FM561 Optoelektronik. Yarıiletken Fiziği

(1)

FM561 Optoelektronik

Yarıiletken Fiziği

Yarıiletken Optoelektronik Devre Elemanları

(2)

Optoelektronik Devre Elemanları

• Optoelektronik Yarıiletken Malzemeler

• Optoelektronik Malzeme Üretim Teknolojisi

• p-n Eklemlerinin Optoelektronik Uygulamaları

• Güneş Pilleri

• Işık Dedektörleri

• Işık Diyotları

• Işık Yayan Optoelektronik Devre Elemanları

» LED

» Yarıiletken Lazereler

• Dalga Klavuzları

» Optik Fiberler

» Yarıiletken Dalga Klavuzları

• Yarıiletken Modülatörler

(3)

Optoelektronik Malzemeler-1

• Işık üretimi için dolaysız (direk) bant aralığına sahip yarıiletkenler kullanılmalıdır Genellikle bileşik yarıiletkenler dolaysız bant aralığına sahip oldukları için optoelektronik teknolojisinde çok yaygın olarak kullanılır

• Verimli ışık aletlerinin yapılabilmesi için kristal kusurlarının en az olması gerekir

• Bant aralığı, istenilen dalgaboyunda ışık elde edecek şekilde ayarlanabilmesi arzulanır

2 2

2 ( )

) ) (

( )

( _o

o

x x D

C x B

A x

n λ

λ − ⁻

+

=

Benzer şekilde kırma indisi de konsantrasyona bağlıdır (Selmineer Denklemi) Örneğin:

Al_xGa_1-xAs komposizyona bağlı bant aralığı (E_g ) 293^oK, x =0 ile 0,44 aralığında E_g(x) = E_g(GaAs) + (1.429eV)x –(0.14eV)x²

x > 0,44, için AlGaAs indirek bant aralığına sahip olmaktadır

Bileşik yarıiletkenlerdeki atom konsantrasyonu değiştirilerek bant aralığı değiştirilebilir.

Böylece istenilen bant aralığına sahip yarıiletken malzemeler elde edilebilir. Buna bant aralığı mühendisliği (Band Gap Engineering) denir

E

E_g k

(4)

Optoelektronik Malzemeler-2

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html Bileşik Yarıiletkenlerde kristal sabiti ve enerji

(5)

Farklı türden bileşik yarıiletkenleri büyütmek için uygun bir alttaşın bulunması gerekmektedir

Optoelektronik Malzemeler-3

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html

a b

Altaş (GaAs)

film (AlAs) Alttaşın ve üzerinde büyütülecek filmin kristal örgü sabitleri arasındaki fark çok küçük olmalıdır

b a %1 a

− <

Örgü sabitleri arasındaki fark ne kadar büyük olursa alttaş üzerinde büyütülecek filmin kalınlığına o kadar çok kısıtlama gelir

(6)

III IV V VI VII

I II

• Bileşik Yarıiletkenler

III-V

İkili (Ternary) => GaAs, AlAs, InAs, InP Üçlü (Quaternary) => Ga_xAl_(1-x)As, In_xAl_(1-x)As II-VI

İkili (Ternary) => HgTe, CdTe Üçlü (Quaternary) => Cd_xHg_(1-x)Te

• Tek Atomlu Yarıiletkenler

silikon (Si), germanyum (Ge), karbon (C)!

Optoelektronik Malzemeler

Dolaylı Bant yapısı (Si) +V I

-V

-I

+I Işık Kaynakları

Güneş pilleri Işık Algılayıcıları

+V

I

-V

-I

Dolaysız (direk) Bant yapısı (GaAs) +I

Güneş pilleri Işık Algılayıcıları

Işık Kaynakları

(7)

Optoelektronik Malzemeler-GaAlAs

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html

2 2

2 ( )

) ) (

( )

( _o

o

x x D

C x B

A x

n λ

λ − ⁻

+

= Al_xGa_1-xAs için bant aralığı (293 ^oK)

E_g(x) = E_g(GaAs) + (1.429eV)x –(0.14eV)x²

x > 0.44, için AlGaAs indirek bant aralığına sahiptir

Kırma indisi

(8)

Optoelektronik Malzemeler-InGaAs

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html In_xGa_1-xAs için bant aralığı (300^oK)

E_g(x) = 1.425eV – (1.501eV)x + (0.436eV)*x²

Bütün x değerleri için InGaAs direk bant aralığına sahiptir

(9)

Optoelektronik Yapılar

Kuantum Çukurları Çoklu Kuantum Çukurları

n+-GaAs n+-GaAs

GaAs GaAlAs GaAlAs

GaAs GaAlAs GaAlAsGaAs

E_c

E_v

E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

Basit Heteroyapılar n+-InP

n-InP E_c

E_v

E_g^(In_0,53^Ga_0,47^As)

g(InP)

E

In_0,53Ga_0,47As GaAs

GaAlAs GaAlAs

Bileşik yarıiletken yapılar MBE, MOCVD gibi tekniklerle üretilir

(10)

Hetero Yapılar

•Homoeklemlerle karşılaştırıldığında heteroyapıların büyük üstünlükleri vardır

•Eklem arasında üçgenimsi kuantum çukuru oluşur

•Taşıyıcıları bu bölgede toplamak kesikli bant aralığından dolayı daha kolaydır

Basit Heteroyapılar n+-InP

n-InP

E_c

E_v

E_g^(In_0,53^Ga_0,47^As)

g(InP)

E

In_0,53Ga_0,47As

(11)

Quantum Çukurları

Kuantum Çukurları

Düşük bant aralığına sahip (örneğin GaAs), yüksek bant aralığına sahip başka bir malzeme

ile (örneğin GaAlAs) sandiviç yapıda büyütüldüğü takdirde düşük bant aralığına sahip malzemenin iletim bandı elektronlar için, değerlik bandı ise deşikler için kuantum çukuru oluşturur.

n+-GaAs

E_c

E_v E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

GaAs GaAlAs GaAlAs

(12)

Çoklu Kuantum Çukurları

Çoklu kuantum çukurlarda kuantum çukurları arasındaki mesafe yakın olduğu için kuantum çukurları etkileşerek taşıyıcılar çukurlar arasında tünelleme ile geçebilmektedir

Çoklu Kuantum Çukurları n+-GaAs

GaAlAsGaAs GaAlAs

GaAs GaAlAs GaAlAsGaAs

E_g^(GaAs) E_g^(GaAlAs)

(13)

Optoelektronik Malzeme Üretim Teknikleri

Yaygın optoelektronik malzeme üretim teknikleri:

• Sıvı Fazı Epitaksi (Liquid Phase Epitaxy, LPE)

• Buhar Fazı Epitaksi (Vapor Phase Epitaxy, VPE)

• Organik Metal Kimyasal Faz Eptaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOVPE)

• Organik Metal Kimyasal Buhar Epitaksi (Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)

• Moleküler Demet Epitaksi (Molecular Beam Epitaxy, MBE)

Optoelektronik malzemeler (heteroyapılar) çoğunlukla epitaksi kristal büyütme teknikleri ile üretilirler Epitaksi, kelime anlamı ile alttaşın kristal yapı ve doğrultusunu koruyarak yapılan büyütme işlemine denir

(100)

(14)

Molekül Demeti Yöntemi (MBE)

• Oldukça yüksek vakum (< 10^-10 mbar) altında gerçekleştirilen epitaksiyel büyütme yöntemidir

• Genellikle III-V bileşik yarıiletken yapılar (GaAlAs, InAlAs vs) büyütülmektedir

alttaş

kaynaklar

elektron tabancası

fosforlu ekran

örnek transfer çubuğu shutter

transfer (tampon) vakum bölgesi Al

In

As

Ga Si

örnek girişi büyütme

odası

yüksek vakum pompaları örnek hazırlama

odası

karakterizasyon odası yüksek vakum

pompaları

Üstünlükleri:

•Atomik mertebede kalınlık kontrolü

•Saflık derecesi çok iyi olan malzemeler üretilebilir

•Büyütme sırasında çok iyi katkılanma kontrolü sağlanabilir

•Lazer, dedektör ve modülatör gibi heteroyapılar için ideal

Olumsuzlukları:

•Kristal büyütme hızı yavaş < 1 μm/sa

•Seri üretime uygun değil

•Oldukça pahalı (Million Buck Epitaxy)

(15)

Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları-1

Yarıiletken eklemler elektrik enerjisini ışığa etkin şekilde çevirecek şekilde tasarımlanır

+ + + + + + + + + +

- - - - - - - - - -

E_c E_v d: Tüketim bölgesi +

+ - -

eV_b E

p-n eklemine hv > E_g enerjili düzgün bir ışıkla aydınlatılırsa eklemde tüketim bölgesinde elektron ve deşik çiftleri oluşur. Devrede oluşacak olan akım

g_op= (EHP/cm³-s)

I_op= gAg_op(L_p+L_n+d) A

d

op kT

qV

th

e I

I

I = (

^/

− 1 ) −

L_p=Deşik difüzyon uzunluğu

n

p E

L_n=Elektron difüzyon uzunluğu L_n L_p

n p

g_op=0

V I

g₁ g₂ g₃

(16)

Yarıiletken Eklemlerin Optoelektronik Uygulamaları-2

Yarıiletkenlerin optoelektronikte kullanılması farklı katkılanma ile eklemler yapılarak mümkündür I. Bölge (V>0, I >0 ): LED ve Lazerler

III. Bölge (V<0, I <0 ): Dedektörler

Akım gerilimden bağımsız, optik şiddet ile orantılı

IV. Bölge (V>0, I <0 ): Güneş Pilleri +V

I

V>0, I >0 -V

-I

V>0, I <0 V<0, I <0

n p

V

A

- +

A -

+ n

p

-V

A +

- n

p

(17)

Güneş Pilleri-1

Elektron-deşik çiftinin yaratılması ile p-n ekleminin uçları arasında oluşacak olan gerilim kullanılan yarıiletken malzemenin bant aralığından daha düşük olur. Örneğin Si’de bu gerilim < 1 V

Akım ise aydınlatılan yüzeye bağlıdır. 1 cm³’lik alan için 10-100 mA arasında değişir

Gerilim düşük olduğu için yüksek güç elde etmek için büyük yüzey alanları kullanmak gerekmektedir Güneş spektrumundaki bütün dalgaboylarının eklem tarafından soğrulması arzulanır

Silikon, ucuz oluşundan dolayı güneş pillerinde yaygınca kullanılmaktadır

Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin V. bölgesinde çalıştırılırsa eklem üzerine gelen ışığın oluşturacağı elektron-deşik çifti toplanarak dış devreye elektriksel güç sağlayabilir

V I

I_op=0 I_op>0 A

-

+ n

p

(18)

Güneş Pilleri-2

Dolum Faktörü (Fill Factor) ^{m m}

sc oc

FF I V

= I V Güneş pillerinin verimliliği: (oluşturulan e-h sayısı) / (gelen foton sayısı)

V_m= Eklem üzerinde oluşan maksimum gerilimi I_m= Devrede dolaşan maksimum akım

V I

V_m

I_m

V_oc

I_sc

V_oc= Açık devre gerilimi I_sc= Kısa devre akımı

I_op=0

I_op>0

-

+ n V_oc p

-

+ n I_sc p

Yarıiletken malzemenin bant aralığına ve katkılanmaya bağlı P-n ekleminin yüzey alanına

Eklemlerin direncine bağlı

-

+ n

p V_m

I_m

(19)

Güneş Pilleri-3

E_g Güneş Pili Tasarımı

a) Gelen güneş enerjisini en etkin şekilde elektrik enerjisine (elektron-deşik çiftine) çevirebilme özelliği (E_g<hv) b) Optik güçten maksimum derecede faydalanmak için güneş pilinin geniş yüzeye sahip eklem alanı olmalıdır c) Oluşacak elektron-deşik çiftlerinin eklem bölgesine ulaşması maksimum olacak şekilde ayarlanmalıdır (d<Lp) d) Oluşan elektron-deşik çiftlerini tekrardan birleşmeden toplayacak uçların (elektrotların) uygun yerleştirilmesi e) Yüzey yansımasını azaltacak ve yüzey birleşmesini azaltacak yansıtma önleyici kaplama ile kaplanmalıdır f) p-n bölgelerinde güç kaybının en aza olabilmesi için çok küçük dirence sahip olmalıdır

d < L_p

p n

E

p n

E

hv > E_g hv > E_g

a)

A

e)

b) c) d, f)

p n

(20)

Güneş Pilleri-4

p Yansıtma önleyici kaplama n

Metal kontak

Üstten görünüş

• Güneş pillerinde kullanılan silikon, sıcaklıkla verimliliği düştüğü için bunun yerine yüksek sıcaklıklarda verimliliği daha iyi olan bileşik yarıiletkenler kullanılmaktadır

• Örneğin GaAs-GaAlAs heteroyapılı güneş pilleri yüksek verimliliğe ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilme özelliğine sahiptir

• Ancak GaAs-GaAlAs heteroyapıların üretimi pahalıdır d hv > E_g

(21)

Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-1

p-n ekleminin I-V grafiğinin III. bölgesinde akım gerilimden bağımsız, fakat akım, ışık şiddeti ile orantılıdır

Bu bölgede çalışan optik devre elemanı (dedektör) zamanla değişen optik sinyali elektrik sinyaline çevirmede kolaylıkla kullanılabilir

n p

-V

A

+ -

Dedektörlerde kullanılan malzemenin bant aralığı algılanacak ışığın enerjisinden küçük olmalıdır Dedektörlerde tepki zamanı önemlidir. Örneğin bir sıra 1 ns aralıklarla değişen ışık sinyallerine

duyarlu bir dedektörde oluşan elektrik yükleri 1 ns den daha kısa zaman aralığında ekleme ulaşmalıdır

t (ns) I_op

I α I

_op

Dedektör

g₃>g₂>g₁ g_op=0 -V

V I

g₁ g₂ g₃

(22)

Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-2

Tüketim bölgesi dışında yaratılan elektron-deşik çiftinin difüzyon ile tüketim bölgesine ulaşması uzun zaman alacağı için dedektörün tepki zamanını artırır.

Bu sebepten dolayı tüketim bölgesi geniş tutularak ışığın yüksüz olan n- veya p- bölgesinden ziyade tüketim bölgesinde elektron-deşik oluşturması sağlanır

Tüketim bölgesinde yaratılan elektron ve deşik çifti bu bölgede var olan elektrik alanı sayesinde n ve p bölgelerine iletilerek akıma dönüşmeleri sağlanır

Tüketim bölgesinde elektron-deşik çiftinin oluşturulması esasına dayalı ışık algılayıcılarına Tüketim Bölgesi Işık Algılayıcıları (Depletion Layer Photodiode)

hv p

n E

(23)

Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-3

Tüketim bölgesinin geniş olması tepki zamanını azaltır ve daha çok ışığın bu bölgede soğrulmasını sağlar Ancak bu bölge çok uzun olduğu takdirde oluşan elektron ve deşiklerin bu bölgeyi aşmaları daha uzun zaman alır

Bu sebepten ışık algılayıcılarının tasarımında tüketim bölgesi için en uygun (optimum) kalınlık değeri seçilmelidir

Yukardaki uygun kalınlığı kontrol etmenin bir yöntemi p-i-n olarak bilinen ışık algılayıcıları yapmaktır

i-bölgesi (saf bölge, intrinsic): katkılanmamış bölge

Uygulanan ters gerilim tümüyle i-bölgesinde görülür

Fazlalık taşıyıcılarının yarı ömrü yeterince uzun ise oluşan elektron-deşik çifti n- ve p-bölgelerine ulaşarak toplanır hv

i p

n R

V

E d

(24)

Işık Algılayıcıları (Dedektörler)-4

Düşük seviyedeki ışık sinyallerini algılamak için çığ ışık algılayıcıları (avalanche photodedector) kullanılır Tüketim bölgesi algılayıcılarında kazanç en fazla 1 olurken çığ algılayıcılarda bu sayı çok büyük olabilir

hv

e p

n R

V

E h d

e h

+V I

-V

-I I_d

I_p I_p^ava

I_d^ava

I_d= Karanlık akım

I_p= Işık olduğu durumdaki akım

(25)

Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar

(26)

Bölüm III: Yarıiletkenler: Optoelektronik Devre Elemanları-2

• Işık Yayan Optoelektronik Devre Elemanları

» LED

» Yarıiletken Lazereler

• Dalga Klavuzları

» Optik Fiberler

» Yarıiletken Dalga Klavuzları

• Yarıiletken Modülatörler

(27)

Işık Yayan Optoelektronik Elemanlar

Bu amaç için direk bant aralığına sahip ve aşırı katkılanmış n ve p tipi eklemler kullanılmalıdır Uygun bir p-n eklemi I-V eğrisinin I. bölgesinde çalıştırılırsa eklemin tüketim bölgesinde elektron ve deşikler belli bir eşik gerilimin üstünde eklem bölgesinde birleşerek dalgaboyu bant aralığına eşit ışık yayabilir

+V I

V>0, I >0

-V

-I

n p

V

A

- +

(28)

Işık Yayan Diyotlar (LED)

Aşırı katkılanmış n ve p tipi eklemlerde Fermi enerji seviyesi bant aralığından ziyade bant içinde bulunur Tüketim bölgesinin genişliği katkılanmanın yoğunluğuna bağlıdır

hv = E_g

V p

n

2 1 1 1/ 2

( )

o

a d

W V

q N N

⎡ ε ⎤

= ⎢ + ⎥

⎣ ⎦

E_C

E_F E_V

n⁺-GaAs p⁺-GaAs

E_c E_v E_f

n⁺-GaAs p⁺-GaAs

E_c E_v

E_V E_F^p

E_C E_Fⁿ

E_C-E_V < hv < E_Fⁿ-E_F^p hv = E_g (c) İleri besleme durumu

(b) Sıfır gerilim altında p-n eklemi

(d) Oluşacak olan ışığın frekans aralığı (a) Ayrık p ve n tipi yarıiletkenler ve enerji seviyeleri

E_F

(29)

Lazerler-Genel Kavramlar

LASER: Light Amplification by Sitmulated Emission of Radiation

Bunun yanında üst seviyedeki elektronlar uygun şartlarda kendiliğinden alt seviyeye inmektense bir uyarıcının varlığında da alt seviyeye geçebilirler. Bu durumda kendiliğinden geçişi karakterize eden

yarılanma süresi τ_k zamanını beklemek zorunda değildir ve uyarılmanın etkisi ile çok daha kısa sürede τ_u alt seviyeye geçebilirler. Bu şekilde olan geçişlere uyarılmış geçiş (stimulated emission) denir

Genel olarak lazerlerin çalışma prensibini anlamak için enerjileri E₂ ve E₁ olan iki enerji seviyesini göz önüne alalım

Üst seviyedeki uyarılmış fazlalık elektronlar düşük enerji seviyesine düşer. Bu geçiş esnasında iki enerji farkı kadar enerjiye sahip fotonlar salınır. Üst seviyedeki elektronların bu düşüşü rastgele olup buna kendiliğinden geçiş (spontaneous emission) denir

Lazerlerin özelliği

• Koherentlik

• Tek renklilik

E₂

E₁

hv=E₂-E₁

ΔE=E₂-E₁ Kendiliğinden geçiş

E₂

E₁

hv=E₂-E₁ Uyarılmış geçiş τ_u ≈ 10^-8 s << τ_k

(30)

Lazerler-Genel Kavramlar

ρ(hv) foton alanının varlığında uyarılmış geçişin yanı sıra soğurma ve kendiliğinden yayma oluşur B₂₁n₂ ρ(hv)=Uyarılmış geçiş oranı

B₁₂n₁ρ(hv)=Soğurma oranı

A₂₁n₂=Kendiliğinden geçiş oranı Denge durumunda

B₁₂n₁ρ(hv)=A₂₁n₂+ B₂₁n₂ρ(hv) B₁₂, A₂₁, B₂₁ : Einstein katsayıları

Isıl dengede durumunda uyarılmış geçiş kendiliğinden geçiş oranı yanında ihmal edilebilir

Foton alanı durumunda Uyarılmış geçiş oranı B₂₁n₂ρ(hv) B₂₁

Kendiliğinden geçiş oranı = A₂₁n₂ = A₂₁ρ(hv)

Uyarılmış geçiş oranı B₂₁n₂ρ(hv) B₂₁n₂ Soğurma oranı =B₂₁n₁ρ(hv) B= ₁₂n₁ Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için n₂> n₁

...1

...2

hv E₂

E₁ n₂

n₁

B₂₁n₂ρ(hv) A₂₁n₂ ρ(hv)

B₁₂n₁ρ(hv)

Enerjisi, bant aralığına sahip (hv=E₂-E₁) fotonlar uyarıcı olarak kullanıldığında E₂

E₁ hv=E₂-E₁

hv n₂

n₁ ρ(hv)

ρ(hv)=Foton enerji yoğunluğu

(31)

Optik Rezonans Oyuğu (Optical Resonant Cavity)

Uyarılmış geçişleri kendiliğinden geçişlerden daha fazla yapmanın yolu yüksek bir foton alanı ρ(hv) yaratmaktır. Bunun için rezonans oyuğu kullanılır. Bu rezonans oyuğu sayesinde foton alanı ρ(hv) sürekli artırılır. Bu oyuk fotonu yansıtacak bir ayna olabilir.

E₂

E₁

Uyarılmış geçiş oranı B₂₁n₂ρ(hv) B₂₁

Kendiliğinden geçiş oranı = A₂₁n₂ = A₂₁ρ(hv)

o

m Ln λ

= 2

m=1

m=3 m=2 L E₂

E₁ Ayna

R=1

Ayna R=0,9

(32)

Pompalama

Uyarılmış geçiş oranı B₂₁n₂ρ(hv) B₂₁n₂ Soğurma oranı =B₁₂n₁ρ(hv) B= ₁₂n₁ Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için n₂> n₁

n₂> n₁ koşulu pompalanma işlemi ile yapılır. Lazerlerde bu optik veya elektrik akımı ile yapılır.

Yarıiletken lazerlerde pompalama işlemi aşırı katkılanma sayesinde eklem üzerinden akım geçirerek sağlanır

Akımın belli bir değerinde (eşik akım (I_eşik) (threshold) n2 > n1 şartı sağlandığında lazer özelliği gösteren ışık elde edilmiş olur

Lazerin gerçekleşmesi için gerekli olan 2. şart, yani n₂> n₁ şartı alt seviyedeki elektronları üst seviyeye uyararak gerçekleştirilir. Bu işleme dağılımın terslenmesi (population inversion) denir.

Uyarılmış geçişi soğurmadan fazla yapmak için n₂> n₁

E₂

E₁

(33)

Yarıiletken Lazerler

Aşırı katkılanmış n ve p tipi direk bant aralığına sahip yarıiletkenlerle oluşturulan eklemler lazerlerin yapımında kullanılabilirler

Yarıiletken lazerler, rezonans oyuğu içine konmuş LED’lerden farklı değildir

Rezonans oyuğu olarak, yarı iletkenlerin kristal yapısının bir sonucu olarak yapılan kesme (cleave) işlemi uygulanır

Yarıiletken lazerler diğer lazer türlerinden farklılık gösterirler. Bunların en başlıcası boyutlarının oldukça küçük oluşudur (tipik boyutları 0,1 x 0,1 x 0,3 mm)

Yarıiletken lazerler oldukça verimlidir

Lazer çıkışı eklemlere uygulanan akım ile kolaylıkla kontrol edilebilir

Yarıiletken lazerler optoelektronik tümleşi devrelerine kolaylıkla bütünleştirilebilir Bu yarıiletken lazerler ayrıca fiber optik iletişimde oldukça kullanışlıdır

(34)

Yarıiletken Lazerler

p n

E_c E_v E_f

V p

n

Ayna

R=1 Ayna

R=0,9

Kesme doğrultuları (ayna oluşturmak için)

(35)

Yarıiletken Lazerler

Aşırı katkılanmış yarıiletken eklemin ileri besleme durumunda elektronlarla deşikler aynı bölgede birleşmeye hazır duruma gelirler

Böylece lazerin oluşması için gereken n₂ > n₁ şartı sağlanmış olur.

hv şiddet

Eşik değerin altındaki durum (Koherent olmayan ışıma)

hv şiddet

Eşik değerin üstünde lazer ışınımı (a)

hv şiddet

Eşik değerin hemen altındaki durum

(b) (c)

Frekans Bant Aralığı

w_o w_o

(a) Daki durum LED lere karşı gelmektedir. Tek renkli ışık elde edilmesine rağmen frekans

bant aralığı oldukça geniştir ve elde edilen ışıkta lazerler için gerekli olan 1. şart sağlanmadığı için koherentlik yoktur

(b) Akım eşik değerin hemen altında birçok rezonans oyuğuna karşı gelen dalgaboyunda ışık elde edilir.

Bunlardan birinin başat olması için gereken n2>n1 şartı henüz sağlanmış değildir

(c) Akım eşik değerin üstünde olduğunda rezonans oyuğundaki bir frekans diğerlerini bastırarak başat hale gelir. Bu frekansta band aralığı oldukça küçüktür ve ışık koherenttir

(36)

Heteroeklemli Yarıiletken Lazerler

Farklı türden yarıiletken malzemeler kullanılarak yarıiletken lazerlerin verimliliği arttırılabilir.

Bant aralıkları farklı yarıiletkenlerle oluşturulan eklemlerde elektron ve fotonlar eklem bölgeside tutularak eşik akım değerinin düşürülmesi sağlanır

p-GaAs < 1 μm

n-GaAs Alttaş p-AlGaAs

n-GaAs p-GaAs p-AlGaAs

E_f E_f

E_g^(AlGaAs)=2 eV

E_g^(GaAs)=1,4 eV

(b) İleri beslenme durumu

Kullanılan geniş bant aralıklı AlGaAs sayesinde Elektronların tümüylr p-GaAs de kalması sağlanır

E_f

E_f p-GaAs

< 1 μm n-GaAs

Alttaş p-AlGaAs V

(a) Sıfır beslenme durumu

(37)

Çift Heteroeklemli Yarıiletken Lazerler

Çift Heteroyapılı lazerler (Double Heterostructures): Daha verimli lazer yapılar oluşturulabilir

p-GaAs

< 1 μm n-GaAs

Alttaş p-AlGaAs n-AlGaAs p-GaAs Aktif Katman

n-AlGaAs

E_f

E_g^(AlGaAs)=2 eV

E_g^(GaAs)=1,4 eV E_g^(AlGaAs)=2 eV

(38)

Kuantum Çukurlu Yarıiletken Lazerler

Lazerin aktif bölgesinin kalınlığı daha da çok düşürülerek (elektronun de Broglie dalga boyu mertebesinde) Daha verimli ve frekans band aralığı daha küçük lazerler elde edilebilir.

Kuantum çukurlı lazerlerde tipik olarak eşik akım değerinde 10 kat azalma sağlanabilir

p-GaAs ≈ Å

n-GaAs Alttaş p-AlGaAs n-AlGaAs p-GaAs Aktif Katman

n-AlGaAs

E_g^(AlGaAs)

E_g^(GaAs)

E_g^(AlGaAs) E₂^C

E₁^C

E₁^V E₂^V

Aktif Katman GaAs

(39)

Yüzey Salınımlı Lazerler

Şimdiye kadar incelenen lazer yapılarında ışık aynanın yan yüzeylerde oluşundan dolayı yan yüzeylerden dışarıya çıkar

Aktif bölgenin yaklaşık μm kalınlıkta olduğu düşünülürse lazer ışığının genişlemesinde asimetrik etkiye sebep olabilmektedir

Yüzeyden salınım yapan lazer geometrisi ile lazer dizileri yapmak mümkün değildir

Bazı uygulamalarda tek bir lazerden ziyade lazer dizilerine ihtiyaç duyulabilir. Örneğin bir yüzey alanının ışıkla taranması gibi

(40)

Yüzey Salınımlı Lazerler

Şimdiye kadar incelenen lazer yapılarında ışık, ayna geometrisinin yan yüzeylerde oluşundan dolayı yan yüzeylerden dışarıya çıkar

Aktif bölgenin yaklaşık μm kalınlıkta olduğu düşünülürse lazer ışığının genişlemesinde asimetrik etkiye sebep olabilmektedir

Yüzeyden salınım yapan lazer geometrisi ile lazer dizileri(array) yapmak mümkün değildir

n+-GaAs

n-GaAs n-AlAs GaAs n-AlAs p-AlGaAsGaAs

n-GaAs n-AlAs GaAs n-AlAs

DBR Ayna (23 çift) Akım sınırlayıcı DBR Ayna (23 çift)

Aktif bölge

(41)

Lazer Yapımında Kullanılan Malzemeleri

GaAlAs/GaAs tabanlı yarıiletkenler:

Hem direk bant aralığına sahip hem de değişik kompozisyonlarda büyütülmesinde problem olmadığı (örgü Sabitleri arasındaki fark çok küçük olduğu için) üretilebilmektedir.

InGaAsP/InP tabanlı yarıiletkenler:

Değişik dalgaboyunda ışık üretimine elverişli ve sorunsuz büyütülebildiği için λ=1,3-1,55 μm aralığına herhangi bir dalgaboyuna ayarlanabilir

GaAs

_(1-x)

P

_x

Bant aralığı x ile doğrusal olarak değişir ve < x=0,45’e kadar direk bant aralığına sahiptir

LED’ler için kullanılan en uygun GaAs_0,6P_0,4 Bu aralıkta bant direktir ve 1,9 eV enerji ile kırmızı Bölgeye düşer. Bu LED’ler hesap makinelerinde ve diğer ışıklı göstergelerin yapımında kullanılır

(42)

Dalga Klavuzları

(43)

Optik Dalga Klavuzları (Optical Waveguides)

• Dalga klavuzlarının asıl fonksiyonu iki nokta arasında taşınacak ışık dalgasının özelliğini bozmadan ve en az kayıpla iletmek

• Bu asıl fonksiyonlarının yanı sıra optik modülatör veya optik anahtar olarak da kullanılabilir

• Işık iletimi amacı ile kullanıldığında ya aynı yonga (çip) üzerindeki yada birbirlerinden kilometrelerce uzaklıkta bulunan optoelektronik devre elemanları arasında ışığın iletimini sağlamak

• İletken tellerdeki elektrik akımının tersine dalga klavuzlarında ışık farklı kiplerde (mod) ilerler

• Uzun mesafeler arasında (km) ışığı taşımada kullanılan en yaygın dalga klavuzları optik fiberlerdir

• Yarıiletken dalga klavuzları daha çok elektronik yongalar üzerindeki ( < cm) iletişimi sağlamada ve elektro-optik modülatörlerde kullanılır

Dalga klavuzları kırma indisi büyük olan bir katmanın kırma indisi daha küçük bir katmanla kaplanarak oluşturulur

n₁ n₂ n₃

(44)

Optik Fiberler

x o

e P x

P ( ) =

⁻^α

• Uzun mesafeler arasında ışığı taşımada kullanılan en yaygın dalga klavuzları optik fiberlerdir

• Optik fiberler ışığı taşıyan yüksek kırma indisli iç katmanın (core) düşük kırma indisli malzeme (cladding) ile silindirik geometride yapılırlar

• Optik fiberler genellikle silisyumdan yapılır

α (dBkm^-1)

λ (μm) 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6

10

0,01 0,1

Kızılötesi soğurma

Rayleigh saçılması

1,55 1,3

Dış katman (cladding): silisyum SiO₂

İç bölge (core): germanyum katkılanmış silisyum (SiO₂:Ge)

Işığın şiddetindeki azalma (soğrulması) bütün dalgaboyları için aynı değildir Bu sebepten dalga klavuzunun hangi dalgaboyu için kullanılacağı önemlidir

P_o P

dB=-10log(P/P_o)

x dB x

P P _o

=

−

= 10log( / ) α

SiO₂

n₁ n₂

SiO₂:Ge

n₁>n₂

Dış katman (cladding)

İç katman (core)

Kayıp (attanuation) katsayısı

(45)

Yarıiletken Dalga Klavuzları-1

2 2 2

2 2( ) ( , )

) ,

( t

t r E c

r t n

r

E ∂

⎥∂

⎦

⎢ ⎤

⎣

=⎡

∇

• Düşük kırma indisli yarıiletken bir malzeme(n₂) kırma indisi daha büyük yarıiletken malzemeler tarafından sandviçlenirse kırma indisi düşük olan katman ışığı uzun mesafeler boyunca dağıtmadan iletebilir

• Böyle bir yapı epitaksiyel büyütme yöntemleri ile kolaylıkla büyütülebilir

• Yarıiletken malzemeler kullanılarak yapılan bu dalga klavuzlarına yarıiletken optik dalga klavuzları denir

• Klavuz olarak kullanılan katmanın bant aralığının ıletilecek ışığın dalgaboyundan daha küçük olması gereki

t

e

i

r E t

r

E ( , ) = ( )

^ω

0 ) ( ) ( )

(

² ²

2

+ =

∇ E r k n r E r

r n₁=n₃ simetrik dalga klavuzu

n₁≠ n₃ simetrik olmayan dalga klavuzu

z eksenini boyunca ilerleyen düzlem dalga çözümleri

z

e

i

y x E r

E ( ) = ( , )

⁻ ^β β= İlerleme sabiti

[

⁽ ⁾

]

⁽ ^, ⁾ ⁰

) , ( )

,

( ₂ ₂ ₂

2 2 2

2 + − =

∂ + ∂

∂

∂ k n r E x y

y y x E x

y x

E β

k=ω/c n₁

n₂ n₃ z

x y

t

ei

r E t r

E( , ) = ( ) ^ω

d

(46)

Yarıiletken Dalga Klavuzları-2

[

⁽ ⁾

]

⁽ ^, ⁾ ⁰

) , ( )

,

( ₂ ₂ ₂

2 2 2

2 + − =

∂ + ∂

∂

∂ k n r E x y

y y x E x

y x

E β

1. bölge ⁽ ^, ⁾

[

1² ²

]

⁽ ^, ⁾ ⁰

2 2

2 + − =

∂

∂ k n E x y

x y x

E β

2. bölge ⁽ ^, ⁾

[

2² ²

]

⁽ ^, ⁾ ⁰

2 2

2

=

−

∂ +

∂ k n E x y

x y x

E β

3. bölge ⁽ ^, ⁾

[

3² ²

]

⁽ ^, ⁾ ⁰

2 2

2 + − =

∂

∂ k n E x y

x y x

E β

(k²n²-β²) ifadesinin işaretine bağlı olarak çözümler peryodik veya üsteldir

n₁

n₂

n₃ z

x y

β

kn₁ kn₃ kn₂

TE₁ TE_o

Işığı oluşturan elektro manyetik dalganın uzaysal dağılımı

d << y Işığı klavuzlanması için

β > kn₁ β < kn₂ β > kn₃

(47)

Yarıiletken Dalga Klavuzları-3

• β’nın farklı değerleri farklı yayılma modlarına karşı gelmektedir.

• Dalga klavuzunda ilerleyecek modların sayısı dalga klavuzunun kalınlığına (d), dalganın frekansına ve n₁, n₂ ve n₃ değerlerine bağlıdır

• Bir dalga klavuzu için verilen üsteki değerler için belli bir frekansın altındaki dalgaları iletmediği bir kesim frekans (cutoff frequency) değeri vardır

n₁ n₂ n₃ z

x y

t

ei

r E t r

E( , )= ( ) ^ω

d

• Dalga klavuzunda kalınlık (d), dalganın frekansına(ω), n₁, n₂ ve n₃ değerlerini belli bir uygulama için sabitlendiği için bu dalga klavuzunun iletebildiği modlar bu sabitlere bağlıdır

2 2

2 2 3

2 32

) 1 2

(

d n n m

n

n = − ≥ +

λ

^o

Δ ^Burdam=0, 1, 2, … mod sayısı,

λ_o ise yayılan ışığın boşluktaki dalgaboyu Örneğin GaAs da n₂=3,6 ve kalınlığı dalgaboyu mertebesinede olduğu durumda 10^-2lik indeks farkı TE_omodunun yayılmasına yetecektir

m=0 m=1 m=2

(48)

Optoelektronik Modülatörler

(49)

Diyot (LED) Modülatörler

Diyotlar I-V eğrisinin doğrusal olduğu aralıkta ışık modülatörü olarak kullanılabilir Bu aralıkta gerilimin (V) değişimi ile LED ışık şiddeti doğrusal olarak değişebilir

V I

V(t)

I_op(t) I(V)

R

V(t) p

n

(50)

SEED

Eksiton soğurması ilkesine dayanılarak yapılan optoelektronik modülatöre en iyi örnek

SEED (Self Electro-optic Effect Devices) olarak bilinen ve eksiton soğurmasına dayanan modülatörlerdir

Foton enerjisi (eV)

Soğurma katsayısı(α)

1,42 1,5

V=6 V

V=0 V

V=10 V

SEED çalışma ilkesi:

Sırıf alanda eksiton pikine yakın dalga boyunda ışık modülatöre gönderilir

Düşük şiddette fotoakım düşük olacak, şiddet artar ise fotoakım da artmaya başlayacak Foto akımın artması ile p-i-n yapı üzerinde gerilim düşmesi olacak

Potansiyelin düşmesi eksiton pikinin kaymasına bunun sonucu olarak da daha fazla soğurmaya sebep olacaktır

i p

n R

V Kuantum

Çukuru

(51)

Dalga Klavuzlu Elektoro-Optik Modülatörler

23 2 3 comp CCR EO

n n n n n n

Δ = − = Δ + Δ + Δ

2 2

1 9

( ) ( )

32 32

o o

comp CCR

n n

n d n d

λ _{< Δ} _{+ Δ} _< λ

3 2 41 EO

n n r V Δ = d

Birçok elektro-optik modülatörler dalga klavuzu şeklinde oluşturulabilir

Dalga klavuzları faz modülatörü veya genlik modülatörü şeklinde tasarlanabilir

Faz Modülatörü:

( )

2 n o

k

βλ β

π

Δ

Δ = Δ = ^EO ^{2 41}³

o

L n r VL d

ϕ β π

Δ = Δ =

λ

Alttaşın <100> yönelimi için Toplam indeks değişimi

m=0 mod için

n₁ z

x y

n₃ n₂ Alttaş

Ga_(1-a)Al_aAs

<100>

Dalga Klavuzu Ga_(1-b)Al_bAs -V

b < a

E d

L

Δn_comp: Komp. dolayı indeks farklılığı Δn_CCR: Yük fark. dolayı

indeks farklılığı Δn_EO: Elektro-optik etkiden

dolayı indeks farklılığı

(52)

Dalga Klavuzlu Elektoro-Optik Modülatörler

2 23

2

1 ( ) 32

o

comp CCR

n n n

n d Δ = Δ + Δ = λ

Faz modülasyonu genlik modülasyonu ile karşılaştırıldığında algılanması zor olduğundan pratik uygulamaların bir çoğunda dalga klavuzlu modülatörler genellikle genlik modülatörü şeklinde yapılır

Genlik Modülatörü:

Bunun için dalga klavuzu elektrik alan yok iken sadece en düşük modlu ışık dalgasını iletmesi için tasarımlanır

Elektrik alan uygulandığında dalga klavuz katmanı ile alttaş arasında küçük bir indeks farklılığına yol açar

n₁ z

x y

n₃ n₂ Alttaş

Ga_(1-a)Al_aAs

<100>

Dalga Klavuzu Ga_(1-b)Al_bAs -V

b < a

E d

L

(53)

Kaynaklar:

1) Solid State Electronics Devices, B. G. Streetmann, Prentice Hall, 1995

2) The Physics of Semiconductors with applications to Optoelectronic Devices Kevin F. Brennan, Cambridge University Press, 1999

3) R. G. Hunsperger, Integrated Optics: Theory and Technology, 3rd Edition, Springer Series in Optical Science, Springer-Verlag, 1991

4) http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/semi_en/kap_5/backbone/r5_1_4.html