KANDIDAATINTYÖ 2011 Jarno Luoma
Aalto-yliopisto Sähkötekniikan korkeakoulu Elektroniikan ja sähkötekniikan tutkinto-ohjelma Jarno Luoma Resonanssikammioloistediodi Kandidaatintyö 12.05.2011 Työn ohjaaja: DI Juha-Matti Hirvonen
ii AALTO-YLIOPISTO SÄHKÖTEKNIIKAN KORKEAKOULU KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Aalto-yliopisto Sähkötekniikan korkeakoulu Elektroniikan ja sähkötekniikan tutkinto-ohjelma Tekijä: Jarno Luoma Työn nimi: Resonanssikammioloistediodi Päiväys: 12.05.2011 Sivumäärä: [5+18] Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaaja: DI Juha-Matti Hirvonen Kieli: Suomi Resonanssikammioloistediodi (engl. Resonant Cavity Light Emitting Diode, RCLED) on puolijohdekomponentti, joka muodostuu resonanssikammion sisään sijoitetusta pndiodista. RCLED emittoi valoa, kun sen yli kytketään kynnysjännitettä suurempi myötäsuuntainen jännite. Resonanssikammion avulla voidaan parantaa sen emittoiman valon ominaisuuksia. Tässä kandidaatintyössä selvitetään, mitä ovat resonanssikammioloistediodit. Aluksi käydään läpi puolijohteisiin liittyvää teoriaa sekä RCLEDien rakenne ja toimintaperiaatteet. Tämän jälkeen tarkastellaan materiaaleja, joista RCLEDejä valmistetaan. Työssä perehdytään myös RCLEDien ominaisuuksiin ja sovelluskohteisiin. Avainsanat: RCLED, loistediodi, resonanssikammio
iii Sisällysluettelo Tiivistelmä Sisällysluettelo Symbolit ja määritelmät ii iii iv 1. Johdanto... 1 2. Toimintaperiaatteet... 3 2.1. Pn-liitos... 3 2.2. Resonanssikammio... 5 2.3. Peilit... 6 3. Valmistusmenetelmät ja -materiaalit... 8 4. Ominaisuudet... 10 5. Sovelluskohteet... 15 6. Yhteenveto... 16 7. Lähteet... 17
iv Symbolit ja määritelmät Symbolit ε C ε F ε V λ johtavuusvyön minimin energia Fermi-energia, elektronisysteemin ylimmän miehitetyn tilan energia valenssivyön maksimin energia aallonpituus c valonnopeus tyhjössä c = 2,9979 x 10 8 m/s L cav L p n n high n low Q R 1 R 2 W D resonanssikammion pituus valon tunkeutumissyvyys DBR-peiliin materiaalin taitekerroin Braggin peiliparin materiaalin taitekerroin, suurempi Braggin peiliparin materiaalin taitekerroin, pienempi resonanssikammion hyvyysluku resonanssikammion yläpeilin heijastuskerroin resonanssikammion alapeilin heijastuskerroin tyhjennysalueen pituus Määritelmät Akseptori DBR Donori Fononi Fotoni seostusatomi, jossa yksi elektroni vähemmän kuin seostettavan puolijohteen atomissa, lisää puolijohteen aukkotiheyttä hajautettu Braggin peili (Distributed Bragg Reflector) seostusatomi, jossa yksi elektroni enemmän kuin seostettavan puolijohteen atomissa, lisää puolijohteen elektronitiheyttä hilavärähtelykvantti säteilykvantti
v Epitaksia LASER LED MOVPE RCLED SSMBE VCSEL valmistusmenetelmä, jossa kasvatettava kerros kopioi kiderakenteensa kasvatusalustan kiderakenteesta valon vahvistus säteilyn stimuloidulla emissiolla (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) valoa emittoiva diodi, loistediodi (Light Emitting Diode) metallo-orgaaninen kaasufaasiepitaksia (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy) resonanssikammio-led (Resonant Cavity LED) kiinteälähteinen molekyylisuihkuepitaksia (Solid Source Molecular Beam Epitaxy) pinnasta emittoiva laserdiodi (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)
1 1. Johdanto Loistediodi (Light Emitting Diode, LED) on pn-diodi, joka emittoi valoa myötäsuuntaisella jännitteellä. LEDit on valmistettu materiaalista, jolla on suora kielletty energiaväli. Kielletyllä energiavälillä tarkoitetaan valenssi- ja johtavuusvyön välistä energia-aluetta, jossa elektroneilla ei ole sallittuja tiloja. Esimerkiksi galliumarsenidi (GaAs) kuuluu näihin suoran kielletyn energiavälin materiaaleihin. LEDeistä lähtevä säteily syntyy spontaanilla emissiolla. Aikaisemmin näkyvää valoa emittoivia LEDejä käytettiin pääasiassa elektronisten laitteiden merkkivaloina ja infrapunasäteilyä emittoivia kaukosäätimissä. Vuonna 1993 Shuji Nakamuran johdolla tutkijaryhmä onnistui kehittämään sinistä valoa emittoivan LEDin [1]. Tutkijaryhmä jatkoi kehitystyötään ja he onnistuivat valmistamaan sekä vihreää valoa emittoivan että lopulta myös valkoista valoa emittoivan LEDin. Tästä uraa uurtavasta tutkimustyöstä Nakamura palkittiin muun muassa vuonna 2006 suomalaisella Millennium-teknologiapalkinnolla. Näiden edellä mainittujen keksintöjen jälkeen LEDien käyttö on lisääntynyt huomattavasti. Entistä valovoimaisempia LEDejä käytetään paljon valaistuksessa ja jopa autojen ajovaloissa. Valaistuskäytössä LEDeillä on mahdollista saada merkittävää säästöä energian kulutuksessa. Esimerkiksi hehkulampun valotehokkuus on tyypillisesti 15 lm/w ja pienloistelampun 60 lm/w. Tällä hetkellä kaupallisilla LED-lampuilla valotehokkuus on noin 150 lm/w, mutta Narukawa et al. ovat mitanneet laboratoriossa valmistamansa komponentin valotehokkuuden arvoksi 249 lm/w [2]. Valaistuksen lisäksi yksi merkittävä sovelluskohde LEDeille on lyhyillä matkoilla optisessa tiedonsiirrossa. LEDien ominaisuudet ovat kuitenkin rajalliset, kun tarvitaan tehokkaampaa tai kapeammalla kaistalla säteilevää valoa, on otettava käyttöön laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Laser). Laserdiodeita on kahta eri tyyppiä, sekä reunasta että pinnasta emittoivia. Reunasta emittoivan laserdiodin esitteli ensimmäisenä R. Hall et al. vuonna 1962 [3].
2 Laserdiodi koostuu kahdesta peilipinnasta ja niiden välissä olevasta viritetystä alueesta. Viritetyllä alueella tapahtuu stimuloitu emissio, kun valo läpäisee tämän alueen stimuloiden siellä olevia elektroneja siirtymään alemmalle energiatilalle ja näin ollen vapauttamaan kukin yhden fotonin. Vapautuneella fotonilla on sama energia kuin sen vapauttaneella. Näin syntyneellä valolla on sama vaihe ja aallonpituus eli valo on koherenttia. Sädettä vahvistetaan heijastamalla sitä peilipintojen välissä edestakaisin. Toinen peilipinnoista on täysin heijastava ja toinen päästää osan säteestä pinnan läpi. Pinnasta emittoivan laserdiodin (VCSEL eli Vertical Cavity Surface Emitting Laser) esitteli ensimmäisenä vuonna 1979 H. Soda et al. [4]. VCSEL eroaa perinteisestä laserdiodista, nimensä mukaisesti siten, että se emittoi komponentin pinnasta, kun perinteinen emittoi komponentin reunasta. Lisäksi VCSEL:n säteilemän valon kaukokenttä on pyöreä, kun taas perinteisellä laserdiodilla se on enemmän ellipsin muotoinen. Resonanssikammioloistediodi (engl. Resonant Cavity Light Emitting Diode, RCLED) on loistediodi, jossa valoa emittoiva alue on resonanssikammion sisällä. Kirjallisuudessa resonanssikammiosta käytetään myös ilmaisua resonanssikaviteetti. RCLED emittoi valon komponentin pinnasta, kuten edellä mainittu VCSEL. Resonanssikammion avulla pystytään parantamaan RCLEDissä syntyvän spontaanin säteilyn ominaisuuksia. Resonanssikammio-LEDin idean esitti ensimmäisenä E.F. Schubert et al. [5]. RCLED on osoittautunut mahdolliseksi vaihtoehdoksi sovelluksiin, joihin perinteisten LEDien suorituskyky ei riitä, ja joihin laserit eivät kuitenkaan sovellu. Tällaisia sovelluskohteita ovat esimerkiksi lyhyiden yhteyksien optinen tiedonsiirto, laserkirjoittimet ja viivakoodinlukijat. [6] Tämän kandidaatintyön aiheena on resonanssikammioloistediodi. Aluksi työssä esitellään puolijohteisiin liittyvää teoriaa ja RCLEDin toimintaperiaatteet. Luvussa 3 perehdytään RCLEDien valmistukseen: materiaaleihin ja valmistusmenetelmiin. Luvussa 4 tarkastellaan RCLEDien ominaisuuksia ja luvussa 5 tutustutaan RCLEDien sovelluskohteisiin.
3 2. Toimintaperiaatteet 2.1. Pn-liitos Puolijohdekomponentin perustana on mahdollisimman puhdas ja virheetön kide, joka voi olla esimerkiksi piitä (Si) tai galliumarseenia (GaAs). Tähän puhtaaseen puolijohteeseen voidaan seostaa hyvin pieniä määriä sopivia epäpuhtausatomeja, joilla voidaan vaikuttaa puolijohteessa olevien varauksenkuljettajien määrään. Jos halutaan valmistaa n-tyypin puolijohdetta, tarvitaan epäpuhtausatomeja, joilla on yksi elektroni enemmän kuin aineella, johon seostus tehdään. Näitä epäpuhtausatomeja kutsutaan donoreiksi. Vastaavasti jos halutaan valmistaa p-tyypin puolijohdetta, siihen lisätään akseptoreita. Akseptorit ovat atomeja, joissa on yksi elektroni vähemmän kuin seostettavassa puolijohteessa. Donorit lisäävät siis puolijohteessa elektronitiheyttä ja akseptorit aukkotiheyttä. Esimerkiksi piin (Si) tapauksessa tyypillisiä n-tyypin seostusaineita ovat V-ryhmän alkuaineet, kuten fosfori (P) ja arseeni (As). Akseptoreina piille toimivat III-ryhmän alkuaineet, joita ovat esimerkiksi boori (B) ja indium (In). Galliumarseenin (GaAs) tapauksessa asia ei ole aivan yksiselitteinen, koska kyseessä on yhdiste. Kuitenkin tavanomaisilla seostustasoilla donoreina toimivat VI-ryhmän alkuaineet ja akseptoreina II-ryhmän alkuaineet. Voimakkaalla seostuksella myös IV-ryhmän aineet saattavat toimia akseptoreina, jos ne ottavat puolijohdekiteessä arseenin paikan. [7] Pn-liitos muodostuu, kun liitetään yhteen p-tyypin ja n-tyypin puolijohde. Liitoksessa tapahtuu elektronien ja aukkojen diffuusiota rajapinnan yli, kun elektroni- ja aukkokonsentraatiot pyrkivät tasoittumaan. N-tyypin puolijohteesta siirtyy elektroneja p-tyypin puolijohteeseen ja vastaavasti p-tyypin puolijohteesta siirtyy aukkoja rajapinnan yli n-tyypin puolelle. Näin rajapinnan läheisyyteen muodostuu varauksenkuljettajista vapaa tyhjennysalue, jonka pituus on W D. Kuvassa 1 on esitetty pn-liitoksen energiavyödiagrammi. Kun p- ja n-tyyppiset puolijohteet liitetään yhteen, liitoskohtaan syntyy potentiaalivalli. Aukkojen ja elektronien siirryttyä rajapinnan yli
4 syntyy liitokseen p-tyypin puolelle negatiivinen ja n-tyypin puolelle positiivinen varaus. Nämä varaukset kumoavat alkuperäiset erot p- ja n-tyypin puolijohteiden Fermi-energioissa ε F. Näin ollen Fermi-energia, joka tarkoittaa elektronisysteemin ylimmän miehitetyn tilan energiaa, on vakio koko pn-liitoksessa (Kuva 1a). [7] a) b) Kuva 1. Pn-liitoksen energiavyödiagrammi (a) ilman jännitettä ja (b) myötäsuuntaisella jännitteellä V. [7, 8] Pn-diodi on puolijohdekomponentti, joka muodostuu pn-liitoksesta. Pn-diodi johtaa virtaa, kun sen yli asetetaan kynnysjännitettä suurempi myötäsuuntainen jännite. Estosuuntaan kytketty diodi ei johda virtaa lukuunottamatta erittäin pientä vuotovirtaa. Perinteinen loistediodi (LED) on rakenteeltaan pn-diodi. LEDin toiminta perustuu spontaaniin emissioon, joka tapahtuu pn-liitoksessa. Ensin pn-liitoksen yli asetetaan myötäsuuntainen jännite. Tällöin on mahdollista, että liitoksessa tapahtuu säteilevä rekombinaatio eli elektroni siirtyy johtavuusvyöstä valenssivyöhön ja tapahtumasta vapautuva energia näkyy emittoituvana fotonina (Kuva 2). Yleensä tähän elektronin siirtymiseen tarvitaan suoran kielletyn energiavälin materiaali. Suoran kielletyn energiavälin materiaalissa rekombinaatioita voi tapahtua heti, kun fotonin energia ħω on suurempi kuin kielletty energiaväli. Jos aineen kielletty energiaväli on epäsuora, elektronin siirtymiseen tarvitaan fotonin lisäksi myös fononi, joka on hilavärähtelykvantti. Fotonin ja fononin esiintyminen yhdessä on harvinaisempaa kuin fotonin esiintyminen yksin. Tästä johtuen epäsuoran kielletyn energiavälin aineet eivät sovellu LEDien valmistusmateriaaleiksi niin hyvin kuin suoran kielletyn energiavälin aineet. [7]
5 a) b) Kuva 2. Elektronin siirtyminen johtavuusvyöstä valenssivyöhön, kun puolijohteella on (a) suora ja (b) epäsuora kielletty energiaväli. 2.2. Resonanssikammio Optisen resonanssikammion muodostavat kaksi samansuuntaista peilipintaa, joiden välissä valo heijastuu edestakaisin. Tällaista kammiota kutsutaan myös Fabry-Perotkammioksi keksijöidensä Charles Fabryn ja Alfred Perot'n mukaan. Heidän 1800- luvun lopulla rakentamassaan laitteessa peilien välinen etäisyys eli kammion pituus L cav oli suuri verrattuna aallonpituuteen. Kun resonanssikammion pituus on aallonpituuden suuruusluokkaa, siitä käytetään myös nimitystä mikrokammio (engl. microcavity). [8, s.241] RCLEDissä resonanssikammion muodostavat peilit sijaitsevat pn-diodin aktiivialueen ylä- ja alapuolella. Yksinkertaistettu kaavio RCLEDistä on esitetty kuvassa 3, johon on merkitty resonanssikammion pituus sekä peilit ja niiden välissä oleva aktiivialue. Alimmaisena kuvassa näkyy substraatti eli komponentin pohjamateriaali, joka toimii kasvatusalustana puolijohdekomponentin muille rakenneosille. Resonanssikammion yläpeili ei ole täysin heijastava, vaan se päästää osan valosta läpi. Kuvassa normaalit peilit on korvattu hajautetuilla Braggin peileillä, joista kerrotaan tarkemmin luvussa 2.3.
6 Kuva 3. Yksinkertaistettu kaaviokuva RCLEDistä. Kuvassa näkyvät resonanssikammion pituus L cav sekä aktiivialueen ylä- ja alapuolella olevat hajautetut Braggin peilit (DBR). 2.3. Peilit RCLEDin resonanssikammion peileissä käytetään usein hajautettuja Braggin peilejä (engl. distributed Bragg reflector, DBR). Tällaiset hajautetut peilit koostuvat useasta kerroksesta. Kerroksiin käytetään kahta eri materiaalia, jotka vuorottelevat. Kerrokset pyritään valmistamaan materiaaleista, joilla on mahdollisimman suuri ero taitekertoimissa. Näiden materiaalien taitekertoimista suurempaa merkitään n high :lla ja pienempää n low :lla. Kaksi tällaista kerrosta, jotka on tehty eri aineista, muodostavat niin kutsutun Braggin peiliparin. Peilipareissa käytettyjen materiaalien täytyy olla myös mahdollisimman läpinäkyviä käytetylle aallonpituudelle eli valo ei saa absorboitua niihin. Hajautettuun peiliin saapuvasta valosta osa heijastuu kahden eri taitekertoimen omaavan aineen rajapinnasta. Peilipari ei siis ole täysin heijastava, vaan osa valosta pääsee rajapinnan läpi (Kuva 4). Kun rajapintoja on useita, saadaan riittävän suuri heijastus aikaiseksi. Aktiivialueen yläpuolella olevassa peilissä heijastuskertoimen ei tarvitse olla niin suuri kuin alapeilissä, koska valo tulee RCLEDistä ulos yläpeilin kautta.
7 Kuva 4. Valon heijastuminen hajautetuissa Braggin peileissä. [9] Resonanssikammion hajautetuissa Braggin peilipinnoissa olevien materiaalikerrosten paksuuksien täytyy olla λ/4 tai sen pariton monikerta, jotta kaikki heijastuneet aallot olisivat samassa vaiheessa ja vahvistaisivat toisiaan. Tällaista aaltoliikettä vahvistavaa ilmiötä kutsutaan konstruktiiviseksi interferenssiksi. Kuvassa 5 on esitetty hopeasta valmistetun tavallisen peilin ja GaAs/AlAs DBR:n heijastuskertoimet aallonpituuden funktiona. Kuva 5. Vasemmalla GaAs/AlAs valmistetun hajautettun Braggin peilin ja oikealla hopeasta valmistetun tavallisen peilin heijastuskertoimet aallonpituuden funktiona. [8, s.170] Kuvasta havaitaan, että tavallisella peilillä heijastuskerroin on korkea laajalla kaistalla, mutta hajautettu peili heijastaa hyvin vain kapealla kaistalla. Hajautettu peili on suunniteltu heijastamaan 870 nm infrapunasäteilyä ja siinä on käytetty 25
8 peiliparia ja kerroksen paksuutena λ/4. Jos peiliparien kerroksien paksuutta kasvatetaan eli paksuutena käytetään jotain λ/4:n paritonta monikertaa (esimerkiksi 3λ/4 tai 5λ/4), niin hajautetun peilin heijastava kaista kapenee entisestään. 3. Valmistusmenetelmät ja -materiaalit RCLEDin valmistus aloitetaan valitsemalla substraatin materiaali. Kuten luvussa 2.1 jo todettiin, loistediodin valmistukseen käytetään yleensä ainetta, jolla on suora kielletty energiaväli. Tällaisessa aineessa rekombinaatioiden syntyminen on todennäköisempää eli se säteilee valoa todennäköisemmin kuin aine, jolla on epäsuora kielletty energiaväli. Valitun substraatin päälle kasvatetaan puolijohdekerrokset yksi kerrallaan. Tämä kerrosten kasvatus voidaan tehdä esimerkiksi metallo-organisella kaasufaasiepitaksialla (engl. Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE) tai kiinteälähteisellä molekyylisuihkuepitaksialla (engl. Solid Source Molecular Beam Epitaxy, SSMBE). Tällä hetkellä tiettävästi Suomen ainoa MOVPE-laitteisto on Micronovassa Otaniemessä. MOVPE-menetelmässä substraattia pidetään reaktorissa korkeassa lämpötilassa. Reaktoriin ohjataan kantajakaasua, johon on sidottu kasvatettavaan kerrokseen tarvittavat materiaalit. Kun kaasu kohtaa korkeassa lämpötilassa olevan substraatin, kaasuun sekoitetut kasvatusmateriaalin atomit tarttuvat substraatin pintaan muodostaen ohuen kerroksen. Muodostuvan kerroksen paksuus määräytyy kasvunopeuden, lämpötilan ja lähtöaineiden määrien perusteella. SSMBEmenetelmässä kasvatettava aine laitetaan kiinteässä olomuodossa uuniin. Uunissa aineen lämpötilaa nostetaan, kunnes aine höyrystyy. Näin saadaan aikaan terminen molekyylisuihku, joka ohjataan substraatin pinnalle. Kummassakin menetelmässä kasvatettava kerros kopioi kidejärjestyksen kasvatusalustasta, tästä tulee nimi epitaksinen kasvatus. Kummallakin edellä mainitulla menetelmällä päästään myös hyvin tarkkoihin kerrospaksuuksiin, mikä on välttämätöntä resonanssikammion ja
9 hajautettujen peilien valmistuksessa. Näin ollen kumpikin menetelmä soveltuu RCLEDin valmistukseen. [7] Tällä hetkellä tärkeimpiä näkyvää valoa emittoivien LEDien aktiivialueen valmistusmateriaaleja ovat AlGaInP ja GaInN. AlGaInP-yhdistettä käytetään punaisen, oranssin ja keltaisen valon alueilla. Se kehitettiin 1980- ja 1990-lukujen vaihteessa. GaInN-yhdiste taas soveltuu parhaiten sinisen ja vihreän valon alueelle. Siitä valmistetut LEDit tulivat markkinoille 1990-luvun loppupuolella. UV-alueella eli alle 390 nm aallonpituuksilla käytetään useimmiten materiaalina AlGaInNyhdistettä. [8] Hajautetuissa Braggin peileissä käytettävien materiaalien täytyy olla läpinäkyviä sille valon aallonpituudelle, jolle RCLED on suunniteltu. Muutoin osa säteilevästä valosta absorboituu peilien materiaaleihin ja komponentista ulos lähtevän valon intensiteetti pienenee. Taulukossa 1 on esitetty muutamia peilipareissa käytettäviä materiaaleja, niiden taitekertoimet (n low ja n high ), taitekertoimien erotus ( n) ja aallonpituusalueet, joilla ne eivät häiritse valon etenemistä. Taulukko 1. Näkyvän valon alueella ja infrapuna-alueella hajautetuissa Braggin peileissä käytettäviä materiaaleja. [8, s.177] Materiaalit Braggaallonpituus n low n high n Läpinäkyvyys Al 0,5 In 0,5 P/GaAs 590 nm 3,13 3,90 0,77 > 870 nm (*) Al 0,5 In 0,5 P/Ga 0,5 In 0,5 P 590 nm 3,13 3,74 0,61 > 649 nm (*) Al 0,5 In 0,5 P/(Al 0,3 Ga 0,7 ) 0,5 In 0,5 P 615 nm 3,08 3,45 0,37 > 592 nm Al 0,5 In 0,5 P/(Al 0,4 Ga 0,6 ) 0,5 In 0,5 P 590 nm 3,13 3,47 0,34 > 576 nm Al 0,5 In 0,5 P/(Al 0,5 Ga 0,5 ) 0,5 In 0,5 P 570 nm 3,15 3,46 0,31 > 560 nm AlAs/GaAs 900 nm 2,97 3,54 0,57 > 870 nm SiO 2 /Si 1300 nm 1,46 3,51 2,05 > 1106 nm (*) materiaali absorboi säteilyä Bragg-aallonpituudella
10 Kun RCLEDissä oleva pn-diodi emittoi valoa, se muodostaa seisovan aallon resonanssikammion peilien väliin. Koska kammion muodostavat DBR-peilit eivät ole ideaalisia, valo tunkeutuu vähän matkaa peilien sisään. Valon tunkeutumissyvyys peiliin voidaan laskea seuraavalla kaavalla [9]: L p λ n = 2 2n low mid n (1) missä L p on valon tunkeutumissyvyys, λ on aallonpituus, n low on peiliparin materiaalien taitekertoimista pienempi, n mid on peiliparin materiaalien taitekertoimien keskiarvo ja n on taitekertoimien erotus. Näin ollen mikrokammion efektiivinen pituus ei ole täsmälleen sama kuin valmistusvaiheessa kasvatetun kammion pituus. Tämä täytyy ottaa huomioon mikrokammion suunnittelussa, jotta saadaan halutun pituinen seisova-aalto aikaiseksi. 4. Ominaisuudet RCLEDin spektrin ominaisuudet määräytyvät resonanssikammion perusteella [10]. Lott et al. vuonna 1993 tekemistä mittauksista (Kuvat 6 ja 7) nähdään kuinka suuri vaikutus mikrokammiolla on LEDin lähettämän valon kaistanleveyteen. Kuvassa 6 on esitetty perinteisen LEDin ja RCLEDin spektrit. Käyrät on normalisoitu siten, että niiden huiput ovat yhtä korkeat. LEDien aktiivialueet ovat identtiset. RCLEDissä on alapeilinä 39,5 kerroksinen ja yläpeilinä 30- kerroksinen hajautettu Braggin peili. Peiliparien materiaaleina ovat AlAs (n low ) ja AlGaAs (n high ). Tavallisen LEDin lähettämän valon kaistanleveys on 17 nm ja RCLEDin kaistanleveys on 0,9 nm. Kuvassa 7 on esitetty RCLEDin lähettämän valon kaistanleveys yläpeilin peiliparien lukumäärän funktiona. Alapeili on kaikissa tapauksissa sama eli 39,5-kerroksinen ja sen heijastavuus on yli 99 %. Yläpeilin laskettu heijastavuus vaihtelee, pienimmillään se on 88 % kymmenellä peiliparilla, mutta jo 15 parilla päästään yli 96 % lukemiin. [11]
11 Kuva 6. Normalisoitu spektri tavalliselle LEDille (katkoviiva) ja RCLEDille, jossa on 30 peiliparia (yhtenäinen viiva). [11] Kuva 7. RCLEDin lähettämän valon kaistanleveys peiliparien lukumäärän funktiona. [11]
12 Kuten edellä mainituista tuloksista käy ilmi, resonanssikammion vaikutus RCLEDin lähettämän valon kaistanleveyteen on merkittävä. Usein resonanssikammion taajuusominaisuuksia kuvataan hyvyysluvulla Q, joka on komponentista lähtevän valon taajuus jaettuna valon huipun puoliarvon leveydellä. Hyvyysluku lasketaan kaavalla [8]: Q = ν 2nL = ν λ cav π 4 1 R R 1 1 2 R R 2 2nL λ cav 1 π R R 1 2 (2) missä ν on valon taajuus, ν on huipun puoliarvon leveys, n on aineen taitekerroin, L cav on resonanssikammion pituus sekä R 1 ja R 2 ovat peilien heijastuskertoimet. Resonanssikammio vaikuttaa myös RCLEDin lähettämän valon kaukokentän muotoon. Muuttamalla kammion ominaisuuksia saadaan eri käyttötarkoituksiin soveltuvia komponentteja. Mahdollisimman suuri säteilyn intensiteetti saavutetaan sydämen muotoisella (engl. double-loped) kaukokenttäkuviolla. Tällainen kaukokenttä ei kuitenkaan sovi esimerkiksi tiedonsiirtoon optisilla kuiduilla, koska sen kuitukytkennän hyötysuhde on pieni. Optisilla kuiduilla tapahtuvaan tiedonsiirtoon tarkoitetun RCLEDin kaukokentästä pyritään tekemään mahdollisimman kapea. Tällöin suurin osa lähtevästä valosta saadaan ohjattua kuituun. [6] Yksi tärkeä syy, miksi LEDien käyttöä suositaan verrattuna lasereihin, on niiden luotettavuus. Schubert ja Hunt tutkivat RCLEDien luotettavuutta mittaamalla niiden toimintaa 15 000 tunnin ajan. Kuvassa 8 on esitetty huoneenlämpötilassa kahdelle erityyppisille RCLEDeille tehtyjen mittauksien tulokset. Kuvasta nähdään, että pinnaltaan tasaiseksi (engl. planar) jätettyjen komponenttien säteilemä valo ei heikentynyt, mutta reunoilta syövytetyt (engl. mesa-etched) komponentit alkoivat menettää valotehoaan noin tuhannen tunnin jälkeen. [12]
13 Kuva 8. Kahden reunoilta syövytetyn (mesa-etched) ja kahden pinnaltaan tasaisen RCLEDin lähettämän valon intensiteetti ajan funktiona. RCLEDejä käytettiin 7,5 ma tasavirralla huoneenlämmössä. [12] Schubert ja Hunt tekivät myös toisen koejärjestelyn, jossa mitattiin 25:n pinnaltaan tasaisen RCLEDin valon intensiteetti ja laskettiin tuloksista keskiarvo. Mittauksien ajan RCLEDejä käytettiin 7,5 ma virralla lämpötilan ollessa 50 C. Tämän mittauksen tulokset on esitetty kuvassa 9. Kuvasta nähdään, että mitattujen RCLEDien valon intensiteetti heikentyy vain 0,88 % tuhatta tuntia kohden. Nämä edellä esitellyt mittaustulokset osoittavat, että RCLEDien perinteisiä LEDejä monimutkaisempi rakenne ei kärsi luotettavuusongelmista, kunhan käytetään planaarisia komponentteja. [12]
14 Kuva 9. 25:n pinnaltaan tasaisen RCLEDin lähettämän valon intensiteetin keskiarvo ajan funktiona. RCLEDejä käytettiin 7,5 ma tasavirralla lämpötilan ollessa 50 C. [12] RCLEDien rakenne on monimutkaisempi kuin perinteisillä LEDeillä. Näin ollen RCLEDien valmistus on hieman vaikeampaa, mikä vaikuttaa myös niiden myyntihintaan. Tosin RCLEDien hinnoista ja saatavuudesta ei ole tarkkoja tietoja, koska valmistajat eivät useinkaan ilmoita onko kyseessä juuri RCLED vai jokin muu LED. He ilmoittavat valmistamiensa LEDien teknisissä tiedoissa vain niiden tärkeimmät ominaisuudet, mutta komponenttien rakenne jää kertomatta.
15 5. Sovelluskohteet Nykypäivänä tiedonsiirrossa käytetään paljon optisia kuituja. Varsinkin lyhyillä matkoilla käytetään muovista valmistettuja kuituja (engl. Plastic Optical Fibre, POF), jotka ovat edullisia ja helppokäyttöisiä. Optiseen tiedonsiirtoon tarvitaan kuidun lisäksi myös luotettava ja halpa valonlähde, jolla päästään riittävän suuriin siirtonopeuksiin. Aikaisemmin tähän tarkoitukseen on käytetty perinteisiä LEDejä ja laserdiodeita. Kuvassa 10 on verrattu perinteisen LEDin ja RCLEDin spektrejä, kun ne on liitetty optiseen kuituun. Komponentit on valmistettu samoista materiaaleista, joten ne eroavat vain RCLEDissä olevan resonanssikammion osalta. Kuvasta nähdään, että RCLEDin resonanssikammio parantaa valon intensiteettiä ja kaventaa spektriä. Näin ollen RCLED tarjoaa perinteiseen LEDiin verrattuna paremman hyötysuhteen ja siirtonopeuden. Laserdiodiin verrattuna RCLEDillä on pienemmät valmistuskustannukset ja se on myös luotettavampi. [13, 14] Kuva 10. Optiseen kuituun liitettyjen RCLEDin ja perinteisen LEDin spektrit. Kummankin komponentin valmistusmateriaalina on GaInP/AlGaInP. [8, 13]
16 Edellä mainittujen etujen lisäksi RCLEDillä on laserdiodia pienempi tehonkulutus, koska ne eivät tarvitse kynnysvirtaa, joka lasereissa tarvitaan ylläpitämään stimuloitua emissiota [10]. Näin ollen RCLEDin varmasti yksi tärkeimmistä sovelluskohteista on juuri optinen tiedonsiirto. Muita sovelluskohteita RCLEDeille ovat esimerkiksi viivakoodinlukijat ja laserkirjoittimet [6]. 6. Yhteenveto Resonanssikammioloistediodi (RCLED) on puolijohdekomponentti, joka muodostuu resonanssikammion sisään sijoitetusta pn-diodista. RCLED emittoi valoa, kun sen yli kytketään kynnysjännitettä suurempi myötäsuuntainen jännite. Resonanssikammion avulla voidaan parantaa loistediodin emittoiman valon ominaisuuksia. RCLEDin idean esitti ensimmäisenä E. F. Schubert et al. [5] vuonna 1992. Resonanssikammion muodostavat kaksi samansuuntaista peiliä. RCLEDissä peileinä käytetään usein hajautettuja Braggin peilejä (DBR). Resonanssikammion sisään sijoitetusta pn-diodista emittoituva valo heijastuu peilien välissä edestakaisin. DBRpeilit on suunniteltu siten, että heijastuneilla aalloilla on sama aallonpituus ja vaihe. Näin ollen ne vahvistavat toisiaan. Toinen peileistä ei ole täysin heijastava, vaan päästää osan tästä vahvistuneesta valosta läpi. Tämän valoa vahvistavan ominaisuuden lisäksi resonanssikammio vaikuttaa myös RCLEDin lähettämän valon kaistanleveyteen ja kaukokentän muotoon. Perinteiseen LEDiin verrattuna RCLEDin emittoimalla valolla on suurempi intensiteetti ja kapeampi spektri. Laserdiodilla edellä mainitut ominaisuudet ovat kuitenkin RCLEDiä paremmat. Toisaalta RCLEDillä on laserdiodia pienemmät valmistuskustannukset ja matalampi tehonkulutus. Voidaankin todeta, että RCLED on mahdollinen vaihtoehto sovelluskohteisiin, joihin perinteisten LEDien suorituskyky ei riitä, ja joihin laserit eivät kuitenkaan sovellu.
17 7. Lähteet [1] Nakamura, S. & Senoh, M. & Mukai, T. P-GaN/N-InGaN/N-GaN doubleheterostructure blue-light-emitting diodes. Japanese Journal of Applied Physics, 1993, vol. 32. S L8-L11. ISSN 00214922. [2] Narukawa, Y. & Ichikawa, M. & Sanga, D. & Sano, M. & Mukai, T. White light emitting diodes with super-high luminous efficacy. Journal of Physics D: Applied Physics, 2010, vol. 43:35. ISSN 0022-3727. DOI 10.1088/0022-3727/43/35/354002. [3] Hall, R.N. & Fenner, G.E. & Kingsley, J.D. & Soltys, T.J. & Carlson, R.O. Coherent Light Emission from GaAs Junctions. Physical Review Letters, 1962, vol. 9:9. S. 366-368. [4] Soda, H. & Iga, K. & Kitahara, C. & Suematsu, Y. GaInAsP/InP surface emitting injection lasers. Jpn. J. Appl. Phys., 1979, vol. 18. S. 2329-2330. [5] Schubert, E.F. & Wang, Y.-H. & Cho, A.Y. & Tu, L.-W. & Zydzik, G.J. Resonant cavity light-emitting diode. Applied Physics Letters, 1992, vol. 60:8. S. 921-923. ISSN 0003-6951. [6] Köngäs, J. Resonanssikaviteetti-LED:n valmistus ja karakterisointi. Diplomityö. Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, sähkötekniikan osasto. Tampere. 1998. 80 s. [7] Sinkkonen, J. Puolijohdeteknologian perusteet. Otaniemi, Suomi : TKK, 1996. 297 s. (Reports in electron physics / Teknillinen korkeakoulu 1996/11). ISBN 951-22-3242-1.
18 [8] Schubert, E.F. Light emitting diodes. 2nd ed. Cambridge, UK : Cambridge University Press, 2006. 422 s. ISBN 978-0-521-86538-8. [9] Benisty, H. & De Neve, H. & Weisbuch, C. Impact of Planar Microcavity Effects on Light Extraction - Part I: Basic Concepts and Analytical Trends. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1998, vol. 34:9. S. 1612-1631. ISSN 0018-9197. DOI 10.1109/3.709578. [10] Ünlü, M.S. & Strite, S. Resonant cavity enhanced photonic devices. Journal of Applied Physics, 1995, vol. 78:2. S. 607-639. ISSN 0021-8979. DOI 10.1063/1.360322. [11] Lott, J.A. & Schneider Jr., R.P. & Vawter, G.A. & Zolper, J.C. & Malloy, K.J. Visible (660 nm) Resonant Cavity Light-Emitting Diodes. Electronics Letters, 1993, vol. 29:4. S. 328-329. ISSN 00135194. [12] Schubert, E.F. & Hunt, N.E.J. 15 000 hrs stable operation of resonant cavity light emitting diodes. Applied Physics A: Materials Science and Processing, 1998, vol. 66:3. S. 319-321. ISSN 09478396. [13] Streubel, K. & Helin, U. & Oskarsson, V. & Bäcklin, E. & Johansson, Å. High Brightness Visible (660 nm) Resonant-Cavity Light-Emittind Diode. IEEE Photonics Technology Letters, 1998, vol. 10:12. S. 1685-1687. ISSN 1041-1135. DOI 10.1109/68.730469. [14] Streubel, K. & Stevens, R. 250 Mbit/s plastic fibre transmission using 660 nm resonant cavity light emitting diode. Electronics Letters, 1998, vol. 34:19. S. 1862-1863. ISSN 0013-5194. DOI 10.1049/el:19981291.