Излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой Российский патент 2023 года по МПК H05B33/00 H05B33/12 H05B33/10 

Техническое решение относится к оптоэлектронике, к устройствам электрического освещения, а именно к электролюминесцентным источникам света, излучающим в инфракрасном диапазоне, в частности в диапазоне прозрачности оптоволоконных линий (с длиной волны 1,54 мкм), и может быть использовано в вычислительной технике для встраивания в микропроцессоры с оптической системой передачи данных по типу оптоволоконной связи взамен традиционных медных шин обмена данными как между микросхемами на плате (процессор - оперативная память или процессор - процессор в многопроцессорных вычислительных системах), так и между функциональными блоками самого процессора (блок вычислений кэш память), а также в системах проводной оптоволоконной и беспроводной оптической связи.

Известно излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой (описание к патентному документу CN109509819 А, опубликовано 22.03.2019), содержащее подложку кремния, которая с планарной стороны снабжена жестко связанным с подложкой светоизлучающим слоем из оксида цинка, легированного эрбием и фтором, на светоизлучающем слое выполнен прозрачный электрод в виде слоя из оксида индия и олова (ITO), с непланарной стороны подложка снабжена омическим контактным электродом из золота (Au).

Для представленного аналога характерны недостатки, обусловленные использованием возбуждения атомов эрбия по ударному механизму горячими электронами в сильном электрическом поле. Указанный механизм неэффективен. Приведенные сведения в рассматриваемом документе показывают, что энергия используемых для возбуждения атома эрбия горячих электронов составляет 3,45 эВ, в то время как величина энергии, которую необходимо передать для возбуждения атома эрбия, соответствующая излучению при переходе с первого возбужденного состояния Er в основное его состояние ⁴I_13/2→⁴I_15/2 равна 0,8 эВ (см. Фиг. 1). Таким образом, более 2,5 эВ энергии следует отнести к потерям. Заметим, что не каждый горячий электрон обеспечивает возбуждение атома эрбия. Превалирующая доля горячих электронов, участвует не в возбуждении атомов эрбия, а в нагреве кристаллической решетки. Как правило, эффективность возбуждения горячими электронами составляет менее 1%.

С другой стороны, использование возбуждения эрбия по ударному механизму горячими электронами налагает значительные ограничения в отношении толщины светоизлучающего слоя до нескольких сотен нанометров. Использование более значительной толщины приведет к падению величин протекающих токов. Это обстоятельство является причиной невозможности увеличения сигнала за счет более толстого светоизлучающего слоя (большего количества материала, участвующего в процессе) без увеличения прикладываемого напряжения.

Таким образом, для известного решения электрическая накачка осуществляется по неэффективному механизму - ударному механизму горячими электронами. Устройство не демонстрирует эффективную электролюминесценцию в диапазоне длины волны от 1,50 до 1,56 мкм из-за осуществления в нем для возбуждения атомов эрбия электрической накачки по неэффективному механизму.

Известно излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой (описание к патенту US 6271626, опубликовано 07.08.2001). Указанное устройство принято за ближайший аналог.

Электролюминесцентное устройство содержит: подложку кремния; жестко связанный с подложкой светоизлучающий слой в виде слоя проводящего оксида, легированного по крайней мере одной примесью с равномерным распределением ее по объему слоя проводящего оксида; средства для прикладывания потенциала, сконфигурированные для прикладывания электрического потенциала в отношении светоизлучающего слоя, выполненного с возможностью излучения света, задаваемой частоты, обеспечиваемой присутствующей в слое легирующей примесью, при наличии разности потенциалов в поперечном или продольном направлении светоизлучающего слоя. Средства для прикладывания потенциала в отношении светоизлучающего слоя выполнены в составе двух электродов, жестко связанных со светоизлучающим слоем. Электроды выполнены в виде слоев. При этом указанные электроды связаны непосредственно со светоизлучающим слоем, или каждый из электродов связан со светоизлучающим слоем через индивидуальный промежуточный диэлектрик.

В качестве проводящего оксида светоизлучающего слоя использован оксид индия и олова (ITO) оксид индия In₂O₃, легированный оловом Sn. В качестве обеспечивающей излучение примеси, которой легирован проводящий оксид, использован редкоземельный элемент. Содержание легирующей примеси - варьируемый параметр, может составлять: по крайней мере 20% веса светоизлучающего слоя; по крайней мере 10% веса светоизлучающего слоя; по крайней мере 5% веса светоизлучающего слоя; по крайней мере 1% веса светоизлучающего слоя. Помимо указанного, светоизлучающий слой из проводящего оксида, легированного одной примесью, в другом варианте его реализации дополнительно содержит вторую легирующую примесь, в качестве которой использован другой редкоземельный элемент.

Недостатки ближайшего аналога заключаются в отсутствии в нем реализации электрической накачки по эффективному механизму, а также отсутствии электролюминесценции в диапазоне длины волны от 1,50 до 1,56 мкм при использовании для возбуждения атомов эрбия электрической накачки по реализуемому механизму.

Причины недостатков обусловлены тем, что, во-первых, в известном устройстве отсутствуют условия для биполярной инжекции и транспорта носителей в отношении светоизлучающего слоя. Это вызвано в частности неподходящим по величине энергетическим барьеры для инжекции дырок.

Во-вторых, энергия рекомбинации электронов и дырок в светоизлучающем слое обусловлена шириной запрещенной зоны In₂O₃ и не соответствует энергии для получения требуемого возбужденного состояния Er³⁺.

В-третьих, отсутствие в отношении светоизлучающего слоя подавления негативного влияния, обусловленного его дефектным составом, в частности, минимизации проявления свойств «вредных» дефектов рекомбинации.

Наконец, следует прямо сказать, запатентованное устройство неспособно обеспечить излучение света.

Во-первых, разработчиками выпускается из внимания, что для реализации эффективного механизма возбуждения Er³⁺, за счет рекомбинации электронно-дырочных пар, проводимость материала светоизлучающего слоя должна обеспечиваться одновременно обоими типами носителей заряда электронами и дырками (биполярная проводимость). Следовательно, необходимо предпринять меры для инжекции и транспорта электронов и дырок - осуществить подбор материала, в частности электродов и светоизлучающего слоя, с целью получения малого энергетического барьера для соответствующего инжектируемого носителя заряда из электрода в светоизлучающий слой, в особенности относительно обеспечивающего инжекцию дырок электрода. В отсутствии соответствующих мер величина энергетического барьера для инжекции дырок слишком велика для реализации биполярного транспорта в светоизлучающем слое.

В рассматриваемом аналоге проводимость в светоизлучающем слое обеспечивается лишь одним типом носителей заряда, электронами (монополярная проводимость), поэтому возбуждение атомов эрбия возможно только по ударному механизму горячими электронами в сильном электрическом поле. Данный механизм неэффективен, непригоден для реализации декларируемого назначения устройства.

Во-вторых, разработчиками не предприняты меры относительно согласования энергии формируемых электрон-дырочных пар в светоизлучающем слое In₂O₃, легированным эрбием, с требуемым возбужденным уровнем энергии Er³⁺. В рассматриваемом устройстве возбуждение Et³⁺ с помощью рекомбинации электронно-дырочных пар теоретически возможно только лишь с энергией равной ширине запрещенной зоны In₂O₃. Она составляет 2,6-2,9 эВ. Ближайшими уровнями, соответствующими возбужденному Er³⁺, являются (см. Фиг. 1) энергетические уровни ⁴F_7/2 с 2,53 эВ, а также ⁴F_5/2 и ⁴F_3/2 с 2,75 эВ и 2,78 эВ, соответственно (W.Т. Camall et. al., «Electronic Energy Levels in the Trivalent Lanthanide Aquo Ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, and Tm3+», J. Chem. Phys. 49, p. 4424 (1968); J.B. Gruber et.al., «Energy Levels of Single-Crystal Erbium Oxide», J. Chem. Phys. 45, p.477 (1966)). To есть, теоретически возможно возбуждение Er³⁺ электрон-дырочной парой через запрещенную зону In₂O₃ с участием фононов. Однако такой процесс менее вероятен по сравнению с резонансным возбуждением при согласовании энергии электрон-дырочной пары с выбранным возбужденным состоянии Er³⁺. Далее, возбуждение, соответствующее указанным уровням, релаксирует до достижения уровня (см. Фиг. 1), соответствующего ⁴S_3/2, и затем основное излучение происходит на длине волны 550 нм (2,25 эВ) (W.Т. Carnall et. al., «Electronic Energy Levels in the Trivalent Lanthanide Aquo Ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, and Tm3+», J. Chem. Phys. 49, p. 4424 (1968); J.B. Gruber et. al., «Energy Levels of Single-Crystal Erbium Oxide», J. Chem. Phys. 45, p. 477 (1966)), в то время как должно быть излучение на длине волны 1,54 мкм с уровня ⁴I_13/2. Таким образом, имеются существенные потери энергии, связанные с нерезонансным возбуждением Er³⁺ и с излучением в видимом диапазоне спектра, что приводит к неэффективности использования устройства для достижения излучения на длине волны 1,54 мкм.

В-третьих, следует подчеркнуть отсутствие предпринимаемых мер со стороны разработчиков для устранения действия «вредных» дефектов рекомбинации. Как известно, в качестве основных дефектов, распространенных в монокристаллическом In₂O₃, являются дефекты стехиометрического состава - вакансии кислорода (V_o⁺, V_o⁺⁺), междоузлия In (In_i³⁺) (Y.-R. Lyu, T.-E. Hsieh, «A characterization on emission property of In₂O₃-SiO₂ nanocomposite thin films», Surface and Coatings Technology 231, p. 219 (2013); M. Kumar et. al., «On the origin of photoluminescence in indium oxide octahedron structures», Applied Physics Letters 92, p. 171907 (2008)), а также другие дефекты. Так, в общедоступных сведениях (Y.-R. Lyu, Т.-Е. Hsieh, «А characterization on emission property of In₂O₃-SiO₂ nanocomposite thin films», Surface and Coatings Technology 231, p. 219 (2013)) приводятся энергетические уровни в запрещенной зоне In₂O₃, соответствующие разным типам дефектов. В частности, акцепторный центр, представляющий собой вакансию атома индия V_In^3-, которой соответствует глубокий уровень в запрещенной зоне In₂O₃ с энергией 2,19 эВ ниже уровня E_c, через который может осуществляться паразитная рекомбинация электрон-дырочных пар. Кроме того, донорный центр, представляющий собой вакансию кислорода V_o²⁺, которой соответствует уровень в запрещенной зоне с энергией 2,46 эВ ниже уровня E_c, через который также может происходить паразитная рекомбинация электрон-дырочных пар. Кроме того, акцепторный уровень, соответствующий вакансии кислорода V_o⁺ с уровнем энергии 2,46 эВ выше потолка «оптической валентной зоны», который с учетом ширины «оптической запрещенной зоны», равной 3,75 эВ, также попадает в запрещенную зону In₂O₃, находясь на уровне 3,75-2,46=1,29 эВ ниже E_c, то есть, примерно посередине запрещенной зоны 2,6 эВ, и поэтому может выступать сильным центром паразитной рекомбинации электрон-дырочных пар. Таким образом, складывается вывод, что присутствие в монокристаллическом In₂O₃ большой концентрации точечных и протяженных дефектов, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне In₂O₃, препятствует получению эффективной электролюминесценции.

Таким образом, приведенными известными техническими решениями в силу их недостатков, обуславливаемых перечисленными причинами, не может быть преодолена та техническая проблема, для преодоления которой предпринята разработка предлагаемых технических решений.

Разработка предлагаемого технического решения направлена на преодоление технической проблемы получения средства, являющегося технологически более простым и экономически целесообразным для массового производства, отвечающего условиям возможности миниатюризации, совместимости с кремниевой технологией, возможности реализации микропроцессоров с оптической системой передачи данных по типу, который в настоящее время применяется в оптоволоконных системах, за счет достигаемого предлагаемым решением технического результата.

Техническим результатом является:

- достижение более эффективного механизма электрической накачки посредством рекомбинации электронно-дырочных пар и резонансного возбуждения требуемого возбужденного состояния атомов эрбия;

- реализация электролюминесценции в диапазоне длин волн от 1,50 до 1,56 мкм при использовании для возбуждения атомов эрбия электрической накачки по эффективному механизму рекомбинации электрон-дырочных пар с резонансным возбуждением требуемого возбужденного состояния атомов эрбия.

Технический результат достигается излучающим в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентным устройством в интегральном исполнении с кремниевой подложкой, содержащим подложку кремния, расположенный на подложке и жестко связанный с подложкой светоизлучающий слой в виде слоя проводящего оксида In₂O₃, легированного примесью Er, средства для прикладывания электрического потенциала, в котором средства для прикладывания электрического потенциала выполнены с возможностью его приложения в отношении подложки и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя, светоизлучающий слой выполнен магнетронным распылением-осаждением мишени с заданным составом материала светоизлучающего слоя, для светоизлучающего слоя свойственны глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, характеризующиеся плотностью состояний, обеспечивающей канал проводимости в запрещенной зоне для дырок и понижение энергетического барьера для инжекции дырок, приводящие в совокупности к возможности реализации биполярной инжекции и транспорта носителей заряда, образованию электрон-дырочных пар с энергией рекомбинации, соответствующей резонансному возбуждению атомов эрбия в заданное возбужденное состояние для получения излучения с требуемой длиной волны.

В электролюминесцентном устройстве в качестве подложки кремния использована подложка n-типа, ориентации (100), с удельным сопротивлением от 0,1 до 40 Ом⋅см, либо в качестве подложки кремния использована подложка p-типа, ориентации (100), с удельным сопротивлением от 0,1 до 40 Ом⋅см.

В электролюминесцентном устройстве средства для прикладывания электрического потенциала, выполненные с возможностью его приложения в отношении подложки и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя, реализованы в составе пары электрических контактных слоев, один из которых жестко связан со светоизлучающим слоем, а второй - с подложкой, при этом контактные слои выполнены из материалов, минимизирующих соответствующий барьер для инжекции конкретного носителя заряда - In, Al, ITO, Ti, Ni, Au.

В электролюминесцентном устройстве для светоизлучающего слоя, для которого свойственны глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, характеризующиеся плотностью состояний, обеспечивающей канал проводимости в запрещенной зоне для дырок и понижение энергетического барьера для инжекции дырок, характерен край плотности дефектных состояний E_ds в запрещенной зоне, отстоящий относительно дна зоны проводимости E_c на величину, равную сумме величины энергетического барьера для электронов, величины ширины запрещенной зоны подложки кремния, величины энергетического барьера для дырок.

В электролюминесцентном устройстве энергия рекомбинации электрон-дырочных пар, соответствующая резонансному возбуждению атомов эрбия в заданное возбужденное состояние для получения излучения с требуемой длиной волны, равна сумме величины энергетического барьера для электронов, величины ширины запрещенной зоны подложки кремния, величины энергетического барьера для дырок.

В электролюминесцентном устройстве величина энергетического барьера для электронов равна 0,14 эВ, величина ширины запрещенной зоны подложки кремния - 1,12 эВ, величина энергетического барьера для дырок - 0,3 эВ, а сумма указанных величин, равна 1,56 эВ.

Сущность предлагаемого решения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемыми фигурами.

На Фиг. 1 графически приведены совокупность возбужденных состояний иона эрбия (Er³⁺) и механизм его возбуждения с последующим излучением фотона: возбуждение эрбия до состояния ⁴I_9/2 при получении им энергии рекомбинации электронно-дырочной пары, равной (E_c-E_ds), последующая безызлучательная релаксация до первого возбужденного состояния ⁴I_13/2 с испусканием фотона hv на длине волны 1,54 мкм.

На Фиг. 2 схематично представлено предлагаемое электролюминесцентное устройство, где: 1 - подложка; 2 - светоизлучающий слой; 3 и 4 - контактные слои.

На Фиг. 3 схематически изображен транспорт носителей заряда - электронов и дырок в светоизлучающем слое In₂O₃, легированном Er, при приложении положительного смещения к контактному слою, нанесенному на светоизлучающий слой, относительно обратного контакта, выполненного к подложке, где: 1 - подложка; 2 - светоизлучающий слой; 3 и 4 контактные слои; е^- - электроны; h⁺ - дырки; Er³⁺ - светоизлучающие ионы эрбия; hv - излучаемый возбужденным ионом эрбия фотон в ИК области спектра.

На Фиг. 4 схематически изображены энергетические зонные диаграммы, разрыв зон и транспорт носителей заряда в гетероструктуре, содержащей подложку кремния n-типа (n-Si), расположенный на ее рабочей поверхности светоизлучающий слой In₂O₃, легированный Er, контактный слой на светоизлучающем слое - а) при нулевом смещении V на выполненном контактном слое из In, b) при положительном смещении V>0 на выполненном контакте из ITO, с) при иллюстрации возбуждения иона Er³⁺, где: E_c - дно зоны проводимости; E_v - потолок валентной зоны; E_r - уровень Ферми гетероструктуры в равновесии; Eg - ширина запрещенной зоны (равная 1,12 эВ для Si и 2,7 эВ для In₂O₃); Ф_ef - прямой барьер для инжекции электронов из подложки кремния в светоизлучающий слой, а именно, в зону проводимости светоизлучающего слоя E_c, (величиной 0,14 эВ); Ф_eb - обратный барьер для инжекции электронов из контактного слоя In в светоизлучающий слой, а именно, в зону проводимости светоизлучающего слоя E_c, (величиной 0,21 эВ); D_ds - плотность состояний в запрещенной зоне светоизлучающего слоя, обусловленная дефектными состояниями нанокристаллического In₂O₃:Er; E_ds - энергетический уровень, определяющий край плотности дефектных состояний нанокристаллического In₂O₃:Er в запрещенной зоне; Ф_hf - прямой барьер для инжекции дырок из подложки в светоизлучающий слой, а именно, в канал проводимости E_ds в запрещенной зоне светоизлучающего слоя, (величиной 0,3 эВ); Ф_hb - обратный барьер для инжекции дырок из контактного слоя ITO в светоизлучающий слой, а именно, в канал проводимости E_ds в запрещенной зоне светоизлучающего слоя, (величиной 0,5 эВ); (E_c-E_ds) - энергия рекомбинации электронно-дырочной пары, передаваемая для возбуждения близлежащего иона эрбия (величиной 1,56 эВ); е^- - электроны; h⁺ - дырки; Er³⁺ - светоизлучающие ионы эрбия; hv - излучаемый возбужденным ионом эрбия фотон в ИК области спектра.

На Фиг. 5 приведен спектр стационарной электролюминесценции ионов Er³⁺, измеренный при комнатной температуре Т=300 К при пропускании постоянного тока через гетероструктуру, содержащую подложку n-Si, расположенный на ее рабочей поверхности светоизлучающий слой In₂O₃, легированный Er с объемной концентрацией 1%, электрический контакт ITO, выполненный на светоизлучающем слое, где: 5 - кривая интенсивности при V=0 и I=0; 6 - кривая интенсивности при V=7 В и I=1,2 А/см².

Предлагаемое техническое решение - излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой - предназначено для реализации микропроцессоров с оптической системой передачи данных по типу, который в настоящее время применяется в оптоволоконных системах, для осуществления замены использования традиционных медных шин обмена данными как между микросхемами одной и той же платы (процессор - оперативная память или процессор процессор в многопроцессорных вычислительных системах), так и между составными блоками самого процессора (блок вычислений - кэш память). Электролюминесцентное устройство, как составная часть оптической системы передачи данных, в целях реализации указанной замены должно обеспечить непрерывную генерацию оптического излучения с длиной волны (рабочей длиной волны) в диапазоне от 1,50 до 1,56 мкм, модулируемого и передаваемого по волноводным линиям для регистрации фотоприемниками. В отношении диапазона, в котором находится значение рабочей длины волны, характерен минимум поглощения для используемых в настоящее время стандартных оптоволоконных линий передачи данных. Кроме того, кремний, являющийся основным технологическим материалом, прозрачен для излучения с указанной длиной волны, соответствующей рабочей длине волны. Таким образом, реализация волноводных линий на основе кремния является естественным шагом на пути достижения интеграции в кремниевую технологию. Это выдвигает требование к электролюминесцентному устройству обеспечить рабочую длину волны в диапазоне от 1,50 до 1,56 мкм, причем с получением для рабочей длины волны излучения, характеризующегося высокой эффективностью электролюминесценции.

Одно из сформировавшихся направлений реализации отказа от традиционных медных шин обмена данными связано с получением на подложке кремния электролюминесцентных устройств (светодиодов) на основе материалов, содержащих химические элементы третьей и пятой групп таблицы Менделеева (А₃В₅ - InGaAs), или материалов, содержащих химические элементы четвертой группы таблицы Менделеева (А₄В₄ - SiGe), непосредственно выращиваемых на указанной подложке молекулярно-лучевой эпитаксией (МЛЭ) или получаемых на подложке кремния посредством переноса и связывания сращиванием с подложкой - бондинга. Однако, как показывает практика, данные подходы неприемлемы для использования в массовом производстве по причине деградации, в частности материалов А₃В₅ при температурах, достигающих 90°С при эксплуатации процессоров, а также технологической сложности и экономической нецелесообразности применения указанных материалов и технологий - МЛЭ и бондинга.

Другое сложившееся направление, представляющееся технологически более простым и экономически целесообразным, базируется на применении редкоземельных элементов в качестве добавок в материалах электролюминесцентных устройств, в частности атомов эрбия (Er). Известно, что для возбужденного иона Er³⁺ характерен внутрицентровый переход ⁴I_13/2→⁴I_15/2, соответствующей длине волны излучения 1,54 мкм (W.Т. Camall et. al., «Electronic Energy Levels in the Trivalent Lanthanide Aquo Ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, and Tm3+», J. Chem. Phys. 49, p. 4424 (1968); J.B. Gruber et. al., «Energy Levels of Single-Crystal Erbium Oxide», J. Chem. Phys. 45, p. 477 (1966)). Также использование редкоземельных элементов для получения светового излучения давно и широко применяется в оптоволоконных лазерах и усилителях. Однако, при этом возбуждение атомов эрбия (накачка) достигается оптически, в частности посредством светового излучения светодиодов на основе материалов А₃В₅. Это обстоятельство препятствует миниатюризации и интеграции в кремниевую технологию. Для преодоления указанного препятствия необходимо осуществить переход от оптической к электрической накачке атомов эрбия - достичь возбуждения атома эрбия с помощью пропускания электрического тока. В свою очередь, это требует решения не новой, но до сих пор нерешенной задачи, связанной с поиском подходящего конструкционного материала, обеспечивающего эффективную электрическую накачку атомов редкоземельного элемента и совместимость с кремниевой технологией.

Первым шагом в этом направлении явилась попытка внедрения атомов эрбия непосредственно в кремний, которая не увенчалась успехом, эффективное светоизлучающее устройство получить не удалось. Причины неудачи заключаются, во-первых, в технологической сложности получения сильно легированного кремния атомами эрбия в оптически активном состоянии, во-вторых, в проявлении процесса обратного девозбуждения без эмиссии фотона (back transfer), приводящего к температурному гашению фотолюминесценции эрбия при комнатной температуре (20-26°С).

Также во внимание принят успешный опыт создания оптоволоконных лазеров на основе диэлектрического материала - оптоволокна на основе диоксида кремния, содержащего атомы эрбия. В научных публикациях продемонстрирована потенциальная возможность достижения электролюминесценции в отношении целого ряда редкоземельных элементов, присутствующих в оксиде кремния, при их возбуждении горячими электронами в сильных электрических полях. Тем не менее, в отношении опытных образцов полученная электролюминесценция отличалась низкой эффективностью. Причина заключается в значительном разрыве зон проводимости Si/SiO₂ (с барьером для электронов 3 эВ). Для реализации необходимого уровня инжекции электронов, требуемой для возбуждения Er, должны быть использованы довольно высокие напряжения.

Кроме того, имеются публикации о достижении электролюминесценции в условиях комнатной температуры возбужденных ионов эрбия в оксидах металлов - ZnO (Yang Yang et.al., «Low-voltage driven ~1.54 μm electroluminescence from erbium-doped ZnO/p⁺-Si heterostructured devices: Energy transfer from ZnO host to erbium ions», Appl. Phys. Lett. 102, 181111 (2013)) и TiO₂ (Y. Yang et. al., «Low-voltage driven visible and infrared electroluminescence from light-emitting device based on Er-doped TiO₂/p⁺-Si heterostructure», Appl. Phys. Left. 100, 031103 (2012)). При этом показано, что в отношении ZnO обусловленные дефектами решетки уровни в запрещенной зоне оказываются оптически активными в видимом диапазоне спектра, а в отношении TiO₂ присутствие указанных уровней в запрещенной зоне обеспечивает возбуждение уровней Er³⁺ видимого диапазона, приводя к неэффективности представляющего интерес излучения с длиной волны, лежащей в диапазоне 1,50-1,56 мкм, - рабочей длины волны. Тем не менее, полученные результаты демонстрируют принципиальную возможность получения подобного рода электролюминесцентных устройств.

Достижение указанного технического результата в предлагаемом устройстве (см. Фиг. 2 и 3) базируется на следующем.

Во-первых, на реализации мер, обеспечивающих использование биполярной инжекции с получением эффективного уровня инжекции в светоизлучающий слой обоих типов носителей заряда электронов и дырок, прежде всего дырок, и, таким образом, создающих возможность для реализации эффективного механизма электрической накачки, базирующегося на рекомбинации электронно-дырочных пар, для достижения возбужденного состояния атомами эрбия.

Во-вторых, на реализации мер, обеспечивающих достижение резонансного соответствия энергии рекомбинации пар электронов и дырок, за счет которой реализуется электрическая накачка в светоизлучающем слое атомов эрбия, значению энергии одного из возбужденных состояний Er³⁺ (см. Фиг. 1), представляющего интерес для получения излучения с требуемой, рабочей длиной волны.

В-третьих, на реализации мер, направленных на достижение минимизации потерь энергии в отношении возбужденного состояния Er³⁺ на безызлучательную рекомбинацию и/или на излучение в не представляющих интереса диапазонах длин волн.

Реализация указанных мер и достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что светоизлучающий слой 2 выполнен из In₂O₃, легированного Er, посредством магнитронного распыления-осаждения при использовании соответствующей мишени, в результате чего материал светоизлучающего слоя 2 обладает плотностью глубоких дефектных состояний в запрещенной зоне, которые приводят к формированию канала проводимости для дырок в запрещенной зоне In₂O₃, в результате чего реализуется понижение энергетического барьера для инжекции дырок в светоизлучающий слой, а именно, в канал проводимости, а не в валентную зону In₂O₃.

Кроме того, это способствует образованию в светоизлучающем слое электронно-дырочных пар, обладающих энергией рекомбинации, резонансно соответствующей энергии возбуждения атома эрбия в требуемое состояние для обеспечения излучения с требуемой, рабочей длиной волны.

Проиллюстрируем более подробно на примере устройства, в котором светоизлучающий слой 2, выполнен на подложке 1 кремния n-типа (см. Фиг. 4), механизм достижения технического результата.

В целях получения биполярной инжекции с эффективными уровнями инжекции в светоизлучающий слой электронов и дырок, главным образом дырок, в устройстве реализованы низкие энергетические барьеры для обоих носителей заряда.

Получение низких барьеров достигается при условии согласования в аспекте зонной теории твердого тела характеристик In₂O₃, легированного Er, из которого выполнен светоизлучающий слой 2, характеристик подложки 1, и характеристик контактного слоя 3 к светоизлучающему слою 2. Указанное согласование, с одной стороны, стандартно в целях обеспечения низкого энергетического барьера для инжектируемых носителей заряда на границе раздела подложка/светоизлучающий слой достигается посредством использования необходимого уровня легирования материала подложки - кремния, а в отношении границы раздела светоизлучающий слой/контактный слой посредством обеспечения необходимого значения работы выхода материала (металла) контактного слоя. Для выбранной конфигурации инжекции в светоизлучающий слой 2 электронов из подложки 1 кремния n-типа, а дырок из контактного слоя 3, для минимизации соответствующих барьеров для инжекции электронов и дырок, положение уровня Ферми в подложке кремния должно быть приближено ко дну зоны проводимости используемого оксида индия светоизлучающего слоя 2, а значение работы выхода контактного слоя 3 должно быть близко к потолку валентной зоны материала светоизлучающего слоя 2.

С другой стороны, в отношении слоя из In₂O₃, легированного Er, низкий барьер для электронов обеспечивается их естественным легированием с получением n-типа за счет дефектных донорных состояний - вакансий кислорода. Так достигается наличие небольшого барьера для инжекции электронов в светоизлучающий слой 2 из подложки 1 кремния n-типа проводимости, равного 0,14 эВ (см. Фиг. 4 а), а также малого энергетического барьера для инжекции электронов в светоизлучающий слой 2 из контактного слоя 3 из In, равного 0,21 эВ (K.V. Feklistov et. Al., «Nanowired structure, optical properties and conduction band offset of RF magnetron-deposited n-Si\In₂O₃:Er films», Mater. Res. Express 7, 125903 (2020)) (см. Фиг. 4 а). При этом, учитывая ширину запрещенной зоны In₂O₃, равную 2,6 эВ, и ширину запрещенной зоны кремния, равную 1,12 эВ, следует ожидать формирования слишком большого, равного 1,3 эВ, барьера для инжекции дырок. Указанная величина барьера препятствует инжекции дырок в светоизлучающий слой.

Выходом из данной ситуации, вносящим совершенно новый акцент, является использование в качестве светоизлучающего слоя нанокристаллического слоя In₂O₃, получаемого магнетронным распылением-осаждением из мишени с заданным составом. Для получаемого нанокристаллического слоя In₂O₃ свойственны дефектные состояния, характеризующиеся плотностью состояний глубоко в запрещенной зоне (см. Фиг. 4а - плотность состояний в запрещенной зоне светоизлучающего слоя, обусловленная дефектными состояниями нанокристаллического In₂O₃:Er, обозначаемая D_ds). Наличие указанных дефектных состояний обеспечивает формирование канала проводимости по дефектным состояниям запрещенной зоны In₂O₃ для носителей зарядов - дырок. В результате, в светоизлучающий слой 2 осуществляется биполярная инжекция - инжектируются как электроны, так и дырки (см. Фиг. 3). Необходимость в преодолении дырками слишком большого барьера, чтобы попасть им в светоизлучающий слой 2, устраняется. Дырки оказываются в светоизлучающем слое 2 благодаря наличию канала проводимости в запрещенной зоне оксида индия, обусловленного дефектными состояниями, понижающими величину энергетического барьера для инжекции дырок. В светоизлучающем слое 2 при наличии в нем как дырок, так и электронов, происходит их рекомбинация с передачей энергии атому эрбия и получением возбужденного иона Er³⁺ (см. Фиг. 3).

Как было показано (К.В. Феклистов, А.Г. Лемзяков, А.А Шкляев, Г.К. Кривякин, А.И. Комонов, И.П. Просвирин, Д.В. Гуляев, Д.С. Абрамкин, Е.В. Спесивцев, A.M. Пугачев, «Барьеры для инжекции носителей в ВЧ-магнетронно напыленные пленки In₂O₃:Er на кремнии», Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (с участием иностранных ученых) ФОТОНИКА 2021 4-8 октября 2021 г., Новосибирск, Тезисы конференции, стр. 61, https://www.isp.nsc.ru/photonics2021/; К.В. Феклистов, А.Г. Лемзяков, А.А Шкляев, Г.К. Кривякин, А.И. Комонов, И.П. Просвирин, Д.В. Гуляев, Д.С. Абрамкин, Е.В. Спесивцев, A.M. Пугачев, «Механизм протекания тока в ВЧ-магнетронно напыленных пленках In₂O₃:Er на кремнии», Российская конференция и школа молодых ученых по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники (с участием иностранных ученых) ФОТОНИКА 2021 4-8 октября 2021 г., Новосибирск, Тезисы конференции, стр. 132, https://www.isp.nsc.ru/photonics2021/), барьер для инжекции дырок в светоизлучающий слой, являющийся нанокристаллическим слоем In₂O₃, получаемым магнетронным распылением-осаждением, для которого свойственны глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, которые в запрещенной зоне In₂O₃ формируют канал проводимости по дефектным состояниям, составляет всего 0,3 эВ для инжекции дырок из подложки 1, выполненной из кремния р-типа проводимости, и 0,5 эВ при инжекции дырок из контактного слоя 3, выполненного из ITO (оксид индия и олова) (см. Фиг. 4а, b).

Далее, относительно реализации эффективной электрической накачки, а именно, достижения резонансного соответствия энергии рекомбинации пар электронов и дырок в светоизлучающем слое 2 для реализации возбужденного состояния Er³⁺ которое представляет интерес для получения излучения с требуемой длиной волны (см. Фиг. 1). Вопрос решается также за счет использования в качестве светоизлучающего слоя нанокристаллического слоя In₂O₃, получаемого магнетронным распылением-осаждением. Свойственные для осажденного материала указанного слоя глубокие дефектные состояния, обеспечивающие формирование канала проводимости по дефектным состояниям запрещенной зоны In₂O₃ для носителей зарядов - дырок, оказывают тем самым согласующее действие в отношении энергий электрон-дырочной пары и уровня возбуждения Er³⁺. Так, сумма, складывающаяся из величины барьера для инжекции электронов в светоизлучающий слой из подложки кремния, равной 0,14 эВ, из величины ширины запрещенной зоны кремния, являющегося материалом подложки, с которой жестко связан светоизлучающий слой, равной 1,12 эВ, и величины барьера для инжекции дырок из подложки кремния в канал проводимости по глубоким дефектным состояниям в запрещенной зоне светоизлучающего слоя In₂O₃, равной 0,3 эВ, дает значение энергии электрон-дырочной пары, равное 1,56 эВ, в котором электрон находится в зоне проводимости In₂O₃, а дырка - в канале проводимости, формируемом плотностью глубоких дефектных состояний в запрещенной зоне In₂O₃.

Полученное значение энергии электрон-дырочной пары 1,56 эВ достигает величины, обеспечивающей получение резонансного возбуждения состояния Er^{3+ 4}I_9/2 с энергией 1,53 эВ (W.Т. Camall et. al., «Electronic Energy Levels in the Trivalent Lanthanide Aquo Ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+, Dy3+, Ho3+, Er3+, and Tm3+», J. Chem. Phys. 49, p. 4424 (1968); J.B. Gruber et. al., «Energy Levels of Single-Crystal Erbium Oxide», J. Chem. Phys. 45, p. 477(1966)).

Наконец, относительно предотвращения потерь энергии возбужденного состояния Er³⁺ на безызлучательную релаксацию. В диапазоне энергий между дном зоны проводимости E_c и краем плотности дефектных состояний E_ds в запрещенной зоне In₂O₃ (см. Фиг. 4 а) концентрация прочих дефектных состояний является малой, что дает возможность для электрон-дырочных пар передавать свою энергию при рекомбинации именно атомам эрбия, возбуждая их, без потерь энергии на безызлучательную рекомбинацию.

В связи с этим обратим внимание на следующее.

Из публикаций (Y.-R. Lyu, Т.-Е. Hsieh, «А characterization on emission property of In₂O₃-SiO₂ nanocomposite thin films», Surface and Coatings Technology 231, p. 219 (2013); M. Amirhoseiny et. al., «Synthesis of nanocrystalline In₂O₃ on different Si substrates at wet oxidation environments, Optik 124, p.2679 (2013); «Synthesis and photoluminescence of single-crystalline In₂O₃ nanowires», J. Mater. Chem. 12, p. 1602 (2002); M.S. Lee et. al., «Characterization of the oxidized indium thin films with thermal oxidations, Thin Solid Films, 279, p. 1 (1996); C. Liang et. al., «Catalytic Growth of Semiconducting In₂O₃ Nanofibers», Adv. Mater. 13, p. 1330 (2001); Z.P. Wei et. al., «Ultraviolet light emission and excitonic fine structures in ultrathin single-crystalline indium oxide nanowires», Appl. Phys. Lett. 96, p.031902 (2010); M. Kumar et. al., «On the origin of photoluminescence in indium oxide octahedron structures», Applied Physics Letters 92, p. 171907 (2008); M. Mazzera et. al., «Low-temperature In₂O₃ nanowire luminescence properties as a function of oxidizing thermal treatments», Nanotechnology 18, p. 355707 (2007)) известно, что в нанокристаллическом In₂O₃, полученным разными методами, наблюдается сине-зелено-красная фотолюминесценция - диапазон длины волны излучения 450-800 нм (соответствующий диапазон энергий 1,55-2,75 эВ). При этом в публикациях указанная фотолюминесценция связывается с дефектами стехиометрии состава In₂O₃: вакансиями кислорода (V__о⁺, V__o⁺⁺) и междоузлиями In (In__i³⁺) и другими дефектами. Отметим, что нижнее граничное значение указанного диапазона фотолюминесценции (1,55 эВ) примерно совпадает с полученной энергией уровня, определяющего край плотности дефектных состояний нанокристаллического In₂O₃:Er в запрещенной зоне, образующих канал проводимости дырок, в запрещенной зоне: E_ds на 1,56 эВ ниже дна зоны проводимости E_cIn₂O₃ (см. Фиг. 4). Верхнее граничное значение указанного диапазона (2,75 эВ) практически совпадает с известными данными значения ширины запрещенной зоны In₂O₃ (2,7 эВ). Возможно, именно эти дефекты стехиометрии состава In₂O₃ в достаточно большой концентрации и создают канал проводимости для дырок, который является ключевой особенностью для достижения указанного технического результата. Отсутствие фотолюминесценции в диапазоне энергий менее 1,55 эВ, свидетельствует об отсутствии дефектов, обеспечивающих соответствующие энергетические уровни в запрещенной зоне In₂O₃ в этом диапазоне. Таким образом, между дном зоны проводимости In₂O₃ и энергетическим уровнем E_ds, соответствующим каналу проводимости для дырок, обеспечиваемому дефектными состояниями, то есть, в диапазоне энергий от E_c до E_ds другие «вредные» дефектные состояния, которые могут препятствовать возбуждению электрон-дырочными парами атома эрбия и получению иона Er³⁺ в возбужденном состоянии ⁴I_9/2 с энергией 1,53 эВ, отсутствуют по крайней мере в больших количествах.

Таким образом, использование материала из числа светопрозрачных проводящих оксидов - полученного магнетронным распылением-осаждением In₂O₃, легированного Er, для которого свойственна плотность глубоких дефектных состояний в запрещенной зоне, приводящих к формированию канала проводимости по дефектным состояниям запрещенной зоны In₂O₃ для носителей зарядов - дырок, обеспечивает, во первых, снижение барьера для инжекции носителей заряда - дырок, во-вторых, образование электронно-дырочных пар с энергией рекомбинации, резонансно соответствующей энергии возбуждения атома эрбия в заданное состояние, представляющее интерес для получения излучения с требуемой длиной волны, в-третьих, устранение негативного влияния «вредных» дефектов в отношении требуемой люминесценции.

Уникальность полученного магнетронным распылением-осаждением оксида In₂O₃ заключается в использовании дефектов нанокристаллического In₂O₃ для получения проводящего канала для дырок в запрещенной зоне с уровнем E_ds, соответствующем краю плотности дефектных состояний в запрещенной зоне (см. Фиг. 4), такого, что, во-первых, барьер для инжекции дырок в канал из контакта ITO достаточно низок - Ф_hb=0,5 эВ (см. Фиг. 4 b). Во-вторых, при рекомбинации электронно-дырочной пары, в которой электрон находится в зоне проводимости In₂O₃ (с дном зоны проводимости E_c), а дырка в сформированном канале в запрещенной зоне (с уровнем E_ds), энергия рекомбинации указанной пары, равная E_c-E_ds=1,56 эВ (см. Фиг. 4 с), резонансно совпадает с возбужденным уровнем иона эрбия Er³⁺ (⁴I_9/2 со значением 1,53 эВ, см. Фиг. 1). Таким образом, возбуждение ионов эрбия осуществляется по экономичному механизму рекомбинации электронно-дырочных пар с резонансным возбуждением эрбия в требуемое состояние. В-третьих, в энергетическом диапазоне E_c-E_ds отсутствуют прочие дефектные уровни, которые могли бы «погасить» как возбуждение атомов эрбия, так и их люминесценцию.

В дополнение к раскрытой причинно-следственной связи экспериментально полученный спектр стационарной электролюминесценции (см. Фиг. 5) являет собой экспериментальное подтверждение достижения технического результата реализации более эффективного механизма электрической накачки посредством рекомбинации электронно-дырочных пар и резонансного возбуждения требуемого возбужденного состояния атомов эрбия, а также получении электролюминесценции в диапазоне длин волн от 1,50 до 1,56 мкм при использовании для возбуждения атомов эрбия электрической накачки по эффективному механизму рекомбинации электрон-дырочных пар с резонансным возбуждением требуемого возбужденного состояния атомов эрбия.

Предлагаемое излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой содержит подложку 1, светоизлучающий слой 2, средства для прикладывания электрического потенциала контактные слои 3 и 4 (см. Фиг. 2 и 3). Светоизлучающий слой, расположенный на подложке 1 и жестко связанный с подложкой 1 кремния, реализован в виде слоя проводящего оксида In₂O₃, легированного примесью Er. Средства для прикладывания электрического потенциала выполнены с возможностью его приложения в отношении подложки 1 и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя 2.

Светоизлучающий слой 2 сформирован магнетронным распылением-осаждением с получением из мишени с заданным составом материала светоизлучающего слоя 2. Магнетронное распыление-осаждение обеспечивает для материала светоизлучающего слоя 2 глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, характеризующиеся плотностью состояний, обеспечивающей канал проводимости в запрещенной зоне для дырок и понижение энергетического барьера для инжекции дырок, приводящие в совокупности к возможности реализации биполярной инжекции и транспорта носителей заряда, образованию электрон-дырочных пар с энергией рекомбинации соответствующей резонансному возбуждению атомов эрбия в заданное возбужденное состояние для получения излучения с требуемой длиной волны.

В качестве подложки 1 использована стандартная пластина кремния n-типа, ориентации (100), с полированной поверхностью планарной стороны (рабочей стороны пластины), с невысокой концентрацией собственных носителей - электронов, до 1×10¹⁶ см^-3, то есть, с удельным сопротивлением от 0,1 до 40 Ом⋅см. Оптимальным значением удельного сопротивления подложки является 1-20 Ом⋅см.

Подложка предназначена для формирования на ней магнетронным распылением-осаждением светоизлучающего слоя 2. Кроме того, подложка n-типа выступает в качестве источника и инжектора электронов в светоизлучающий слой 2. Поэтому поверхность планарной стороны подложки должна быть достаточно гладкой, чтобы обеспечить плотное прилегание светоизлучающего слоя 2, так как с ее участием формируется барьер для инжекции электронов (см. Фиг. 4 а и b) из подложки n-типа в светоизлучающий слой 2. Барьер должен быть низким (малые барьеры для инжекции носителей). В описываемом здесь варианте подложка 1 кремния n-типа выступает в качестве источника и инжектора электронов, а инжектором дырок выступает контактный слой 3. Возможен также другой вариант, заключающийся в использовании подложки 1 кремния р-типа в качестве источника и инжектора дырок в светоизлучающий слой 2 через небольшой барьер Ф_hr=0,3 эВ (Фиг. 4 а) и осуществлении инжекции электронов из контактного слоя 3. При этом в качестве подложки 1 используют стандартную пластину кремния p-типа, также ориентации (100), с полированной поверхностью планарной стороны (рабочей стороны пластины), с удельным сопротивлением от 0,1 до 40 Ом⋅см, с оптимальным значением удельного сопротивления подложки 1-20 Ом⋅см.

Светоизлучающий слой 2 жестко связан с подложкой 1, выполнен в виде слоя проводящего оксида In₂O₃, легированного примесью Er. Толщина светоизлучающего слоя 2 составляет от 100 до 5000 нм. Содержание атомов эрбия в светоизлучающем слое 2 определяется конкретным применением устройства, может составлять доли объемного процента при применении в однофотонных устройствах и достигать до десяти объемных процентов в случае интенсивных светоизлучающих устройств. Для большинства случаев применения предлагаемого устройства содержание эрбия в светоизлучающем слое достигает от несколько объемных процентов или более, но не более двадцати. Светоизлучающий слой 2 из In₂O₃:Er выполнен с получением проводящего канала для дырок в запрещенной зоне - с краем E_ds (см. Фиг. 4). Проводящий канал для дырок отстоит от дна зоны проводимости E_c на величину энергии, соответствующую энергии интересующего возбужденного состояния иона Er³⁺ (см. Фиг. 1). Формирование светоизлучающего слоя 2 In₂O₃:Er методом магнетронного распыления-осаждения соответствующей мишени позволяет создать канал проводимости для дырок, характеризующимся краем E_ds с энергетическим уровнем в запрещенной зоне, отстоящим от дна зоны проводимости In₂O₃ на величину энергии 1,56 эВ (см. Фиг. 4), резонансно соответствующей получению возбужденного состояния эрбия ⁴I_9/2 с энергией 1,53 эВ (см. Фиг. 1). Изготовление светоизлучающего слоя 2 осуществлено методом высокочастотного (ВЧ) магнетронного распыления-осаждения мишени In₂O₃:Er с использованием потока аргона Ar и потока кислорода О₂, соответственно, равного 20 см³/мин и 2 см³/мин, при рабочем давлении в камере 6⋅10^-3 мбар, мощности ВЧ плазмы W_rf=100 Ватт, при температуре подложки 100°С. Время осаждения для получения толщины слоя 1 мкм составляет t=5 ч.

Светоизлучающий слой 2 является конструктивным элементом устройства, выполняющим функцию непосредственно люминесценции. В его объеме протекает процесс транспорта навстречу друг другу носителей зарядов - электронов и дырок, с последующей их рекомбинацией, приводящей к получению возбужденных ионов эрбия Er³⁺ (см. Фиг. 3). Разница энергий электронов и дырок в светоизлучающем слое 2 и соответствующая энергия рекомбинации электрон-дырочной пары, в рассматриваемом случае равная E_c-E_ds=1,56 эВ, должны резонансно соответствовать энергии возбужденного состояния иона эрбия Er³⁺, в рассматриваемом случае - возбужденное состояние ⁴I_9/2 с энергией 1,53 эВ.

Средства для прикладывания электрического потенциала, выполненные с возможностью его приложения в отношении подложки 1 и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя 2, реализованы в составе пары электрических контактных слоев 3 и 4 (см. Фиг. 2 и 3), один из которых жестко связан со светоизлучающим слоем 2 (контактный слой 3), а второй (контактный слой 4) с подложкой 1. При этом контактные слои выполнены из материалов, минимизирующих соответствующий барьер для инжекции конкретного носителя заряда - In, Al, ITO, Ti, Ni, Au, но могут быть использованы другие подходящие материалы.

Контактный слой 3, в случае использования в качестве подложки 1 подложки кремния n-типа проводимости, может быть выполнен из ITO, или Au, или из любого подходящего металла, характеризующегося достаточно большой работой выхода, близкой по значению к энергии уровня, характерного для края E_ds канала проводимости для дырок в запрещенной зоне (см. Фиг. 4), поскольку он кроме функции подсоединения устройства в электрическую цепь выполняет также функцию источника и инжектора носителей заряда. Например, может быть использован титан, или никель. Этим достигается условие малости, в частности, барьера для инжекции дырок Ф_hb (см. Фиг. 4 b) из контактного слоя 3 в светоизлучающий слой 2 (малые барьеры для инжекции носителей). Кроме того, в целях реализации функции инжектора дырок в светоизлучающий слой 2 In₂O₃:Er контактный слой 3 может быть выполнен с использованием нанесенной пленки кремния p-типа. В случае, если излучение планируется выводить через контактный слой 3, его целесообразно реализовать из ITO, являющегося светопрозрачным материалом. Оптимальная толщина контактного слоя 3 из ITO составляет 300 нм.

Средства для прикладывания электрического потенциала, выполненные с возможностью его приложения в отношении подложки 1 и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя 2, реализованы в виде контактного слоя 4 на непланарной стороне подложки 1, который жестко связан с ней, образуя обратный контакт.

Обратный контакт к подложке 1, в частности, кремния n-типа обеспечивает омический контакт, предназначенный для электрического подсоединения устройства в электрическую цепь. Контактный слой 4 может быть выполнен стандартными методами планарной технологии микроэлектронных приборов - напылением любого подходящего металла, например, индия или алюминия. Для слаболегированных подложек 1 рекомендуется выполнить стандартное обратное подлегирование подложки под контакт мышьяком или фосфором. Если излучение выводится в обратную сторону, через подложку 1, то обратная, непланарная, сторона подложки должна быть полированной, а в качестве материала при формировании обратного контакта использован светопрозрачный материал, в частности, ITO С толщиной слоя 300 нм.

Контактный слой 3, в случае использования в качестве подложки 1 подложки кремния р-типа проводимости, может быть выполнен из In или Al или из любого подходящего металла, характеризующегося достаточно малой работой выхода для электронов. Поскольку он кроме функции подсоединения устройства в электрическую цепь выполняет также функцию источника и инжектора носителей заряда - электронов из контактного слоя 3 в зону проводимости светоизлучающего слоя 2. Этим достигается условие малости, в частности, барьера для инжекции электронов Ф_еb (см. Фиг. 4 b) из контактного слоя 3 в светоизлучающий слой 2 (малые барьеры для инжекции носителей). Обратный контакт к подложке 1, в частности, кремния p-типа обеспечивает омический контакт, предназначенный для электрического подсоединения устройства в электрическую цепь. Контактный слой 4 может быть выполнен стандартными методами планарной технологии микроэлектронных приборов - напылением любого подходящего металла, например, золота. Для слаболегированных подложек 1 рекомендуется выполнить стандартное обратное подлегирование подложки под контакт. Если излучение выводится в обратную сторону, через подложку 1, то обратная, непланарная, сторона подложки должна быть полированной, а в качестве материала при формировании обратного контакта использован светопрозрачный материал, в частности, ITO.

Предлагаемое электролюминесцентное устройство с достижением технического результата работает следующим образом.

К устройству, в частности, со структурой n-Si/In₂O₃:Er/ITO прикладывается прямое смещение посредством средств для прикладывания электрического потенциала: контактных слоев 3 и 4 (см. Фиг. 2 и 3). На контактный слой 3 подается положительное напряжение относительно обратного контакта в виде контактного слоя 4 (см. Фиг. 3) При этом электроны инжектируются из подложки 1 кремния n-типа в светоизлучающий слой 2 In₂O₃:Er, а именно, в зону проводимости E_c In₂O₃:Er через небольшой прямой барьер Ф_ef (см. Фиг. 4 а и b) и дрейфуют в электрическом поле по направлению к контактному слою 3 (см. Фиг. 4 b и с). Из контактного слоя 3 (см. Фиг. 3) дырки через небольшой барьер Ф_hb (см. Фиг 4 b) инжектируются в канал проводимости с краем E_ds в запрещенной зоне In₂O₃:Er и двигаются в нем в электрическом поле по направлению к подложке 1 (см. Фиг. 4 b и с). Наличие обоих типов носителей заряда в светоизлучающем слое 2 приводит к образованию электрон-дырочных пар. Образующиеся электрон-дырочные пары рекомбинируют с выделением энергии E_c-E_ds=1,56 эВ (см. Фиг. 3, Фиг. 4 с). Эта энергия резонансно возбуждает ближайший атом эрбия с получением возбужденного иона Er³⁺ в состоянии ⁴I_9/2 с энергией возбуждения 1,53 эВ (см. Фиг. 1 и Фиг. 4 с). Возбужденный ион Er³⁺ безызлучательно релаксирует к первому возбужденному состоянию ⁴I_13/2 с энергией 0,8 эВ (см. Фиг. 1), передавая избыточную энергию фононной подсистеме кристалла In₂O₃. Далее происходит излучательный переход иона Er³⁺ в основное состояние ⁴I_15/2 с испусканием фотона hv на длине волны 1,54 мкм (см. Фиг. 1).

На Фиг. 5 показан экспериментальный спектр стационарной электролюминесценции, измеренный с помощью Фурье-спектрометра в отношении предлагаемого устройства со структурой n-Si/In₂O₃:Er/ITO при пропускании через него постоянного электрического тока, при комнатной температуре (20-23°С), - кривая интенсивности 6 при подаче положительного напряжения на контактный слой 3 относительно обратного контакта, равного V=7 В, и плотности пропускаемого тока I=1,2 А/см². Полученная кривая 6 демонстрирует типичный спектр излучательного перехода иона Er³⁺ с первого возбужденного состояния в основное: ⁴I_13/2→⁴I_15/2 с главным пиком на длине волны 1,534 мкм и соседними острыми пиками меньшей интенсивности обусловленные Штарковским расщеплением энергетических уровней иона Er³⁺ на подуровни в электрическом поле ближайших атомов-соседей в кристаллической решетке и дополнительных переходов с участием соседних подуровней (см. Фиг. 1). Для сравнения измерена также кривая 5 спектра стационарной электролюминесценции при V=0, и, соответственно, плотности пропускаемого тока I=0, демонстрирующая отсутствие электролюминесценции.

Изобретение относится к электролюминесцентному источнику света, излучающему в инфракрасном диапазоне. Излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой содержит подложку кремния, жестко связанный с подложкой светоизлучающий слой в виде слоя проводящего оксида In₂O₃, легированного примесью Er, средства для прикладывания электрического потенциала в отношении подложки и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя. Светоизлучающий слой выполнен магнетронным распылением-осаждением мишени с заданным составом материала светоизлучающего слоя. Светоизлучающий слой имеет глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, характеризующиеся плотностью состояний. Этим обеспечивается канал проводимости в запрещенной зоне для дырок и понижение энергетического барьера для инжекции дырок с возможностью реализации биполярной инжекции и транспорта носителей заряда, образования электрон-дырочных пар с энергией рекомбинации, соответствующей резонансному возбуждению атомов эрбия в заданное возбужденное состояние для получения излучения с требуемой длиной волны. Техническим результатом является реализация более эффективного механизма электрической накачки посредством рекомбинации электрон-дырочных пар и резонансного возбуждения требуемого возбужденного состояния атомов эрбия с получением электролюминесценции в диапазоне длин волн от 1,50 до 1,56 мкм. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Излучающее в инфракрасном диапазоне спектра электролюминесцентное устройство в интегральном исполнении с кремниевой подложкой, содержащее подложку кремния, расположенный на подложке и жестко связанный с подложкой светоизлучающий слой в виде слоя проводящего оксида In₂O₃, легированного примесью Er, средства для прикладывания электрического потенциала, отличающееся тем, что средства для прикладывания электрического потенциала выполнены с возможностью его приложения в отношении подложки и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя, светоизлучающий слой выполнен магнетронным распылением-осаждением мишени с заданным составом материала светоизлучающего слоя, для светоизлучающего слоя свойственны глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, характеризующиеся плотностью состояний, обеспечивающей канал проводимости в запрещенной зоне для дырок и понижение энергетического барьера для инжекции дырок, приводящие в совокупности к возможности реализации биполярной инжекции и транспорта носителей заряда, образованию электрон-дырочных пар с энергией рекомбинации, соответствующей резонансному возбуждению атомов эрбия в заданное возбужденное состояние для получения излучения с требуемой длиной волны.

2. Электролюминесцентное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве подложки кремния использована подложка n-типа, ориентации (100), с удельным сопротивлением от 0,1 до 40 Ом⋅см, либо в качестве подложки кремния использована подложка р-типа, ориентации (100), с удельным сопротивлением от 0,1 до 40 Ом⋅см.

3. Электролюминесцентное устройство по п. 1, отличающееся тем, что средства для прикладывания электрического потенциала, выполненные с возможностью его приложения в отношении подложки и жестко связанного с ней светоизлучающего слоя, реализованы в составе пары электрических контактных слоев, один из которых жестко связан со светоизлучающим слоем, а второй – с подложкой, при этом контактные слои выполнены из материалов, минимизирующих соответствующий барьер для инжекции конкретного носителя заряда - In, Al, ITO, Ti, Ni, Au.

4. Электролюминесцентное устройство по п. 1, отличающееся тем, что для светоизлучающего слоя, для которого свойственны глубокие дефектные состояния в запрещенной зоне, характеризующиеся плотностью состояний, обеспечивающей канал проводимости в запрещенной зоне для дырок и понижение энергетического барьера для инжекции дырок, характерен край плотности дефектных состояний E_ds в запрещенной зоне, отстоящий относительно дна зоны проводимости E_c на величину, равную сумме величины энергетического барьера для электронов, величины ширины запрещенной зоны подложки кремния, величины энергетического барьера для дырок.

5. Электролюминесцентное устройство по п. 1, отличающееся тем, что энергия рекомбинации электрон-дырочных пар, соответствующая резонансному возбуждению атомов эрбия в заданное возбужденное состояние для получения излучения с требуемой длиной волны, равна сумме величины энергетического барьера для электронов, величины ширины запрещенной зоны подложки кремния, величины энергетического барьера для дырок.

6. Электролюминесцентное устройство по п. 4 или 5, отличающееся тем, что величина энергетического барьера для электронов равна 0,14 эВ, величина ширины запрещенной зоны подложки кремния – 1,12 эВ, величина энергетического барьера для дырок – 0,3 эВ, а сумма указанных величин равна 1,56 эВ.