Среди первых работ, посвящённых резонаторным структурам с оптически активными средами органических и неорганических полупроводников, в новой книге Шуберта [1] отмечаются статьи [2,3], опубликованные в 1987-88 гг. В упомянутой книге Шуберта две главы посвящены светодиодам (СД) с объёмными резонаторами
(RCLED) и обстоятельно обсуждаются их преимущества в сравнении с обычными СД (LED). Например, там отмечается, что интенсивность спонтанного излучения, имеющего место в СД, при использовании высокодобротного резонатора увеличивается в десятки раз за счёт сужения спектра люминесценции, как это видно из рис.1. Кроме того, улучшается спектральная чистота и повышается направленность, а также температурная стабильность излучения.
При проектировании СД с объёмными резонаторами рекомендуется использовать резонаторы с наименьшей длиной, возбуждаемые на фундаментальном виде
колебаний, и имеющие наиболее высокую собственную добротность, т.е. наименьшее поглощение (потери в резонаторе). На рис.2 схематически показан полуволновый резонатор с активной областью
полупроводниковой структуры, расположенной в пучности стоячей оптической волны между зеркалами
с коэффициентами отражения R1 и R2.
Одно из зеркал должно быть светопропускающим. Однако реальные светодиоды с объёмными
резонаторами, включающие распределённые зеркала Брегга и работающие на высших модах (видах
колебаний), не удовлетворяют предъявляемым требованиям. Это видно из рис. 3, где показана структура резонаторного светодиода, работающего на длине волны 930 нм, с GaInAs активной областью, излучающей
подложкой, металлическим (Ag) отражателем наверху и распределённым (AlAs/GaAs) зеркалом Брегга внизу. Отметим, что рис. 1-3 взяты из [1].
В настоящей работе, учитывая стремительное развитие нанотехнологии, позволяющей изготавливать металлические резонаторы с размерами порядка 100 нм,
предлагаются некоторые варианты четвертьволновых резонаторов и многорезонаторных систем (МРС) на их основе, в которых активные области гетероструктур расположены в пучностях стоячих волн видимого спектра. При этом рассмотрены как многоцветные СД, так и СД с синими (или ультрафиолетовыми) кристаллами,
возбуждающими люминофорные покрытия для обеспечения высококачественного белого свечения.
Рассматриваемые МРС содержат резонаторы длиной от 100 нм до 160 нм и представляют собой различные варианты замкнутых и разомкнутых систем. Один из вариантов разомкнутой МРС штыревого типа схематически представлен на рис. 4. На рис. 4а в изометрии показана многорядная штыревая МРС с полупроводниковой структурой и люминофором. На рис. 4б показана структура электрических силовых линий на входе МРС и квантовые точки (КТ) на основе нитрида галлия синего свечения, возбуждающие жёлтый люминофор. Там же отмечены предполагаемые размеры МРС и КТ. Длина штырей (h) соответствует четверти длины волны синего цвета. Пространственный период (шаг) МРС в 3-4 раза меньше длины h. КТ с диаметрами 10-20 нм и высотой 2-5 нм расположены через один штырь в синфазных электрических полях противофазного вида колебаний (π-вида).
Этот вид колебаний, как известно из техники сверхвысоких частот (СВЧ), является наиболее устойчивым [4].
Размеры КТ взяты из доклада Журавлёва [5], где отмечалось, что структура с GaN квантовыми точками в матрице AlN, показанная на рассматриваемом рисунке, выращивается на сапфировой подложке методом молекулярно-лучевой эпитаксии. На рис. 4б приведены также эпюры электрического поля в МРС и в районе КТ. Электромагнитное поле, проникающее из МРС в p-n структуру, спадает экспоненциально и важно выбрать размеры штырей с интервалами между ними таким образом, чтобы получить максимальное электрическое поле в КТ для обеспечения наиболее эффективного взаимодействия МРС с p-n структурой. Кроме того, при изготовлении медных штырей методами нанотехнологии возможны окисления и возникает задача учёта потерь в МРС при электродинамическом расчёте.
В докладе будет обращено внимание и на то, что современная нанотехнология позволит использовать богатый опыт техники СВЧ применительно к устройствам оптического диапазона длин волн. Такими устройствами могут быть и трансформирующие секции, и дроссельные фильтры, и волноводные элементы, изменяющие плоскость поляризации, и пр. Возможно также использование метрики СВЧ, например, введение пробного
тела в виде продувания поглощающим газом при определении режима пересвязи или недосвязи нагруженной резонаторной системы и т.п.
Гутцайт Э.М., МЭИ (ТУ); Маслов В.Э., ООО «ЛЕДРУ», 26.02.2010
