МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭКРАН Российский патент 1997 года по МПК H01J29/18 H01J3/18 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции экранов электронно-лучевых приборов (ЭЛП) высокого разрешения, и может быть использовано в ЭЛП, предназначенных для применения в системах обработки информации.

Целью данного изобретения является повышение яркости за счет уменьшения безызлучательных рекомбинаций на внешней и внутренней границах светоизлучающего слоя и уменьшения поглощений в активном слое и пассивной части, а также увеличение долговечности за счет увеличения толщины светоизлучающего слоя.

Поставленная цель достигается тем, что экран содержит прозрачную подложку, на которой расположены полупроводниковый светоизлучающий и светоотражающий слои. При этом светоизлучающий слой выполнен в виде гетероструктуры, состоящей из не менее чем трех слоев, причем узкозонный активный слой расположен между широкозонными барьерными слоями, толщины которых удовлетворяют следующим соотношениям:

B₁ толщина барьерного слоя со стороны светоотражающего слоя, [мкм]
B₂ толщина барьерного слоя со стороны подложки, [мкм]
B₀ 6,63•10^-4 [мкм•эВ^-1/2] постоянный коэффициент, получаемый из уравнения для прозрачности потенциального барьера путем подстановки физических констант;
m отношение приведенной массы электронно-дырочной пары к массе свободного электрона m_e;
E_g1 и E_ga ширины запрещенных зон материалов первого барьерного и активного слоев [эВ]
kT тепловая энергия [эВ]
α коэффициент поглощения излучения в этом барьере со стороны подложки, [мкм^-1]
Известно использование широкозонных барьеров в фотодиодах для ограничения оттока неравновесных носителей заряда к поверхности, где они могут безызлучательно рекомбинировать (Дж. Гауэр. Оптические системы связи. М. Радио и связь, 1989, с. 317).

Известно использование широкозонной (прозрачной для излучения из активной области) пассивной области в полупроводниковых лазерах с накачкой электронным пучком для уменьшения термоупругих напряжений на границе светоизлучающая структура подложка и для уменьшения поглощения в пассивном слое, а также в качестве прозрачной подложки в светодиодах и инжекционных лазерах с вертикальной структурой (см. там же, с. 244 245).

Авторам неизвестно использование в монокристаллических катодолюминесцентных экранах широкозонных слоев-барьеров, которые препятствуют растеканию неравновесных носителей заряда из активной области к внешней поверхности светоизлучающего слоя и к поверхности, граничащей с подложкой.

Авторам также неизвестно использование в монокристаллических катодолюминесцентных экранах широкозонных слоев в качестве прозрачного пассивного слоя или прозрачной подложки, а также для уменьшения термоупругих напряжений на границе светоизлучающего слоя и подложки, приводящих к разрушению экрана.

Таким образом, в связи с вышеизложенным заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На чертеже показана конструкция монокристаллического гетероструктурного экрана.

Согласно фигуре экран состоит из подложки 1, например сапфир или стекло, на которой последовательно расположены светоизлучающий слой 2 и светоотражающий слой 3, например алюминий или серебро. Светоизлучающий слой 2 представляет собой полупроводниковую гетероструктуру, которая состоит из широкозонных барьерных слоев 4 и 6 и узкозонного активного слоя 5.

Сущность изобретения заключается в следующем. При возбуждении светоизлучающего слоя 2 электронный пучок проникает через светоотражающий слой 3, обычно выполненный из напыленного слоя алюминия или серебра, в слой 2 на глубину z_o. Возникшие в возбужденной области неравновесные носители заряда (электрон-дырочные пары) за время жизни успевают либо рекомбинировать с излучением фотонов, либо за счет диффузии уйти к границам светоизлучающего слоя 2 и рекомбинировать без излучения фотонов. Для уменьшения процесса безызлучательной рекомбинации необходимо уменьшить диффузию, используя потенциальные барьеры, препятствующие растеканию носителей, а также использовать легирование для уменьшения подвижности носителей.

Для оценки толщины широкозонного барьера 4 воспользуемся формулой для прозрачности потенциального барьера высотой U и толщиной B₁ для частицы с энергией Е и массой m^* (Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. Наука, 1974).

где D₀ ≈ 1, ℏ︀=1,05•10^-34 Дж•c постоянная Планка.

Из предыдущей формулы легко получить следующую формулу

Величина U-E выражается через параметры материала барьеров следующим образом:
U E E_g1 E_ga 5kT,
где E_g1, E_ga ширины запрещенных зон материалов первого барьерного и активного слоев соответственно, kT тепловая энергия (k 1,38•10^-23 Дж/К постоянная Больцмана, Т абсолютная температура [K] коэффициент 5 получается из-за того, что при используемых уровнях легирования полупроводников до 2•10¹⁸см^-3 уровень Ферми (уровень, на котором распределение электронов по энергиям равно 1/2) находится не выше 3kT от дна зоны проводимости, а наиболее высокоэнергетичные электроны не выше 5kТ (В.И. Фистуль. Сильно легированные полупроводники. М. Наука, 1967).

С учетом того, что через барьерный слой В₁ сможет протуннелировать не более 1% частиц из активного слоя, выбираем D 0,01.

В качестве массы частицы m^* необходимо использовать массу электронно-дырочной пары, т.е. m^* m•m_e, где m отношение приведенной массы электронно-дырочной пары к массе свободного электрона m_e (m_e 9,1•10^-31 кг).

Таким образом получаем условие для Bmin1

:

С учетом перевода энергетических величин в величины, измеряемые в эВ, и вычисления постоянного коэффициента имеем

Рассмотрим преимущества и требования, связанные со вторым широкозонным барьером на границе светоизлучающий слой подложка. Наличие потенциального барьера на границе слоев 5 и 6 препятствует оттоку носителей заряда из активного слоя 5 и, следовательно, повышает эффективность катодолюминесценции, а значит, и яркость экрана. Широкозонность барьера 6 по сравнению с активным слоем 5 приводит к уменьшению поглощения в пассивной части слоя 2, что также увеличивает яркость экрана. Максимальную толщину слоя 6 выбираем из условия, что излучение, прошедшее через слой, может уменьшиться в e раз: максимальная толщина равна обратному коэффициенту поглощения излучения в слое 6. Любое увеличение толщины светоизлучающего слоя 2 приводит к увеличению механической прочности экрана, таким образом наличие слоя 6 приводит к увеличению долговечности.

Экран работает следующим образом.

Энергия электронов в пределах электронного пятна на экране преобразуется в энергию светового излучения в толще монокристаллического слоя 2. Эффективность этого преобразования определяется концентрацией неравновесных носителей заряда (ННЗ), которые могут рекомбинировать с излучением фотонов. Первоначальная концентрация ННЗ в активном слое может изменяться следующими путями: 1) уменьшение за счет излучательной рекомбинации; 2) уменьшение за счет диффузии ННЗ из активного слоя; 3) увеличение за счет поглощения излучения из барьерных слоев. Процесс 1 является полезным и определяет яркость экрана. Половина излучения из барьерного слоя 4 распространяется прямо в активный слой 5 и поглощается там, а вторая половина идет в сторону светоотражающего слоя 3, в основном отражается от него, частично поглощаясь, и направляется в активный слой, где и поглощается (процесс 3). Излучение из барьерного слоя 6, распространяясь в сторону активного слоя 5, поглощается в нем, а, распространяясь в сторону положки 1, излучение, падающее под углом больше угла полного внутреннего отражения на поверхность слоя 2 со стороны подложки 1, полностью отражается в сторону активного слоя 5, где и поглощается (процесс 3); часть излучения, распространяясь в пределах угла полного внутреннего отражения, выходит из светоизлучающего слоя 2 в подложку, и далее из подложки к пользователю, часть же отражается обратно к слою 5 и поглощается в нем (процесс 3).

Излучение из активного слоя 5 может выйти из слоя 2 в подложку, только если оно распространяется под углами меньше угла полного внутреннего отражения. Так излучение, идущее в сторону светоизлучающего слоя 3, частично поглощаясь в нем, отражается обратно к слою 5, проходит в слой 6, складывается с таким же излучением, которое сразу распространяется в сторону подложки, и на границе подложка слой 2 разделяется на две части: часть выходит из слоя 2 в подложку, а часть отражается обратно к слою 5. Излучение же активного слоя 5, излучаемое под углами больше угла полного внутреннего отражения, будет распространяться внутри слоя 2, отражаясь от его поверхностей и частично рассеиваясь на них, а частично поглощаясь в светоотражающем слое 3, пока полностью не рассеится.

Процесс 3 даст существенный прирост яркости, если поглощение в барьерных и светоотражающем слоях будет намного меньше поглощения в слое 5.

Процесс 2 уменьшается при применении широкозонных барьеров 4 и 6, которые препятствуют диффузии ННЗ из слоя 5, таким образом повышается концентрация ННЗ в этом слое, а следовательно, яркость экрана.

Использование толстого светоизлучающего слоя 2 приводит к уменьшению термоупругих напряжений на границе с подложкой, т.е. повышает долговечность экрана, а также позволяет упростить конструкцию, используя широкозонный барьерный слой в качестве прозрачной подложки.

Пример 1. На сапфировую подложку диаметром 40 мм, толщиной 12 мм, полированную с обеих сторон, приклеена гетероструктура GaAs/In_0,07Ga_0,93As/GaAs, предварительно отполированная известным химико-механическим способом. Толщины слоев, отсчитывая от подложки, равны 140, 8, 1 мкм соответственно. Толщина клеевого слоя 5 мкм. На верхний слой GaAs (толщиной 1 мкм), который не подвергался дополнительной обработке, нанесено серебряное зеркало толщиной 0,1 мкм.

Пример 2. Экран выполнен по примеру 1, у которого вместо слоя In_0,07Ga_0,93As использовался In_0,18Ga_0,82As.

Пример 3. Экран выполнен по примеру 2, у которого вместо сапфировой подложки и слоя GaAs (140 мкм) используется GaAs толщиной 2 мм.

Пример 4. На стеклянной подложке диаметром 40 мм, толщиной 6 мм, полированной с обеих сторон, закреплена известным способом пластина GaAs толщиной 400 мкм и диаметром 20 мм с выращенным на ней известным методом светоизлучающим слоем, слоем к стеклу. Толщины слоев гетероструктуры Al_0,5Ga_0,5As/GaAs/Al_0,5Ga_0,5As равны 13/3/1 мкм соответственно, считая со стороны стекла. Пластина GaAs стравлена известным селективным травителем на основе растворов H₂O₂ и NH₄OH. Затем на гетероструктуру нанесен светоотражающий слой из серебра толщиной 0,1 мкм.

Технико-экономическая эффективность заявляемого изобретения по сравнению с прототипом заключается в увеличении яркости экрана электронно-лучевого прибора до 10 раз при одновременном увеличении долговечности не менее 10 раз. Использование экранов по заявляемому устройству в электронно-лучевых трубках в составе оптических сканирующих микроскопов приведет к увеличению яркости зондирующего луча или при той же яркости к меньшему току электронного пучка, что дополнительно увеличит долговечность, а в составе проекционных систем приведет к увеличению яркости изображения на внешнем экране или к увеличению размеров изображения при той же яркости.

Более высокая яркость и долговечность по заявляемому техническому решению по сравнению с яркостью и долговечностью экрана по прототипу подтверждаются сравнительным экспериментом, проведенным в отделе оптоэлектроники Физического института им. П. Н. Лебедева. Были изготовлены два экрана: 1) пластина GaAs толщиной 10 мкм, отполированная химико-механическим способом с обеих сторон, приклеена к сапфировой подложке; на пластину нанесено серебряное зеркало; 2) пластина гетероструктуры Al_0,5Ga_0,5As/GaAs/Al_0,5Ga_0,5As с толщинами слоев 15/5/0,2 мкм приклеена к сапфировой подложке (участок б); на половине пластины стравлен верхний барьерный слой толщиной 0,2 мкм (участок а); далее нанесено серебряное зеркало.

Характеристики конкретных материалов и соответствующие толщины слоев приведены в таблице 1.

Результаты сравнительного эксперимента анализа при одинаковом токе пучка I 10 мкА и ускоряющем напряжении U_o 35 кВ приведены в таблице 2.

Из таблицы видно, что яркость экрана по заявляемому техническому решению увеличивается по сравнению с прототипом в 10 13 раз, а долговечность не менее чем в 10 раз.

Использование: изобретение относится к электронной технике, в частности к конструкции экранов электронно-лучевых приборов (ЭЛП) высокого разрешения, и может быть использовано в ЭЛП, предназначенных для применения в системах обработки информации. Сущность изобретения: монокристаллический экран состоит из подложки 1, например сапфир или стекло, на которой последовательно расположены светоизлучающий слой 2 и светоотражающий слой 3, например алюминий или серебро. Светоизлучающий слой 2 представляет собой полупроводниковую гетероструктуру, например Al_0,5Ga_0,5As/GaAs/Al_0,5Ga_0,5As, которая состоит из широкозонных барьерных слоев 4 и 6 и узкозонного активного слоя 5. 1 ил., 2 табл.

Монокристаллический экран, содержащий прозрачную подложку, на которой расположены полупроводниковый светоизлучающий и светоотражающий слои, отличающийся тем, что, с целью повышения яркости и увеличения долговечности экрана, светоизлучающий слой выполнен в виде гетероструктуры, состоящей из не менее, чем трех слоев, причем узкозонный активный слой расположен между широкозонными барьерными слоями, толщины которых выбраны из следующих выражений:

B₂≅ 1/α₂,
где B₁ толщина барьерного слоя со стороны светоотражающего слоя, мкм,
В₀ 6,63•10^-4 эВ^1/2 мкм,
m отношение приведенной массы электронно-дырочной пары к массе свободного электрона,
E_g1 ширина запрещенной зоны материала барьерного слоя со стороны светоотражающего слоя, эВ,
E_ga ширина запрещенной зоны материала активного слоя, эВ,
kT тепловая энергия, эВ,
B₂ толщина барьерного слоя со стороны подложки, мкм,
α₂- коэффициент поглощения излучения в барьере со стороны подложки, мкм^-1.