ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве высокоэффективного многофункционального источника излучения с повышенной стабильностью.

Известен полупроводниковый источник электромагнитного излучения [1], содержащий излучающий р-n-переход и два омических контакта для подачи напряжения. При подаче напряжения на контакты в прямом направлении происходит инжекция носителей из одной области р-n-перехода в другую, где они рекомбинируют с испусканием фотона. Технология изготовления данного источника допускает пленочное (эпитаксиальное) исполнение, позволяющее изготавливать излучающие поверхности сложной формы для создания многоцелевых источников ИК-излучения.

Недостатками данного устройства являются низкая эффективность для среднего и дальнего ИК-диапазона, низкая стабильность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является полупроводниковый источник электромаг- нитного излучения [2], принцип действия которого основан на магнитоконцентрационном эффекте. Излучатель представляет собой гетероэпитаксиальную структуру, содержащую активный узкозонный слой, широкозонную подложку и переходный варизонный слой. Излучающей является приповерхностная область активного слоя у границы, обращенной к подложке. Изоморфность и изопериодичность материалов активного слоя и подложки, а также встроенное поле, образующееся на границе этих слоев, обеспечивают малую величину S_min - гораздо меньшую, чем могут дать механические и химические методы обработки на открытой поверхности полупроводника. Область с S_max в такой конструкции находится у поверхности активного слоя, граничащей с внешней средой. Для увеличения S_max эту поверхность приходится подвергать дополнительной механической и/или химической обработке.

Недостатком данного устройства является крайняя ограниченность класса материалов, для которых такая конструкция обладает высокой эффективностью. Условию изоморфности и изопериодичности материала гетероструктуры среди узкозонных полупроводников удовлетворяют в основном тройные соединения типа А_IIB_VI: CdТе - подложка, Cd _x Hg_1-xТе - активный слой (CdTe/CdHgТe), МnTe/CdMnТе и др., и А_IVB_VI: PbTe (PbSnTe, BaF₂) PbSnТе и др.

Производство таких полупроводников сложно и дорого, а полученные материалы не могут сравниться по чистоте, совершенству и стабильности параметров с бинарными соединениями.

Наличие в готовой эпитаксиальной структуре открытой поверхности с S_max также снижает стабильность излучателей.

Целью изобретения является повышение эффективности и стабильности излучения, расширение круга используемых материалов за счет создания условий для максимального перераспределения носителей в гетероэпитаксиальной структуре при магнитоконцентрационном эффекте путем обеспечения минимальной скорости поверхности рекомбинации на гомозонном переходе между узкозонным (активным) и автоэпитаксиальным (прозрачным) ему слоями и обеспечения стабильности большой скорости поверхностной рекомбинации на границе активного слоя и неизоморфной ему широкозонной подложки.

Цель достигается тем, что в известном инфракрасном полупроводниковом излучателе на основе гетероэпитаксиальной структуры с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное поле, параллельное слоям гетероструктуры, на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиальный слой с концентрацией примеси
n_i<N< exp , , причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия кристаллических решеток материалов гетероструктуры - не менее 5%. В математических соотношениях использованы обозначения: n - концентрация основных носителей в активном слое; n_i - cобственная концентрация носителей; m_e* - эффективная масса электрона в активном слое; μ_n,μ_p - подвижности электронов и дырок в активном слое; ε- диэлектрическая проницаемость активного слоя.

На чертеже представлена конструкция излучателя.

Излучатель содержит активный слой 1 из узкозонного полупроводникового материала, автоэпитаксиальный прозрачный слой 2, широкозонную подложку 3, омические контакты 4, просветляющее и/или фокусирующее покрытие 5, отражающий слой 6.

В предложенном устройстве по сравнению с устройством-прототипом излучающая область переносится к грани активного слоя, противоположной подложке. Тем самым, к подложке не предъявляется самое сложное требование - изоморфности к материалу активного слоя. Поскольку у границы активный слой - подложка должна быть область с S_max, то необходимо максимально возможное несоответствие кристаллических решеток этих слоев, при котором еще может происходить эпитаксиальный рост активного слоя.

Величина скорости поверхностной рекомбинации S ≈N_c, где N_c - плотность разрешенных состояний (центров рекомбинации) у границ слоев. В свою очередь, N_c≈Δa/а, где а - несоответствие постоянных кристаллических решеток для эпитаксиальных слоев активного слоя и подложки. Для обеспечения эффективности излучателя необходимо отличие S_min и S_max не менее, чем на порядок, т.е. N_cmax > 10 N_cmin, где N_cmin (плотность дислокаций на открытой поверхности эпитаксиального слоя) ≈ 5˙10⁵ см^-2. Тогда необходимо N_cmax ≥5x x 10⁶ см^-2. Расчет N_c в зависимости от Δа/а дает Δа/а ≥5%.

Малая величина S_min достигается в излучающей области формированием на грани активного слоя, противоположной границе с подложкой, дополнительного слоя, который позволяет ввести в структуру встроенное поле. Поскольку теперь излучающая область не граничит с несущей механическую нагрузку подложкой, дополнительный легированный слой может быть выполнен достаточно тонким, чтобы не быть шунтирующим по отношению к активному слою. В качестве дополнительного слоя используется автоэпитаксиальный слой (гомозонный переход), например р⁺ - или n⁺-слои. При этом условие изоморфности выполняется автоматически ( Δа/а = О), а встроенное поле обеспечивает полевую границу для носителей заряда. Таким образом достигается величина еще меньшая, чем в устройстве-прототипе, за счет меньшего числа остаточных центров рекомбинации. Толщина прозрачного автоэпитаксиального слоя должна быть больше величины Дебаевской длины экранирования для данного слоя. При выполнении этого условия образуется гомозонный переход, в котором существует встроенное поле.

Концентрация примеси в дополнительном слое определяется из условия равенства величины встроенного поля максимальной величине силы Лоренца (выполнение данного условия обеспечивает рекомбинацию носителей на эффективной полевой поверхности с S_min ->>0 при любых используемых электрических и магнитных полях).

Максимальное магнитное поле определяется из условия
H_max= C/, где c - скорость света.

При дальнейшем увеличении Н эффект замагничивания носителей приводит к падению их подвижности и к резкому уменьшению эффектов перераспределения носителей.

Максимальное электрическое поле определяется из условия
Е_max = V_Т/ μ_n, где V_Т - тепловая скорость носителей заряда.

Дальнейшее увеличение электрического поля не приводит к увеличению дрейфовой скорости носителей в кристалле. Критерием для концентрации примеси в автоэпитаксиальном слое является:
n_i<N< exp
Конкретное значение N, обеспечивающее малую эффективную скорость поверхностной рекомбинации, выбирается для наибольших практически используемых электрического и магнитного полей, при условии, что
F_л = (μ_n+μ_p) H·E < F_лmax
Эффективность предлагаемого технического решения определяется степенью перераспределения носителей по сечению активного элемента при магнитоконцентрационном эффекте, которое зависит от различия скоростей поверхностной рекомбинации на излучающей (S_min) и противоположной ей (S_max) поверхностях активного элемента. Эффект максимален при S_min ->>0 и S_max ->>∞. Малое количество центров рекомбинации на границе узкозонного и автоэпитаксиального ему прозрачного слоя обеспечивает величину S_min еще меньшую, чем в устройстве-прототипе, для всех полупроводниковых материалов.

Обеспечить необходимое значение S_max несложно.

Изобретение позволяет использовать в качестве активного слоя гетероэпитаксиальной излучающей структуры бинарные соединения, которые обладают стабильными электрофизическими характеристиками, а также гораздо более дешевой и простой по сравнению с тройными соединениями технологией изготовления эпитаксиальных структур. То обстоятельство, что обе грани, состояния поверхностей которых (величины S_min и S_max) очень существенны для магнитоконцентрационного эффекта, в предложенном устройстве не находятся в непосредственном контакте с внешней средой, значительно уменьшает деградацию устройства. Снижение требований к механической нагрузке при монтаже излучателя (в данной конструкции защищены обе поверхности активного слоя, а крепление готовой эпитаксиальной структуры производится со стороны механически прочной подложки) обеспечивает увеличение выхода годных структур.

Переход к бинарным соединениям, таким образом, позволяет значительно повысить стабильность излучателей, а также обеспечивает значительное их удешевление как за счет упрощения технологии производства, так и за счет увеличения выхода годных структур. Кроме того, значительно улучшаются экологические условия производства и эксплуатации излучателей.

Конструкция предлагаемого устройства, так же как и устройства-прототипа, допускает формирование просветляющих и фокусирующих слоев, увеличивающих внешний квантовый выход излучения. Эпитаксиальная технология изготовления излучателей позволяет формировать многоэлементные устройства (линейки, матрицы и т.п.) в едином технологическом цикле.

Наличие на широкозонной подложке отражающего слоя позволяет также наблюдать кроме люминесценции и модуляцию теплового излучения полупроводников за краем фундаментального поглощения, т.е. в более длинноволновой части спектра. Для наблюдения модуляции теплового излучения в данной конструкции, так же как и в прототипе, используется нагреватель.

П р и м е р 1. Полупроводниковый излучатель был выполнен в виде гетероэпитаксиальной структуры: широкозонная подложка из полуизолирующего GaAs толщиной 350 мкм, на которой методом термического испарения-конденсации в глубоком вакууме выращен слой InSb и биполярной проводимостью (N_A - N_D ≈8˙ 10¹⁵ см^-3, n_i = 2 ˙ 10¹⁶ см^-3) толщиной 10 мкм, являющийся активным слоем излучателя. Несоответствие постоянных кристаллических решеток InSb и Ga As : =14%. При этом, как показали измерения, скорость поверхностной рекомбинации на границе InSb/GaAs Smax порядка 5˙ 10⁵ см/с. Скорость поверхностной рекомбинации на открытой поверхности слоя InSb составляла S_min ≈3˙ 10⁴ см/с. На свободную поверхность слоя InSb нанесен легированный слой n-InSb толщиной d=0,1 мкм, с N_D-N_A≈ ≈2˙ 10¹⁷см^-3 (длина экранирования для данного слоя L_э ≈3,4 ˙ 10^-4 мкм, наибольший коэффициент междузонного поглощения на λ= 4 мкм, К ≈5˙ 10⁴см^-1, коэффициент поглощения InSb на длине волны, соответствующей максимуму спектральной характеристики λ=7 мкм, К ≈5˙ 10³ см^-1). Таким образом, условие (L_э< d< 1/K) было выполнено.

Скорость поверхностной рекомбинации на границе слоев InSb/n-InSb составляла не более 5 ˙10³ см/с, что значительно меньше, чем скорость поверхностной рекомбинации на открытой поверхности InSb.

Верхний предел концентрации примеси в легированном слое составляет 2 ˙10¹⁹см^-3. Практически при работе излучателя используются поля, не превышающие Е= 10³ В/см, Н=25 кгс. При этом необходимую величину встроенного поля обеспечивает концентрация примеси 2 ˙10¹⁷ см^-3.

Методом фотолитографии в данной гетероэпитаксиальной структуре формировались линейка и матрица излучателей с площадью светящейся поверхности каждого элемента 0,5 х 0,5 мм². Электрическое поле прикладывалось в виде прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности длительностью 10мкс к каждому из элементов либо при различной их коммутации. Излучатель помещался между полюсами электромагнита таким образом, что направление магнитного поля было параллельно излучающей поверхности. Излучение фокусировалось линзами из ВаF₂ и регистрировалось охлаждаемым фотоприемником Ge(Au). Максимальная мощность отрицательной люминесценции Р_о ≈2˙10^-3 Вт/см². Мощность положительной люминесценции при Н=3 кгс, Е=100 В/см при наличии легированного слоя составляла порядка 5 Р_о, при его отсутствии 2 Р_о. При формировании на излучающей поверхности элементов просветляющего сферического покрытия из халькогенидного стекла Аs_36,5 Sb_2,0 S_23,0Se_23,0Br_15,5 наблюдалось увеличение мощности излучения еще в 3 раза.

Излучательные характеристики структур практически не изменялись после работы в условиях повышенной влажности и температуры в течение 10³ч.

При нанесении на свободную поверхность широкозонной подложки GaAs отражающего слоя Al наблюдалось увеличение интенсивности излучения при λ> 7 мкм. Спектральный состав излучения контролировался при помощи фильтров. При помещении полупроводникового излучателя на нагреватель, обеспечивающий температуру 320-350К, и использовании охлаждаемого фотоприемника из СdHgTe, наблюдался сигнал модуляции теплового излучения устройства на длинах волн λ до 14 мкм, что соответствует области чувствительности приемника.

Инфракрасный полупроводниковый излучатель, изготовленный по предлагаемому конструктивному решению, работает эффективно. По конструктивному же решению устройства-прототипа эффективный излучатель на основе InSb и эпитаксиальной технологии создать нельзя, поскольку для InSb нет изоморфного полупроводникового материала, и реальные величины S_min нельзя получить меньше 10⁵ см/с. При этом магнитоконцентрационный эффект и модулированный поток излучения будут крайне малы.

П р и м е р 2. В качестве подложки, как и в примере 1, использован GaAs. Активный слой по той же технологии выполнен из InAs (N_A-N_D ≈2˙ 10¹⁶ см^-3, толщина 20 мкм, Δа/а =7%). На свободную поверхность слоя р -InAs нанесен легированный слой n-InAs (N_D--N_A ≈4˙ 10¹⁷см^-3) толщиной d = 0,5 мкм. Наибольший коэффициент поглощения InAs в области длин волн 3-5 мкм (область спектра излучения) составляет К=3 ˙10³ см^-1. Длина экранирования в таком материале L_э ≈6 ˙10^-3 мкм. Таким образом, условие L_э < d < /К было выполнено. Другое условие для N принимает вид n_i<N< exp, поэтому n= 4 ˙10¹⁷см^-3 соответствует ему. Так как для InAs тоже нет изоморфной широкозонной подложки, работа излучателя на InAs в конструкции устройства-прототипа крайне неэффективна.

Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает эффективную работу излучателей из широкого класса используемых материалов.

Использование: изобретение относится к оптоэлектронике. Сущность изобретения: устройство содержит активный узкозонный слой с биполярной проводимостью, толщиной, сравнимой с диффузионной длиной, широкозонную подложку, просветляющей и фокусирующий слои. На активном слое выполнены омические контакты. На излучающей поверхности активного слоя сформирован легированный слой с концентрацией примеси n_i<N< где n - концентрация основных носителей в активном слое; n_i - собственная концентрация носителей в активном слое; ε - диэлектрическая проницаемость активного слоя; m*e

ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ на основе гетероэпитаксиальной структуры с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное поле, параллельное слоям гетероструктуры, причем толщина узкозонного слоя не менее диффузионной длины неосновных носителей заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и стабильности излучения, расширения круга используемых материалов, на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиальный слой с концентрацией примеси
n₁< N≅ exp ,
где n - концентрация основных носителей в узкозонном слое;
n_i - собственная концентрация носителей в узкозонном слое;
ε - диэлектрическая проницаемость узкозонного слоя;
n_e^* - эффективная масса электрона в узкозонном слое,
μ_n , μ_p - подвижности электронов и дырок в узкозонном слое,
причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия параметров кристаллических решеток материалов гетероструктуры не менее 5%.