Si p-i-n . фотодиод с излучателями GaAs(Zn), GaAlAs и GaAsP , хорошо согласуются по спектру и быстродействию,

Si фотодиод Шоттки по спектру, удовлетворительно согласуется по спектру с GaP(N),GaAlAs -излучателями, однако его быстродействие значительно ниже, чем у фотоприемника;

GaAlAs-гетерофотодиод, отлично согласуется по всем показателям (в том числе и технологическим) с GaAlAs- гетеросветодиодом;

Si- фототранзисторы и фототиристоры, из-за относительно невысокого быстродействия лучше всего использовать с GaAs(Si)-излучателем;

CdC, CdSe - фоторезисторы по спектру хорошо согласуются с GaP- и GaAsP-излучателями и лампочками накаливания.

Перечисленные пары являются основой большинства типов серийно выпускаемых оптронов. Однако принцип полной согласованности излучателя и приемника практически нередко нарушается в целях достижения максимального значения одного из определяющих параметров или по технологическим причинам. Принципиально возможно использование в оптронах полупроводниковых лазеров, однако большие значения рабочих токов, высокая стоимость и ограниченная долговечность существенно снижают эти возможности. В то же время лазерные излучатели практически незаменимы для создания оптронов сверхвысокого быстродействия (10^-10…10^-11 с).

Источник излучения - наиболее дорогостоящий элемент оптронов, поэтому вполне естественная тенденция использовать в них в качестве излучателей уже освоенные в производстве приборы. В основном по этой причине, кроме рассмотренных источников излучения, в оптоэлектронных приборах иногда применяют красные светодиоды на основе GaAs_1-xP_x .

В таких устройствах фотодиод и микросхема выполняются на oтдельном кремниевом кристалле. Близкое расположение р-n перехода фотоприемника к поверхности способствует увеличению его фоточувствительности к красному излучению.

Излучатели на основе GaAs :и Si являлись до последнего времени наиболее эффективными. Их внешний квантовый выход достигает 10% на плоском кристалле и около 32% - с полусферической линзой.

Излучатели этого типа достаточно стабильны при долговременной работе и спектрально согласованы с кремниевыми фотоприемниками. Их недостаток - инерционность.

Прямое напряжение излучателей, определяемое в основном падением на р-n. переходе, уменьшается с повышением температуры с коэффициентом 1,05...1,8 мВ/К. Нормальное значение прямого напряжения излучателей не превышает 1,5 В при токе 10 мА, а допустимое обратной напряжение составляет 2 В и более.

Срок службы излучателей и, следовательно, оптронов обычно считают равным 10⁴ ...10⁵ ч, деградация в течение этого промежутка времени существенно зависит от значения прямого тока и допускается для ряда приборов на уровне 30% при комнатной температуре.

В качестве оптической среды в основном используются полимерные оптические клеи и лаки, обладающие высокой адгезией к полупроводникам, отличными диэлектрическими свойствами, эластичностью, простотой и удобством использования, низкой стоимостью. Однако им присущ и ряд недостатков:

-коэффициенты преломления этих материалов (n~ 1,5) и кремния и арсенида галлия ( n~3,2...3,4) -сильно различаются, поэтому однородной оптической среды в оптроне не возникает;

-спектральные характеристики полимеров имеют в ближней НК области много провалов, обусловленных резонансным поглощением таких химических групп, как OH,CH₃,CH₂,NH₂,NH , что сказывается на светопередаче при значительной протяженности оптической среды;

-для многих полимерных материалов существен эффект старения, вызывающий нестабильность параметров во время эксплуатации оптронов.

Если жесткость оптрона обеспечивается элементами конструкции, в качестве оптической среды могут использоваться незасыхающие вазелиноподобные силиконовые смазки.

Перспективны с точки зрения улучшения оптической связи излучателя и приемника низкотемпературные халькогенидные стекла с n~ 1,6...3,0. Однако они имеют плохую адгезию к полупроводникам, хрупки, неустойчивы к термоциклам, характеризуются невысокими изолирующими свойствами.

Требования к параметрам и дополнительным функциональным возможностям обусловливают различные конструкции оптронов (рис.1.28).

Для увеличения допустимого напряжения гальванической развязки в конструкцию вводится стеклянная прокладка (3), которая одновременно улучшает проходную емкость (вплоть до 0,01 мкФ). Если требуется получить очень высокие напряжения развязки (порядка десятков киловольт), в конструкцию оптрона между приемником и излучателем вводится достаточно длинный жесткий стеклянный многоволоконный световод.

Для управления световым потоком применяются оптроны с открытым оптическим каналом, когда между излучателем (I) и фотоприемником (2) имеется воздушный зазор.

В оптронах обычно используются источники и приемники излучения с плоской активной поверхностью в различных конструктивных вариантах.

Технология изготовления кристалла в виде параллелепипеда наиболее проста и сводится фактически к двум основным операциям - нанесению контактов и разделению пластины с р - n переходом на кристаллы. Планарный кристалл получают обычно одним из трех способов:

-обычной диффузией через маску, например, цинка в монокристаллическую пластину или эпитаксиальный слой;

-разделительной диффузией цинка в плоские эпитаксиальные р-n. гомо- или гетероструктуры арсенида галлия или Al_xGa_1-xAs ;

-селективным однослойным эпитаксиальным наращиванием через маску SiO₂,Si₃N₄.

При разделительной диффузии цинка предъявляются высокие требования к плотности маскирующих пленок и применяют двух- и трехслойные маски, например,Al₂O₃+SiO₂,Si₃N₄+SiO₂ . Так как глубина диффузии не должна превышать несколько микрометров, предъявляются жесткие требования к геометрии эпитаксиальной структуры.

Первый вариант технологии применяется в дискретных диффузионных приборах, второй - в матрицах излучателей и фотоприемников или цифробуквенных индикаторах.

Иногда разделение p-n переходов при создании матриц осуществляют с помощью методов радиационной технологии, например, протонной бомбардировки.

Мезаструктуры обычно вытравливают в растворе состава mH₂SO₄ :mH₂O₂:LH₂O . При изготовлении полупроводниковых источников или приемников излучения на основе GaAs и Al_xGa_1-xAs формирование мезаструктуры осложняется тем, что в наиболее оптимальном варианте рабочая сторона кристалла должна быть свободна от омических контактов, а на рабочую поверхность нужно выводить обе области проводимости, для которых зачастую требуются различные контактные материалы. Иногда контакты в мезаструктуре на основе Al_xGa_1-xAs наносят с двух сторон или оба с рабочей стороны.

Разработка волоконно-оптических линий связи вызвала поиски новых конструкций кристаллов излучателей, учитывающих специфику их стыковки с оптически единичным волокном или пателем. Для соединения с волокном в верхнем слое структуры протравливается окно почти до p-n перехода. Геометрия контактной площадки позволяет при сборке осуществить хороший теплоотвод.

Для повышения внешнего квантового выхода светодиодов на излучающей поверхности формируют множество маленьких линз, для чего в подложке GaAs вначале через маску SiO₂ вытравливают полусферы диаметром 25…35 мкм. Эпитаксиальное наращивание слоев Al_xGa_1-xAs выполняют в таких термодинамических условиях, когда растворение поверхности подложки с линзами исключается. Затем селективным травлением подложки в смеси NH₄OH:3OH₂O₂ вскрывают слой Al_xGa_1-xAs с линзами. Эффективность ”линзованных" структур в 1,5...2 раза выше плоских.

Размещено на Allbest.ru