ИНЖЕКЦИОННЫЙ НЕКОГЕРЕНТНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к эффективным, мощным, сверхярким и компактным полупроводниковым диодным источникам спонтанного излучения с узкой диаграммой направленности, которые применяются в устройствах отображения информации: световых указателях, светофорных приборах, полноцветных дисплеях, экранах и проекционных бытовых телевизорах; волоконно-оптических системах связи и передачи информации; при создании медицинской аппаратуры, для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей, а также как светодиоды белого освещения взамен вакуумных ламп накаливания и электролюминесцентных ламп.

Инжекционный некогерентный излучатель (далее излучатель) - прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения (в отсутствии оптического резонатора). Для широкого диапазона длин волн, от инфракрасного до синего и ультрафиолетового излучений, известны различные типы инжекционных некогерентных излучателей: светодиоды с поверхностным излучением, в том числе яркие многопроходные светодиоды [1-4] и торцевые излучатели [5-6]. Дальнейшему широкому применению этих источников излучения препятствуют недостаточно высокие: эффективность, сила и мощность излучения, а также для ряда применений большая расходимость последнего.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является инжекционный некогерентный излучатель [1], включающий гетероструктуру, содержащую активный слой с шириной запрещенной зоны равной E_а, эВ, и два ограничительных слоя, расположенные соответственно на первой и противоположной второй поверхностях активного слоя, область инжекции носителей тока площадью S_ои, мкм², выходные поверхности, омические контакты, слои металлизации, и по меньшей мере с одной стороны активного слоя, примыкающую к соответствующему ограничительному слою, прозрачную для излучения область выхода излучения, ограниченную со стороны примыкающего ограничительного слоя наружной поверхностью, боковой поверхностью и внутренней поверхностью площадью S_вп, мкм.

Известный многопроходный излучатель 1 (см. фиг. 1) состоит из гетероструктуры 2 на полупроводниковых соединениях AlGalnP, содержащий активный слой 3, помещенный между двух оптически однородных ограничительных слоев 4 и 5. На удаленные от активного слоя 3 поверхности ограничительных слоев 4 и 5 своими внутренними поверхностями 6 помещены две области выхода излучения 7 (далее ОВ 7), выполненные из однородного прозрачного полупроводникового соединения GaP в форме прямоугольных параллелепипедов. Боковые поверхности 8 параллелепипедов образуют с внутренней поверхностью 6 и наружной поверхностью 9, а также с плоскостью активного слоя 3 углы наклона ψ, равные 90^o. Область инжекции 10, совпадающая с активным слоем 3, сформирована омическими контактами 11 и 12, выполненными соответственно к p- и n-типу ОВ 7. Активный слой 3 выбран толстым, толщиной d_a в пределах 1-1,5 мкм. Ограничительные слои 3 и 5 оптически однородны.

При приложении прямого тока в области инжекции 10 происходит рекомбинация неравновесных носителей с образованием спонтанного излучения, распространяемого во все стороны из области инжекции 10, а именно в обе ОВ 7 p- и n-типов. После беспорядочных многократных отражений определенная доля спонтанного излучения под разными углами выводится из светоизлучающего диода через выходные поверхности, которыми в прототипе являются часть наружной поверхности 9 ОВ 7 p-типа и боковые поверхности 8 ОВ 7 обеих типов. При этом угол расходимости θ₁ в вертикальной и угол расходимости θ₂ в горизонтальной плоскостях имеют максимально допустимые значения. Здесь и далее вертикальной плоскостью является плоскость, перпендикулярная к плоскости активного слоя, а горизонтальная плоскость определена как плоскость, перпендикулярная к вертикальной плоскости, причем линия их пересечения проходит по лучу с нормальным падением на выходную поверхность 8 ОВ 7. Авторами [1] получены следующие основные параметры излучателя: для длины волны 604 нм внешняя эффективность равна 11,5%, а световая мощность на 1А тока равна 93,2 лм/А. Достоинством прототипа является относительно высокая эффективность выводимого излучения и высокие мощности излучения. Однако для ряда применений достигнутые для прототипа эффективность, мощность и сила излучения недостаточны, а практическое отсутствие направленности излучения неприемлемы.

Технической задачей настоящего изобретения является увеличение внешней эффективности, увеличение энергетической мощности, световой мощности и силы излучения, реализация широкого диапазона направлений вывода и существенного увеличения направленности спонтанного излучения инжекционных излучателей, в том числе многолучевых излучателей, излучательных линеек и матриц, в том числе с автономным включением каждого луча при упрощении технологий их изготовления.

Предложен инжекционный некогерентный излучатель, в котором активный слой сформирован по крайней мере из одного подслоя, ограничительные слои сформированы соответственно из ограничительных подслоев I_i и II_j, где i=1,2,...k и j=1,2,...m, определены как целые числа, означающие порядковый номер ограничительных подслоев, исчисляемый от активного слоя, соответственно с показателями преломления n_Ii и n_IIj, в каждом ограничительном слое выполнено по крайней мере по одному ограничительному подслою, область инжекции выполнена по крайней мере одна, область выхода излучения выполнена по крайней мере одна и по крайней мере из одного слоя, характеризуемого показателем преломления n_овq, коэффициентом оптических потерь излучения α_овq, см^-1, толщиной d_овq, мкм, где q = 1,2,...p определены как целые числа, означающие порядковый номер слоя области выхода, исчисляемый от ее границы с гетероструктурой, причем в работающем устройстве угол, образованный с плоскостью активного слоя нормалью фронта излучения, распространяющегося в области выхода излучения, и угол полного внутреннего отражения для распространяющегося излучения в области выхода излучения обозначены соответственно углом распространения ϕ и углом полного отражения σ, при этом углы ϕ и σ удовлетворяют соотношениям
ϕ = arccos n_эф/n_ов1 и σ = arcsin1/n_овq,
а гетероструктура с присоединенной к ней областью выхода излучения охарактеризована эффективным показателем преломления n_эф, при этом величины эффективного показателя преломления n_эф и показателя преломления n_ов1 выбраны удовлетворяющими соотношениям:

причем n_эфmin больше n_min, где n_эфmin - минимальное значение n_эф из всех возможных n_эф для представляющих практическую ценность множества гетероструктур с областями выхода излучения, а
n_min - наименьший из показателей преломления n_Ii, n_IIj.

Для увеличения эффективности излучателя, уменьшения расходимости излучения и его одностороннего распространения из области инжекции в область выхода излучения толщина ограничительного слоя, смежного с областью выхода излучения, выбрана менее толщины ограничительного слоя, расположенного с противоположной стороны активного слоя.

Для увеличения эффективности излучателя, уменьшения расходимости излучения и его одностороннего распространения в область выхода излучения при одновременном уменьшении угла вытекания ϕ и упрощении технологии изготовления показатель преломления ограничительного подслоя, смежного с областью выхода излучения, выбран более показателя преломления внешнего ограничительного подслоя, расположенного с противоположной стороны активного слоя.

В преимущественных случаях исполнения устройства:
- размеры и площадь S_ои области инжекции выбирают не превышающими размеры и площадь S_вп внутренней поверхности области выхода излучения,
- толщину области выхода излучения d_овq выбирают из диапазона 1...10000 мкм,
- область выхода излучения выполняют электропроводной,
- омический контакт формируют к наружной поверхности области выхода излучения.

Для увеличения эффективности излучения за счет снижения потерь на поглощение и рассеяние излучения при прохождении области выхода:
- область выхода излучения выполняют из оптически однородного материала со спектральной полосой прозрачности, включающую спектральную полосу излучателя,
- область выхода излучения выполняют по крайней мере из двух слоев, причем первый слой, граничащий с гетероструктурой, формируют электропроводным, второй слой выполняют из материла, имеющего более низкий коэффициент оптических потерь α_ов2, чем α_ов1 для первого слоя, причем для обеспечения задачи получения низких величин α_ов2
- второй слой может быть выполнен изолирующим.

Для уменьшения толщины области выхода показатель преломления n_ов2 второго слоя выбирают меньше, чем показатель преломления n_ов1 первого слоя, граничащего с гетероструктурой.

Для упрощения технологии изготовления излучателей:
- по крайней мере один слой области входа-выхода излучения может быть выполнен из полупроводника,
- по крайней мере один слой области излучения может быть выполнен из подложки,
- омический контакт выполняют к первому, электропроводному слою области выхода излучения.

Для увеличения эффективности, мощности и силы излучения эффективна конструкция, в которой область выхода излучения может быть сформирована в виде по крайней мере одного усеченного прямого круглого конуса, одно из оснований которого расположено на смежном с ним ограничительном подслое.

Для данной конструкции излучателя:
- для получения направления выхода излучения под углом распространения ϕ относительно плоскости слоя линейные углы наклона ψ образующих боковой поверхности области выхода излучения с ее внутренней поверхностью выбирают из диапазона от (π/2-ϕ-σ) до (π/2-ϕ+σ),
- для получения направления выхода излучения под прямым углом относительно плоскости активного слоя в сторону расположения области выхода излучения линейные углы наклона ψ образующих боковой поверхности области выхода излучения с ее внутренней поверхностью выбирают из диапазона от (3π/4-ϕ/2-σ/2) до (3π/4-ϕ/2+σ/2),
- для получения направления выхода излучения под прямым углом относительно плоскости активного слоя в сторону расположения гетероструктуры линейные углы наклона ψ образующих боковой поверхности области выхода излучения с ее внутренней поверхностью могут быть выбраны из диапазона от (π/4-ϕ/2-σ/2) до (π/4-ϕ/2+σ/2).
Для упрощения технологии изготовления излучателей область выхода может быть сформирована в виде по крайней мере одного прямого круглого цилиндра, одно из оснований которого расположено на смежном с ним ограничительном слое.

Для уменьшения площади ближнего поля излучения и увеличения его яркости область выхода может быть сформирована в виде, по крайней мере одного шестигранника, одно из оснований которого размещено на смежном с ним ограничительном слое.

Для увеличения эффективности и реализации различных направлений выходного и обратно отраженного в область инжекции излучения в данной модификации излучателя:
- линейный угол наклона ψ, образуемый по крайней мере на одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области выхода, может быть выбран из диапазона от (π/2-ϕ/2-Δϕ/2) до (π/2-ϕ/2+Δϕ/2) где Δϕ - угол расходимости излучения в вертикальной плоскости,
- линейный угол наклона ψ, образуемый по крайней мере на одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области вывода, может быть выбран из диапазона от (3π/4-ϕ/2-Δϕ/2) до (3π/4-ϕ/2+Δϕ/2),
- линейный угол наклона ψ, образуемый по крайней мере на одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области выхода, может быть выбран из диапазона от (π/4-ϕ/2-Δϕ/2) до (π/4-ϕ/2+Δϕ/2),
- линейный угол наклона ψ, образуемый по крайней мере на одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области вывода, может быть выбран равным π/2.
Для излучателя с областью выхода в виде прямого круглого цилиндра, а также в виде шестигранника, выходная поверхность которого перпендикулярна к активному слою, угол распространения ϕ выбирают менее угла полного отражения σ.
Для увеличения эффективности, мощности, силы и яркости излучения:
- по крайней мере на части выходных поверхностей могут быть введены просветляющие покрытия, а также
- на части выходных поверхностей введены отражающие покрытия.

Для изготовления излучателей с множеством выходных лучей направленного спонтанного излучения в гетероструктуре формируют по крайней мере две области инжекции с одинаковыми углами распространения ϕ.

Для автономной подачи тока питания к каждой области инжекции с внешней стороны гетероструктуры выполняют автономный омический контакт.

Для одной модификации многолучевого излучателя к каждой области инжекции с автономным омическим контактом может быть сформирована относящаяся к ней область выхода излучения.

Для другой модификации многолучевого излучателя по крайней мере для части областей инжекции как с автономным контактом, так и без него, может быть сформирована одна единая область выхода излучения.

Для изготовления излучателей с линейной последовательностью выходных лучей направленного спонтанного излучения, в том числе с их автономным включением по току питания:
- одинаковых размеров области инжекции с автономными контактами упорядоченно располагают в гетероструктуре вдоль одной линии, в виде линейной последовательности областей инжекции,
- со стороны области выхода излучения, по крайней мере на части их наружных поверхностей, слои металлизации могут быть выполнены в виде полос, соединяющих в работающем устройстве области инжекции, входящие в линейную последовательность, по электрическому току.

Для изготовления излучателей с матричным расположением выходных лучей направленного спонтанного излучения, в том числе с их автономным включением по току питания:
- в гетероструктуре формируют по крайней мере две линейные последовательности областей инжекции,
- со стороны расположения областей инжекции слои металлизации к их автономным контактам выполнены в виде полос, каждая из которых в работающем устройстве соединяет по электрическому току по одной области инжекции, из каждой их линейной последовательности.

Для увеличения эффективности за счет снижения потерь неравновесных носителей из-за их растекания и поверхностной рекомбинации область инжекции ограничена в своих размерах введенными барьерными слоями, по крайней мере вплоть до активного слоя включительно.

Для увеличения эффективности согласования излучателей с источником питания за счет последовательного соединения по току областей инжекции, по крайней мере две рядом расположенные области инжекции электрически разделены по току вплоть до изолирующего слоя области выхода излучения, а омические контакты указанных областей инжекции электрически соединены по току слоем металлизации.

Существом настоящего изобретения является оригинальная конструкция гетероструктуры, сформированная с соответствующим образом выбранными составами, толщинами, числом ее слоев и подслоев, а также оригинальное исполнение области выхода излучения, выполненной из материалов с заданными величинами их показателей преломления и соответствующими углами наклона оптических граней, что позволило сформировать направленное спонтанное излучение с последующим эффективным выходом его области выхода.

Настоящее изобретение будет понятно из фиг. 1-22.

На фиг. 2-4 схематически изображены осевые сечения излучателя, проходящие через центральную ось симметрии области выхода излучения, выполненной в форме усеченного прямого круглого конуса, при этом образующие боковой поверхности области выхода излучения образуют с ее внутренней поверхностью линейные углы наклона ψ:
на фиг. 2 - равные (π/2-ϕ),
на фиг. 3 - равные (3π/4-ϕ/2),
на фиг. 4 - равные (π/4-ϕ/2).
На фиг. 5 схематически изображено осевое сечение, проходящее через центральную ось симметрии области выхода излучения, выполненную в форме прямого круглого цилиндра.

На фиг. 6-7 схематически изображены сечения вдоль одной из боковых сторон излучателей, область выхода которых сформирована в форме прямоугольного параллелепипеда, а именно выполнена:
на фиг. 6 - из двух электропроводных слоев, при этом показатель преломления первого слоя, граничащего с гетероструктурой, превышает показатель преломления второго слоя,
на фиг. 7 - из двух слоев, первый слой электропроводен, второй - изолирующий, а области инжекции при этом соединены по току последовательно.

На фиг. 8, 9, 10 и 11 схематично изображены виды сверху (со стороны области выхода) для излучателей, сечения которых схематично изображены соответственно на фиг. 2, 3, 5 и 6.

На фиг. 12 схематично изображено поперечное сечение предложенных излучателей, установленных на держатель.

На фиг. 13, 14 схематично изображены соответственно продольное и поперечное сечения излучателей с малым размером ближнего поля излучения и высокой яркостью излучения, для которых выход излучения осуществляется через одну боковую грань шестигранной области выхода излучения.

На фиг. 15, 16, 17 и фиг. 18, 19, 20 схематично изображены соответственно сечения вдоль и перпендикулярно к длине линейной последовательности областей инжекции, а также вид сверху для излучателей с множеством лучей спонтанного излучения, область выхода которого выполнена единой для каждой линейной последовательности областей инжекции в виде множества упорядоченно размещенных, соединенных между собой:
на фиг. 15-17 - прямых круглых цилиндров,
на фиг. 18-20 - прямых круглых усеченных конусов.

На фиг. 21 представлены результаты экспериментальных измерений расходимости излучения в вертикальной и горизонтальной плоскости.

На фиг. 22 представлена зависимость мощности излучения от протекающего тока для экспериментального образца излучателя.

Предложенный излучатель 1 (см. фиг. 2, фиг. 8) состоит из гетероструктуры 2, содержащей активный слой 3, помещенный между ограничительными слоями 4 и 5 соответственно, с подслоями 13 (I_i), 14 (I₂), и 15 (II₂), 16 (II₂). Активный слой 3 может состоять из нескольких активных подслоев и разделяющих их барьерных подслоев (на фиг. 2 не показаны). Область инжекции 10 в данном излучателе совпадает с активным слоем 3, их площади равны. На удаленной от активного слоя 3 поверхности подслоя I_к ограничительного слоя 4 расположен полупроводниковый контактный слой 17 и на нем выполнен омический контакт 11. На удаленной от активного слоя 3 поверхности подслоя II_m ограничительного слоя 5 расположена полупроводниковая ОВ 7, имеющая форму прямого круглого усеченного конуса. Нижнее основание конуса ОВ 7 (круг) является его внутренней поверхностью 6, смежной с гетероструктурой 2. Верхнее основание конуса ОВ 7 (круг меньшего диаметра) является его наружной поверхностью 9, на нем расположен омический контакт 12
На фиг. 2, а также на последующих фиг. 3-7, 13-16, 18-19 условными стрелочками изображены направления распространения лазерного излучения в ОВ 7 и вне нее. Отсчет линейных углов наклона ψ между внутренней поверхностью 6 и боковой поверхностью 8 условно принято вести в направлении от внутренней поверхности 6.

Конструкции излучателей 1, изображенных на фиг. 3-5, отличаются от конструкции, изображенной на фиг. 2, значениями углов наклона ψ. На фиг. 3, 4 на выходной поверхности выполнено просветляющее покрытие 18. На фиг. 6 ОВ 7 состоит из двух слоев 19 и 20, имеющих различные значения показателей преломления. На фиг. 7 ОВ 7 состоит из смежного с гетероструктурой первого электропроводного слоя 21 и изолирующего второго слоя 22, введены также барьерные области двух типов 23 и 24, отличающиеся тем, что область 24 разделяет две рядом расположенные области инжекции вплоть до изолирующего второго слоя 22. На фиг. 12 изображен излучатель, установленный на держатель 25, имеющий отражающие стенки 26, проволоку 27 и электрический вывод 28. На фиг. 13, 14 введены отражающие покрытия 29, на фиг. 15-20 - единая (для линейки областей инжекции 10) область выхода 30, автономный контакт 31 к области инжекции 10 и слои металлизации 32 и 33, выполненные в виде полос соответственно к наружной поверхности 9 единой области выхода 30 и к автономным контактам 31 для их соединения.

На фиг. 21, 22 приведены результаты предварительных экспериментов и введены обозначения: 34, 35 - кривые расходимости спонтанного излучения соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, 36 - зависимость мощности спонтанного излучения от протекающего тока.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подключении инжекционного излучателя 1 к источнику питания (на фигурах не показано) в области инжекции 10, как и в прототипе, за счет рекомбинации неравновесных носителей, возникает спонтанное излучение. Отношение числа возникающих фотонов спонтанного излучения к числу инжектированных пар электронов и дырок определяется коэффициентом внутренней квантовой эффективности η_i который в качественно выполненных гетероструктурах обычно близок к единице.

Первое основное отличие предлагаемых излучателей от прототипа и аналогов (на примере фиг. 2, 8) состоит в следующем. Выбором составов, толщин, числа слоев и подслоев гетероструктуры 2 обеспечивают узконаправленную диаграмму для интенсивного спонтанного излучения, возникающего в области инжекции 10 преимущественно под углами распространения ϕ относительно плоскости активного слоя. Необходимым условием для этого является выполнение соотношения
n_эф < n_ов1 (1)
Значение эффективного показателя преломления n_эф может быть получено расчетным путем из соотношения β = (2π/λ)n_эф, где β- модуль комплексной величины постоянной распространения волны излучения в одном из направлений в активном слое 3, а λ- длина волны излучения [7].

Это условие известно как условие вытекания мод лазерного излучения, распространяемых в оптическом резонаторе лазерных диодов.

Мы предложили и подтвердили экспериментально, что условие (1) применимо для спонтанного излучения. В связи с этим угол распространения ϕ направленного спонтанного излучения будет равен углу вытекания мод лазерного излучения (см.[7]), а именно
ϕ = arccos(n_эф/n_oв.1). (2)
Нами также предложено использовать весь диапазон углов распространения ϕ направленного спонтанного излучения и соответственно отношений (n_эф/n_ов1). Соотношениями (1), (2) определена нижняя граница угла ϕ(ϕ) больше нуля). Верхнюю границу рассматриваемых углов распространения ϕ_max предложено нами определять соотношениями:

n_эфmin более n_min (4)
где n_эфmin - минимальное значение n_эф из всех возможных n_эф для представляющих практическую ценность множества гетероструктур 2 с областями выхода излучения 7, а n_min - наименьший из показателей преломления n_Ii, n_IIj подслоев ограничительных слоев 4 и 5. Численные расчеты, проведенные нами для некоторых практически используемых гетероструктур, например, на основе соединений InGaAs/GaAs/AIGaAs показали, что предельный угол вытекания ϕ_max примерно равен 30...35^o.

Угол расходимости Δϕ в вертикальной плоскости для распространяющегося в ОВ 7 спонтанного излучения определяется спектральной дисперсией (т.е. разбросом угла распространения ϕ в зависимости от длины волны λ, изменяющейся в пределах спектральной полосы Δλ спонтанного излучения) и дифракцией. Угол дисперсионной расходимости Δϕ₁ может быть определен численным расчетом, с использованием формулы (2), при известных зависимостях показателей преломления n_эф и n_ов1 от длины волны λ (в пределах Δλ), а угол дифракционной расходимости
Δϕ₂ = λ/(n_эф•D_oи•sinϕ), (5)
где D_ои - размер области инжекции в плоскости активного слоя в выбранном направлении. Полный угол расходимости Δϕ излучения в вертикальной плоскости внутри ОВ 7 равен (Δϕ₁+Δϕ₂), а угол расходимости выходного излучения в вертикальной плоскости вне ОВ 7
θ₁= arcsin[n•sin(Δϕ)]. (6)
Эффективность входа η_вх направленного спонтанного излучения в ОВ 7 определяется отношением числа спонтанных фотонов, вошедших под углами распространения от (ϕ-Δϕ/2) до (ϕ+Δϕ/2) из области инжекции 10 в ОВ 7, к полному числу спонтанных фотонов в области инжекции. Интенсивность направленного спонтанного излучения из гетероструктуры 2 в ОВ 7, а следовательно, и коэффициент η_вх контролируется, главным образом, толщиной, и/или составом (показателем преломления) ограничительных подслоев, смежных с областями выхода 7. Последние определялись нами численным расчетом. Расчеты показали, что указанная интенсивность для одностороннего (по отношению к стороне активного слоя) выхода излучения значительно возрастает, если толщина смежного с ОВ 7 ограничительного подслоя меньше и/или ее показатель преломления больше, чем для ограничительного подслоя, смежного с контактным слоем.

Можно получить распространение спонтанных фотонов в обе стороны от активного слоя 3. Однако эта модификация излучателя менее технологична в изготовлении и имеет повышенные значения теплового и омического сопротивления. Поэтому в дальнейшем мы рассматриваем примеры излучателей с распространением спонтанного излучения в одну сторону от активного слоя 3. Проведенные нами численные расчеты и экспериментальные результаты показали, что при созданных условиях распространения (1)-(4) указанное выше отношение фотонов η_вх может быть определено как
η_вх= (g-α_ои-α_торц)/g, (7)
где g, см^-1, - материальный коэффициент усиления излучения в гетероструктуре 2, обусловленный плотностью тока инжекции j, А/см², α_ои см^-1 - коэффициент оптических потерь, определяемый поглощением и рассеянием излучения в области инжекции, а α_торц, см^-1 - коэффициент потерь, определяемый выходящим излучением через торцевые границы области инжекции. При выборе g ≫ (α_ои+α_торц) коэффициент η_вх может быть получен близким к единице.

Второе основное отличие состоит в конструкции ОВ 7. Для высокоэффективного выхода направленного спонтанного излучения из ОВ 7 ее боковая поверхность 8 должна быть выполнена наклонной по отношению к плоскости активного слоя, а угол наклона ψ в вертикальной плоскости выбран таким образом, чтобы нормаль фронта направленного спонтанного излучения образовывала бы прямой угол с выходной поверхностью. Такой поверхностью для излучателя (фиг. 2) является боковая поверхность 8 ОВ 7.

Поскольку спонтанное излучение, распространяющееся из области инжекции под углами от (ϕ-Δϕ/2) до (ϕ+Δϕ/2), в пределах 2π равновероятно в любом направлении (в отличие от вытекающей моды в инжекционных лазерах), то максимальная эффективность для излучателей 1 может быть достигнута при выборе боковой поверхности ОВ 7 в виде прямой круглой конической поверхности (см. фиг. 2-4) с соответствующими углами наклона ψ ее образующих. Высокая эффективность такого излучателя обеспечивается тем, что отраженное от боковой поверхности 8 излучение вновь попадает в область инжекции 10, а затем снова под тем же углом ϕ (2) возвращается к боковой поверхности 8. Для модификаций излучателей с нормальным падением излучения на выходную поверхность нами предложено следующее выражение для расчета коэффициента внешней эффективности

где R - коэффициент отражения спонтанного излучения на выходной поверхности ОВ 7 при нормальном падении на нее,
η_α - коэффициент эффективности, определяющий оптические потери излучения (поглощение, рассеяние) при однократном прохождении ОВ 7, равный
η_a= exp(-α_oв1•μ•D_вп),
μ - число, которое в зависимости от конфигурации ОВ 7 может изменяться примерно от 0,4 до 1,5,
D_вп - диаметр внутренней поверхности 6 ОВ 7.

В рассмотренном излучателе 1 (фиг. 2) выходной поверхностью является его боковая поверхность 8 ОВ 7. В других модификациях ею может быть по крайней мере часть наружной поверхности 9 (фиг. 3) или часть внешней поверхности гетероструктуры 2, граничащей с контактным слоем 17 (фиг. 4).

Для модификаций излучателей при наклонном падении излучения на выходную поверхность, в частности с цилиндрической ОВ 7, нами получено следующее выражение для расчета коэффициента внешней эффективности

где R_Н - коэффициент отражения спонтанного излучения на выходной поверхности ОВ 7 при наклонном падении на нее. Таким образом, при известном значении, η (8), (10), выходная мощность Р, Вт, спонтанного излучения определяется как
P = η•J•(hν), (11)
где J, A - рабочий ток, протекающий через область инжекции, а
(hν ) - энергия кванта излучения, выраженная в вольтах.

Принятое в основу настоящего изобретения положение о том, что соответствующим выбором конструкции гетероструктуры возможно сформировать узконаправленное спонтанное излучение, не является очевидным. Широко распространены суждения о том, что спонтанное излучение внутри гетероструктуры ввиду хаотичности распространения отдельных спонтанных фотонов является ненаправленным (см. , например, [9]). На фиг. 21, 22 приведены результаты предварительных измерений изготовленных нами экспериментальных образцов излучателей, полностью подтвердивших принятое нами неочевидное положение. Излучатели были изготовлены на основе специально рассчитанной гетероструктуры (из соединений GalnAs/GaAs/AIGaAs) с интенсивным вытеканием излучения на длину волны 980 нм. Область инжекции имела размеры 50х500 мкм². ОВ 7 имела форму прямоугольного параллелепипеда, за исключением того, что одна боковая грань имела угол наклона ψ, равный 72^o. Покрытий на излучателе не было. Из измеренных данных (фиг. 21, кривая 34) следует, что спонтанное излучение в вертикальной плоскости наклонено к плоскости активного слоя под углом 19^o (расчет дал 18,5^o), его угол расходимости равен 3,3^o (по уровню 0,5), а за пределами этого узкого луча излучение отсутствует. В горизонтальной плоскости, как и следовало ожидать, излучение практически не направлено (фиг. 21, кривая 35). Результаты измерений ватт-амперной характеристики (фиг. 22, кривая 36) свидетельствуют о возможности получения высокой эффективности для излучателей, предложенных настоящим изобретением. Отметим, что полученная мощность была измерена для первого экспериментального образца (далеко не оптимальной конструкции) от наклонной боковой грани (с шириной области инжекции 50 мкм) в апертуре 40^oC, Отметим также, что в непрерывном режиме работы получена линейная зависимость Р, мВт от J, мА вплоть до плотностей токов j, равных 400 А/см². Это свидетельствует о хороших условиях теплоотвода в предложенных излучателях. Для сравнения в излучателе прототипа [1] плотность тока для непрерывного режима работы не превышала 100 А/см².

Далее рассмотрим требования к материалам ОВ 7. Отметим, что в тех случаях, когда не будет оговорено особо, мы будем иметь в виду, что ОВ 7 состоит из одного слоя, имеющего показатель преломления n_ов1, коэффициент оптических потерь α_ов1 и толщину d_ов1. Из (9) следует, что условие, при котором η_α близко к единице, есть
α_ов1≪ (μ•D_вп)^-1 (12)
Очевидно, что в первую очередь для выполнения (12) необходимо, чтобы ОВ 7 излучения была оптически однородной для излучения, а ширина запрещенной зоны E_ов1 материала ОВ 7 излучения была больше ширины запрещенной зоны E_a активного слоя 3, которой определяется длина волны λ. Потери на поглощение снижаются примерно по экспоненциальному закону в зависимости от различия E_ов1 и E_a [10]. Для снижения коэффициента оптических потерь α_ов1, см^-1, а следовательно, для достижения высокой эффективности η (8, 10) нами предложено выполнять ОВ 7 из тех материалов, для которых длина волны λ, мкм, попадает в область их прозрачности.

В тех случаях, когда для получения очень низких значений α_ов1, см^-1, ОВ 7 становится непроводящей, нами предложено выполнять ОВ 7 из двух слоев (см. фиг. 7), из которых первый слой 21, граничащий с подслоем 16 (Iim) ограничительного слоя 5, выбран, с высокой проводимостью, а второй слой 22 ОВ 7 - с низкой проводимостью, но при этом и с низким коэффициентом α_ов2 < 0,1 см^-1. В этом случае омический контакт 12 со стороны ОВ 7 выполнен к указанному электропроводящему слою 21, толщину которого целесообразно выполнять не более минимального линейного размера области инжекции 10. Эффективность использования предложенных вариантов исполнения омического контакта 12 зависит от размеров области инжекции и от значений плотностей токов, протекающих через предлагаемый излучатель 1.

В случае малых оптических потерь в электропроводящей подложке, на которой выращена гетероструктура 2, технологично использовать подложку в качестве ОВ 7 с омическим контактом 12 к ней на наружной поверхности 9 ОВ 7.

В общем случае ОВ 7 может быть выполнена не только из полупроводниковых материалов. Важно лишь, чтобы ее характеристики, в частности, показатель преломления n_ов1 и коэффициент оптических потерь α_овq, отвечали необходимым требованиям (1) и (12).

Кроме названных выше, имеется также ряд других отличий предложенного излучателя 1 от прототипа, определяющих эффективность его использования. В предложенных излучателях 1 в общем случае активный слой может быть выполнен в виде одного или нескольких активных подслоев, в том числе имеющих квантово-размерные толщины, разделенные между собой барьерными подслоями. Ограничительные слои 4 и/или 5, граничащие с активным слоем по обе стороны от него, в случае, когда активный слой 3 состоит из подслоев, обычно выполнены из двух и более подслоев с каждой стороны активного слоя 3. Возможно также выполнение ограничительного слоя 4 и/или 5 в виде слоя с монотонно изменяющимся составом (градиентный слой). В этом случае последний рассматривается нами как конечное число подслоев ограничительного слоя с соответствующими n_Ii и n_IIj, полученными разбиением каждого градиентного слоя. При этом, как правило, показатели преломления ограничительных слоев и подслоев обычно меньше показателей преломления активных подслоев.

Естественно также, чтобы прямая проекция области инжекции 10 на внутреннюю поверхность 6 OB 7 не выходила за ее пределы. Выбор толщины d_ов1 зависит от угла распространения ϕ, максимального линейного размера области инжекции 10, углов наклона ψ и может варьироваться в широких пределах от 1,0 мкм до 10000 мкм и более. Так, например, для конструкции предложенного излучателя 1, в соответствии с фиг. 2 целесообразно толщину d_ов1 выбирать не менее, чем d_ов1= D_вп•tgϕ/(1+tg²ϕ).
В описанной выше конструкции излучателя 1, схематически изображенной на фиг. 2, 8, 0В 7 выполнена в виде усеченного прямого круглого конуса, углы наклона ψ образующих которого равны (π/2-ϕ). При этом ближнее поле для выходных лучей спонтанного излучения имеет форму кольца на боковой поверхности конуса, а направление вышедшего излучения в максимуме его интенсивности образует угол с плоскостью области инжекции 10, равный углу распространения ϕ.
Наряду с данной конструкцией излучателя 1 нами предложено несколько других модификаций. Для конструкции (см. фиг. 3, 9) и (фиг. 4) углы наклона ψ соответственно равны (3π/4-ϕ/2) и (π/4-ϕ/2), ближние поля для выходных лучей спонтанного излучения имеют форму колец на наружной поверхности 9 ОВ 7 (фиг. 3, 9) и противолежащей ей внешней поверхности (фиг. 4) гетероструктуры 2, при этом направление лучей максимальной интенсивности перпендикулярно к плоскости активного слоя 3.

Для модификации излучателя 1 (см. фиг. 5, 10) ОВ 7 выполнена в виде круглого прямого цилиндра, а для модификаций излучателей 1 (см. фиг. 6, 11) и (фиг. 7) - в виде прямоугольного параллелепипеда. Угол ϕ для этих излучателей должен быть менее угла полного отражения σ на боковых поверхностях 8 ОВ 7. Лучи спонтанных излучений многократно отражаются и преломляются на боковых поверхностях 8 ОВ 7 излучателей 1 до тех пор, пока практически полностью не выйдут из нее.

На примере этих излучателей 1 видно, что важно контролировать величину угла распространения ϕ. Нами предложены два способа такого контроля. В первом, в ограничительные слои 4 и/или 5 гетероструктуры 2, имеющей с присоединенной к ней ОВ 7 эффективный показатель преломления n_эф, вводят подслои I_i, и/или II_j с показателем преломления более n_эф. Это приводит к увеличению эффективного показателя преломления и соответственно к уменьшению угла распространения ϕ (см. (2)). Во втором и соответственно к уменьшению угла распространения ϕ (см.(2)). Во втором способе ОВ 7 выполняют из двух слоев различной толщины и с различными показателями преломления n_овв1 и n_овв2 (см. фиг. 6). В первом слое 19, граничащим с гетероструктурой, излучение распространяется под углом распространения ϕ, равным arccos (n_эф/n_ов1) (см.(2), а во втором слое 20 под углом ϕ₂, равным arccos (n_эф/n_овв2. Таким образом, угол распространения ϕ на границе двух слоев ОВ 7 может быть изменен в ту или другую сторону в зависимости от величины n_ов2. Например, если n_ов2 больше n_ов1, то угол ϕ₂ будет меньше угла распространения ϕ (см. фиг. 6).

Заметим, что для рассмотренных выше модификаций изобретения (см. фиг. 2-7) для упрощения технологии изготовления и снижения себестоимости излучателей можно не наносить просветляющие покрытия на боковые поверхности 8 ОВ 7. При условии выполнения соотношения (12), за счет многократных отражений от боковой поверхности 8 ОВ 7 (см. фиг. 5, 6, а также формулу (10)), или за счет многократных переизлучений из области инжекции 10 обратно отраженных в нее излучений от боковой поверхности 8 ОВ 7 (см. фиг. 2, 3 и 4, а также формулу (8)), коэффициент внешней эффективности (8), (10) может быть получен не намного меньше, чем при наличии просветляющих покрытий. Отметим также, что для упрощения технологии изготовления предлагаемых излучателей их области инжекции 10 могут быть сформированы без барьерных областей (см. фиг. 2 - 6).

В отдельных случаях, для более эффективного согласования мощных излучателей с источником питания увеличение питающего напряжения может быть достигнуто формированием областей инжекции 10 и их последовательным соединением по току с помощью введенных областей 23 и 24 (см. фиг. 7). При этом ОВ 7 состоит из электропроводного слоя 21 и изолирующего слоя 22, причем барьерный слой 23 с одной стороны области инжекции 10 выделяет ее, по крайней мере до ограничительного слоя 5, а барьерный слой 24 с другой стороны выделяет ее вплоть до изолирующего слоя 22. При этом автономные омические контакты 31 тех двух соседних областей инжекции 10, которые разделены барьерным слоем 24, попарно соединены слоями металлизации 33 (см. фиг. 3).

Для получения излучателей 1, имеющих малые размеры ближнего поля и большую яркость излучения, чем ранее рассмотренные, нами предложены модификации (см. фиг. 13, 14), в которых ОВ 7 выполнена из шестигранника, внутренняя 6 и наружная 9 поверхности которой имеют форму прямоугольника. Боковая поверхность 8 состоит из четырех граней, выбором наклона которых и формированием на них просветляющих и отражающих покрытий, обеспечивается, например, как показано на фиг. 13, 14, выход через одну из боковых граней малой площади. Высокая эффективность такого излучателя обеспечивается тем, что отраженное от остальных трех боковых граней излучение вновь возвращается в область инжекции 10. При малых потерях излучения, которые могут быть обеспечены выбором соответствующих величин α_ов1 и размеров сторон прямоугольной внутренней поверхности 6, мощность и яркость излучения для данной модификации излучателя 1 может возрасти. Указанные цели: уменьшение размеров ближнего поля излучения и увеличение его яркости могут быть также достигнуты для других модификаций излучателей 1 (фиг. 2, 8), (фиг. 3, 9), фиг.4, (фиг. 5, 10) нанесением отражающих покрытий на часть их выходных поверхностей. \\\ Модификации излучателя 1 (см. фиг. 15-17 и фиг. 18-20) отличаются от предыдущих тем, что их конструкции включают две и более (множество) областей инжекции 10, интегрально объединенных единой гетероструктурой 3.

Особенностью указанных многолучевых излучателей 1 является то, что единая область выхода, обозначенная как ОВ 30, сформирована для линейной последовательности (линейки) областей инжекции. Устройство может содержать достаточно большое количество таких линеек, монолитно объединенных общей для всех линеек гетероструктурой 2 как с барьерными областями 23 (см. фиг. 15 -17), так для простоты изготовления и без них (см. фиг. 18 - 20). Каждой области инжекции 10 в каждой такой линейке будет соответствовать свой луч излучения. Направление вывода излучения из таких многолучевых излучателей 1 с множеством раздельных областей инжекции 10, может быть, например, как перпендикулярным, так и под углом, равным углу ϕ (см. фиг. 19) или углом arcsin (n_ов1 • sin ϕ) (см. фиг. 16) к плоскости активного слоя 3.

Для предложенных многолучевых излучателей 1 (фиг. 15-20) возможно осуществить различные виды электрического соединения областей инжекции 10. Наиболее общим является такое соединение, при котором каждая область инжекции 10, входящая в излучатель 1, могла быть включена автономно, т.е. независимо от остальных. В применении к излучателям 1 (фиг. 15-17) это реализуется выполнением автономных омических контактов 31 к каждой области инжекции 10 и соответствующих слоев металлизации 33, 32 в виде системы взаимно перпендикулярных полос металлизации 33, 32 соответственно со стороны контактного слоя 17 и со стороны единой ОВ 30.

При автономном подключении тока к любой области инжекции излучатель 1 фактически является управляемой матрицей лучей излучения. В таком излучателе 1 известными электрическими соединениями полос слоев металлизации 33, 32 можно получить последовательное, параллельное или последовательно-параллельное соединение по току областей инжекции 10, входящих в модификации излучателя 1. Это позволяет обеспечить наиболее эффективное согласование мощных многолучевых излучателей с источниками питания.

Совокупность существенных отличительных признаков предложенных лазеров 1 в соответствии с формулой изобретения определила их основные достоинства: сверхвысокая внешняя эффективность, сверхвысокая энергетическая мощность, световая мощность и сила излучения; высокая направленность спонтанного излучения в вертикальной плоскости, возможность выхода излучения в различных контролируемых направлениях, в том числе в перпендикулярном к активному слою; реализация многолучевых излучателей, в том числе излучающих линеек и матриц с автономным управлением их лучей.

Обращаем внимание, что техническая реализация изобретения основана на известных базовых технологических процессах, которые к настоящему времени хорошо разработаны. Диапазон длин волн излучения для освоенных в настоящее время излучателей простирается от инфракрасного до ультрафиолетового излучений. В зависимости от длины волны для различных участков ее диапазона используются соответствующие гетероструктуры 2. Для ультрафиолетового, синего и зеленого излучения (0,36 мкм < λ < 0,58 мкм) наиболее эффективны гетероструктуры на основе полупроводниковых соединений в системе AlGaN/GaN/GaInN, а также ZnCdSSe/GaAs, для красного и желтого (0,58 мкм < λ < 0,69 мкм) - соединения в системе AlGaInP/GaAs, для инфракрасного ( 0,77 мкм < λ < 1,2 мкм) - соединения в системе AIGaAs/GaAs и в системе InGaAs/GaAs/AIGaAs, для инфракрасного (1,2 мкм < λ < 2,0 мкм) - соединения в системе GalnAsP/lnP, для инфракрасного (2,0 мкм < λ < 4,0 мкм) - соединения в системе AIGalnSbAs/GaAs. Предложенные настоящим изобретением конструкции эффективных излучателей 1 с направленным спонтанным излучением применимы для всех указанных диапазонов длин волн излучения и гетероструктур. Ниже будут рассмотрены примеры конкретного применения для излучателей красного излучения на основе соединений в системе AIGalnP/GaAs. В каждом из указанных диапазонов в зависимости от используемой λ и выбранной гетероструктуры должны быть подобраны соответствующие материалы для ОВ 7, удовлетворяющие условиям (1) и (12). Из полупроводниковых материалов нами могут быть предложены: для системы AIGaN/GaN/GaInN - GaN, для системы ZnCdSSe/GaAs - ZnSe, для системы AIGalnP/GaAs - GaP, для системы AIGaAs/GaAs - GaP, для системы InGaAs/GaAs/AIGaAs - GaAs и GaP, для системы GalnAsP/lnP - Si, для системы AIGalnSbAs/GaAs - Si и GaAs. Реализация данных предложений может быть успешно осуществлена с использованием разработанной в последнее время технологии "присоединения пластины" (Wafer bonding technology, см., например, [11]). Поэтому считаем, что предложенное изобретение обладает промышленной применимостью. Считаем, что признаки изобретения существенны, неочевидны и изобретение обладает изобретательским уровнем и новизной.

Изложенное выше позволило заключить, что нами решена поставленная техническая задача:
увеличение внешней эффективности, увеличение энергетической мощности, световой мощности и силы излучения, а также реализация широкого диапазона направлений вывода и существенного увеличения направленности спонтанного излучения инжекционных излучателей, в том широкого диапазона направлений вывода и существенного увеличения направленности спонтанного излучения инжекционных излучателей, в том числе многолучевых излучателей, излучательных линеек и матриц, в том числе с автономным включением каждого луча при упрощении технологий их изготовления.

Примеры конкретного исполнения
Пример 1
Предложенный излучатель 1 (см. фиг. 2, 8) состоит из двух основных элементов: гетероструктуры 2 и области выхода излучения 7. Гетероструктура 2, выращенная известным методом МОС-гидридной эпитаксии MOCVD), состоит из ограничительного слоя 4 (подслои 13 и 14), активного слоя 3, ограничительного слоя 5 (подслои 15 и 16), состав, толщины, показатели преломления, тип, концентрации легирования, и коэффициенты поглощения слоев которых, а также контактного слоя 17 и ОВ 7 приведены в таблице. Данная гетероструктура 2 с указанными в тексте изменениями была также использована в примерах 2-8 предложенного излучателя 1. Длина волны излучения λ при данном составе активного слоя 3 гетероструктуры 2 (см. таблицу) равна 604 нм.

Область инжекции 10 D_ои имела круговую форму, ее диаметр равен 3000 мкм, площадь S_ои равна 0,07065 см², а толщина равна толщине активного слоя 3 (см. таблицу). ОВ 7, выполненная из легированного n-типа фосфида галлия( GaP), имела форму усеченного прямого круглого конуса. ОВ 7 своей внутренней поверхностью (круговое основание конуса диаметром 3000 мкм) присоединялась [10] к подслою 16 ограничительного слоя 5 соосно с областью инжекции 10. Высота ОВ 7 равна 921 мкм. На другом основании конуса - наружной поверхности 9 ОВ 7 с диаметром круга, равным 2401 мкм, был выполнен известный омический контакт 12. К p-типа проводимости контактному слою 17 выполнен другой известный омический контакт 11. Отметим, что при изготовлении предложенных в настоящем изобретении инжекционных некогерентных излучателей на гетероструктурах из других полупроводниковых соединений, например, GalnAsP/lnP (см. с.20) контактный слой, предназначенный для снижения омического сопротивления излучателя, может отсутствовать. Излучатель 1 стороной омического контакта 11 с помощью, например, проводящей серебросодержащей пасты устанавливали на держатель 25 с коническими наклонными отражающими стенками 26. Омический контакт 12 через проволоку 27 присоединяли к выводу 28, а затем держатель с излучателем 1 заливался прозрачным компаундом (см. фиг. 12). К омическим контактам 11 и 12 подавали требуемое питание.

Основные параметры как для излучателя 1 по примеру 1, так и для распространения ϕ, материальный коэффициент усиления g излучения, а также угол дисперсионный расходимости Δϕ₁ для направленного спонтанного излучения были рассчитаны по специальной программе, в основу которой положен матричный метод [11] решения уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями в многослойных гетероструктурах.

Конкретно для излучателя 1 по примеру 1 с характеристиками слоев гетероструктуры 2 и ОВ 7, приведенных в таблице, было получено, что:
- эффективный показатель преломления n_эф равен 3,2921,
- угол распространения ϕ равен 18^o,
- коэффициент усиления g излучения в активном слое, достигаемый при плотности тока через устройство j равном 100 А/см², равен 391 см^-1.

- угол дисперсионной расходимости Δϕ₁ спонтанного излучения внутри ОВ 7 равен 11,6 мрад (при численном расчете принималось, что полуширина спектральной линии спонтанного излучения равна 20 нм).

Угол дифракционный расходимости Δϕ₂ (5) получен равным всего лишь 0,2 мрад и с учетом этого полный угол расходимости Δϕ (6) внутри ОВ 7 равен 11,8 мрад. Угол расходимости θ₁ в вертикальной плоскости, после выхода излучения из ОВ 7, согласно (6) равен 40,8 мрад (2,3^o). Ближнее поле излучения имеет форму кольцевой поверхности, расположенной на боковой поверхности 8 ОВ 7, ширина кольца равна 930 мкм, а общая его площадь равна 0,028 см^-2. Выходное излучение по всему периметру кольца наклонено под углом, равным углу ϕ, по отношению к плоскости активного слоя 3.

Для расчетов внешней эффективности η (10) было принято, что величина коэффициента оптических потерь σ_ои области инжекции 10 равна 5 см^-1, а значение коэффициента оптических потерь α_ов1 излучения в ОВ 7, изготовленной из GaP, принято равным 0,6 см^-1 [12]. Потери на выход спонтанного излучения через торцевые поверхности области инжекции 10 ввиду их малости в расчетах не учитывались. Коэффициенты эффективности η_вх(7),η_α(9) были соответственно равны 0,9872 и 0,9180. При расчете η_α (9) численный коэффициент μ был равен (0,5-cos ϕ, а именно 0,4756. Внешняя эффективность η излучателя 1 по примеру 1, рассчитанная с учетом принятых допущений, в соответствии с (8) была получена равной 0,8608. Энергетическая мощность спонтанного излучения Р (11), определяемая при токе J = 7,065 А, достигаемом при плотности рабочего тока 100 А/см², равна 12,5 Вт. Мощность излучения, отнесенная к единице площади ближнего поля излучения равна 83,3 Вт/см². С учетом кривой видности для излучаемой длины волны 604 нм полученная мощность 12,5 Вт соответствует световой мощности P_свет, равной 4952 лм. Сила излучения Q_свет, определяемая отношением полученной P_свет к полному телесному углу (2π•Δϕ), в котором она излучает, получена равной 19327 кд.

Пример 2
Излучатель 1 по данному примеру (см. фиг. 3, 9) отличается от излучателя 1 по примеру 1 углами наклона ψ образующих боковой поверхности 8 конусной ОВ 7 с плоскостью области инжекции 10, которые равны 126^o. Это приводит к тому, что ближнее поле излучения, имеющее форму кольца шириной 900 мкм, расположено по периферии наружной поверхности 9, а именно в местах проекций на нее боковой поверхности 8. Выход спонтанного излучения происходит в направлении, перпендикулярном к указанным местам проекций, на которые нанесены просветляющие покрытия 18. Коэффициент μ для рассматриваемого излучателя 1 равен 0,685. Это приводит к некоторому снижению коэффициента η_α, а следовательно, и коэффициента η. Остальные характеристики излучателя близки к характеристикам излучателя 1 по примеру 1.

Пример 3
Отличие излучателя 1 по данному примеру (см. фиг. 4) от излучателя 1 по примеру 2 состоит в том, что углы наклона ψ образующих боковой поверхности 5 конусной ОВ 7 с плоскостью области инжекции 10 равны 36^o. Это приводит к тому, что выход излучения происходит через свободную от контактов 11 и контактного слоя 17 внешнюю поверхность гетероструктуры 2 под прямым углом к ней. Коэффициент μ = 1,435.

Пример 4
Отличие излучателя 1 по данному примеру (см. фиг. 5, 10) от излучателя 1 по примеру 1 состоит в том, что ОВ 7 выполнена в виде круглого прямого цилиндра с диаметром D_вп, равным 3000 мкм. Это приводит к следующим последствиям. В состав такого излучателя должна входить гетероструктура 2, характеризуемая с присоединенной к ней ОВ 7, коэффициентом n_эф такой величины, для которой угол распространения ϕ (2) не должен быть больше угла σ, равного 16^o50'. В данном излучателе это было достигнуто тем, что толщина подслоев 14 и 15 увеличена до 0,1 мкм, а слоя 17 уменьшена до 0,1 мкм (см. таблицу). Это привело к уменьшению угла ϕ до значения 16^o30'. Кроме того, в отличие от предыдущих в данном излучателе спонтанное излучение испытывает многократное отражение от боковой поверхности 8, прежде чем оно выйдет из ОВ 7 ( см. фиг. 5). Число таких отражений зависит от коэффициента отражения R_н, который в свою очередь, зависит от угла падения излучения на боковую поверхность 8, равного углу ϕ. Заметим, что в прототипе [1] многопроходное излучение носит хаотичный характер, приводящий к большим потерям излучения. В отличие от этого в предложенном излучателе 1 движение лучей в ОВ 7 носит упорядоченный характер, что позволяет ему выйти из ОВ 7 с малыми потерями. Толщина ОВ 7 нами была выбрана равной 3000 мкм, что обеспечивало три отражения выходящих лучей прежде, чем они достигнут наружной поверхности 9. Просветляющего покрытия на боковой поверхности 8 не было. Угол падения излучения на боковую поверхность 8 ОВ 7 был равен 16^o30', а угол преломления его на ней был равен 79^o20'. Другие данные расчета: коэффициент g равен 391 см^-1, η_вх равен 0,9872, η_α равно 0,9098, R_н для неполяризованного спонтанного излучения равен 0,4198, а внешняя эффективность η, рассчитанная по формуле (10) для трех отражений равна 0,8098. Таким образом, при токе J равном 7,065 А (j равна 100 А/см²), Р (11) равна 11,74 Вт, Р_свет равна 4653 лм, а Q_свет равна 18276 кд.

Пример 5
Излучатель 1 по данному примеру (фиг. 6, 11) отличается от излучателя 1 по примеру 4 тем, что его ОВ 7 выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда. Внутренняя поверхность 6, так же как и область инжекции 10 имеет форму квадрата со стороной равной 300 мкм. Коэффициенты η_вх, η_α для данной модификации излучателя соответственно равны 0,9872 и 0,9720, a R_н, в отличие от предыдущих примеров, в зависимости от угла падения излучения на боковые стороны ОВ 7 в горизонтальной плоскости, изменяется в пределах от 0,3 до единицы. Наличие полного внутреннего отражения приводит к снижению внешней эффективности, однако учитывая упорядоченный характер распространения излучения в ОВ 7 и переизлучение его из области инжекции обратно в ОВ 7, можно рассчитывать, что оно будет небольшим. Угол расходимости излучения θ₂ в горизонтальной плоскости, после выхода излучения из ОВ 7, для каждой боковой стороны будет равен π Другие характеристики и особенности излучателя 1 по данному примеру схожи с излучателем 1 по примеру 4. Отметим, что излучатель 1 по примеру 5 обладает наибольшей простотой в изготовлении.

Пример 6
Излучатель 1 по данному примеру (фиг. 13, 14) отличается от излучателя 1 по примеру 1 тем, что ОВ 7 выполнена из шестигранника, внутренняя 6 и наружная 9 поверхности которого имеют формы прямоугольника. Стороны прямоугольника для внутренней поверхности 6 равны 1000х3000 мкм². Область инжекции 10 имеет те же размеры и ту же площадь. Боковые поверхности 8 шестигранника состоят из четырех граней, все они имеют одинаковый угол наклона ψ, равный 72^o. На одной из граней с меньшей площадью (выходная поверхность) выполнено просветляющее покрытие 18, на остальные - отражающие 29. В работающем устройстве падающее на эти три грани излучение отразится и под тем же углом распространения ϕ, равным 18^o, вновь возвратится в область инжекции 10. Для этого обратно отраженного излучения потери малы и, пренебрегая ими, можно принять, что большая его часть будет выведена из ОВ 7 через выходную поверхность с такой же внешней эффективностью η, как для излучателя по примеру 1. В этом случае мощность Р (11) при токе J, равном 3,0 А, будет равна 5,3 Вт. Эта мощность, приведенная на единицу площади ближнего поля излучения, равна 800,6 Вт, что почти в десять раз выше, чем для излучателя 1 по примеру 1. Углы расходимости θ₁ и θ₂ для рассматриваемого излучателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях соответственно равны 2,3 и 90^o.

Пример 7
Излучатель 1 по данному примеру (фиг. 15, 16, 17) отличается от излучателя 1 по примеру 4 тем, что на слое 5 гетероструктуры 2 с помощью барьерных областей 23 было выполнено 200 линейных последовательностей (линеек) областей инжекции 10, каждая из которых содержит 500 областей инжекции 10. Диаметр каждой области инжекции 10 равен 18 мкм и они с одинаковым шагом, равным 30 мкм, были расположены в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Каждой линейке соответствует одна, единая ОВ 30 толщиной 9 мкм. Она выполнена в форме прямых круглых цилиндров, соединенных вдоль линейки прямоугольными перемычками длиной 12 мкм и шириной 10 мкм. Основания цилиндров диаметром 18 мкм размещались соосно с областями инжекции 10. Общий размер излучателя был равен 15х6 мм². На наружные поверхности 9 единой ОВ 30 для каждой линейки были сформированы омические контакты 12 со слоями металлизации 32 к ним (200 полос). С противоположной стороны к областям инжекции 10 выполнены автономные омические контакты 31 и соединяющие их в направлении, перпендикулярном к длине линейки, слои металлизации 33 (500 полос).

При изготовлении излучателя 1 по данному примеру были использованы известные методы планарной технологии, в том числе фотолитографические процессы с двухсторонним совмещением, слой p-типа GaP выращивался в одном процессе с гетероструктурой 2, формирование ОВ 7 в виде усеченных конусов с перемычками осуществлялось ионно-лучевым травлением с химической поддержкой [13] . В процессе изготовления излучатель 1 устанавливался на фиксирующие пластины, которые на фигурах не показаны.

Проведенные для данного излучателя расчеты дали следующие результаты. Выходное излучение, направленное под углом 10^o40' к боковой поверхности 8 ОВ 7, имеет расходимость Δϕ равную 9^o10'. Коэффициент внешней эффективности η при трех отражениях равен 0,9566. Мощность Р(11) от одной области инжекции 10 при токе 1,017 мА (j равна 400 А/см²) равна 2 мВт. Каждый из 10000 луч излучения может быть включен независимо от остальных. Плотность лучей составила 11111 см^-2.

Пример 8
Отличие излучателя 1 по данному примеру (фиг. 18, 19, 20) от излучателя 1 по примеру 7 состоит в том, что вместо цилиндров были использованы круглые прямые усеченные конусы, также в одном из направлений соединенные перемычками, используемыми для подачи тока. Период расположения конусов в двух взаимно перпендикулярных направлениях был равен диаметру (30 мкм) оснований конуса, смежного с гетероструктурой 2. Излучатель 1 имел размеры 1200х7500 мкм². Гетероструктура 2 была использована с углом вытекания ϕ, равным 18^o (см. таблицу). Толщина единой ОВ 30 длиной 1200 мкм была равна 9 мкм. Число таких единых ОВ 30, входящих в излучатель, было равно 250. Со стороны, противоположной единым ОВ 30 области инжекции 10, омический контакт 11 и слой металлизации 33 были выполнены сплошными по всей поверхности гетероструктуры 2.

Выходное излучение, направленное по нормали к боковой поверхности 8 OB 30, за исключением боковых поверхностей перемычек, имело расходимость Δϕ, равную 6,2^o. Часть излучения выходила из боковой поверхности 8 ОВ 30 напрямую, а меньшая часть после отражений и переотражений от боковых поверхностей 8 соседних ОВ 30.

Коэффициенты η_вх,η_α, и R были соответственно равны 0,9872; 0,9991; 0,3, а внешняя эффективность η (8) для рассматриваемого излучателя равна 0,9535.

Мощность излучения Р (11) при протекающем суммарном токе J = 28,5 А (при j равной 400 А/см²) равна 55,78 Вт, соответственно P_свет свет = 22096 лм, а (P_свет/J) равно 775,3 лм/А, что в 8,3 раза превышает соответствующее приведенное значение световой мощности (93,2 лм/А), полученное в [1].

Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. F. A. Kish et al., Appl. Phys. Lett., v.64, No.20, pp. 2839-2841, (1994).

2. H. Sugawara et al., Jap. J. Appl. Phys., v.31, No.8, pp. 2446-2451, (1992).

3. M. Watanabe et al., US Patent, No. 5,537,433, Jul. 16. 1996.

4. S. Nakamura et al., Jap. J. Appl. Phys.Lett. v.34, L1332, (1995).

5. A.T. Semenov et al., Electron. Lett. v.29, pp. 854-857 (1993).

6. G. A. Alphonse et al., IEEE J. of Quant. Electronics, v.QE-24, pp. 2454-2457, (1988).

7. J.K. Buttler, Y. Kressel, and I. Ladany, IEEE Journ. Quant. Electron. , v. QE-11, p.402; (1975).

8. Ю. Р. Носов, "Оптоэлектроника", Москва, изд-во "Радио и связь", стр. 141, 1989.

9. Н.С. Huang et al., J. Appl. Phys. v.67, No.3, pp. 1497-1503, (1980).

10. H. Wada et al., IEEE Photon. Technol. Lett. v.8, p. 173 (1996).

11. J. Chilwall et al. , J. Opt. Sos. Amer. A, v.1, No.7, pp.742-753 (1984).

12. "Оптические свойства полупроводников" под ред. Р. Уиллардсона и А. Бира, изд-во "Мир", стр.454-458, Москва, 1970.

13.J.D. Chinn et al., J. Vac. Sci. Technol, v. A1, pp. 701-704 (1983).

Использование: оптоэлектронная техника, а именно эффективные, мощные, сверхяркие и компактные полупроводниковые диодные источники спонтанного излучения с узкой диаграммой направленности, которые применяются в устройствах отображения информации: световых указателях, светофорных приборах, полноцветных дисплеях, экранах и проекционных бытовых телевизорах; в волоконно-оптических системах связи и передачи информации, при создании медицинской аппаратуры, для накачки твердотельных и волоконных лазеров и усилителей, а также как светодиоды белого освещения взамен вакуумных ламп накаливания и электролюминесцентных ламп. Сущность изобретения: предложена оригинальная конструкция гетероструктуры, сформированная с соответствующим образом выбранными составами, толщинами, числом ее слоев и подслоев, а также оригинальное исполнение области выхода излучения, выполненной из материалов с заданными величинами их показателей преломления и соответствующими углами наклона оптических граней. Это позволило сформировать направленное спонтанное излучение с последующим эффективным выводом его области выхода. Технический результат - увеличение внешней эффективности, энергетической мощности, световой мощности и силы излучения, реализация широкого диапазона направлений вывода и увеличение направленности спонтанного излучения в инжекционных излучателях, в том числе многолучевых излучателей, излучательных линеек и матриц, в том числе с автономным включением каждого луча при упрощении технологии их изготовления. 36 з.п. ф-лы, 1 табл., 22 ил.

1. Инжекционный некогерентный излучатель, включающий гетероструктуру, содержащую активный слой с шириной запрещенной зоны, равной Еа, эВ, и два ограничительных слоя, расположенные соответственно на первой и противоположной второй поверхностях активного слоя, область инжекции носителей тока площадью S_ои, мкм², выходные поверхности, омические контакты, слои металлизации и, по крайней мере, с одной стороны активного слоя, примыкающую к соответствующему ограничительному слою, прозрачную для излучения область выхода излучения, ограниченную со стороны примыкающего ограничительного слоя наружной поверхностью, боковой поверхностью и внутренней поверхностью площадью S_вп, мкм², отличающийся тем, что активный слой сформирован, по крайней мере, из одного подслоя, ограничительные слои сформированы соответственно из ограничительных подслоев I_i и II_j, где i = 1,2,...k и j = 1,2,...m, определены как целые числа, означающие порядковый номер ограничительных подслоев, исчисляемый от активного слоя соответственно с показателями преломления n_Ii и n_IIj, в каждом ограничительном слое выполнено, по крайней мере, по одному ограничительному подслою, область инжекции выполнена, по крайней мере, одна, область выхода излучения выполнена, по крайней мере, одна и, по крайней мере, из одного слоя, характеризуемого показателем преломления n_овq, коэффициентом оптических потерь излучения α_oвq, см^-1, толщиной d_овq, мкм, где q = 1,2, ...р определены как целые числа, означающие порядковый номер слоя области выхода, исчисляемый от ее границы с гетероструктурой, причем в работающем устройстве угол, образованный с плоскостью активного слоя нормалью фронта излучения распространяющегося в области выхода излучения, и угол полного внутреннего отражения для распространяющегося излучения в области выхода излучения обозначены соответственно углом распространения ϕ и углом полного отражения σ, при этом углы ϕ и σ удовлетворяют соотношениям

а гетероструктура с присоединенной к ней областью выхода излучения охарактеризована эффективным показателем преломления n_эф, при этом величина эффективного показателя преломления n_эф и показателя преломления n_ов1 выбраны удовлетворяющими соотношениям

причем n_эфmin больше n_min, где n_эфmin - минимальное значение n_эф из всех возможных n_эф для представляющих практическую ценность множества гетероструктур с областями выхода излучения, а n_min - наименьший из показателей преломления n_Ii, n_IIj. 2. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, отличающийся тем, что толщина ограничительного слоя, смежного с областью выхода излучения, выбрана менее толщины ограничительного слоя, расположенного с противоположной стороны активного слоя. 3. Инжекционный некогерентный излучать по п.1 или 2, отличающийся тем, что показатель преломления ограничительного подслоя, смежного с областью выхода излучения, выбран более показателя преломления внешнего ограничительного подслоя, расположенного с противоположной стороны активного слоя. 4. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что размеры и площадь S_ои области инжекции выбраны не превышающими размеры и площадь S_вп внутренней поверхности области выхода излучения. 5. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что толщина слоя области выхода излучения d_овq выбрана из диапазона 1...10000 мкм. 6. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что область выхода излучения выполнена электропроводной. 7. Инжекционный некогерентный излучатель по п.6, отличающийся тем, что омический контакт сформирован к наружной поверхности области выхода излучения. 8. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, отличающийся тем, что область выхода излучения выполнена из оптически однородного материала со спектральной полосой прозрачности, включающей спектральную полосу излучения работающего излучателя. 9. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, отличающийся тем, что область выхода излучения выполнена, по крайней мере, из двух слоев, причем первый слой, граничащий с гетероструктурой, сформирован электропроводным, а второй слой выполнен из материала, имеющего более низкий коэффициент оптических потерь α_ов2, чем α_ов1 для первого слоя. 10. Инжекционный некогерентный излучатель по п.9, отличающийся тем, что второй слой выполнен изолирующим. 11. Инжекционный некогерентный излучатель по п.9, отличающийся тем, что показатель преломления n_ов2 второго слоя выбран меньше, чем показатель преломления n_ов1 первого слоя, граничащего с гетероструктурой. 12. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что, по крайней мере, один слой области выхода излучения выполнен из полупроводника. 13. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, отличающийся тем, что, по крайней мере, один слой области выхода излучения выполнен из подложки. 14. Инжекционный некогерентный излучатель по п.9, или 10, или 11, или 12, или 13, отличающийся тем, что омический контакт выполнен к первому, электропроводному слою области выхода излучения. 15. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающийся тем, что область выхода сформирована в виде, по крайней мере, одного усеченного прямого круглого конуса, одно из оснований которого расположено на смежном с ним ограничительном подслое. 16. Инжекционный некогерентный излучатель по п.15, отличающийся тем, что линейные углы наклона ψ образующих боковой поверхности области выхода излучения с ее внутренней поверхностью выбраны из диапазона от (π/2-ϕ-σ) до (π/2-ϕ+σ).
17. Инжекционный некогерентный излучатель по п.15, отличающийся тем, что линейные углы наклона ψ образующих боковой поверхности области выхода излучения с ее внутренней поверхностью выбраны из диапазона от (3π/4-ϕ/2-σ/2) до (3π/4-ϕ/2+σ/2).
18. Инжекционный некогерентный излучатель по п.15, отличающийся тем, что линейные углы наклона ψ образующих боковой поверхности области выхода излучения с ее внутренней поверхностью выбраны из диапазона от (π/4-ϕ/2-σ/2) до (π/4-ϕ/2+σ/2).
19. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающийся тем, что область выхода сформирована в виде, по крайней мере, одного прямого круглого цилиндра, одно из оснований которого расположено на смежном с ним ограничительном слое. 20. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, отличающийся тем, что область выхода сформирована в виде, по крайней мере, одного шестигранника, одно из оснований которого расположено на смежном с ним ограничительном слое. 21. Инжекционный некогерентный излучатель по п.20, отличающийся тем, что линейный угол наклона ψ, образуемый, по крайней мере, одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области выхода, выбран из диапазона от (π/2-ϕ/2-Δϕ/2) до (π/2-ϕ/2+Δϕ/2), где Δϕ - угол расходимости излучения в вертикальной плоскости. 22. Инжекционный некогерентный излучатель по п.20 или 21, отличающийся тем, что линейный угол наклона ψ, образуемый, по крайней мере, одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью выхода, выбран из диапазона от (3π/4-ϕ/2-Δϕ/2) до (3π/4-ϕ/2+Δϕ/2).
23. Инжекционный некогерентный излучатель по п.20, или 21, или 22, отличающийся тем, что линейный угол наклона ψ, образуемый, по крайней мере, одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области выхода, выбран из диапазона от (π/4-ϕ/2-Δϕ/2) до (π/4-ϕ/2+Δϕ/2).
24. Инжекционный некогерентный излучатель по п.20, или 21, или 22, или 23, отличающийся тем, что линейный угол наклона ψ, образуемый, по крайней мере, одной из боковых плоскостей шестигранника с внутренней поверхностью области выхода, выбран равным π/2.
25. Инжекционный некогерентный излучатель по п.19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, отличающийся тем, что угол распространения ϕ выбран менее угла полного отражения σ.
26. Инжекционный некогерентный излучатель по п.15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, отличающийся тем, что, по крайней мере, на части выходных поверхностей введены просветляющие покрытия. 27. Инжекционный некогерентный излучатель по п.15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, или 26, отличающийся тем, что на части выходных поверхностей введены отражающие покрытия. 28. Инжекционный некогерентный излучатель по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 12, или 13, или 14, или 15, или 16, или 17, или 18, или 19, или 20, или 21, или 22, или 23, или 24, или 25, или 26, или 27, отличающийся тем, что в гетероструктуре сформированы, по крайней мере, две области инжекции с одинаковыми углами распространения ϕ.
29. Инжекционный некогерентный излучатель по п.28, отличающийся тем, что к каждой области инжекции с внешней стороны гетероструктуры выполнен автономный омический контакт. 30. Инжекционный некогерентный излучатель по п.29, отличающийся тем, что к каждой области инжекции сформирована относящаяся к ней область выхода излучения. 31. Инжекционный некогерентный излучатель по п.28 или 29, отличающийся тем, что, по крайней мере, для части областей инжекции сформирована одна единая область выхода излучения. 32. Инжекционный некогерентный излучатель по п.28, или 29, или 30, или 31, отличающийся тем, что одинаковых размеров области инжекции упорядоченно расположены в гетероструктуре вдоль одной линии, в виде линейной последовательности областей инжекции. 33. Инжекционный некогерентный излучатель по п.32, отличающийся тем, что со стороны области выхода излучения, по крайней мере на части их наружных поверхностей, слои металлизации выполнены в виде полос, соединяющих в работающем устройстве области инжекции, входящие в линейную последовательность, по электрическому току. 34. Инжекционный некогерентный излучатель по п.32 или 33, отличающийся тем, что в гетероструктуре сформированы, по крайней мере, две линейные последовательности областей инжекции. 35. Инжекционный некогерентный излучатель по п.34, отличающийся тем, что со стороны размещения областей инжекции слои металлизации к их автономным контактам выполнены в виде полос, каждая из которых в работающем устройстве соединяет по электрическому току по одной области инжекции из каждой их линейной последовательности. 36. Инжекционный некогерентный излучатель по п.4, или 15, или 19, или 20, или 28, или 32, или 33, или 34, или 35, отличающийся тем, что область инжекции ограничена в своих размерах введенными барьерными слоями, по крайней мере вплоть до активного слоя включительно. 37. Инжекционный некогерентный излучатель по п.4, или 7, или 8, или 9, или 10, или 11, или 15, или 19, или 20, или 28, или 32, или 33, или 34, или 35, или 36, отличающийся тем, что в работающем устройстве, по крайней мере, две рядом расположенные области инжекции электрически разделены по току вплоть до изолирующего второго слоя области выхода излучения, а омические контакты указанных областей инжекции электрически соединены по току слоем металлизации.