LED Light Emitter Diode

LED
Vengono indicati col termine LED (acronimo per Light Emitter Diode) dispositivi composti
da un diodo emettitore di luce spontanea quindi anche se molto intensa è incoerente sia dal punto di
vista spaziale che spettrale.
Le applicazioni sono molteplici:
Visive: display, soprattutto in quelli a sette segmenti
Telecomunicazioni: pilotaggio delle fibre di breve distanza (rete di accesso) a basso costo
Il LED vengono classificati in base al TIPO DI EMISSIONE:
SLED (acronimo per Surface LED): emettono
attraverso un buco posto sulla superficie.
Sono quelli incapsulati nel cappuccetto di
plastica, che funziona da lente focalizzatrice (in
quanto grazie alla superficie arrotondata e un
indice di rifrazione maggiore di quello del vuoto,
la luce viene collimata). Di questo fatto ce ne
rendiamo facilmente conto in quanto guardando
un led lateralmente la luce da esso prodotta non
si vede.
ELED (acronimo per Edge LED): emettono
dalla superficie laterale
STRUTTURA DEL DISPOSITIVO LED
In generale i led, e solo i led, vengono montati capovolti. Vediamo perché:
La struttura normale di un dispositivo, detta P-SIDE-UP è:
Metal
p clad
10-20 µm
n clad
n+
substrato
Fig. 0
300 µm
Metal
Il problema è che nel led ci può passare
anche una corrente elevata e quindi dissipare
molto calore, dobbiamo allora fare in modo di
diminuire il più possibile la resistenza termica
tra il centro dell’area attiva e il pozzo termico, la
metal inferiore (freccia marcata). Allora date le
grosse dimensioni del substrato è conveniente
capovolgere la struttura, vedi figura 1,
realizzando il cosiddetto P-SIDE-DOWN, in
modo tale che la distanza tra l’area attiva e la
metal inferiore sia ridotta.
SLED
Surface LED
(LED Superficiali)
La metallizzazione superiore deve
avere una forma ad anello in modo da
essere in grado di far uscire il fascio di
luce, che altrimenti verrebbe opacizzato.
La corrente si distribuisce in modo tale da
essere massima proprio nella zona al di
sopra dell’area attiva
OSCILLAZIONE LASER:
Nonostante le superfici laterali del dispositivo siano riflettenti ( in quanto non sono certo
state passivate) non si può instaurare una oscillazione laser nelle quattro direzioni a croce dato che
la zona a forte guadagno è limitata soltanto all’area attraversata dalla forte intensità di corrente, che
favorisce l’inversione di popolazione. Tale intensità di corrente viene consumata tutta
dall’emissione spontanea. L’emissione di tipo spontaneo avviene in tutte le direzioni dell’angolo
solido, ma si mantiene solo nella zona di guadagno; al di fuori le zone non sono pompate e non
fanno altro che assorbire i fotoni, ovvero le perdite sono ben superiori al guadagno, e quindi non si
potrà mai instaurare l’oscilllazione laser.
FINESTRE
La struttura in figura 1 non può lavorare in prima finestra. Ricordando il diagramma del Gap
in funzione della costante reticolare abbiamo detto che in prima finestra veniva utilizzato
l’Arseniuro di Gallio come area attiva, e l’Arseniuro di Gallio Alluminio , ad ampio Gap e quindi
trasparente alla luce, come cladding; ma il tutto doveva poggiare su un substarto di GaAs. In una
struttura a P-side-down di questo tipo dunque la luce spontanea che viene emessa dall’Arseniuro di
Gallio è naturalmente assorbita dall’GaAs che non è pompato, e quindi il substrato non risulterebbe
essere trasparente alla luce.
Per lavorare in prima finestra
dunque è necessario realizzare una
struttura del tipo in figura 2, che
vediamo essere identica alla
precedente ma nella quale è stato
praticato uno scasso, per erodere il
substrato di Arsenuiro di Gallio ed
andare a raggiungere il buffer o il
cladding. Questo può essere utile
perché il buco al centro è un ottimo
alloggiamento per l’innesco della
fibra. L’innesco può addirittura essere
autocentrante se riusciamo a fare bene
la tecnologia.
Fig. 2
La struttura in figura 1 invece
può lavorare benissimo in seconda e
terza finestra dato che abbiamo visto che in tali finestre si faceva il cladding e il substrato di Fosfuro
di Indio, e l’area attiva di quaternario InAsGaP. Quindi il substrato, essendo a gap più ampio
dell’area attiva è trasparente alla luce che da esso proviene.
Non è quindi necessario lo scavo per i diodi che
lavorano in seconda e terza finestra. Anzi, in figura
3 vediamo la stessa struttura della 1 in cui è stato
sfruttato il substrato di Fosfuro di Indio per
integrare una lente focalizzatrice per la luce
spontanea emessa.
Fig. 3
ELED
Edge Led (LED Laterali)
Volendo realizzare una struttura di tipo laterale e
in modo tale che emetta quanta più luce spontanea
possibile è necessario eliminare la reazione che
comporterebbe l’innescarsi dell’oscillazione laser.
Queste considerazioni valgono anche per
costruire un amplificatore ottico a semiconduttore, nel
quale come ben sappiamo, è necessario eliminare la
reazione.
1° SOLUZIONE
strati anti-riflettenti
trasparenti ma che
impediscano la riflessione
area
attiva
metal
Fig. 4
Tali strati antiriflettenti potrebbero essere costituiti da Nitruri di Silicio o vetri deposti da fase
vapore, ma una soluzione di questo tipo però implicherebbe un procedimento tecnologico da fare
sul dispositivo già tagliato, che è dell’ordine di 300 µm x 200 µm di area laterale, con una notevole
difficoltà di gestione.
2° SOLUZIONE
TECNICA DI TIPO SOL GEL
In un bagno freddo di una soluzione di tipo organico
α
(solvente di alcool etilico, sali organici di silicio, di titanio) viene
immersa una lastrina, ed estratta con un angolo α, molto
lentamente. La lastrina si ricopre di uno strato uniforme della
soluzione. Una volta evaporato il solvente, resta sulla superficie
Fig. 5
uno strato organico. Dopo una cottura in ambiente di ossigeno
vengono eliminati i radicali organici e resta uno strato compatto di
ugual composizione di quella del bagno.
In funzione dell’angolo α si regola lo spessore dello strato.
Il coefficiente di riflessione in questo moto crolla a 10 –3 con un processo tecnologico abbastanza
semplice.
3° SOLUZIONE
E’ forse la meno efficiente dal punto di vista del coefficiente di riflessione ma la più semplice da
realizzare.
PIANTA:
Fig. 6
Fig. 7
Aver realizzato la metallizzazione in modo obliquo, come in figura 7 invece che
perpendicolarmente alla superficie che è riflettente, come in figura 6 impedisce l’instaurarsi
dell’oscillazione laser. Infatti le superfici in questo caso disperdono l’intensità luminosa in una zona
non pompata (frecce sottili).
Questa soluzione nonostante l’efficienza è poco utilizzabile a causa della difficoltà di allineamento
della fibra; l’emissione avviene in modo completamente disassato rispetto all’asse del dispositivo,
ma di fatto viene utilizzata qualche volta per realizzare amplificatori ottici.
4° SOLUZIONE
Nel LED superluminescente
l’idea adottata per eliminare la reazione
scaturisce proprio dal fatto che le aree
non pompate assorbono l’intensità
luminosa. Basta quindi interrompere la
metallizzazione affinché l’area pompata
sia limitata e quindi solo questa sia in
grado di emettere.
Fig. 8