ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектроникe, конкретно - к источникам инфракрасного (ИК) излучения, и может найти применение в приборах газового анализа, спектрометрах, в системах обнаружения и связи.

Известен полупроводниковый источник ИК-излучения, содержащий активную область из материала A³B⁵ с заданной шириной запрещенной зоны и p-n переход [1] , излучающий в средней ИК-области спектра. Источник выполнен на основе гетероструктуры n-InGaAs/p-InGaAs/n-InAs и предназначен для измерения прозрачности фазы в области полосы поглощения углеводородов - 3.3 мкм. Достоинствами источника являются большое время жизни (более 30000 ч) и узкий спектр излучения (менее 0.4 мкм), что позволяет использовать его в газоаналитической аппаратуре. Недостатком является невозможность работы при повышенных температурах (не более 80^oC).

Известен полупроводниковый источник ИК-излучения, взятый за прототип, содержащий активную область из материала A³B⁵ с заданной шириной запрещенной зоны и p-n переход [2], излучающий в ближней ИК-области спектра, который имеет возможность работы при повышенных температурах. Недостатком является отсутствие возможности работы в средней ИК-области спектра, где находятся основные (фундаментальные) полосы поглощения веществ и где эффективность работы анализаторов на основе таких источников особенно высока.

Задачей группы изобретений (варианты) является расширение диапазона излучения источника при повышенных температурах.

Задача решается созданием полупроводникового источника инфракрасного излучения, содержащего активную область из материалов A³B⁵ и/или его твердых растворов с заданной шириной запрещенной зоны и p-n переход, в котором согласно формуле изобретения источник дополнительно содержит по меньшей мере одну оптически связанную с первой активной областью дополнительную активную область из материалов A³B⁵ и/или его твердых растворов, причем ширина запрещенной зоны и толщина каждой последующей оптически связанной активной области удовлетворяют соотношениям
hν_max≤ E_посл+E_f•k < E_пред
1/α_вх≤ d ≤ 1/α_вых,
где hν_max - максимум спектра рекомбинационного излучения в последующей дополнительной активной области, оптически связанной с предыдущей активной областью;
E_пред. - ширина запрещенной зоны предыдущей, оптически связанной с данной, активной области;
E_посл. и E_f - ширина запрещенной зоны и энергия Ферми последующей оптически связанной дополнительной активной области соответственно;
d - толщина последующей оптически связанной дополнительной активной области;
α_вх и α_вых - эффективные коэффициенты поглощения для входящего и выходящего из последующей дополнительной активной области излучения соответственно.

Дополнительная активная область может быть выполнена на основе варизонного материала, причем его узкозонная поверхность расположена со стороны p-n перехода, что обеспечивает возможность выбора длины волны излучения в широком диапазоне и упрощения технологии изготовления таких приборов за счет использования слоев большой толщины.

Задача решается также тем, что в полупроводниковом источнике инфракрасного излучения, содержащем активную область из материалов A³B⁵ и/или его твердых растворов с заданной шириной запрещенной зоны и p-n переход согласно формуле изобретения источник дополнительно содержит по меньшей мере одну оптически связанную с первой активной областью дополнительную активную область из материалов A³B⁵ и/или его твердых растворов, причем ширина запрещенной зоны и толщина каждой последующей оптически связанной активной области удовлетворяют соотношениям
hν_max≤ E_посл+E_f•k < E_пред
1/α_вх≤ d ≤ 1/α_вых,
и по меньшей мере между двумя оптически связанными активными областями введен слой вещества с коэффициентом преломления n, удовлетворяющим соотношению
1<n≤n_{пред., посл.}
где hν_max - максимум спектра рекомбинационного излучения в последующей дополнительной активной области, оптически связанной с предыдущей активной областью;
E_пред. - ширина запрещенной зоны предыдущей, оптически связанной с данной, активной области;
E_посл. и E_f - ширина запрещенной зоны и энергия Ферми последующей оптически связанной дополнительной активной области соответственно;
d - толщина последующей оптически связанной дополнительной активной области;
α_вх и α_вых - эффективные коэффициенты поглощения для входящего и выходящего из последующей дополнительной активной области излучения соответственно;
n_пред., n_посл. - показатели преломления предыдущей и последующей активных областей соответственно.

По меньшей мере одна дополнительная активная область может быть выполнена на основе варизонного материала, причем его узкозонная поверхность расположена со стороны p-n перехода, что позволяет получить возможность выбора длины волны излучения источника по п.3 и упростить технологию его изготовления.

Традиционный подход в создании источника средней ИК-области состоит в том, что область инжекции и рекомбинации расположены в единой p-n или гетеро-p-n структуре. Разделив эти области, т.е. создав возможность инжекции в одном материале, а возможность рекомбинации в средней ИК-области - в другом, авторы обеспечили возможность свободы в выборе материала инжектора (p-n перехода). Благодаря этому удалось создать инжектор (p-n переход) в материале с большой шириной запрещенной зоны, что резко увеличило эффективность инжекции при повышенных температурах. При этом кажущаяся неэффективность, вызванная дополнительным фотопреобразованием квантов, сформированных в первой активной области, в кванты, излучаемые затем в последующей оптически связанной активной области через процесс поглощения и рекомбинации hν₁→ hν₂, перекрывается выигрышем в эффективности инжекции. Это привело к новому эффекту - возможности эффективной работы источника в средней ИК-области при повышенных температурах.

Покажем существенность признаков.

Введение в конструкцию дополнительной активной области (хотя бы одной), оптически связанной с предыдущей, из материала A³B⁵ и/или его твердых растворов обеспечивает возможность преобразования длины волны излучения выходящего из предыдущей оптически связанной активной области в заданном диапазоне длин волн, поскольку материалы A³B⁵ имеют высокий коэффициент поглощения (порядка 10⁴ см^-1), а также высокое значение внутреннего квантового выхода. Применение других веществ (например, A²B⁶) неэффективно, т.к. квантовый выход в них невелик и они менее стабильны, особенно при повышенных температурах. Выбор ширины запрещенной зоны дополнительной активной области (с учетом k=0 для невырожденного материала и k=1 для вырожденного) обеспечивает поглощение излучения, выходящего из предыдущей оптически связанной активной области.

Невыполнение условия E_посл+E_f•k<E_пред приведет к отсутствию фотовозбуждения носителей в дополнительной активной области в силу резкого снижения коэффициента поглощения при энергиях, меньших (E_посл+E_f•k). Область применения предлагаемого источника определяет величину hν_max, которая обычно совпадает с полосой поглощения анализируемых веществ, поэтому необходимо согласование заранее заданного параметра hν_max с шириной запрещенной зоны дополнительной оптически связанной активной области, т.е. hν_max≤ E_посл+E_f•к. При невыполнении этого условия излучение, выходящее из дополнительной активной области, не будет совпадать по параметрам с требованиями аналитической задачи. Выполнение условия d ≥ 1/α_вх обеспечивает поглощение большей части излучения, выходящего из предыдущей оптически связанной активной области. При d < 1/α_вх в дополнительной активной области поглощается менее приблизительно 2/3 общего потока ближнего ИК-излучения; (I = I₀exp(-αd)), что приведет к снижению эффективности преобразования (мощности) излучения и невозможности использования источника для практики. Выполнение условия d ≤ 1/α_вых необходимо для эффективного вывода излучения среднего ИК диапазона из дополнительной активной области. При невыполнении этого условия большая часть излучения будет вновь поглощаться в дополнительной активной области, и интенсивность выходящего излучения будет снижаться, приводя к непригодности источника.

По п. 2 создание дополнительной активной области в виде варизонного материала A³B⁵ и/или его твердых растворов позволяет решать задачу получения набора источников с разными длинами волн, т.к. послойное стравливание (или рост) позволяет получать материал с требуемой шириной запрещенной зоны. При расположении узкозонной поверхности со стороны p-n перехода резко снижается эффективный коэффициент поглощения α_вых, т.к. широкозонные области варизонного материала обладают эффектом "окна" для излучения, сформированного в узкозонной части. Расчет α_вых для варизонного материала приведен в [3,4]. Таким образом, появляется возможность использовать достаточно толстые слои (около 60 мкм, ▿E_g= 2MэВ/мкм ), что, учитывая хрупкость материалов A³B⁵, обеспечивает упрощение технологии производства приборов. Расположение узкозонной поверхности со стороны выходящего излучения (т.е. расположение широкозонной поверхности со стороны p-n перехода) приведет к существенному снижению эффективности источника из-за поглощения выходящего света.

По п.3 введение в конструкцию дополнительных оптически связанных с первой активных областей из материала A³B⁵ и/или их твердых растворов, с удовлетворяющими определенным соотношениям шириной запрещенной зоны и толщиной, и заполнение промежутка между активными областями (введение слоя вещества) веществом с коэффициентом преломления n, удовлетворяющим условию 1<n≤n_{пред., посл.}, где n_пред. и n_посл. - показатели преломления оптически связанных активных областей, приводит к созданию p-n перехода (инжектора) в материале с большой шириной запрещенной зоны, что резко увеличивает эффективность инжекции при повышенных температурах, а также снижает потери мощности получаемого в средней ИК области при повышенных температурах излучения, поскольку увеличивает угол полного внутреннего отражения на границе предыдущей и последующей оптически связанных активных областей, что, помимо обеспечения расширения диапазона излучения при повышенных температурах, приводит к повышению эффективности работы источника.

По п.4 выполнение дополнительной активной области на основе варизонного материала с расположением его узкозонной поверхности со стороны p-n перехода позволяет получить эффективно работающий источник ИК излучения, имеющий возможность излучать различные длины волн и достаточно простой в изготовлении.

Предлагаемое устройство схематически изображено на фиг. 1, где
1 - первая активная область,
2 - p-n переход,
3 - дополнительная активная область,
4 - держатель.

Работа устройства.

На p-n переход подают прямое смещение, инициирующее инжекцию носителей в первую активную область. Инжектированные носители рекомбинируют с выделением излучения в ближней ИК области спектра с энергией hν ≅ E_пред. Сформированные таким образом кванты покидают первую активную область и попадают в последующую, дополнительную, оптически связанную с первой, активную область, где поглощаются вблизи поверхности, обращенной к p-n переходу. В результате во второй области формируются неосновные, фотовозбужденные носители, которые в свою очередь рекомбинируют с энергией, близкой к E_посл+E_f•k, где k=0 для невырожденного материала и k=1 - для вырожденного. Полученные таким образом кванты, соответствующие среднему ИК-диапазону спектра, покидают дополнительную активную область и создают поток излучения, пригодный для практического применения.

Предлагаемый историк ИК-излучения (пример оптимального для практики варианта) схематически изображен на фиг. 2, где
1 - первая активная область,
2 - p-n переход,
3 - дополнительная активная область,
4 - держатель,
5 - узкозонная поверхность варизонного материала,
6 - широкозонная поверхность варизонного материала,
7 - оптический компаунд,
8 - подложка,
9 - ограничивающий слой,
10 - эмиттер.

Пример 1. Излучатель был создан в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН, для чего методом жидкофазной эпитаксии на подложке n⁺-InP (Sn), ориентированной по плоскости (100), были выращены следующие слои: 1) n-InGaAsP (нелегированный) с E_g = 1.19 eV и толщиной d ~1.0 мкм, 2) n-InGaAsP (нелегированный) слой (E_g = 1.01 eV, d ~ 0.4 мкм), 3) p⁺ - InGaAsP (легированный Zn, E_g = 1.01 eV, d ~ 4.7 мкм). Состав слоя 2 был оптимизирован для получения излучения в области 1.21-1.23 мкм при комнатной температуре. Эпитаксиальная структура раскалывалась на чипы размерами 1х1х0.35 мм³, которые монтировались (припаивались индием) на стандартный держатель ТО-18 p-слоем вниз. n-контакт формировался на поверхности InP индием так, что свободная поверхность InP имела размеры 1х0.9 мм². В качестве второго активного слоя использовался арсенид индия толщиной 2-4 мкм n-типа проводимости с n=2•10¹⁶ см^-3. Слой укреплялся на поверхности n⁺-InP (Sn) с помощью точечной припайки индием. Полученный таким образом источник запитывался постоянным током 30 мА и излучал на длине волны 3.8 мкм с полушириной спектра излучения 0.4 мкм. Излучение регистрировалось вплоть до температур 130^oC, при этом максимум спектра смещался в длинноволновую сторону и составлял 3.9 мкм.

Пример 2. Эпитаксиальная структура для первой активной области создавалась аналогично описанной в примере 1. Методами стандартной фотолитографии на эпитаксиальной структуре создавалась глубокая меза диаметром 400 мкм, на которую напылялся омический контакт (Cr+Au) диаметром 260 мкм. Контакт к n-области (Cr+Au) имел форму подковы и напылялся как на p-область вне мезы, так и на n-область на склонах внешней мезы. После напыления контакты усиливались за счет дополнительного осаждения гальванического золота. Кристаллы с меза структурами и контактами разрезались на чипы размером 0.9х1 мм² и монтировались на носитель из полуизолирующего кремния, имеющий контактные площадки Sn+Pb, как это показано в [5]. Узкозонная активная область создавалась следующим образом. На подложке арсенида индия выращивался градиентный слой твердого раствора InAsSbP толщиной 60 мкм с составом на поверхности InAs_0.92Sb_0.08 и возрастанием содержания фосфора к подложке с градиентом ширины запрещенной зоны 1-2 мэВ/мкм. После выращивания подложка химически стравливалась, при этом окончательная толщина слоя была 20 мкм. Полученный градиентный слой прикреплялся точечной пайкой индием узкозонной поверхностью к подложке InP. Изготовленный описанным выше образом излучатель излучал на длине волны 4.3 мкм вблизи полосы поглощения углекислого газа и показывал стабильную работу вплоть до 90^oC.

Пример 3. Источник излучения изготавливался так же, как описано в примере 2, однако промежуток между подложкой InP и слоем InAsSbP заполнялся оптическим полимерным компаундом, прозрачным в ближней ИК-области, как показано на фиг. 2. Мощность излучения источника была в 2-3 раза выше, чем в примере 2, при том же расширенном диапазоне температур.

Пример 4. Источник излучения изготавливался так, как описано в примере 1, однако вторая активная область располагалась перпендикулярно p-n переходу и параллельно (011) сколам кристалла. р-n переход запитывался короткими импульсами (менее 1 мкс) с амплитудой тока 7А. Мощность излучения была более чем на порядок выше, чем в примере 2, благодаря началу стимулированного режима работы первой активной области при том же расширенном диапазоне температур.

Пример 5. Источник создавался так, как описано в примере 3, однако площадь InAsSbP-слоя была в 2 раза меньше, а освободившаяся на поверхности InP площадь была покрыта слоем InAs, аналогичным описанным в примере 1. Полученный источник излучал одновременно на двух длинах волн: 4,3 и 3,8 мкм.

Пример 6. Первая активная область и p-n переход выполнены так же, как и в предыдущих примерах. На поверхности InP размещали две дополнительные активные области, состоящие из градиентных слоев InAs_1-x-ySb_xP_y и In_1-vGa_vAs_1-wSb_w с составами на узкозонной поверхности: x=0,2, y =0,2, v= 0,1, w=0,l. Дополнительные активные области имели на плоскости прямоугольную форму и были плотно пристыкованы друг к другу по линии, условно делящей поверхность InP на две равные части. При подаче напряжения на p-n переход источник излучал на двух длинах волн - 5,5 и 3,8 мкм, соответствующих фотопреобразованию в двух активных дополнительных областях. Подобные двухволновые и более источники могут использоваться в оптических газоанализаторах в схемах с несколькими каналами измерений.

Пример 7. Излучатель имел те же составные части, что и в примере 5, однако дополнительные активные области располагались последовательно по ходу луча, причем дополнительная область из InGaAsSb была присоединена к InP с помощью компаунда, а вторая дополнительная область из InAsSbP была расположена от InGaAsSb на расстоянии 10 мм. Такое расположение областей позволило получить луч с последовательно меняющейся длиной волны (от 3,8 до 5,5 мкм), что может использоваться в спектроскопии.

Список литературы
1. B. Matveev et al. Sensors & Actuators, v. 51(1998), Nos. 1-3, p. 233-237.

2. Zh.l.Alferov, III-V Review, v. 11 (1998), N 1, p. 26-31.

3. А.Берг, П.Дин, "Светодиоды".-M.: Мир, 1979, с. 578.

4. N.P.Esina et al. Sov.Phys.Semicond., v. 15(1981), N 12, p. 1372-1374.

5. B.Matveev et al. IEE Proceedings, v. 145 (1998), N (5), p. 254-256.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может найти применение в приборах газового анализа, спектрометрах, системах связи. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона излучения источника при повышенных температурах. Сущность изобретения: по первому варианту, в источник инфракрасного излучения, содержащий активную область из материала А³В⁵ и/или его твердых растворов с заданной шириной запрещенной зоны и р-n переход, введена по меньшей мере одна дополнительная активная область из тех же материалов, что и первая, при этом ширина запрещенной зоны и толщина каждой последующей оптически связанной активной области удовлетворяют определенным соотношениям. По второму варианту изобретения, помимо введения дополнительных активных областей (по меньшей мере одной) с определенными параметрами (шириной запрещенной зоны и толщиной) по меньшей мере между двумя оптически связанными активными областями введен слой вещества с определенным коэффициентом преломления. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения, содержащий активную область из материала A³B⁵ и/или его твердых растворов с заданной шириной запрещенной зоны и p-n переход, отличающийся тем, что источник дополнительно содержит по меньшей мере одну оптически связанную с первой активной областью дополнительную активную область из материала A³B⁵ и/или его твердых растворов, причем ширина запрещенной зоны и толщина каждой последующей оптически связанной активной области удовлетворяют соотношениям:
hν_max≤ E_посл.+E_f•k < E_пред.
1/α_вх.≤ d ≤ 1/α_вых.,
где hν_max - максимум спектра рекомбинационного излучения в последующей дополнительной активной области, оптически связанной с предыдущей активной областью;
E_пред. - ширина запрещенной зоны предыдущей, оптически связанной с данной, активной области;
E_посл. и E_f - ширина запрещенной зоны и энергия Ферми последующей оптически связанной дополнительной активной области соответственно;
k = 0; 1 - коэффициент для невырожденного и вырожденного материала соответственно;
d - толщина последующей оптически связанной дополнительной активной области;
α_вх. и α_вых. - эффективные коэффициенты поглощения для входящего и выходящего из последующей дополнительной активной области излучения соответственно. 2. Полупроводниковый источник по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна дополнительная активная область выполнена на основе варизонного материала, причем его узкозонная поверхность расположена со стороны p-n перехода. 3. Полупроводниковый источник инфракрасного излучения, содержащий активную область из материала A³B⁵ и/или его твердых растворов с заданной шириной запрещенной зоны и p-n переход, отличающийся тем, что, источник дополнительно содержит по меньшей мере одну оптически связанную с первой активной областью дополнительную активную область из материала A³B⁵ и/или его твердых растворов, причем ширина запрещенной зоны и толщина каждой последующей оптически связанной активной области удовлетворяют соотношениям:
hν_max≤ E_посл.+E_f•k < E_пред.
1/α_вх.≤ d ≤ 1/α_вых.,
и по меньшей мере между двумя оптически связанными активными областями введен слой вещества с коэффициентом преломления n, удовлетворяющим соотношению:
1 < n ≤ n_{пред.,посл.,}
где hν_max - максимум спектра рекомбинационного излучения в последующей дополнительной активной области, оптически связанной с предыдущей активной областью;
E_пред. - ширина запрещенной зоны предыдущей, оптически связанной с данной, активной области;
E_посл. и E_f - ширина запрещенной зоны и энергия Ферми последующей оптически связанной дополнительной активной области соответственно;
k = 0, 1 - коэффициент для невырожденного и вырожденного материала, соответственно;
d - толщина последующей оптически связанной дополнительной активной области;
α_вх. и α_вых. - эффективные коэффициенты поглощения для входящего и выходящего из последующей дополнительной активной области излучения соответственно;
n_пред., n_посл. - показатели преломления предыдущей и последующей активных областей, соответственно. 4. Полупроводниковый источник по п.3, отличающийся тем, что, по меньшей мере одна дополнительная активная область выполнена на основе варизонного материала, причем его узкозонная поверхность расположена со стороны p-n перехода.