ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2018 года по МПК H01L31/167 B82B1/00 

Предлагаемое изобретение относится к области опто- и наноэлектроники и может быть использовано в оптоэлектронных интегральных схемах, а также для создания микро- и нанооптоэлектронных и нанооптических систем, в квантовых и оптических компьютерах и в других областях науки и промышленного производства.

Известна конструкция оптоэлектронного устройства (Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. М.: Высшая школа, 2001), состоящего из гетеросветодиода на основе арсенида галлия (AlxGa1-xAs/GaAs) в качестве излучателя и кремниевого фотодиода в качестве приемника. В качестве светопроводящей среды, соединяющей оптически излучатель и приемник, используют прозрачные компаунды, в том числе эпоксидные смолы, оптические клеи, вазелиноподобные полимеры и т.п. Они же осуществляют механическое крепление элементов оптопары.

Однако в указанном устройстве имеются следующие недостатки:

- высокая стоимость и низкая радиационная стойкость данных устройств на основе соединений А₃В₅ (AsGa - арсенид галлия, GaP - фосфид галлия и др.);

- невозможность создания оптоэлектронных устройств в монолитном исполнении, т.е. создание в рамках одного чипа схемы управления и излучателей.

Кроме того, известна конструкция оптоэлектронного устройства, являющегося прототипом предлагаемого изобретения (Носов В.Ю. «Оптоэлектроника», 1989), в котором излучатель и фотоприемник, выполненные из арсенида галлия, расположены на некотором расстоянии друг от друга на подложке сапфира. На краях излучателя и фотоприемника сформированы омические контакты.

Однако в указанном устройстве имеются следующие недостатки:

- высокая стоимость устройств на основе соединений элементов III и V групп периодической системы (А₃В₅);

- высокая стоимость подложек сапфира;

- данная конструкция является не монолитной, т.е. гибридной, что приводит к низкой надежности и большим габаритам.

Задачей (технический результат) предлагаемого изобретения является создание монолитного, малоразмерного, более надежного и менее дорогостоящего оптоэлектронного устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в оптоэлектронном устройстве, содержащем излучатель и фотоприемник, расположенные в одной плоскости на некотором расстоянии друг от друга, омические контакты, излучатель и фотоприемник выполнены из последовательно выращенных гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния на кремниевой подложке. При этом каждый слой кремния состоит из p- и n-типа областей с резкими границами раздела.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлена конструкция светоизлучающего устройства, вид сверху и 3D-изображение соответственно. На фиг. 3 приведена схема уровней энергии носителей заряда в квантовой яме.

Предлагаемое устройство содержит кремневую подложку 1, на которой расположены излучатель 2 и фотоприемник 3, сформированные из последовательно выращенных гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика 4 и нанокристаллического кремния, состоящего из областей p- 5 и n-типа 6. По краям устройств находятся омические контакты 7, сформированные путем нанесения слоев металлизации на торцы многослойной системы с последующей пайкой проводов.

Предлагаемое устройство может быть получено:

- процессом последовательно наращиваемых молекулярно-лучевой эпитаксией слоев фторида кальция и кремния необходимой толщины;

- процессом многократного окисления кремния и нанесения поликристаллического кремния;

- проведением ионной имплантации в слои кремния для формирования p - n-переходов с резкой границей раздела;

- с последующим плазмохимическим травлением структур для получения оптического канала.

Оптоэлектронное устройство работает следующим образом: при подаче напряжения на омические контакты 7 излучателя 2 создается продольное электрическое поле в областях 5 и 6, которое вызывает перенос носителей в активную область p - n-перехода. Диэлектрические слои 4 являются барьерами квантовой ямы для носителей заряда. Известно, что энергетическая диаграмма наноразмерных слоев кремния имеет более сложную структуру, состоящую из набора минизон в зоне проводимости и в валентной зоне, уровни энергии дна (зона проводимости) Е_е1, Е_е2 и потолка (валентная зона) E_h1, E_h2, E_h3 подзон размерного квантования показаны на фиг. 3 по сравнению с зонной структурой объемного кремния.

Энергия электронного межзонного перехода E_en→E_hm (фиг. 3) равна

где в рамках модели потенциальной ямы с бесконечно высокими вертикальными стенками

Здесь m_n, m_p - эффективные массы электрона и дырки соответственно, n, m - номера уровней размерного квантования подзон в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. Ширина запрещенной зоны кремния E_g=1.12 эВ при Т=300 К, величина ΔE_n,m может иметь значения, сравнимые с E_g, а соответствующее рекомбинационное излучение будет в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах.

Таким образом, квантовое ограничение носителей заряда в нанокристаллическом кремнии приводит к увеличению вероятности излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар (V. Ioannou-Sougleridis, A.G. Nassiopoulou, T. Ouisse, F. Bassani. Electroluminescence from silicon nanocrystals in Si/CaF₂ superlattices // Appl. Phys. Letters, 2001, V. 79, N13, pp. 2076-2078; Takeo Maruyama, Naoto Nakamura, Masahiro Watanabe. Visible Electroluminescence from Nanocrystalline Silicon Embedden in Single-Crystalline CaF₂/Si(111) with Rapid Thermal Anneal // Jpn. J. Appl. Phys. 1999, Vol. 38, pp. 904-906). В результате за счет рекомбинационных процессов в латеральных p - n-переходах излучателя 2 происходит электролюминесценция, которая через оптический канал регистрируется фотоприемником 3.

Таким образом, изготовление излучательных элементов на основе нанокристаллического кремния позволит создавать монолитные оптоэлектронные устройства, в которых излучатель, фотоприемник и схема обработки будут выполнены в едином (одном) кремниевом кристалле (чипе) и выполнены в едином технологическом процессе изготовления ИС.

Изобретение относится к области опто- и наноэлектроники и может быть использовано в оптоэлектронных интегральных схемах, а также для создания микро- и нанооптоэлектронных и нанооптических систем, в квантовых и оптических компьютерах и в других областях. Оптоэлектронное устройство содержит излучатель и фотоприемник, расположенные в одной плоскости на некотором расстоянии друг от друга, омические контакты, при этом излучатель и фотоприемник выполнены из последовательно выращенных гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния на кремниевой подложке, а каждый слой кремния состоит из p- и n-типа областей с резкими границами раздела. Оптоэлектронное устройство согласно изобретению обладает монолитной и малоразмерной конструкцией, более надежное и менее дорогостоящее. 3 ил.

Оптоэлектронное устройство, содержащее излучатель и фотоприемник, расположенные в одной плоскости на некотором расстоянии друг от друга, омические контакты, отличающееся тем, что излучатель и фотоприемник выполнены из последовательно выращенных гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика и нанокристаллического кремния на кремниевой подложке, при этом каждый слой кремния состоит из р- и n-типа областей с резкими границами раздела.