ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано при создании люминесцентных диодов видимого диапазона излучения.

Известен люминесцентный прибор [1] содержащий подложку из легированного монокристаллического кремния и однотипной с ней по проводимости слой пористого кремния. При освещении ультрафиолетовым светом с энергией кванта 3-5 эВ такой прибор излучает видимый свет (в красном диапазоне).

Преимуществами прибора являются дешевизна исходного материала и простота технологии изготовления, а принципиальным недостатком сложность возбуждения люминесценции, связанная с необходимостью использования мощного источника ультрафиолетового излучения.

Известен также люминесцентный прибор на основе р⁺-n⁺ перехода с перестраиваемой частотой излучения [2] К недостаткам прибора относятся малая интенсивность излучения и работа только в инфракрасной области спектра, старение прибора со временем.

Известны люминесцентные приборы на основе МОП-структуры, образованной вырожденной полупроводниковой пленкой n⁺ -типа, туннельно-тонким диэлектриком и электропроводящей пленкой [3]
В таком светодиоде спонтанное излучение частотой h_ω≈E_g возникает благодаря излучательной рекомбинации электронов из зоны проводимости полупроводника с дырками валентной зоны, которые образуются там в результате туннелирования из металла.

Недостатком таких светодиодов является малая интенсивность излучения, так как МОП-структура не относится к эффективным инжекторам дырок.

Известен также люминесцентный прибор, взятый в качестве прототипа [4] на основе структуры, образованной вырожденной полупроводниковой пленкой n⁺ -типа, туннельно-тонким диэлектриком и электропроводящей пленкой. Полупроводниковая пленка в таком приборе ориентирована в кристаллографическом направлении, совпадающей с направлением, в котором производная эффективной массы электрона по энергии в зоне проводимости полупроводниковой пленки максимальна. Электропроводящая пленка в таком приборе выполнена либо из металла, либо из сплава металлов, либо из вырожденного полупроводника n+ -типа, например n⁺ GaSb, в котором положение дна зоны проводимости в пространстве квазиимпульсов совпадает с положением дна зоны проводимости полупроводниковой пленки n⁺ -типа. Сильнолегированная подложка выполнена из GaSb, диэлектрическая пленка из Al₂O₃. Такой прибор позволяет увеличить интенсивность излучения по сравнению с известными прибора [1, 2, 3] Но главными недостатками всех упомянутых приборов являются невозможность сопряжения этих приборов с интегральными схемами на сплаве кремния и высокая стоимость приборов на основе A^IIIB^V.

Задача предлагаемого решения создание люминесцентного прибора, согласующегося с кремниевыми интегральными схемами, и уменьшение его стоимости.

Указанная задача решается в люминесцентном приборе, содержащем легированную полупроводниковую подложку с размещенным на ней полупроводниковым слоем, туннельно-тонкий диэлектрический слой и прозрачный в видимой области спектра электропроводящий слой.

Новым является то, что подложка выполнена из кремния, а полупроводниковый слой из пористого кремния с противоположным подложке типом проводимости и уровнем легирования, по крайней мере, на порядок меньшим, чем уровень легирования подложки, диэлектрический и проводящий слои размещены над слоем пористого кремния, причем толщина диэлектрического слоя d (см) отвечает соотношению:
d_o>d> , где d_o максимально возможная толщина туннелирования, см;
Е_л энергия электрона, достаточная для возбуждения люминесценции, Дж;
Е_пр напряженность поля при пробое туннельно-тонкого диэлектрика, В/см;
q заряд электрона, Кул.

На фиг.1 приведена конструктивная схема прибора; на фиг.2 приконтактный участок и слой пористого кремния с квантоворазмерными колоннами в увеличенном масштабе; на фиг. 3 зонная диаграмма прибора в сечении, проходящем через квантоворазмерную колонну.

Прибор содержит слой 1 пористого кремния, монокристаллическую подложку 2, туннельно-тонкий окисел 3, прозрачный токопроводящий слой 4, толстый изолирующий слой 5, токопроводящие контакты 6, квантоворазмерные кремниевые колонны 7, инверсный слой 8. На фиг.3 показаны:
Е_f4 уровень Ферми токопроводящего слоя,
Е_f7 уровень Ферми в кремниевой колонне,
Е_f2 уровень Ферми сильнолегированной подложки.

Стрелками показаны пути электронов и дырок.

Кремниевая подложка 2 имеет тип проводимости, противоположный типу проводимости слоя пористого кремния 1, на этом слое выращен туннельно-тонкий слой двуокиси кремния 3 и поверх него нанесен прозрачный токопроводящий слой 4. Такая конструкция позволяет при приложении к диоду напряжения указанной на фиг. 1, 2 полярности осуществить инжекцию в кремниевые квантоворазмерные колонны 7 горячих носителей из металлического слоя 4 сквозь туннельно-тонкий окисел 3. Толщина слоя 3 выбирается из соотношения
d_o>d> , означающего, что этот слой должен быть достаточно тонким для точно, чтобы обеспечить возможность туннелирования носителей, но достаточно толстым для того, чтобы к нему можно было приложить напряжение, необходимое для набора носителем соответствующей энергии Е для генерации электронно-дырочной пары с энергией, необходимой для возбуждения люминесценции в квантоворазмерных кремниевых колоннах 7, образующихся при изготовлении слоя пористого кремния путем анодного травления монокристаллического слоя кремния. В этих колоннах вследствие того, что их диаметр сравним с длиной волны электрона, происходит квантование электронных состояний в зоне проводимости и валентной зоне, благодаря чему становится возможной прямая рекомбинация электронов и дырок с излучением квантов света в видимом диапазоне. Как показали эксперименты, энергия инжектируемых в колонны электронов должна лежать в пределах 3-5 эВ; именно в этом диапазоне энергий происходит генерация электронно-дырочных пар, обеспечивающая наибольшую интенсивность излучения в видимом диапазоне.

В предлагаемом приборе слой пористого кремния может быть как n^- -, так и р-типа проводимости; соответственно, подложка должна иметь р⁺- или n⁺ -тип проводимости, причем уровень легирования подложки должен быть, по крайней мере, на порядок выше, чем уровень легирования слоя пористого кремния, для того чтобы обеспечить достаточно высокий коэффициент инжекции неосновных носителей из подложки в квантоворазмерные кремниевые колонны. Токопроводящий слой может быть выполнен либо в виде тонкого (100-200 ) слоя хорошо проводящего металла (Au, Ag и т.п.), либо в виде более толстого (0,1-1 мкм) слоя прозрачного проводящего окисла (SnO, InO и т.п.).

Таким образом, совокупность указанных признаков обеспечивает получение люминесцентного кремниевого прибора, излучающего свет в видимой области спектра, причем возбуждение осуществляется пропусканием тока через прибор; при этом нет необходимости в использовании сложных и дорогих внешних источников ультрафиолетового излучения для возбуждения люминесценции.

Предлагаемое решение отвечает изобретательскому уровню.

Известна люминесценция приборов на основе пористого кремния под действием ультрафиолетового излучения, известно также использование туннельного МОП-эмиттера для инжекции горячих электронов в кремниевых транзисторах для получения большого коэффициента усиления по току.

Новым в нашем предложении является использованием МОП-эмиттера горячих электронов для возбуждения эффективной люминесценции в пористом кремнии; для этого оказалось необходимым выдерживать в рамках, определяемых неизвестным ранее соотношением, толщину окисла в МОП-эмиттере. Кроме того, новым является то, что подложка имеет противоположный пористому кремнию тип проводимости. Благодаря этому в каждой квантоворазмерной колонне образуется самопереключающийся динистор, при переключении которого к окислу МОП-эмиттера оказывается приложенным напряжение, достаточно большое для инжекции электронов с энергией, необходимой для возбуждения интенсивной люминесценции.

Только сочетание этих новых признаков позволяет получить пригодный для практического применения высокоэффективный люминесцентный кремниевый прибор.

Работает предлагаемый люминесцентный диод следующим образом.

При приложении к диоду внешнего напряжения с полярностью, указанной на чертежах, приложенное к туннельно-тонкому окислу 3 поле отталкивает в квантоворазмерных колоннах 7 слоя пористого кремния 1 электроны от интерфейса вглубь материала, создавая область объемного заряда. При достаточно большом напряжении граница области подходит к сильнолегированнрому р⁺ -слою подложки 2, вызывая инжекцию дырок. Эти дырки, накапливаясь у интерфейса, образуют тонкий инверсный р-слой 8 (фиг. 3) с высокой концентрацией. Напряжение, приложенное к туннельно-тонкому окисному слою 3, возрастает, край зоны проводимости опускается ниже уровня Ферми Е_f4 токопроводящего слоя 4 и начинается инжекция горячих электронов в колонны 7. Эти электроны вызывают встречную инжекцию дырок из р⁺ -слоя, концентрация дырок в слое 8 и напряжение на окисле возрастают, что снова увеличивает инжекцию электронов и т.д. Через небольшое время все внешнее напряжение оказывается приложенным к окислу 3 и инверсному слою 8, а остальная часть n-слоя заполняется хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой. Согласно нашим экспериментам, туннельно-тонкий окисел толщиной порядка 30-40 выдерживает (вместе со слоем 8) без пробоя напряжение 3-5 В, и при таком напряжении электроны, инжектируемые в колонну, имеют энергию 3-5 эВ. Этой энергии хватает для ударной ионизации кремния и образования электронно-дырочных пар с энергией, достаточной для возбуждения в кремниевой колонне люминесценции в красной области спектра.

П р и м е р изготовления. Согласно изобретению были изготовлены кремниевые люминесцентные приборы по следующей технологической схеме.

На эпитаксиальной пленке n-типа с ρ= 1,0 Ом^.см; n 5 х 10¹⁵ см^-3; толщиной 3 мкм, расположенной на р⁺ -подложке (ρ= 0,001 Ом^.см, p= 1,5^.10²⁰ см^-3; толщина 400 мкм) был выращен изолирующий окисел SnO₂толщиной ≈ 0,1 мкм (сухой кислород, 1000^оС), в нем фотолитографией вскрыты окна 2 х 2 мм и в них анодным окислением (плотность тока 20 мА/см², подсветка лампой накаливания) получен слой пористого кремния толщиной 3 мкм.

Затем пластины окислены в токе сухого кислорода при 700^оС в течение 30 мин для получения туннельно-тонкого окисла (толщина 40 ), после чего на них методом термического испарения нанесен по всей площади прозрачный в видимой области слой золота толщиной 100 и напылением через маску слой золота толщиной 1000 на участке с толстым изолирующим окислом и такой же слой золота наносился на р⁺ -подложку.

Полученные таким образом приборы при пропускании тока (плюс на р⁺-подложке) излучали яркий красный свет с максимумом интенсивности в области 610-630 нм.

Таким образом, впервые получены люминесцентные кремниевые приборы, пригодные для практического применения и не требующие сложных и дорогостоящих дополнительных источников возбуждения.

Использование: в оптоэлектронике. Сущность изобретения: люминесцентный прибор содержит легированную полупроводниковую подложку с размещенным на ней полупроводниковым слоем, туннельно - тонкий диэлектрический слой и прозрачный в видимой области спектра электропроводящий слой. Подложка выполнена из кремния, а полупроводниковый слой - из пористого кремния с противоположным подложке типом проводимости и уровнем легирования, по крайней мере, на порядок меньшим, чем уровень легирования подложки. Диэлектрический и токопроводящий слой размещены над слоем пористого кремния. Толщина d диэлектрического слоя отвечает соотношению , где d_o - максимально возможная толщина для туннелирования, E_л - энергия электронов, достаточная для возбуждения люминесценции, E_пр - напряженность электрического поля при пробое диэлектрического слоя, q - заряд электрона. 3 ил.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ПРИБОР, содержащий легированную полупроводниковую подложку с размещенным на ней полупроводниковым слоем, туннельно-тонкий диэлектрический слой и прозрачный в видимой области спектра электропроводящий слой, отличающийся тем, что подложка выполнена из кремния, а полупроводниковый слой из пористого кремния с противоположным подложке типом проводимости и уровнем легирования, по крайней мере на порядок меньшим, чем уровень легирования подложки, диэлектрический и токопроводящий слои размещены над слоем пористого кремния, причем толщина d (см) диэлектрического слоя отвечает соотношению

где d₀ максимально возможная толщина для туннелирования, м;
E_л энергия электронов, достаточная для возбуждения люминесценции, Дж;
E_пр напряженность электрического поля при пробое диэлектрического слоя, В/см;
q заряд электрона, Кл.