Инжекционное светоизлучающее устройство

Изобретение относится к области опто- и наноэлектроники и может быть использовано в качестве источников излучения в оптоэлектронике, оптике и в других областях промышленности. Инжекционное светоизлучающее устройство имеет слои, образующие p-n переходы, состоит из последовательности гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния, выращенных на кремниевой подложке, каждый слой кремния состоит из p- и n-типа областей с резкими границами раздела, на противоположных краях устройства расположены омические контакты. Техническим результатом является создание инжекционного светоизлучающего устройства, менее дорогостоящего, более надежного и с более широкой областью применения. 2 ил.

 

Изобретение относится к области опто- и наноэлектроники и может быть использовано в качестве источников излучения в оптоэлектронике, оптике и в других областях промышленности.

Известны конструкции инжекционных светоизлучающих устройств, изготовленных на основе прямозонных соединений элементов третьей и пятой групп периодической системы элементов А₃В₅. Конструкция излучающего устройства состоит из подложки n-типа, на которой эпитаксиально выращивается планарная область p-типа. К p- и n-областям подводятся омические контакты. Поверхность, через которую выводится излучение, может иметь плоскую, полусферическую, параболическую форму (Берг А., Дин П. Светодиоды. - М.: Мир, 1979).

Принцип действия указанных устройств основан на излучательной рекомбинации избыточных неосновных носителей заряда в области p-n перехода и в прилегающих к ней p- и n-областях (Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. Томск: Изд-во НТЛ, 2000). При приложении положительного потенциала к p-области и отрицательного к n-области электроны и дырки начинают дрейфовое движение навстречу друг другу. Электроны, проникая в p-область, рекомбинируют с дырками, а дырки, проникая в n-область, рекомбинируют с электронами (активная область). В результате их рекомбинации выделяется энергия, примерно равная ширине запрещенной зоны E_g, в виде электромагнитного излучения частоты ν

Более точное значение энергии кванта света определяется выражением

где f_p и f_n - квазиуровни Ферми в p- и n-областях соответственно.

Недостатками этих устройств является высокая стоимость используемых материалов и невозможность создания на их основе излучателей в монолитных оптоэлектронных схемах.

Известна конструкция планарного светоизлучающего устройства (Фотоника/под ред. М.Балкански, П.Лалемана. - М.: Мир, 1987), выбранная в качестве прототипа, состоящая из двух слоев полупроводника фосфида галлия (GaP) p- и n-типа, образующих p-n переход. На верхнем слое p-типа, через который выводится излучение, изготовлен омический контакт, на нижнем слое n-типа изготовлен второй контакт. Формирование p-области проводится ионной имплантацией n-области.

Недостатками известной конструкции являются:

- высокая стоимость светоизлучающего устройства на основе соединений А₃В₅;

- невозможность создания интегральных монолитных оптоэлектронных схем, включающих излучатели на соединениях галлия и схемы обработки сигналов на кремнии, приводит к необходимости создания гибридной сборки, что уменьшает надежность оптоэлектронных устройств и сужает область их применения.

Задачей изобретения является создание инжекционного светоизлучающего устройства менее дорогостоящего, более надежного и с более широкой областью применения.

Поставленная задача достигается тем, что инжекционное светоизлучающее устройство, имеющее слои, образующие p-n переходы, состоит из последовательности гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния, выращенных на кремниевой подложке, каждый слой кремния состоит из p- и n-типа областей с резкими границами раздела, на противоположных краях устройства расположены омические контакты.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена конструкция инжекционного светоизлучающего устройства на кремнии, а на фиг.2 приведена схема уровней энергии носителей заряда в квантовой яме.

Устройство (фиг.1) содержит кремниевую подложку 1, на которой сформированы диэлектрические слои 2, между которыми расположены наноразмерные нанокристаллические слои кремния p-типа 3 и n-типа 4. На краях гетероэпитаксиальных слоев находятся омические контакты 5, сформированные путем нанесения слоев металлизации на торцы многослойной системы и поверхности первого слоя фторида кальция с последующей пайкой проводов.

Принцип действия предлагаемого изобретения состоит в излучательной рекомбинация электронно-дырочных пар в области p-n перехода (см. фиг.1) и прилегающих к нему p- и n-областях при включении светоизлучающего устройства в прямом направлении. В отличие от зонной структуры объемного кремния энергетическая диаграмма наноразмерного слоя кремния имеет более сложную структуру, состоящую из набора минизон в зоне проводимости и в валентной зоне, уровни энергии дна (зона проводимости) Е_e1, Е_e2 и потолка (валентная зона) Е_h1, Е_h2, Е_h3 подзон размерного квантования показаны на фиг.2.

Энергия электронного межзонного перехода E_en→E_hm (фиг.2) равна

где в рамках модели потенциальной ямы с бесконечно-высокими вертикальными стенками

Здесь m_n, m_p - эффективные массы электрона и дырки соответственно, n, m - номера уровней размерного квантования подзон в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. Ширина запрещенной зоны кремния E_g=1.12 эВ при T=300 К, величина ΔЕ_n,m может иметь значения, сравнимые с E_g, a соответствующее рекомбинационное излучение будет в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах. С помощью омических контактов создается продольное электрическое поле, которое вызывает перенос носителей заряда в плоскости квантовой ямы в активную область p-n перехода. Квантовое ограничение носителей заряда в нанокристаллическом кремнии приводит к увеличению вероятности излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар (Ioannou-Sougleridis V., Nassiopoulou A.G. Quisse T. Electroluminescence from silicon nanocrystals in Si/CaF₂ superlattices//Applied Physics Letters. 2001. V.79. N.13. - P.2076-2078). Диэлектрические слои служат каналами вывода излучения из устройства.

Заявляемая конструкция может быть получена различными методами, например:

- процессом последовательно наращиваемых молекулярно-лучевой эпитаксией слоев фторида кальция и кремния необходимой толщины;

- процессом многократного окисления кремния и нанесения поликристаллического кремния;

- любым другим методом получения слоев кремния и диэлектрических слоев на нем.

Таким образом:

- использование кремния в качестве полупроводникового материала для инжекционного светоизлучающего устройства позволит существенно понизить себестоимость устройства по сравнению с более дорогостоящими материалами на основе соединений галлия;

- возможность на этой основе создать интегральные монолитные оптоэлектронные устройства позволит расширить область применения и увеличить надежность таких схем по сравнению с используемыми гибридными сборками.

Инжекционное светоизлучающее устройство, имеющее слои, образующие p-n переходы, отличающееся тем, что состоит из последовательности гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния, выращенных на кремниевой подложке, каждый слой кремния состоит из p- и n-типа областей с резкими границами раздела, на противоположных краях устройства расположены омические контакты.