Materiały w optoelektronice Materiał Typ Podłoże Urządzenie Długość fali (mm) Si SiC Ge GaAs AlGaAs GaInP GaAlInP GaP GaAsP InP InGaAs InGaAsP InAlAs InAlGaAs GaSb/GaAlSb CdHgTe ZnSe ZnS IV IV IV III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V III-V II-VI II-VI] II-VI II-VI Si SiC Ge GaAS GaAS GaAs GaAS GaP GaP InP InP InP InP InP GaSb CdTe ZnSe ZnS Detektory, komórki fotoelektryczne Niebieskie LED Detektory LED, lasery, Detektory, komórki fotoelektryczne, Wzmacniacze LEDs, lasery, komórki fotoelektryczne, Imagers lasery, LEDs lasery, LEDs LEDs LEDs komórki fotoelektryczne Detektory lasery, LED lasery, Detektory lasery, Detektory lasery, Detektory Detektory LEDs LEDs 0.5-1 0.4 1-1.8 0.85 0.67-0.98 0.5-0.7 0.5-0.7 0.5-0.7 0.5-0.7 0.9 1-1.67 1-1.6 1-2.5 1-2.5 2-3.5 3-5 i 8-12 0.4-0.6 0.4-0.6 1
Czynniki wpływające na właściwości optyczne półprzewodnika Przerwa energetyczna Szerokość przerwy energetycznej zależy od rodzaju materiału. Można ją w pewnym stopniu regulować poprzez zmianę składu materiału. 2
Rozmiar Właściwości optyczne półprzewodników zależą od ROZMIARU. Jeżeli chociaż jeden wymiar materiału jest rzędu długości fali de Broglie a elektronu (~ kilka nm). Wówczas energie dozwolone elektronów i dziur są skwantowane => energia emitowana wskutek rekombinacji par elektron-dziura jest inna niż w dużym materiale. A B λ = h p Rozmiar Ograniczenie rozmiaru może być: 1D: cienkie warstwy 2D: druty 3D: kropki kwantowe; nano-cząstki. n z n z n y k y k x k x n z n x n y 3
LIGHT EMITTING DIODE DIODA ELEKTROLUMINESCENCYJNA LED LED Zasada działania: Dioda spolaryzowana przepustowo; Elektrony z n są wstrzykiwane do p i tam rekombinują promieniście; http://volga.eng.yale.edu/index.php/ledlightemittingdiode/methodsandmaterials 4
Czynniki wpływające na jakość półprzewodnikowych źródeł światła Defekty Efektywność źródła światła silnie zależy od defektów => warstwy epitaksjalne 5
Rodzaj przerwy energetycznej Czas życia nośników ładunku Czas życia nośników ładunku można w pewnym stopniu zmieniać poprzez zmianę ilości i rodzaju defektów punktowych. Bardzo niekorzystne jest, gdy elektrony i dziury rekombinują BEZPROMIENIŚCIE (czyli nie wytwarzając światła). Taka bezpromienista rekombinacja zachodzi np. w pobliżu powierzchni. 6
Heterozłącza Jednym ze sposobów zminimalizowania niekorzystnych strat energii na rekombinację bezpromienistą są diody zbudowane z różnych materiałów (o różnych szerokościach przerwy energetycznej). W takiej diodzie rekombinujące nośniki znajdują się prawie wyłącznie w obszarze złącza. Heterozłącza http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/light-emitting-diodesdot-org/chap04/chap04.htm http://www.ecse.rpi.edu/~schubert/light-emitting-diodesdot-org/chap04/chap04.htm 7
Obudowa i kształt Efektywność diody można zwiększyć również dobierając odpowiedni materiał na obudowę diody. Żywica o dużym współczynniku załamania (poprzez zmniejszenie niekorzystnego zjawiska wewnętrznego całkowitego odbicia) zwiększa efektywność świecenia diody. Właściwości o (efektywność typowej LED zwiększa się 2-3 razy wskutek obudowania diody żywicą o n = 1.5. Kształt diody ma duże znaczenie (płaska: najgorsza), ale ze skomplikowanym kształtem wiążą się koszty. Diody LED: przykłady 8
Diody kolorowe http://www.dnatechindia.com/tutorial/diode/light-emitting-diodes.html Diody białe Białe światło można wytworzyć w różny sopsób: Zmieszać dopełniające kolory w odpowiednich proporcjach; Wytwarzać światło o trzech kolorach i je zmieszać; 9
Diody białe Większość białych LED wytwarza światło o krótszej fali, które następnie jest przekształcone na falę o większych długościach fali. Konwertery fali zmieniające jej długość to tzw fosfory, półprzewodniki i barwniki. Fosfory (najpopularniejsze) składają się z nieorganicznej matrycy zawierającej element aktywny. Np. matrycą może być Y3Al5O12. Optycznie aktywną domieszką może być pierwiastek ziem rzadkich (Ce, Nd, Er lub Th), tlenek lub inny związek. Lasery półprzewodnikowe nie są idealne Słaba spójność wiązki Mała moc optyczna Ale Bardzo małe wymiary Wytrzymałość mechaniczna Niska cena 10
Laser półprzewodnikowy Światło wytwarzane przez laser półprzewodnikowy powstaje na tej samej zasadzie, co w diodzie LED, ale jest ono intensywniejsze i spójne. Jak to osiągnąć? Prąd progowy Harumasa Yoshida et al. New J. Phys.11 (2009) 125013 Laser półprzewodnikowy Każdy laser składa się z układu wzmacniającego światło i z wnęki rezonansowej. Jak w każdym innym laserze warunki akcji laserowej to inwersja obsadzeń i wymuszona emisja światła, która zachodzi dzięki rezonatorowi. 11
Inwersja obsadzeń Aby powstała dioda laserowa, złącze n-p, na którym jest zbudowana musi być silnie domieszkowane. Oznacza to, że poziom Fermiego półprzewodnika typu n leży w paśmie przewodnictwa, a półprzewodnika typu p w paśmie walencyjnym. Inwersja obsadzeń Gdy takie zdegenerowane złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia napięciem większym niż przerwa ev > E g wówczas nie ma bariery potencjału dla nośników w złączu złącze jest wąskie i elektrony (n) zajmują stany w paśmie przewodnictwa powyżej stanów dziur w (p) http://micro.magnet.fsu.edu/prim er/java/lasers/diodelasers/index. html 12
Inwersja obsadzeń Inwersja obsadzeń następuje dzięki wstrzykiwaniu dużej liczby nośników przez złącze wskutek przyłożenia napięcia w kierunku przewodzenia. Zatem, funkcja przepływu prądu to (w języku technik laserowych) pompowanie Rezonator Optyczne sprzężenie zwrotne Aby osiągnąć wzmocnienie promieniowania, fotony muszą wielokrotnie przejść przez obszar czynny lasera; Można taki efekt osiągnąć instalując częściowo przepuszczalne zwierciadła na jego końcach. 13
Laser półprzewodnikowy Wnęka rezonansowa powoduje, że tylko światło o długości fali odpowiadającej rezonansowi wnęki będzie intensywne. Wnękę tworzą zwierciadlane powierzchnie na przeciwległych końcach kryształu półprzewodnika. http://www.answers.com/topic/laser-diode Laser półprzewodnikowy W rezultacie, emitowane światło jest monochromatyczne. Harumasa Yoshida et al. New J. Phys.11 (2009) 125013 14
Te same materiały, co w LED MATERIAŁY W DIODACH LASEROWYCH Półprzewodniki z prostą przerwą energetyczną Prosta przerwa energetyczna duże prawdopodobieństwo rekombinacji promienistej elektron-dziura. Promieniowanie emitowane przez rekombinujące pary e-h może oddziaływać z elektronami i dodatkowo stymulować emisję promieniowania emisja wymuszona. 15
Dostępne materiały NIEBIESKI LASER PÓŁPRZEWODNIKOWY 16
Niebieskie diody: początki Laser Focus World, 1996 Photonics Spectra, 1995 Niebieskie diody Konwencjonalne niebieskie diody (8 mcd) są wytwarzane z SiC (skośna przerwa energetyczna). Diody o większej jasności (1 cd) są z GaN. 17
Niebieski laser: materiały i problemy GaN Struktura wurcytu; Szeroka i prosta przerwa energetyczna Lepszy niż arsenek galu z punktu widzenie środowiska. 18
Problemy technologiczne Standardowe metody wytwarzania monokryształów (Czochralski, Bridgeman, Float Zone) nie działają. Ma wysoką temperaturę topnienia. W czasie wzrostu paruje azot. Aby utrzymać azot konieczne jest wysokie ciśnienie (ponad 1000 Mpa). Reakcje chemiczne (z potencjalnym podłożem). Problemy technologiczne GaN na szafirze (laser): Duże niedopasowanie sieciowe (-13%). Wskutek tego powstają naprężenia oraz duża koncentracja dyslokacji w warstwach GaN (10 8 /cm 2 to 10 9 /cm 2 ). GaN na GaAs (temperatura top. 1238 ºC) Temperatura syntezy (1000 ºC ) zbyt bliska topnieniu GaAs; GaN na SiC (niedopasowanie tylko -3.1%). 19
Problem z otrzymaniem typu p Domieszkowanie na typ p domieszkowanie magnezem Magnez jest pasywowany przez wodór Wygrzewanie w atmosferze tlenu Inne problemy technologiczne Nie można otrzymać rezonatora przez obłupywanie Trawienie jonowe, napylanie powłok z TiO 2 Problemy z wykonaniem kontaktów do warstwy typu p Tajemnica handlowa 20
Metody wytwarzania GaN Wzrost na szafirze w 1000 o C z mieszaniny amoniaku i chlorku galu - Hydride vapor phase epitaxy (HVPE) - Samsung w 2000 roku otrzymał gęstość dyslokacji w grubych (750 µm) warstwach 2-3(10 6 ) /cm 2. Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD): Ga(CH 3 ) 3 + NH 3 GaN Molecular Beam Epitaxy (MBE). Dioda laserowa na GaN Jako substrat jest wykorzystywany szafir, ale z powodu niedopasowania sieciowego stosuje się warstwy buforowe pomiędzy podłożem a GaN. Taką warstwą buforową może być AlN 21
Dioda laserowa na GaN Obraz TEM pokazujący rejon studni potencjału lasera InGaN/GaN. D.P Bour et al. MOCVD growth and characterization of AlGaInN multiple quantum well heterostructures and laser diodes Materials Science and Engineering: B, 59, 1999, Pages 33 38 22