Тема 5.2. Лазерные и оптические материалы

Оптоэлектроника – одно из направлений электроники, которое в настоящее время развивается быстрыми темпами. Промышленность выпускает огромное количество оптоэлектронных приборов различных типов и функционального назначения, среди них приемники оптического излучения (фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, солнечные батареи и др.), источники излучения (светодиоды, полупроводниковые, газовые и твердотельные лазеры, электролюминесцентные приборы), оптические волноводы, оптические запоминающие среды, устройства отображения информации, оптические и оптоэлектронные интегральные схемы.

Соединения группы A^IIIB^V дают возможность создавать комбинированные структуры с различной шириной запрещенной зоны и уже одно это резко расширяет области их применения. Известными преимуществами обладают приборные структуры, со­стоящие из слоев различных полупроводников, так называемые ге­теропереходы (рис. 5.10).

Высокая подвижность электронов определяет перспек­тивность некоторых широкозонных полупроводников группы A^IIIB^V как материалов для СВЧ-техники. Быстродействие приборов наиболее распространен­ных типов в конечном счете зависит от времени пролета носителя­ми межэлектродного промежутка, то есть определяется рабочим материалом.

Так например, малым быстродействием (~10 мс) обладают фоторезисторы на основе CdS, CdSe, PbS, PbSe. Наиболее быстродействующими (<0,1 мкс) являются фоторезисторы на основе InAs, InSb. Характеристикой быстродействия является в данном случае постоянная времени – это время, в течение которого сопротивление фоторезистора принимает новое значение при скачкообразном изменении потока излучения.

Высокая эффективность излучательной рекомбинации, харак­терная для прямозонных полупроводников, объясняет огромную роль, которую играют соединения A^IIIB^V в оптоэлектронике. Наи­более важные и массовые группы оптоэлектронных приборов — светоизлучающие диоды и лазеры.

В светодиодах используется са­мый экономный метод преобразования электрической энергии не­посредственно в фотоны — электролюминесценция, возникающая за счет инжекции неосновных носителей в прямосмещенном р-n- переходе. Благодаря применению полупроводников, главным об­разом A^IIIB^V, с различной шириной запрещенной зоны светодиоды могут испускать спонтанное излучение в ультрафиолетовой, види­мой и инфракрасной областях спектра. Широко исполь­зуются светодиоды ИК-области — они наиболее эффективны в оптронах и волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС). Особое значение имеют светодиоды видимой области, обеспечивающие в информационных каналах связь аппаратуры с ее пользователями.

Спектральная характеристика светодиода выражает зависимость интенсивности излучения от длины волны излучаемого света. Вид спектральной характеристики определяется материалом активной области и характером легирующих примесей. Светодиод на основе GaР, легированный азотом и оксидом цинка, имеет два максимума в красном и зеленом участках спектра, что дает возможность получать любые промежуточные цвета от зеленого до красного в зависимости от количества примеси.

Эффективные светодиодные структуры получены на основе гетеро-структур в системе GaAlAs, а на основе структур AlInGaP производят высокоэффективные светодиоды в красно-оранжевой, желтой и желто-зеленой областях спектра.

Еще недавно получение высокоэффективных светодиодов синего и зеленого цветов свечения было затруднено, поскольку для них необходим полупроводник р-типа со значительной шириной запрещенной зоны. Соединения группы A^IIIB^V открыли пути к созданию светодиодов с зеленым, синим, фиолетовым и ультрафиолетовым излучением. Это GaN, AlN, InN, InGaN.

Достаточно сложно получить светодиоды белого свечения, для их создания сейчас наиболее часто используют принцип преобразования спектра излучения. Используется кристалл синего свечения (обычно InGaN) и люминофор, содержащий алюмоиттриевый гранат, при этом часть спектра излучения преобразуется в широкую спектральную полосу, интегральный спектр такого прибора дает излучение, близкое к белому. Такие светодиоды имеют большую мощность и их можно использовать как осветительные приборы.

Современные ИК-диоды (на основе GaAlAs, InGaAsР, InGaAsSb, InAsSbP) обладают высокой мощностью излучения и по данному параметру не уступают полупроводниковым инжекционным лазерам. Это позволяет в ряде областей заменить лазеры более дешевыми излучающими диодами (например в оптоволоконных линиях передачи информации).

В основе принципа действия светодиодов лежит явление генерации пары носителей заряда электрон-дырка при поглощении полупроводником кванта света с достаточной энергией. В процессе рекомбинации возможно излучение кванта света. Это явление получило название инжекционная люминесценция. Однако, в некоторых условиях в полупроводниках могут наблюдаться индуцированные переходы, при которых возникают индуцированные кванты света, имеющие одинаковую частоту и фазу с индуцирующими. Это лазерное излучение.

В зависимости от вида активной среды, способной обеспечить генерацию вынужденного, индуцированного излучения, лазеры подразделяются на следующие типы: полупроводниковые, газовые, твердотельные.

В полупроводниковых лазерах возбуждение активной среды (накачка) происходит за счет инжекции носителей заряда через р-n-переход. Первые полупроводниковые лазеры были выполнены на гомогенном полупроводнике с простейшим р-n-переходом. Основным недостатком таких лазеров было несовершенство ограничительных свойств простого р-n-перехода. В настоящее время в промышленных образцах применяется двусторонняя гетероструктура. Наиболее разработанными являются гетероструктуры на основе соединений GaAlAs/GaAs, где более широкозонный материал получается путем замещения атомов Ga на атомы Al. Рабочий диапазон длин волн для таких лазеров от 0,75 до 0,9 мкм, для более длинноволнового диапазона разработаны лазеры на основе InGaAsP/InP, отвечающие требованиям современных ВОЛС. Широкое распространение в полупроводниковых инжекционных лазерах получила так называемая полосковая геометрия (рис.5.10).

Современные полупроводниковые лазеры широко применяют в различных системах оптоволоконной и оптической связи, устройствах записи-считывания информации, лазерных принтерах и др. Однако, кроме полупроводниковых лазеров в оптоэлектронике при решении некоторых специфичных задач находят применение газовые и твердотельные лазеры.

Рис 5.10. Структура гетеропереходного лазера на GaAs—GaAlAs

Газовые лазеры представляют собой герметизированную трубку с прозрачным световыводящим окном, внутренний объем трубки заполнен инертным газом аргоном или смесью гелий-неон. В трубке имеются 2 электрода для возбуждения газового разряда.

В твердотельных лазерах в качестве активной среды используют кристаллический или аморфный диэлектрик. Первыми лазерами такого типа были лазеры на кристаллах рубина. Наибольший интерес для целей оптоэлектроники представляет лазер на основе кристалла иттрий-алюминиевого граната, в решетке которого часть атомов иттрия замещена ионами неодима (сокращенно ИАГ-неодим. Мощность излучения твердотельных лазеров составляет десятки ватт и более, однако, когерентность и направленность их хуже, чем у газовых.

Вопросы для самопроверки

1. Чем определяется магнитный момент электронной оболочки атома?

2. Что такое намагниченность вещества?

3. Поясните основные различия между парамагнетиками, диамагнетиками, ферромагнетиками, ферримагнетикам.

4. Что такое относительная магнитная проницаемость? От каких факторов и параметров материала она зависит?

5. Поясните основную причину возникновения магнитного гистерезиса.

6. Какие основные параметры магнитного материала можно определить по предельной петле гистерезиса?

7. Что представляет собой основная кривая намагничивания?

8. По каким причинам ферриты используются как материалы ВЧ и СВЧ-диапазона?

9. Какую частоту называют критической частотой феррита?

10. На основе каких материалов можно получить светодиоды с белым свечением?

11. На основе каких материалов изготавливаются современные полупроводниковые лазеры?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время развитие новых направлений материаловедения и полупроводниковой технологии требует более глубоких знаний строения, структуры и электронных свойств применяемых материалов. Развитие микро- и наноэлектроники в принципе невозможно без совершенствования и расширения наших знаний и изучения взаимосвязи состав – структура –свойства. Современные технологии позволяют использовать сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы для создания и исследования наноструктурированных материалов. Особый практический интерес представляют наноструктуры и возможности их применения для создания интегральных схем и их элементов.

Date: 2015-07-25; view: 497; Нарушение авторских прав