НЕИНЖЕКЦИОННЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД Российский патент 1994 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светоизлучающим приборам, преобразующим электрическую энергию в электромагнитное излучение.

Полупроводниковые лазеры находят широкое применение в различных областях техники. К их достоинствам относятся малые габариты, высокий КПД, высокое быстродействие, возможность перестройки частоты лазерного излучения. Большое распространение получили полупроводниковые лазеры, в которых активная область выполнена в виде p-n-гетероперехода, у которого скачок потенциала в валентной зоне и зоне проводимости имеет разный знак.

Известен светоизлучающий диод, в котором используется гетеропереход второго типа, т.е. такой гетеропереход, в котором скачок потенциала в валентной зоне и зоне проводимости имеет одинаковый знак. Недостатком такого диода является выбор полупроводниковых материалов, не позволяющий создать работоспособный лазер с помощью имеющейся на сегодняшний день технологии создания таких приборов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является светоизлучающий диод (лазер), имеющий рекордное быстродействие при низких (Т≅80 К) температурах и работающий при этом в одномодовом режиме.

Недостатком прототипа является то, что его уникальные свойства (одномодовость, быстродействие) проявляются в полной мере лишь при низкой температуре. При комнатной температуре эти свойства в значительной степени теряются. Связано это с тем, что при комнатной температуре глубина самосогласованной потенциальной ямы, в которой локализованы носители, оказывается порядка kТ. В имеющихся системах это приводит к инжекции носителей, что создает дополнительные потери на рекомбинацию инжектируемых носителей. Для того, чтобы количество инжектируемых носителей было бы меньше, чем число носителей в яме, высота барьера в квантовой яме должна быть порядка 3-5 kТ.

Целью изобретения является обеспечение возможности работы в одномодовом режиме при повышенной температуре.

Цель достигается тем, что в полупроводниковый светоизлучающий диод на основе гетероперехода второго типа дополнительно введен второй гетеропереход того же типа, симметричный первому, и между ними сформирована квантовая яма.

На чертеже изображена предлагаемая структура для случая, когда скачки потенциала Δ , отсчитанные от соответствующих зон материалов n и р-типа, отрицательны (в дальнейшем для определенности будем рассматривать этот случай), при приложении к ней разности потенциалов U в прямом направлении. На чертеже изображены: I - область р-типа; II - промежуточный слой; III - область р-типа; 1 - уровень размерного квантования электронов; 2 - уровень размерного квантования дырок; 3 - положение квазиуровня Ферми электронов; 4 - потенциальный барьер, образованный оголенными донорами.

Основная идея заключается в том, чтобы сформировать искусственный потенциальный колодец для электронов вместо самосогласованного колодца, предложенного в прототипе. При этом имеется возможность управлять параметрами структуры. Для формирования такого колодца использован двойной гетеропереход второго типа. При этом, если Δ , отсчитанные так, как указано выше, отрицательны, то формируется колодец для электронов, а если положительны, то для дырок.

Принцип действия прибора основан на подбарьерном туннелировании носителей из области I в область II и рекомбинации носителей в областях II-III. Область n-типа отделена от потенциальной ямы барьером 4, препятствующим инжекции электронов из области II в область III и дырок из области III в область II. Чтобы избежать инжекции, необходимо, чтобы высота этого барьера была не меньше чем 3-5 кТ. Таким образом, каждый признак необходим, а все вместе являются достаточными для достижения цели.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна. В результате взаимодействия предложенных существенных признаков появляется новая зонная структура (аналогичная показанной на чертеже), никогда ранее не использовавшаяся для создания светоизлучающих приборов, что позволяет достичь цели.

Прибор состоит из омических контактов, областей n- и р-типа и тонкого промежуточного слоя полупроводника. В случае использования прибора в качестве активной области полупроводникового лазера, оно помещается в оптический резонатор.

Описываемый диод работает следующим образом.

К структуре в прямом направлении ("+" батареи - к р-области) прикладывается такое напряжение, чтобы зонная картина качественно соответствовала чертежу. При этом электроны из омического контакта попадают на границу области I-II, а дырки - на границу II-III. На границе II-III образуется самосогласованная потенциальная яма, захватывающая дырки, в которой дырки локализуются. За счет эффектов туннелирования часть дырок может попасть в область II. При не слишком большой высоте и толщине барьера на гетерогранице I-II электроны туннелируют под барьером и попадают в область II. В области II (и частично - в III) происходит рекомбинация электронов и дырок и таким образом создается активная среда, генерирующая лазерное излучение. Длина волны излучения при прочих равных условиях определяется шириной области II, что позволяет легко изготовить прибор, излучающий на заданной длине волны в широком диапазоне длин волн.

Быстродействие данного прибора, также как и полупроводникового лазера на одиночном гетеропереходе второго типа, определяется временем туннелирования носителей под барьером. Это время существенно меньше транспортного времени носителей в зоне, которым определяется быстродействие традиционных полупроводниковых лазеров.

П р и м е р. Методом молекулярной эпитаксии создан полупроводниковый светоизлучающий диод, включающий n- и р-области на основе легированного соответствующим образом GaSb, между которыми заключен слой InAs толщиной d= 9 . Скачок потенциала в зоне проводимости на границе GaSb-InAs составляет Δ_с¹= Δ_с²= -0,94 эВ, а в валентной зоне Δ_v¹=Δ_v²=-0,55 эВ, что соответствует условию на разрывы зон. Полупроводниковый лазер на основе такого диода работает при комнатной температуре в одномодовом режиме при пороговом токе менее 500 А/см². Прототип прибора работает в одномодовом режиме при температурах порядка температуры кипения жидкого азота. Работа в одномодовом режиме в условиях, когда генерация возможна на нескольких модах резонатора является косвенным свидетельством чрезвычайно высокого быстродействия прибора. Прямое измерение быстродействия на имеющейся аппаратуре связано со значительными техническими трудностями.

Таким образом, поставленная цель - получение прибора, способного работать при комнатной температуре в одномодовом режиме, достигнута.

Предлагаемый парибор может найти широкое применение при построении оптических линий связи и в других областях, где применяются известные полупроводниковые лазеры.

Использование: изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светоизлучающим приборам, преобразующим электрическую энергию в электромагнитное излучение. Сущность изобретения: в неинжекционный светоизлучающий диод на основе гетероперехода второго типа дополнительно введен второй гетеропереход того же типа, симметричный первому, и между ними сформирована квантовая яма. Неинжекционный светоизлучающий диод может быть выполнен на основе n - GaSb, JnAs,p - GaSb, причем толщина InAs 5 - 15 . 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. НЕИНЖЕКЦИОННЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД на основе гетероперехода второго типа, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности работы в одномодовом режиме при повышенной температуре, в него дополнительно введен второй гетеропереход того же типа, симметричный по знаку разрыва зон первому, и между ними сформирована квантовая яма. 2. Диод по п.1, отличающийся тем, что гетеропереходы выполнены на основе n-GaSb, InAs, p-GaSb, причем толщина InAs 5-15 .