινόμενα μη ακτινοβολούσας ανασύζευξης. 111

4 Ο πιο πάνω βαθμός απόδοσης αυξάνει όσο μειώνεται ο χρόνος τ r και αυξάνει ο χρόνος τ nr. Θεωρητικά, σε ημιαγωγούς με άμεσο ενεργειακό διάκενο θα περίμενε κανείς αποδόσεις πάνω από 90%, ενώ εξαιτίας των ατελειών του ημιαγωγού η απόδοση αυτή δεν ξεπερνά στην πράξη,στη θερμοκρασία του χώρου, το 50%. Ο βαθμός απόδοσης του φαινομένου της έγχυσης ορίζεται ως το κλάσμα με αριθμητή το μέρος του ρεύματος διάχυσης που συνεισφέρει στο φαινόμενο της ακτινοβολούσας ανασύζευξης και παρονομαστή στο συνολικό ρεύμα διαμέσου της διόδου. n ( / I) (6.6) inj I Dn με I I Dn I Dp I z I Dn n e A N 2 i D D L P P e eu kt (6.7) I Dp n e A N 2 i A D L N n e eu kt (6.8) όπου I R είναι το ρεύμα ανασύζευξης στην περιοχή φορτίων χώρου. Εάν φροντίσει κανείς, διαμέσου της τεχνολογίας να λαμβάνει χώρα η ακτινοβολούσα ανασύζευξη σε μία μόνο από τις δύο περιοχές (τύπου p ή τύπου n), τότε ο βαθμός απόδοσης inj θα έχει τη μορφή: I Dn inj (6.9) I Dn I DP I RZ Ο οπτικός βαθμός απόδοσης, opt δηλώνει το ποσοστό της εσωτερικά παραγόμενης ακτινοβολίας το οποίο εξέρχεται από τον ημιαγωγό. Ένα μεγάλο μέρος της από το εσωτερικό εξερχόμενης ακτινοβολίας υφίσταται ολική ανάκλαση στην επιφάνεια του ημιαγωγού, όπου η 112

5 κρίσιμη γωνία είναι ημθ = n 1 / n 2 (n 1 και n 2 είναι δείκτες διάθλασης του αέρα και του ημιαγωγού, αντίστοιχα). Ένα μεγάλο, επίσης, ποσοστό της εσωτερικά παραγόμενης ακτινοβολίας απορροφάται από το ίδιο το ημιαγωγικό υλικό, οδηγώντας έτσι τη διάταξη σε σοβαρές απώλειες[29]. Στην περίπτωση μιας ομοιόμορφης κατανομής της πυκνότητας φωτονίων μέσα στον όγκο του κρυστάλλου V που παράγει την ακτινοβολία με έναν μέσο συντελεστή απορρόφησης και μία ενεργό επιφάνεια εκπομπής Α, ο οπτικός βαθμός απόδοσης σχέση: optδίνεται από τη 1 opt (6.10) 4a V 1 AT όπου Τ είναι ο μέσος συντελεστής διαπερατότητας για μία μετάβαση της ακτινοβολίας από ένα οπτικά πυκνότερo ( n * 2 ) ένα οπτικά αραιότερο ( n * 1 ) ημιαγωγικό στρώμα (βλέπε διάγραμμα στο Σχ. 6.1). Σχήμα 6.1. Μέσος συντελεστής διαπερατότητας ακτινοβολίας σε μία επίπεδη (planar) διάταξη LED, κατά την μετάβασή της από οπτικά πυκνότερα ( n * 2 ) σε οπτικά αραιότερα ( n * 1 ) μέσα[30]. 113

6 Στην περίπτωση που οι LED χρησιμοποιούνται ως διατάξεις ένδειξης, τότε ενδιαφέρει λιγότερο ο βαθμός κβαντικής απόδοσης απ ότι η φωτεινότητα. Αυτό όπως φαίνεται και από το Σχ. 6.2 είναι ένα φυσιολογικό μέγεθος το οποίο προέρχεται από τη διαφορετική χρωματική ευαισθησία του ανθρώπινου οφθαλμού. Για να γίνει μία πηγή ακτινοβολίας αντιληπτή από το ανθρώπινο μάτι, θα πρέπει να υπάρχει επικάλυψη της φασματικής κατανομής της έντασής της, Ι (λ),,με την ευαισθησία του οφθαλμού, Κ (λ). Το κλάσμα της από τον οφθαλμό αντιληπτής έντασης φωτός προς τη συνολικά εκπεμπόμενη ισχύ του πομπού ορίζεται ως βαθμός φωτεινότητας L. Ο υπολογισμός του βαθμού αυτού εξηγείται αρκετά καλά στα διαγράμματα του σχήματος 6.2. L I I k ( ) 0 0 ( ) ( ) d d (6.11) Σχήμα 6.2 Υπολογισμός του βαθμού φωτεινότητας μιας ακτινοβολίας Ι(λ) με τη βοήθεια της ευαισθησίας του ανθρώπινου οφθαλμού Κ(λ) Σε αντίθεση με άλλους βαθμούς απόδοσης, ο βαθμός απόδοσης της φωτεινότητας επιβαρύνεται με φυσικές μονάδες, αφού το μέγεθος Κ(λ) έχει τη διάσταση lm w -1. H πυκνότητα του εκπεμπόμενου φωτός από μια LED, L υ, ορίζεται ως το γινόμενο του βαθμού απόδοσης της φωτεινότητας και της ισχύος φωτός που εκπέμπεται από μια επιφάνεια Α μέσα στα όρια της στερεάς γωνίας, ω, ήτοι:. L PP LU (6.12) A 114

7 6.3 Δίοδοι εκπομπής από GaAs στο IR (IRED). Οι δίοδοι αυτές βρίσκουν εφαρμογή κυρίως στην οπτική μετάδοση σημάτων, σε πομπούς με συχνότητες διαμόρφωσης έως και την περιοχή των MHz, σε οπτοζεύκτες, σε συστήματα αναγνώρισης, σε συσκευές τηλεχειρισμού κ.α. Για την κατασκευή των LED από GaAs χρησιμοποιούνται υποστρώματα GaAs τύπου n, πάχους 0,2 έως και 0,3 mm, τα οποία αναπτύσσονται με τη μέθοδο Czochralski. Η συγκέντρωση των δοτών του υποστρώματος ανέρχεται σε έως cm -3. Βασικά θα πρέπει να ξεχωρίσουμε δύο τύπους LED από GaAs : IRED από GaAs ντοπαρισμένο με Si (GaAs:Si) IRED από GaAs με διαχεόμενη επαφή τύπου pn Οι διαφορές που προκύπτουν μεταξύ των δύο τύπων είναι στο μήκος κύματος εκπομπής (χρώμα) και στο χρόνο απόκρισης. Όπως φαίνεται και από το Σχ. 6.3 οι δίοδοι του τύπου GaAs: Si IRED εκπέμπουν ακτινοβολία στα 940 nm με εύρος μισής τιμής Δλ=40 nm, ενώ οι δίοδοι που προκύπτουν με διάχυση ακτινοβολούν στα 900 nm και παρουσιάζουν πολύ πιο μικρότερη διασπορά Δλ. Η σταθερά χρόνου των IRED που κατασκευάζονται με διάχυση Ζn ανέρχεται σε 10ns, ενώ αυτή των διόδων που ντοπάρονται με Si ανέρχεται σε 200ns. Σχήμα 6.3 Φάσματα εκπομπή δύο διατάξεων IRED που προέκυψαν με διάχυση Zn και με ντο-πάρισμα επιταξιακού στρώματος Στις εφαρμογές,όμως, επικρατούν περισσότερο οι δίοδοι εκπομπής του τύπου GaAs: Si IRED, εξαιτίας της απλής σχετικά κατασκευής τους (επιταξία από την υγρή φάση). Οι 115

8 δίοδοι αυτές επιδεικνύουν και τον υψηλότερο βαθμό κβαντικής απόδοσης, περίπου 30%. Αυτό οφείλεται κυρίως στον υψηλό οπτικό βαθμό απόδοσης, εξαιτίας της σχεδόν ανύπαρκτης ιδιοαπορρόφησης του GaAs. Οι τιμές της εξωτερικής απόδοσης σε διόδους του εμπορίου κυμαίνονται μεταξύ 5 και 12%. Στην περίπτωση των διόδων εκπομπής του τύπου GaAs IRED (διάχυση Zn) ως πηγή ντοπαρίσματος χρησιμοποιείται μία ένωση As Zn, η οποία τοποθετείται μαζί με το επιταξιακό υπόστρωμα σε σωλήνα χαλαζία, όπου και θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες προκειμένου να σχηματιστεί η απαιτούμενη επαφή pn. Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται κάτω από την επιφάνεια( έως και μερικά μm πάχος) μία περιοχή τύπου p με μία συγκέντρωση αποδεκτών της τάξης των cm -3, ενώ η συγκέντρωση των ηλεκτρονίων στο επιταξιακό στρώμα κυμαίνεται μεταξύ cm -3 και cm -3.Αυτές οι τιμές των συγκεντρώσεων διασφαλίζουν την βέλτιστη τιμή για την εξωτερική κβαντική απόδοση. Η ακτινοβολούσα ανασύζευξη οφείλεται κυρίως σε μεταβάσεις ηλεκτρονίων μεταξύ δοτών και αποδεκτών.η ενέργεια των παραγόμενων φωτονίων βρίσκεται με 1,4 ev, μόνο λίγο χαμηλότερα από την τιμή του ενεργειακού χάσματος του GaAs.Έτσι, η ιδιοαπορρόφηση ως μηχανισμός απωλειών παίζει στην περίπτωση αυτή ένα σημαντικό ρόλο.εκτός αυτού, εξαιτίας της σχέσης I( hf ) I 0 exp( ( hf ) d) (6.13) μετατοπίζεται και το μέγιστο του φάσματος εκπομπής προς μεγαλύτερα μήκη κύματος (λ=900nm).στο σχήμα 6.4 εξηγείται η επίδραση της ιδιοαπορρόφησης πάνω στην εκπεμπόμενη ακτινοβολία μιας LED από GaAs με επίπεδη δομή (d είναι η απόσταση που διανύει η ακτινοβολία πριν εξέλθει από τον κρύσταλλο).η διαφορά μεταξύ των παραθύρων τύπου p και τύπου n εξηγείται στο σχήμα 6.4 από την συμπεριφορά της απορρόφησης, όπου ο συντελεστής απορρόφησης του υψηλά ντοπαρισμένου υλικού τύπου p,ακόμη και σε σχετικά μικρές ενέργειες, παίρνει τιμές πολύ μεγαλύτερες απ ότι ο συντελεστής απορρόφησης του υλικού τύπου n. Συμπερασματικά, θα πρέπει η επάνω επιφάνεια μιας τέτοιας διάταξης να είναι τύπου n ή εάν αυτό δεν είναι εφικτό, το στρώμα τύπου p να είναι όσο το δυνατόν λεπτότερο. 116

9 Σχήμα 6.4 Επίδραση της ιδιοαπορρόφησης πάνω στην ηλεκτροφωταύγεια μιας διόδου από GaAs, επίπεδης τεχνολογίας.η ακτινοβολία εξέρχεται α)από το στρώμα τύπου p και β) από το στρώμα τύπου n Στο Σχ. 6.5 παρουσιάζονται δύο διαφορετικοί τύποι διόδων εκπομπής φωτός από GaAs (η δημιουργία της επαφής pn γίνεται με διάχυση Zn): μία δομή κατασκευασμένη με την τεχνολογία «planar», ντοπαρισμένη στην επιφάνεια με διάχυση Zn και μία περισσότερο περίπλοκη δομή με τρούλο (Dom), όπου η ακτινοβολία εξέρχεται από την πίσω πλευρά Σχήμα 6.5 Δομές διόδων εκπομπης φωτός του τύπου GaAs IRED (με διάχυσηzn):α) επίπεδη δομή και β) δομή τύπου τρούλου Οι απώλειες της ιδιοαπορρόφησης είναι και στους δύο τύπους διατάξεων σχεδόν ίσες. Η δομή με τον τρούλο παρουσιάζει όμως πολύ μεγαλύτερη κβαντική απόδοση, εξαιτίας του 117

10 μεγαλύτερου συντελεστή διαπερατότητας. Τιμές μεταξύ 0,5% και 5% είναι για εξωτερική κβαντική απόδοση συνήθεις, ενώ οι τιμές της εσωτερικής κβαντικής απόδοσης φτάνουν και τα 75%. 6.4 Δίοδοι εκπομπής φωτός από GaAsP LED από GaAsP ήταν από τις πρώτες που κυκλοφόρησαν στο εμπόριο και κυκλοφορούν ακόμη και σήμερα, ως κόκκινες LED, σε μεγάλο αριθμό τεμαχίων. GaAs 1-x P x είναι ένας ψευδοτετραμερής σύνθετος κρύσταλλος των ομάδων ΙΙΙ V, ο οποίος επιτρέπει χωρίς ασυνέχεια τη μείξη των στοιχείων σε όλα τα ποσοστά. Για ποσοστά πρόσμιξης φωσφόρου μεγαλύτερα από 20% (χ>0,2) το ενεργειακό χάσμα επιτρέπει την εκπομπή φωτός από το ορατό φάσμα. Για την ανάπτυξη του κρυστάλλου μπορεί να χρησιμοποιηθεί η γνωστή τεχνολογία του GaAs. Καθοριστικοί παράμετροι για το χρώμα, τη φωτεινότητα και την κβαντική απόδοση των LED από GaAs 1-x P x είναι η περιεκτικότητα σε φώσφορο. Κλασικές κόκκινες LED κατασκευάζονται από τον σύνθετο κρύσταλλο GaAs 0.6 P 0.4 ο οποίος αποτίθεται πάνω σε υπόστρωμα GaAs. Το υλικό αυτό μπορεί να αναπτυχθεί μόνο με επιταξία από την αέρια φάση, επειδή θα πρέπει να διαμορφωθεί μία ζώνη με συνεχώς μεταβαλλόμενη σύσταση, χ, προκειμένου να επιτευχθεί η προσαρμογή της πλεγματικής σταθεράς του GaAs 0,6 P 0,4 σε αυτή του GaAs. Τέτοιες ζώνες μεταβλητής περιεκτικότητας, με πάχη από 20 έως 50 μm είναι αδύνατο να κατασκευαστούν με επιταξία από την υγρή φάση. Οι κλασικές κόκκινες LED παρουσιάζουν εντάσεις φωτός 8 mlm σε ένα μήκος κύματος 660 nm.στο εμπόριο συναντάει κανείς, επίσης, κόκκινες LED υψηλής απόδοσης, οι οποίες κατασκευάζονται από το έμεσου ενεργειακού χάσματος υλικό GaAs 0,6 P 0,4 : Ν, το οποίο αναπτύσσεται πάνω σε διαφανές υπόστρωμα GaP. Και αυτά τα LED μπορούν να κατασκευαστούν μόνο με επιταξία από την αέρια φάση. Εξαιτίας της διαφάνειας του υποστρώματος και του μικρότερου μήκους κύματος εκπομπής των 630 nm (η ευαισθησία του ματιού στα 630 nm είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή των 660nm), μπορούν να παρουσιάσουν τα στοιχεία αυτά εντάσεις φωτός της τάξης των 50 mlm. Όμως το χρώμα στα 630nm είναι μία μείξη από πορτοκαλί και κόκκινο γεγονός που δεν είναι επιθυμητό σε κάποιες εφαρμογές. Εκτός των κόκκινων και πορτοκαλί - κόκκινων LED, μπορούν να κατασκευαστούν και LED κίτρινου χρώματος, αυξάνοντας στο υλικό GaAs 1-x P x την περιεκτικότητα του 118

11 φωσφόρου έως και στο 85%. Στο Σχ. 6.6 μπορεί να δει κανείς τα μεγέθη εξωτερική κβαντική απόδοση, βαθμό φωτεινότητας και τη σχετική πυκνότητα φωταύγειας σε LED από GaAs 1-x P x, σε διαφορετικές περιεκτικότητες σε φωσφόρο (P) ( οι διακεκομμένες γραμμές αναφέρονται σε κρυστάλλους που έχουν ντοπαριστεί με Ν).Οι παγίδες (traps) του αζώτου μέσα στο GaAs 1- xp x βρίσκονται 90 mev,περίπου, κάτω από την ακμή της ταινίας αγωγιμότητας, έτσι ώστε η παραγόμενη ακτινοβολία ανασύζευξης να είναι λίγο μεγαλύτερη σε μήκος κύματος, απ ότι αυτή που παράγεται από κρυστάλλους GaAsP χωρίς την πρόσμιξη αζώτου Σχήμα 6.6 Εξωτερική κβαντική απόδοση (a), βαθμός φωτεινότητας (b),και σχετική πυκνότητα GaAs 1-x P x για διαφορετικές περιεκτικότητες Φωσφόρου 6.5 Δίοδοι εκπομπής φωτός από GaP (GaP LED) Από τότε που η τεχνολογία της ανάπτυξης των κρυστάλλων κατάφερε να παράγει με επιτυχία μεγάλους και ποιοτικά υψηλής αξίας μονοκρυστάλλους, το GaP μαζί με το GaAsP έγινε το πλέον χρησιμοποιούμενο υλικό για την κατασκευή LED.Αξιοσημείωτο και ταυτόχρονα παράδοξο είναι το γεγονός ότι, το GaP είναι ένωση με κατ εξοχήν έμεσο ενεργειακό χάσμα και ως εκτούτου υλικό με μη ακτινοβολούσα ανασύζευξη. Σε ημιαγωγικά υλικά με έμμεσο ενεργειακό χάσμα, όπως το GaP, κυριαρχεί η μη ακτινοβολούσα ανασύζευξη και μόνο η εισαγωγή των επονομαζόμενων ισοηλεκτρονικών 119

12 κέντρων (π.χ. άζωτο στο GaP) μπορεί να οδηγήσει ένα μικρό αριθμό φορέων σε ακτινοβολούσα ανασύζευξη. Γι αυτό τα ημιαγωγικά υλικά με έμμεσο ενεργειακό χάσμα, είναι πάρα πολύ ευαίσθητα σε ξένες προσμίξεις καθώς και σε κρυσταλλικές διαταραχές (ατέλειες). Για παράδειγμα, γραμμικές ατέλειες μπορούν να δημιουργήσουν σε διατάξεις LED σκοτεινές περιοχές, συνήθως κυκλικές με ακτίνα ένα ολόκληρο μήκος διάχυσης. Επειδή οι εξαρμόσεις κατά τη φάση της επιταξίας μπορούν να μεταδοθούν εύκολα από το υπόστρωμα στο επιταξιακό στρώμα, θα έπρεπε τα χρησιμοποιούμενα υποστρώματα να έχουν όσο το δυνατό μικρότερο αριθμό εξαρμόσεων. Κλασικοί κρύσταλλοι όπως το GaP είχαν μέχρι πρότεινος μία πυκνότητα εξαρμόσεων (κρυστ. ατελειών) της τάξης του (2 5 ) 10 5 cm -2, γεγονός που σημαίνει ότι σε μία LED με επιφάνεια εκπομπής 0,3 x 0,3 mm υπάρχουν κατά μέσο όρο από 200 έως 500 εξαρμόσεις. Με τις συνεχείς βελτιώσεις της τεχνολογίας ανάπτυξης των κρυστάλλων,έχει ελαττωθεί σήμερα ο αριθμός των εξαρμόσεων σημαντικά, αφού η πυκνότητά τους παραμένει αισθητά μικρότερη των 10 5 cm -2. Σε μία τυπική πυκνότητα εξαρμόσεων 5 x 10 4 cm -2,αντιστοιχούν πλέον λιγότερες από 50 εξαρμόσεις. Αυτό σημαίνει ότι για ένα μήκος διάχυσης των 7 μm, οι 50 εξαρμόσεις επηρεάζουν λιγότερο από το 10% της ενεργού επιφάνειας εκπομπής των 0,1 mm 2, έτσι ώστε η επιροή τους να θεωρείται ασήμαντη. Πράσινες και κίτρινες GaP LED Εκπέμπουν ακτινοβολία με μήκος κύματος πολύ κοντά στο ενεργειακό χάσμα, που αποδίδεται στη διάσπαση των εξιτονίων (ζευγάρια ηλεκτρονίων και οπών).τα εξιτόνια είναι δεσμευμένα στις προσμίξεις του αζώτου που βρίσκονται μόνο 21 mev κάτω από το ελάχιστο της ταινίας αγωγιμότητας. Τα εγχεόμενα στην p-τύπου περιοχή ηλεκτρόνια δεσμεύονται από τα συμπλέγματα ατόμων αζώτου, τα οποία φορτισμένα πλέον έλκουν τις οπές,σχηματίζοντας έτσι τα εξιτόνια. Στην περίπτωση που η συγκέντρωση του αζώτου δεν είναι και τόσο υψηλή (Ν < cm -3 ), δημιουργείται κατά την διάλυση του δεσμευμένου εξιτονίου πράσινο φως, του οποίου το φασματικό μέγιστο στους 300 Κ βρίσκεται κοντά στα 2,22 ev (βλ. Σχ.6.7).Ο ώμος που παρουσιάζεται στις μικρές ενέργειες, οφείλεται στην εκπομπή φωνονίων. Εάν αυξήσει κανείς τη συγκέντρωση των ατόμων του αζώτου πάνω από cm -3, τότε αρχίζει η αλληλεπίδραση μεταξύ των κέντρων, εξαιτίας της οποίας ελαττώνεται η ενέργεια δεσμού των συσσωρευμένων εξιτονίων.έτσι, μετατοπίζεται το μέγιστο της εκπομπής προς τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (2,1 ev ), ήτοι προς το κίτρινο χρώμα. 120

13 Σχήμα 6.7 Φάσματα ηλεκτροφωταύγειας διόδων εκπομπής φωτός από GaP, ντοπαρισμένο με: α)ν=10 18 cm -3 και β) Ν=10 20 cm -3 στους 300 Κ Πράσινες και κίτρινες LED από GaP κατασκευάζονται ως επί το πλείστον με επιταξία GaP από την αέρια φάση. Στη συνέχεια με διάχυση Zn μέσα στο ήδη με S ντοπαρισμένο και με Ν εμπλουτισμένο επιταξιακό στρώμα διαμορφώνονται οι επαφές pn. Ένα μεγάλο μέρος της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας χάνεται εδώ εξαιτίας της ιδιοαπορρόφησης, επειδή με αυξανόμενο ποσοστό πρόσμιξης του Ν αυξάνει και ο συντελεστής απορρόφησης. Το μήκος κύματος εκπομπής για την περίπτωση της πράσινης LED ανέρχεται στα λ = 0,55μm, ενώ για την κίτρινη στα λ = 0,59μm. Κόκκινες GaP LED Το μήκος κύματος εκπομπής τους βρίσκεται στα λ 0,69μm ενώ ανήκουν στις διατάξεις με την υψηλότερη εξωτερική κβαντική απόδοση (15%). Καθοριστικό για την εκπομπή του φωτός είναι το σύμπλεγμα Zn O, το οποίο και ενεργεί ως παγίδα για τα ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια παγιδεύονται από το ουδέτερο σύμπλεγμα Zn O που βρίσκεται 310 mev κάτω από το ελάχιστο της ταινίας αγωγιμότας, έως ότου έλξουν μία οπή, οπότε από τη διάλυση του δεσμευμένου εξιτονίου παίρνουμε την εκπομπή κόκκινου φωτός. Η πυκνότητα των κέντρων Zn O είναι για μία συγκέντρωση Zn από cm -3 της τάξης των cm -3. Η εξαιρετικά υψηλή εξωτερική κβαντική απόδοση οφείλεται στην σχεδόν ανύπαρκτη ιδιοαπορρόφηση του κόκκινου φωτός μέσα στο GaP (α(1,8 ev) < 4 cm -1 ). Μία μείωση της κβαντικής απόδοσης γίνεται αισθητή μόνο σε μεγαλύτερες πυκνότητες ρεύματος (πάνω από 10 Α/ cm -2 ) και αποδίδεται στον κορεσμό των συμπλεγμάτων Zn-O.Σε χαμηλές 121

14 πυκνότητες ρεύματος, όμως, υπερτερούν σε λαμπρότητα οι πιο πάνω δίοδοι έναντι όλων των άλλων, αν και έχουν σχετικά χαμηλό βαθμό απόδοσης φωτεινότητας. Κόκκινες LED από GaP : Zn,O κατασκευάζονται με επιταξία από την υγρή φάση. Πάνω σε υποστρώματα τύπου n, αναπτύσσονται στρώματα ντοπαρισμένα με Zn, όπου κατά τη διαδικασία της απόθεσης υπάρχει έλεγχος τόσο της συγκέντρωσης του Zn όσο και του Ο. LED από GaP με ρυθμιζόμενο χρώμα Στο Σχ. 6.8 φαίνεται η αρχή λειτουργίας μιας LED με ρυθμιζόμενο χρώμα. Αυτές οι δίοδοι εκμεταλλεύονται και τα δύο είδη κέντρων ανασύζευξης, δηλαδή το GaP : Ν και το GaP : Zn,O. Πάνω στο πίσω μέρος ενός υποστρώματος ( GaP) αναπτύσσεται η διάταξη με τα κέντρα Zn O, η οποία εκπέμπει κόκκινο φως, ενώ στην πάνω πλευρά του υποστρώματος αναπτύσσεται το επιταξιακό στρώμα με τα κέντρα ανασύζευξης του Ν, που ως γνωστόν εκπέμπουν πράσινο φως. Οι δύο διατάξεις πολώνονται με ξεχωριστές πηγές, προκειμένου να είναι δυνατή η παροχή ξεχωριστών εντάσεων ρεύματος διαμέσου των δύο διόδων. Το λαμβανόμενο φάσμα εκπομπής μεταβάλλεται από κόκκινο σε πορτοκαλί κίτρινο έως και πράσινο. Σχήμα 6.8 Δομή και αρχή λειτουργίας μιάς LED με ρυθμιζόμενο χρώμα 6.6 Άλλες LED και IRED Εκτός του GaAsP υπάρχουν τρία επιπλέον είδη σύνθετων κρυστάλλων με άμεσο ενεργειακό χάσμα, οι οποίοι εκπέμπουν μέσα στο ορατό φάσμα (βλ.πιν.6.1) 122

15 Πίνακας 6.1 Ενεργειακό χάσμα και σύσταση (μετάβαση από άμεσο σε έμεσο ενεργειακό χάσμα) μερικών τετραμερών κραμάτων των ομάδων ΙΙΙ-V Ημιαγωγοί Ενεργ.χάσμα σε Ενεργ.χάσμα Ενεργ.χάσμα Σύσταση(x c ) (ev) σε ev σε ev E g (x=1) E g (x=0) E g (x c ) Ga 1-x Al x As 2.16(έμ.) 1,43(άμ.) 1,9 0,31 In 1-x Ga x P 2,26(έμ.) 1,34(άμ.) 2,2 0,65 In 1-x Al x P 2,43(έμ.) 1,34(άμ.) 2,3 0,40 GaAs 1-x P x 2,26(έμ.) 1,43(άμ.) 1,98 Ο,45 *έμ. σημαίνει έμεσο και άμ. σημαίνει άμεσο Στο σχήμα 6.9 δίνεται η εκτιμώμενη (θεωρητικά) πυκνότητα φωτός, ανοιγμένη ως προς την πυκνότητα ρεύματος, από διάφορους σύνθετους κρυστάλλους,ως συνάρτηση της ενέργειας των εκπεμπόμενων φωτονίων. In 1-x Ga x P και In 1-x Al x P βρίσκονται σύμφωνα με το διάγραμμα 3 τάξεις μεγέθους υψηλότερα στο κίτρινο και πράσινο απ ότι GaAs 1-x P x. Στην πράξη όμως μειώνεται κατά ένα συντελεστή 10 αυτό το δυναμικό προβάδισμα έναντι του GaAsP εξαιτίας της χρήσης του ντοπαρίσματος με Ν. Το παραπάνω σε συνδυασμό με τις τεχνολογικές δυσκολίες που παρατηρούνται, και κυρίως στο σύστημα InAlP, δεν αφήνει και πολλές ελπίδες να κατασκευαστούν στο μέλλον LED από αυτούς τους ημιαγωγούς. Αντίθετα, Ga 1-x Al x As, προσαρμόζεται κρυσταλλογραφικά σχεδόν ιδανικά πάνω σε υποστρώματα GaAs, με αποτέλεσμα να κατασκευάζει κανείς διατάξεις με πραγματικούς βαθμούς κβαντικής απόδοσης υψηλότερους απ ότι θα περίμενε κανείς από τις εκτιμήσεις. Σχήμα 6.9 Πυκνότητα εκπεμπόμενου φωτός, ανοιγμένη ως προς την πυκνότητα ρεύματος, από διάφορους σύνθετους κρυστάλλους ως συνάρτηση της ενέργειας των φωτονίων. 123

16 GaAlAs-LED και IRED Τα τελευταία χρόνια διάφορες εταιρείες προσφέρουν κόκκινες LED από Ga 1-x Al x As με εξαιρετικά μεγάλο βαθμό φωτεινότητας.μια τυπική δομή φαίνεται στο Σχ Πάνω σε υπόστρωμα τύπου p από GaAs αποτίθενται εναλλάξ ένα τύπου p στρώμα Ga 1-x Al x As με Σχήμα 6.10 Δομή μιας κόκκινης GaAlAs-LED Σχήμα 6.11 Δομή μιας κόκκινης GaAlAs-LED με υψηλή απόδοση 124

17 ποσοστό Αλουμινίου 40% και ένα n- τύπου στρώμα του ίδιου υλικού με ποσοστό Αλουμινίου 70%. Το στρώμα τύπου p σχηματίζει τη ζώνη εκπομπής, όπου το 40% του αλουμινίου αντιστοιχεί σ ένα μήκος κύματος εκπομπής από 650mm. Το στρώμα τύπου n με 70% Al και υψηλό βαθμό έγχυσης, εγχέει ηλεκτρόνια μέσα στην ζώνη τύπου p, επειδή το ενεργειακό της χάσμα είναι σαφώς μεγαλύτερο από αυτό της p- ζώνης και η ευκινησία των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των οπών.led αυτού του τύπου παρουσιάζουν για εντάσεις ρεύματος 20mΑ,εντάσεις φωτός μέχρι και 100mlm. Στη δομή του σχήματος 6.10 μπορεί κανείς να εκμεταλλευτεί μόνο το μισό του παραγόμενου φωτός, αφού το υπόστρωμα απορροφά όλη την εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Μια επιπλέον βελτίωση της φωτεινότητας μπορεί να επέλθει μόνο με την κατασκευή πιο πολύπλοκων δομών. Ένα παράδειγμα μιας τέτοιας δομής δίνεται το σχήμα Εδώ πρόκειται για μια διπλή ετεροδομή, όπου μια στενή ζώνη εκπομπής ενσωματώνεται σε δύο στρώματα με υψηλότερο ενεργειακό χάσμα.το υπόστρωμα είναι στην περίπτωση αυτή ένα παχύ επιταξιακό στρώμα GaAlAs. Για την απλούστευση της επιμετάλλωσης έχει προβλεφθεί ένα επιπλέον στρώμα στην επιφάνεια με ποσοστό 65% σε Al. Με αυτήν την δομή επιτυγχάνεται μια εξαιρετικά υψηλή λαμπρότητα (φωτεινότητα), επειδή η ζώνη εκπομπής είναι πάρα πολύ λεπτή, ενώ τα υπόλοιπα στρώματα εξαιτίας του υψηλού ποσοστού Al, έχουν μεγαλύτερα ενεργειακά χάσματα από αυτό της ζώνης εκπομπής. Επομένως,δεν παρατηρούνται στα στρώματα αυτά σημαντικές απώλειες φωτός. Επειδή όμως η κατασκευή τέτοιων δομών είναι αρκετά δαπανηρή, η χρήση τους περιορίζεται μόνο σε ειδικές εφαρμογές[28]. Η υψηλότερη τιμή εντάσεως φωτός που επιτεύχθηκε στα 20mA ανέρχεται στα 500mlm. Δίοδοι εκπομπής υπέρυθρου φωτός από GaAlAs (GaAlAs-IRED) κατασκευάζονται με τον ίδιο τρόπο όπως αυτές του σχήματος 6.11, μόνο που η ενεργός ζώνη έχει ένα ποσοστό Al 5%,ενώ στα γειτονικά στρώματα το ποσοστό του αλουμινίου ανέρχεται σε 30%. Με τον τρόπο αυτό κατασκευάζονται δομές που εκπέμπουν στα 830mm, με χρόνους ανόδου 15ns, περίπου. Επίπεδες δομές δίνουν για μια εκπεμπόμενη ισχύ των 4mW έναν εξωτερικό βαθμό απόδοσης από περίπου 2%. Οι GaAlAs-IRED χρησιμοποιούνται κυρίως στις οπτικές τηλεπικοινωνίες με ρυθμό μετάδοσης μέχρι 34Mbit/s[31] 125

18 InGaAsP-IRED Η μετάβαση στις οπτικές τηλεπικοινωνίες από nm σε 1300 ή 1550nm απαιτεί νέα ημιαγωγικά υλικά. Με την χρήση των τετραμερών σύνθετων κρυστάλλων, όπως In 1-y Ga y As 1-x P x, μπορεί να καλυφθεί η φασματική περιοχή από τα 950 έως τα 1650nm. Ξεκινώντας από υποστρώματα InP μπορεί να αποθέσει κανείς με τη χρήση της επιταξίας από την υγρή φάση, στρώματα επιθυμητής σύστασης, όπου με κατάλληλη επιλογή των παραμέτρων x και y είναι σχεδόν πάντα δυνατόν να προσαρμόσει τα επιταξιακά στρώματα στην πλεγματική σταθερά του InP (υπόστρωμα). Βασικά,ο τρόπος κατασκευής τέτοιων IRED είναι όμοιος με αυτόν του σχήματος 6.11.Η ενεργός ζώνη είναι ένα λεπτό στρώμα In 0,72 Ga 0,28 As 0,61 P 0,39 ενώ το υπόστρωμα InP. Μεγάλο πλεονέκτημα της πιο πάνω δομής είναι η οπτική διαπερατότητα του υποστρώματος στο εκπεμπόμενο μήκος κύματος. Το γεγονός αυτό προσφέρει τη δυνατότητα σχηματισμού, πάνω στο υπόστρωμα, ένός φακού για την ευθυγράμμιση του φωτός, όπως φαίνεται και στο σχήμα Τέτοιες δίοδοι δίνουν στα 1300nm μια φασματική απόκλιση από Δλ=100nm. Οι χρόνοι ανόδου και καθόδου εξαρτώνται από το ύψος της συγκέντρωσης της ενεργού ζώνης και ανέρχονται για cm -3 στα 10ns και για cm -3 στα 5ns, περίπου. Έτσι, οι IRED από InGaAsP είναι κατάλληλες για εφαρμογές στην οπτική μετάδοση σημάτων μέχρι και 140Mbit/s. Σχήμα 6.12 Δομή μιας InGaAsP/InP-IRED υψηλής απόδοσης στα 1300nm[31]. 126

19 6.7 Δίοδοι εκπομπής στη μπλε περιοχή του φάσματος Οι δίοδοι εκπομπής στην μπλε περιοχή του φάσματος έχουν κάνει την εμφάνισή τους στην αγορά τα τελευταία χρόνια σε μικρό αριθμό τεμαχίων και σε υψηλές τιμές. Για εκπομπή φωτός στη μπλε περιοχή του φάσματος χρειάζεται απαραίτητα ημιαγωγικό υλικό με ενεργειακό χάσμα τουλάχιστον ίσο με Ε g = 2,5 ev. Τέτοια υλικά είναι το GaN με Eg = 3,5 ev, το SiC (στην εξαγωγική του μορφή) με E g =3,0 ev και τέλος υλικά από τις ενώσεις των ομάδων ΙΙ VI, όπως ο σύνθετος κρύσταλλος ZnSe 1-x S x με 2,6eV E g 3,2eV. Στο εμπόριο βρίσκει κανείς LED στη μπλε περιοχή, κατασκευασμένες είτε από SiC είτε από GaN. Όμως, τόσο η φωτεινότητά τους όσο και οι τιμές τους δεν μπορούν να συγκριθούν σε καμιά περίπτωση με αυτές των LED στην κόκκινη, κίτρινη και πράσινη περιοχή του φάσματος. Επομένως, οι LED της μπλε περιοχής δεν τυγχάνουν μέχρι σήμερα ευρείας χρήσης, παρά μόνο τη χρήση τους σε ειδικές εφαρμογές, όπως φασματοσκοπία, φωτοτεχνία ή βιοϊατρική. GaN: ως ημιαγωγός με άμεσο ενεργειακό (Eg = 3,5eV) προσφέρει τη δυνατότητα κατασκευής LED για τη μπλε περιοχή του φάσματος, όμως ορισμένα τεχνολογικά προβλήματα που δεν μπόρεσαν να ξεπεραστούν έως τώρα, περιορίζουν ακόμη σημαντικά τη διάδοσή τους. SiC: είναι το κατ εξοχήν χρησιμοποιούμενο υλικό για κατασκευή διόδων εκπομπής στη μπλε περιοχή του φάσματος, επειδή το SiC με τους διάφορους τύπους του αποτελεί μία πολύ καλή τεχνολογική βάση για την ανάπτυξη τέτοιων διατάξεων. 127

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΒΔΟΜΟ 7 ΔΙΟΔΟΙ LASER 7.1 Γενικά Από το 1962, όπου για πρώτη φορά περιγράφονται ημιαγωγικά laser από GaAs[32], το laser έγχυσης έγινε αντικείμενο πολλαπλών προσπαθειών έρευνας και ανάπτυξης, με στόχο πάντα την ανάπτυξη μιας διάταξης η οποία σε συνθήκες περιβάλλοντος θα λειτουργούσε σε συνεχή λειτουργία και θα παρουσίαζε μεγάλη διάρκεια ζωής. Ο πιο πάνω στόχος επιτεύχθηκε ικανοποιητικά με ετεροδομές πολλαπλών στρώσεων, οι οποίες σε συνθήκες περιβάλλοντος παρουσίασαν διάρκεια ζωής, μεγαλύτερη από 10 5 ώρες[33,34]. Οι ερευνητικές δραστηριότητες επικεντρώθηκαν κύρια στους σύνθετους ημιαγωγούς των ομάδων III V, όπου ιδιαίτερα επιτυχή ήταν τα αποτελέσματα στο σύστημα Ga 1-x Al x As. Οι δίοδοι που κατασκευάστηκαν από το πιο πάνω υλικό βρίσκουν εφαρμογές ως πηγές «σύμφωνου φωτός» στις οπτικές τηλεπικοινωνίες με οπτικές ίνες, στην περιοχή μηκών κύματος από 850 έως 950 nm, όπου οι οπτικές ίνες παρουσιάζουν το πρώτο οπτικό παράθυρο (ελάχιστο απωλειών). Για το δεύτερο οπτικό παράθυρο μεταξύ 1000 και 1100 nm χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία το σύστημα Ga 1-x Al x As 1-y Sb y, ενώ το σύστημα Ga 1-x In x P 1-y As y έδωσε ικανοποιητική λύση στην υλοποίηση πηγών φωτός για την οπτική μετάδοση στο τρίτο οπτικό παράθυρο μεταξύ 1300 και 1550 nm. Τέλος, στην περιοχή του ορατού φάσματος έδωσαν λύση τα συστήματα Ga 1-x In x P και Ga 1-x Αl x As. Την περιοχή του μεσαίου και μακρινού υπερύθρου (μήκη κύματος από 3 έως και 30 μm) καλύπτουν δίοδοι laser από σύνθετους ημιαγωγούς των ομάδων IV VI, όπως PbS 1-x Se x και Pb 1-x Sn x Te. Τα Laser αυτά βρίσκουν εφαρμογές στην υπερλεπτή φασματοσκοπία αερίων. Θα πρέπει να σημειωθεί όμως ότι όλες οι πιο πάνω διατάξεις λειτουργούν μόνο σε συνθήκες ψύξης (μέχρι και 100 Κ). Προκειμένου να λάβει χώρα σ ένα ημιαγωγό απορρόφηση ή εκπομπή ακτινοβολίας, θα πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω συνθήκες: - Για την απορρόφηση ακτινοβολίας θα πρέπει να υπάρχουν ενεργειακές καταστάσεις στην ταινία σθένους που είναι κατειλημμένες με ηλεκτρόνια, ενώ και καταστάσεις της 128

21 ταινίας αγωγιμότητας που θα είναι άδειες,. προϋπόθεση που είναι δεδομένη όταν ο ημιαγωγός βρίσκεται σε θερμική ισορροπία. - Για την εκπομπή ακτινοβολίας είναι απαραίτητο σε μία από τις δύο ταινίες να βρίσκονται παραπάνω φορείς από ότι σε συνθήκες θερμικής ισορροπίας. Σχήμα 7.1 Κατανομή ενεργειακών καταστάσεων και ενεργειακό διάγραμμα ενός ημιαγωγού στο φαινόμενο εκπομπής. Τι θα γίνει άραγε εάν διαταραχθεί αυτή η συνθήκη της θερμικής ισορροπίας; Ας φανταστούμε έναν ημιαγωγό του οποίου η ταινία σθένους είναι γεμάτη με οπές μέχρις ενός ορίου κάτω από την ακμή Ε v, και παράλληλα η ταινία αγωγιμότητας μέχρι του ιδίου ορίου πάνω από την ακμή Ε c γεμάτη με ηλεκτρόνια, όπως αυτό αποτυπώνεται σχηματικά στο Σχ. 7.1.Ένας ημιαγωγός σ αυτή την κατάσταση δεν είναι σε θέση (με εξαίρεση το απόλυτο μηδέν, Τ 0 Κ) να απορροφήσει ένα προσπίπτον φωτόνιο με ενέργεια E g <E 1 <E g +E Fn +E FP. Αντίθετα, το προσπίπτον φωτόνιο προκαλεί μία διεργασία ανασύζευξης, η οποία δημιουργεί ένα επιπλέον φωτόνιο (εξαναγκασμένη εκπομπή). Έχει αποδειχθεί ότι, το παραγόμενο φωτόνιο έχει τις ίδιες ιδιότητες (ενέργεια, φάση, πολικότητα και κατεύθυνση) με αυτό που προκάλεσε την 129

22 ανασύζευξη (προσπίπτον φωτόνιο). Ο πιο πάνω περιγραφόμενος μηχανισμός είναι γνωστός με την ονομασία LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). Μεταξύ των ημιαγωγικών Laser και των Laser αερίων και κρυστάλλων, παρ όλη την ομοιότητα των εξωτερικών φαινομένων εκπομπής, υπάρχει μία σημαντική διαφορά. Στην περίπτωση των Laser αερίων και κρυστάλλων, κατειλημμένες με ηλεκτρόνια είναι μόνο διακριτές ενεργειακές στάθμες, ενώ στ στα ημιαγωγικά Laser, υπάρχει πάντα ένα ζευγάρι ταινιών με μία συνεχή κατανομή των ενεργειακών καταστάσεων. Το γεγονός αυτό οδηγεί σ έναν υψηλό βαθμό απόδοσης, αφού όλοι οι φορείς που βρίσκονται μέσα στις ταινίες είναι σε θέση να συνεισφέρουν στο οπτικό κέρδος, σε αντίθεση με τα Laser αερίων, όπου η πλειοψηφία των ατόμων διεγείρεται σε καταστάσεις που δεν μπορούν να οδηγήσουν σε εκπομπή. Μία περαιτέρω επεξήγηση χρειάζονται οι ενεργειακές στάθμες Ε Fn και E Fp. Έξω από τη συνθήκη θερμικής ισορροπίας (np>n 2 i ) θα πρέπει να δοθεί η κατανομή της πυκνότητας φορέων, ξεχωριστά για ηλεκτρόνια και οπές. Προκειμένου να επιτευχθεί σ ένα ημιαγωγό λειτουργία Laser, θα πρέπει να βρίσκονται ταυτόχρονα και οι δύο ψευδο- στάθμες Fermi πάνω από τις ακμές των δύο ταινιών, που σημαίνει για τις πυκνότητες φορέων ότι n p>nc Nv. Σύμφωνα με τη θεωρία της κβαντομηχανικής εκπομπή Laser μπορεί να επικρατήσει μόνο όταν το άθροισμα των ενεργειακών αποστάσεων των ψευδοσταθμών Fermi από τις αντίστοιχες ακμές των ταινιών είναι μεγαλύτερο από 2kΤ, δηλαδή [35] E E kt (7.1) Fn Fp 2 Τη δημιουργία μιας τόσο ισχυρής διαταραχής της θερμικής ισορροπίας μπορούν να προκαλέσουν οι ίδιοι μηχανισμοί που αναφέρθηκαν ήδη στην περίπτωση της απότομης εκπομπής (LED), δηλαδή δέσμη ηλεκτρονίων, οπτική δέσμη φωτονίων και ισχυρή έγχυση φορέων μέσα στην επαφή pn. Διαμέσου των δύο πρώτων μηχανισμών διέγερσης, πιστοποιήθηκε εκπομπή σε όλους τους ημιαγωγούς με άμεση μετάβαση. Όμως, σημαντικά σπουδαιότερη είναι η περίπτωση του τρίτου μηχανισμού διέγερσης, δηλαδή αυτού της ισχυρής έγχυσης φορέων. Το Laser έγχυσης Δίοδος Laser είναι η μικρότερη, η απλούστερη και με τον υψηλότερο βαθμό απόδοσης λειτουργούσα διάταξη. Προϋπόθεση για την κατασκευή της είναι η δυνατότητα ντοπαρίσματος του ημιαγωγού τόσο ως τύπου p όσο και ως τύπου n, συνθήκη που δεν ικανοποιείται καθόλου για παράδειγμα από ενώσεις των ομάδων II VI. Κατάλληλα για την κατασκευή διόδων Laser είναι τα υλικά των ομάδων ΙΙΙ V, όπως GaAs, GaAlAs, GaAsP, InGaP, InAs, InP και InAsP. Από τα πιο πάνω υλικά κατασκευάστηκαν 130

23 Laser τα οποία καλύπτουν ικανοποιητικά ένα ευρύ φάσμα ακτινοβολιών από 0,63 έως 30μm. Οι δίοδοι laser παρουσιάζουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα έναντι άλλων οπτικών πηγών, ήτοι τη δυνατότητα διαμόρφωσης της έντασης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας διαμέσου του ρεύματος της διόδου. Δύο συνθήκες θα πρέπει να πληρούνται προκειμένου η ακτινοβολούσα ανασύζευξη να οδηγεί σε λειτουργία Laser: Η εξαναγκασμένη εκπομπή να είναι μεγαλύτερη από την οπτική απορρόφηση Η ύπαρξη οπτικού ταλαντωτή Από τις δύο αυτές αναγκαίες συνθήκες, η δεύτερη υλοποιείται σχεδόν αποκλειστικά με την κατασκευή του fabry Perot ταλαντωτή, όπου η διαφορά των δεικτών διάθλασης μεταξύ του ημιαγωγού και του αέρα προσδίδει στις παράλληλες τελικές επιφάνειες αρκετή ανακλαστική ικανότητα. Οι πλευρικές επιφάνειες ενός τέτοιου Laser (βλ. Σχ. 7.2) είναι οπτικά τραχείς,προκειμένου να αποφεύγονται εγκάρσιοι τρόποι (mode) μετάδοσης ή αλλιώς η ενεργός περιοχή περιορίζεται με τεχνολογικά μέτρα σε μία πολύ στενή ζώνη. Η φασματική περιοχή μέσα στην οποία είναι δυνατή μία οπτική ενίσχυση, είναι ίση με kτ, έτσι ώστε για ένα μήκος ταλαντωτή L από 100 έως 1000 μήκη κύματος,να μπορούν να ικανοποιούν τη συνθήκη fabry Perot πολλές συχνότητες. Έτσι, μπορούν να διαμορφωθούν περισσότεροι του ενός τρόποι μετάδοσης σύμφωνα με την εξίσωση (7.2) * m 2 n L (7.2) όπου λ είναι το μήκος κύματος στον ελεύθερο χώρο και m ακέραιος αριθμός. Σχήμα 7.2 Σχηματική δομή μιας διόδου Laser 131

24 Η πρώτη συνθήκη Laser γίνεται αντιληπτή στο Σχ Η ταινία αγωγιμότητας είναι κατειλημμένη έως και τη στάθμη Ε Fn με ηλεκτρόνια, ενώ η ταινία σθένους μέχρι και τη στάθμη Ε Fp με οπές. Η πιθανότητα κατάληψης μιας στάθμης περιγράφεται, σύμφωνα με την κατανομή Fermi,από τη σχέση [40]: EFp E EEFn ( ) ( ) KT 1 KT 1 F p ( E p ) [1 e ] Fn ( E) [1 e ] (7.3) Μία ισχυρή απόκλιση από τη θερμική ισορροπία μπορεί να προκληθεί με μία πολύ ισχυρή προς τα πρόσω πόλωση (βλ. Σχ. 7.3). Σχήμα 7.3 Κατάληψη ταινιών με οπές και ηλεκτρόνια σε μία επαφή pn για την εκπλήρωση της 1 ης συνθήκης LASER Κάτω από τη συνθήκη αυστηρής διατήρησης της ορμής, ο ρυθμός εκπομπής φωτονίων δίνεται στην περίπτωση της απότομης (spontan) εκπομπής από τη σχέση: rspont B N( E) Fn ( E) N v ( E) 1 Fp ( E hf ) de (7.4) ενώ στην περίπτωση της εξαναγκασμένης (stimulated) εκπομπής από τη σχέση: 132

25 rstim B N c ( E) N v ( E) Fn ( E) Fp ( E hf ) de (7.5) τη σχέση: Ο εξαναγκασμένος ρυθμός εκπομπής συνδέεται με τον συντελεστή απορρόφησης με 3 2 h c ( hf ) r 2 2 stim (7.6) 8 n * ( hf ) Για τη σχέση μεταξύ του ρυθμού απότομης και εξαναγκασμένης εκπομπής ισχύει: r r ( 1 exp ( hf ( E E )) kt (7.7) stim spont Fn Fp / O συντελεστής ενίσχυσης για την εξαναγκασμένη εκπομπή g(hf) = -α(hf) γίνεται μεγαλύτερος του μηδενός όταν ισχύει η συνθήκη: hf ~ E E E (7.8) g Fn Fp Στην περίπτωση των παραβολικών ταινιών και για άμεσες μεταβάσεις,ο συντελεστής ενίσχυσης δίνεται από τη σχέση: g 1/ 2 ( hf ) A(1 exp{[ hf ( EFn EFp)]/ kt})( hf Eg ) (7.9) όπου Α είναι συντελεστής που δίνεται από τη σχέση (2.23). 7.2 Οριακή πυκνότητα ρεύματος (ρεύμα κατωφλίου) Το ρεύμα κατωφλίου (οριακό ρεύμα) είναι το ρεύμα διαμέσου της διόδου κατά το οποίο επέρχεται δραστηριότητα laser (προς τα πρόσω πόλωση). 133

26 Σχήμα 7.4 Φάσμα εκπομπής μιας διόδου Laser από GaAs a) Φάσμα απότομης εκπομπής κάτω από το ρεύμα κατωφλίου b) Φάσμα εκπομπής για ρεύμα πάνω από το ρεύμα κατωφλίου c) Ένταση ακτινοβολίας ως συνάρτηση του ρεύματος διαμέσου της διόδου Η απότομη εκπομπή μιας διόδου Laser από GaAs (βλ. Σχ. 7.4a) μεταβαίνει σε μία καθαρή εξαναγκασμένη εκπομπή (Σχ.7.4b), όπου η ένταση της ακτινοβολίας αυξάνει πιο ισχυρά με την ένταση του ρεύματος διαμέσου της διόδου (Σχ. 7.4c). Την τιμή της οριακής πυκνότητας ρεύματος (ρεύμα κατωφλίου) φτάνει κανείς, μόλις ο συντελεστής ενίσχυσης, g, ξεπεράσει τις οπτικές απώλειες. Κάτω από τον όρο οπτικές απώλειες εννοούμε απώλειες ανάκλασης και απώλειες μετάδοσης του φωτός. Στη περίπτωση του Fabry Perot ταλαντωτή το οπτικό κύμα διανύει την απόσταση του ταλαντωτή, ανακλάται στην ανακλαστική τελική επιφάνεια και επιστρέφει πίσω. Η ένταση του κύματος μετά την ολοκλήρωση της διαδρομής 2L γίνεται ίση με: 134

27 2 I I R exp ( g ) 2L (7.10) 0 Το κατώφλι για τη λειτουργία Laser επιτυγχάνεται όταν ισχύει I I 0,δηλαδή όταν: g 1 ln(1/ R) (7.11) L 1/ 2 όπου R ( R R στην περίπτωση που οι δύο τελικές επιφάνειες ανάκλασης παρουσιάζουν 1 2 ) διαφορετικό συντελεστή ανάκλασης. Ο συντελεστής ενίσχυσης g αυξάνει γραμμικά με την πυκνότητα ρεύματος J,διαμέσου της σταθεράς ενίσχυσης β: g J, 2 r (7.12) 8 e n * 2 d f όπου η r είναι ο βαθμός απόδοσης των ακτινοβολούντων μεταβάσεων, d το πάχος της ενεργού ζώνης και Δf το εύρος της ημίσειας τιμής της απότομης εκπομπής. Έτσι, η σχέση για το κατώφλι της έντασης του ρεύματος, J th, δίνεται από τη σχέση: J th 2 8n * edf 2 r 1 ( ln(1/ R)) 2L για T 0 (7.13) ή ως εξίσωση αριθμών: Jt h A cm 2 1 n * r d ( hf ) ( hf )( ln(1/ R) 2L (7.14) όπου d και L είναι το πάχος και το μήκος της ενεργού ζώνης σε cm, αντίστοιχα,και Δ(hf) είναι το εύρος της ημίσειας τιμής της απότομης εκπομπής σε ev. Αυτή η προσέγγιση ισχύει μόνο στις περιπτώσεις όπου η θερμοκρασία Τ 0. Με αυξανόμενη θερμοκρασία αυξάνουν οι απώλειες απορρόφησης (υψηλή απορρόφηση ελεύθερων ηλεκτρονίων), αυξάνει η απότομη εκπομπή, οι πυκνότητες καταστάσεων γίνονται μεγαλύτερες ενώ η κατάληψη απλώνεται σε μεγάλο εύρος. Αυτό το μέρος της θερμικής 135

28 συμπεριφοράς περιγράφει το δεξιό τμήμα της εξ. (7.7), απ όπου μπορεί κανείς να υπολογίσει την πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας: J th J th ( T 0) (7.15) 1 exphf ( E E ) / kt Fn Fp Σχήμα 7.5 Πυκνότητα ρεύματος κα-τωφλίου ενός Laser από GaAs, ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Στο σχήμα 7.5 δίνεται για μία διάταξη Laser από GaAs η κατανομή της οριακής πυκνότητας ρεύματος ως συνάρτηση της θερμοκρασίας,όπως προέκυψε από πειραματικές μετρήσεις [40]. Μία ερμηνεία της εξ. (7.14) δείχνει ότι στην περίπτωση των IR Laser με σχετικά μικρό ενεργειακό χάσμα, θα περίμενε κανείς σχετικά χαμηλές πυκνότητες ρευμάτων κατωφλίου. Από την πλευρά της τεχνολογίας θα μπορούσε να μειωθεί η πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου με μείωση του αντίστοιχου πάχους και με αύξηση του μήκους της ενεργού ζώνης καθώς επίσης και με αύξηση της ανακλαστικότητας των πλευρικών επιφανειών 7.3 Δομές Laser τύπου έγχυσης Η πλέον απλούστερη δομή Laser είναι η δίοδος επαφής pn, της οποίας το ντοπάρισμα και στις δύο περιοχές είναι τόσο υψηλό, ώστε οι στάθμες Fermi βρίσκονται μέσα στις αντίστοιχες ταινίες( n>n c και p>n v ). Προκειμένου να κρατηθεί μικρή η καταπόνηση της διόδου εξ αιτίας του ρεύματος,διαμορφώνεται ως ηλεκτρική επαφή μόνο μία στενή λουρίδα ημιαγωγού (10 έως 100μm) (βλ. σχ. 7.6). 136

29 Σχήμα 7.6 Δομή Laser σε μορφή ταινίας Σχήμα 7.7 Δομή, ενεργειακό διάγραμμα και κατανομή δείκτη διάθλασης οπτικής ακτινοβολίας μιας επαφής pn σε λειτουργία Laser Μόλις η ένταση του ρεύματος ξεπεράσει την τιμή του ρεύματος κατωφλίου, αρχίζει μέσα στην ενεργό ζώνη η δραστηριότητα Laser. Το πάχος της ενεργού περιοχής ενός Laser ομοεπαφών (και οι δύο περιοχές είναι από το ίδιο υλικό) εξαρτάται από την πυκνότητα του ρεύματος έγχυσης και το μήκος διάχυσης των φορέων μειοψηφίας L n (d 0,3 L n ). Το οπτικό πεδίο της ακτινοβολίας απλώνεται αρκετά βαθειά μέσα στις παθητικές περιοχές απορρόφησης στα δύο άκρα της επαφής, επειδή το οπτικό κύμα που διαδίδεται παράλληλα προς την επαφή pn δεν μπορεί να καθοδηγηθεί αποτελεσματικά μέσα από την ενεργό περιοχή αφού ο δείκτης διάθλασής της είναι εξαιτίας της ελαφρώς χαμηλότερης συγκέντρωσης φορέων κατά κάτι υψηλότερος από αυτόν των γειτονικών περιοχών. Οι εγχεόμενοι φορείς διαχέονται μερικώς έξω από την ενεργό ζώνη και επομένως δεν συνεισφέρουν στην εξαναγκασμένη εκπομπή. Ένα ρεύμα μεγαλύτερης έντασης διευρύνει ακόμη περισσότερο την ενεργό ζώνη, με αποτέλεσμα να οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση του ρεύματος κατωφλίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, πολύ υψηλών πυκνοτήτων ρεύματος σε ομοεπαφές GaAs (50 έως 100 ΚΑ / cm 2 ) και καθιστώντας φυσικά αδύνατη τη συνεχή λειτουργία μιας τέτοιας διάταξης 137

30 Μία πρώτη βελτίωση επέφερε η επιταξιακή δομή p + pn, στην οποία το οπτικό κύμα καθοδηγείται, εξαιτίας του υψηλότερου δείκτη διάθλασης λίγο περισσότερο μέσα στα όρια της της μεσαίας περιοχής (βλ. Σχ. 7.8a). Όμως, η οριστική λύση δόθηκε μόνο με τη χρήση των ετεροδομών, στις οποίες η ενεργός περιοχή περιορίζεται από ημιαγωγικά υλικά με υψηλότερο ενεργειακό χάσμα και χαμηλότερο δείκτη διάθλασης (Σχ. 7.8b έως d). Το υψηλότερο ενεργειακό χάσμα χρησιμεύει, παράλληλα, στην προκειμένη περίπτωση και ως ενεργειακό φράγμα για την καθοδήγηση των εγχεόμενων φορέων, ενώ ο χαμηλότερος δείκτης διάθλασης διαμορφώνει ένα είδος κυματοδηγού. Το πάχος του ενεργού στρώματος μπορεί να ρυθμιστεί τεχνολογικά κατά τη διαδικασία κατασκευής της διάταξης. Σχήμα 7.8 Δομή, ενεργειακό διάγραμμα ταινιών, κατανομή του δείκτη διάθλασης και της οπτικής ακτινοβολίας σε διαφορετικές διόδους Laser: a) Laser της δομής p + pn, b) Laser απλής ετεροδομής, c) Laser διπλής ετεροδομής και d) Laser πέντε στρωμάτων 138

31 Πρώτες προσπάθειες που έγιναν με το σύστημα GaAs GaAs 1-x P x δεν είχαν επιτυχία, επειδή η κακή προσαρμογή των δύο υλικών οδήγησε σε αλλοίωση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων της ετεροδομής, εξαιτίας της διιφανειακής ανασύζευξης. Μόνο το σύστημα GaAs GaAs 1- xαl χ As οδήγησε στην αναμενόμενη μείωση του ρεύματος κατωφλίου, επειδή τα υλικά GaAs και AlAs έχουν σχεδόν ίδιες πλεγματικές σταθερές. Σχήμα 7.9 Κατανομή της έντασης Πεδίου οπτικής ακτινοβολίας κάθετα στο επίπεδο της ενεργού περιοχής για διαφορετικά πάχη(δομή του τύπου Ga 0,7 Al 0,3 As-GaAs-Ga 0,7 Al 0,3 As) Το Laser της απλής ετεροδομής (Single Heterostucture SH Laser) δείχνει μία ασύμμετρη ακολουθία στρωμάτων, στην οποία το Ga1 y Al y As δρα ως ένα φράγμα δυναμικού στα εγχεόμενα ηλεκτρόνια, μέσα στην ενεργό ζώνη από GaΑs τύπου p. Η ανασύζευξη περιορίζεται σχεδόν αποκλειστικά μέσα σ αυτήν την περιοχή. Η πλέον μικρότερη πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου J th (300 K), από περίπου 10 kα / cm 2, μετρήθηκε σε διόδους με ενεργό περιοχή από 1,5 έως 2 μm. Μία ακόμη πιο λεπτότερη ενεργός περιοχή θα είχε ως επακόλουθο την απώλεια της οπτικής καθοδήγησης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Το Laser της διπλής ετεροδομής (Double Heterostructure DH Laser) (Σχ. 7.8c) παρουσιάζει στην ενεργό ζώνη από GaAs τύπου p έναν συμμετρικό οπτικό κυματοδηγό, τον οποίο διαμορφώνουν τα γειτονικά στρώματα GaAs 1-x Αl χ As, που δρουν ταυτόχρονα και ως φράγματα δυναμικού για τις οπές και τα ηλεκτρόνια. Το Σχ. 7.9 δείχνει για διαφορετικά πάχη, την κατανομή της έντασης ακτινοβολίας του οπτικού πεδίου Ε 2 μέσα στην ενεργό περιοχή του GaAs, η οποία περικλείεται από δύο στρώματα του τύπου Ga 0,7 Αl 0,3 As. Αν και μέσα σε ένα συμμετρικό διηλεκτρικό κυματοδηγό δεν υπάρχει θεωρητικά ελάχιστο πάχος, η ακτινοβολία παύει να μεταδίδεται κυρίως μέσα στο 139

32 αγώγιμο στρώμα μετά από ένα κρίσιμο πάχος (d krit λ /(2π ), το οποίο για δεδομένο λ είναι μόνο συνάρτηση του Δε. Στην περίπτωση που θελήσει κανείς να περιορίσει ακόμη περισσότερο το εύρος της ενεργού περιοχής, προκειμένου να μειώσει ακόμη περισσότερο το ρεύμα κατωφλίου, είναι απαραίτητο να διαχωρίσει τη διάδοση του οπτικού κύματος από τη μεταφορά των φορέων. Σχήμα 7.10 Πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου ως συνάρτηση του εύρους της ενεργού περιοχής σε διπλές ετεροδομές (DH-Laser) Σχήμα 7.11 Πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου ως συνάρτηση της θερμοκρασίας σε δομές ομοεπαφών καθώς και ετεροδομές του τύπου SH και DH. H ελάχιστη πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου σε DH- Laser, επιτεύχθηκε για τιμές πάχους d μεταξύ 0,1 και 0,2 μm (χ = 0,3) (βλ. Σχ. 7.10). Η κλίση του J th ως προς το d δίνει μία τιμή 4,9 ΚΑ cm -2 μm -1, η οποία είναι αρκετά κοντά στην τιμή των 4ΚΑ cm -2 μm -1 που υπολογίζεται από την εξ Στο σχήμα 7.11 φαίνεται η θερμική συμπεριφορά των Lasers ομοεπαφών καθώς και των ετεροεπαφών του τύπου SHκαι DH. Παράλληλα προς τις διατάξεις Ga 0,7 Al 0,3 As - GaAs - Ga 0,7 Al 0,3 As που εκπέμπουν στα 0,88 μm, υπάρχουν και laser από Ga 0,7 Al 0,3 As - Ga 0,05-0,1 Al 0,95-0,9 As - Ga 0,7 Al 0,3 As με μήκος κύματος εκπομπής στα 0,85 μm, τα οποία προσαρμόζονται πάρα πολύ καλά στο πρώτο παράθυρο απωλειών των οπτικών ινών. Η κατασκευή αυτών των Laser γίνεται με την βοήθεια της επιταξίας από την υγρή φάση, και τα τελευταία χρόνια με την τεχνική της επιταξίας με μοριακή δέσμη (ΜΒΕ, Molecular Beam Epitaxy). 140

33 Το Laser με τις πέντε στρώσεις (Σχ. 7.8d) είναι μία προέκταση του DH Laser, όπου οι φορείς ρεύματος οδηγούνται ξεχωριστά από το οπτικό κύμα.ενώ τα ηλεκτρόνια και οι οπές είναι συγκεντρωμένα μέσα σε μία πάρα πολύ λεπτή ενεργό ζώνη (περίπου 0,05 μm),το πάχος του οπτικού κυματοδηγού ανέρχεται σε 0,5 έως 7 μm. Η διαφορετική οδήγηση επιτυγχάνεται με τέσσερα συμμετρικά ή ασύμμετρα στρώματα GaAlAs διαφορετικής σύστασης. Πλεονεκτήματα των δομών αυτών, που μέχρι σήμερα μπόρεσαν να υλοποιηθούν μόνο με το σύστημα GaAs GaAlAs, είναι μία επιπλέον μείωση της πυκνότητας ρεύματος κατωφλίου (J th (300Κ) < 600 ΚΑ cm -2 ), μία στενότερη γωνία εκπομπής και μία αύξηση της κορυφής της ισχύος στην έξοδο. Σχήμα 7.12 Μοντάρισμα διόδου Laser α) πάνω σε βάση με μορφή βίδας, β) πάνω σε υψηλής θερμικής αγωγιμότητας Διαμάντι. Πίνακας 7.1 Βασικά χαρακτηριστικά διόδων Laser από GaAs και GaAlAs στους77 και 300Κ Ημιαγωγοί Δομή Θερμοκρασία Μήκος Πυκνότητα Βαθμός Iσχύς Γωνία και τρόπος κύματος ρεύματος απόδοσης Εξόδου Εκπομπής λειτουργίας εκπομπής κατωφλίου [Κ] [μ m] [KA/cm 2 ] [mw] [ O ] GaAs GaAs Ομοεπαφή με διάχυση Επιταξ. ομοεπαφή 77 παλμικός παλμικός GaAs,GaAlAs SH 300 παλμικός <10 ~

34 GaAs,GaAlAs DH 300 συνεχής GaAs,GaAlAs SCH 300 συνεχής GaAs,GaAlAs DH 300 συνεχής <15 ~50 InGaAs,InGaP DH 300 συνεχής < PbSSe Ομοεπαφή < < <100 με διάχυση παλμικός..100 PbSSe DH < < 0.1 <10 ~100 συνεχής <200 παλμικός PbSnTe DH <100 συνεχής < 0.1 <10 ~100 Η πολύ μικρή γεωμετρία των Laser έγχυσης, σε συνδυασμό με τις πολύ υψηλές πυκνότητες ισχύος που αναπτύσσονται μέσα σ αυτές, θέτουν σημαντικές απαιτήσεις για την απαγωγή της θερμότητας. Σε διατάξεις με παλμική λειτουργία κρίνεται αρκετό το μοντάρισμά τους πάνω σε ένα μπλοκ χαλκού σε μορφή βίδας (Σχ. 7.13α).Για συνεχή λειτουργία σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, απαιτείται μία πολύ πιο μικρή θερμική αντίσταση την οποία παρέχει για παράδειγμα το διαμάντι ΙΙα (Σχ. 7.13β). Ένα Laser που έχει μονταριστεί κατ αυτόν τον τρόπο, μπορεί να λειτουργεί συνεχώς χωρίς πρόβλημα μέχρι και τους C. 7.4 Δίοδοι Laser για συγκεκριμένες περιοχές του φάσματος Δίοδοι Laser στο ορατό και κοντινό φάσμα IR Όσο πλησιάζουμε την περιοχή μικρών μηκών κύματος, τόσο μεγαλύτερες γίνονται οι δυσκολίες που παρουσιάζουν τα ημιαγωγικά υλικά. Με Laser από Ga 0,4 Al 0,6 As Ga 0,8 Al 0,2 As - Ga 0,4 Al 0,6 As μπόρεσε να επιτευχθεί στους 300 Κ συνεχόμενη λειτουργία στο κόκκινο στα 740 nm. Τεχνολογικά προβλήματα όπως η μεταλλουργική τελειότητα των στρωμάτων με υψηλή περιεκτικότητα σε Al,καθώς επίσης και η υψηλότερη θερμική τους αντίσταση, θέτουν όρια πριν επιδράσει η έμμεση διαταινιακή μετάβαση του AlAs, ως βασικός παράγοντας. Έτσι, περιμένει κανείς με τα Laser αυτά συνεχή λειτουργία στους 300 Κ μέχρι και τα 720 nm. 142

35 Μετά τα 720 nm, αρχίζει και γίνεται αισθητή, εξαιτίας της άμεσης / έμμεσης μετάβασης, η απότομη κλίση του ρεύματος κατωφλίου. Άλλοι ημιαγωγοί όπως GaAsP ή InGaP δημιουργούν εξαιτίας της πλεγματικής προσαρμογής, μεγάλες δυσκολίες στην επιλογή της σύστασης του στρώματος (ενεργού) και του υποστρώματος. Laser του τύπου DH με μία ενεργό ζώνη από In 0,29 Ga 0,71 P 0,92 As 0,08 πάνω σε υπόστρωμα Ga 0,1 P 0,9, εκπέμπουν κίτρινο φως στα 592 nm σε μία θερμοκρασία λειτουργίας μέχρι και 200Κ. Προκειμένου να πετύχει κανείς πλεγματική προσαρμογή κρίνονται απαραίτητα τετραμερή κράματα, τα οποία όμως έχουν δύσκολη τεχνολογία.με υπόστρωμα GaAs μπορεί κανείς με μία πλεγματική σταθερά των 0,55 nm να ρυθμίσει την περιοχή μηκών κύματος από 650 έως 850 nm. Με InP ως υπόστρωμα και μία πλεγματική σταθερά των 0,587 nm, καλύπτεται η περιοχή μηκών κύματος από 900 έως 1700 nm.το σχήμα 7.14 δείχνει την αύξηση της πυκνότητας του ρεύματος κατωφλίου για μικρά μήκη κύματος, σε τρία διαφορετικά συστήματα ημιαγωγών. 143

36 ήμα 7.13 Πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου διαφόρων διόδων LASER ως συνάρτηση του μήκους κύματος εκπομπής Δίοδοι Laser για το μακρινό IR Τα χαλκογενίδια Pb-Zn είναι, όπως και τα καθαρά άλατα Μολύβδου, κατάλληλα για λειτουργία Laser. Εξαιτίας του μικρού τους ενεργειακού χάσματος και της μικρής ενεργού μάζας των ηλεκτρονίων, φθάνει κανείς πολύ εύκολα στη συνθήκη αναστροφής, γεγονός που οδηγεί σε εξαιρετικά μικρές τιμές ρεύματος κατωφλίου. Ως ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται PbS, PbTe, PbSe καθώς και οι σύνθετοι κρύσταλλοι Pb 1-x Cd x S, PbS 1-x Se x, Pb 1-x Sn x Te και Pb 1- xsn x Se, καλύπτοντας έτσι με επάρκεια τη φασματική περιοχή από 3 έως 30μm. Η επαφή pn δημιουργείται συνήθως με διάχυση. Μια τυπική δομή των πιο πάνω Laser δίνεται στο Σχ