ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 2024 года по МПК H01L33/04 H01L33/50 

Изобретение относится к полупроводниковым электролюминесцентным источникам света на основе гетероструктур и предназначено для увеличения внешней квантовой эффективности излучения в гетероструктурах с активными излучающими областями, применяемыми для прямого преобразования электроэнергии в оптическое излучение, в частности в светодиодах, и может быть использовано в полупроводниковой промышленности для увеличения эффективности оптических излучателей. В настоящее время светодиодные излучатели получили широкое распространение. Известны светодиодные излучатели на основе многопроходных гетероструктур, выпускаемые промышленным способом, спектры излучения которых находятся в диапазонах от ближнего ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения, максимальные значения мощности излучения отдельных видов светодиодов достигают более 1 Вт на постоянном токе и более 6 Вт в импульсном режиме. Эффективность излучения светодиодов зависит от внутренней эффективности генерации оптического излучения в полупроводниковой гетероструктуре и от эффективности вывода генерированного излучения за пределы полупроводникового кристалла. При разработке новых видов светодиодных излучателей настоящее светодиодное устройство делает возможным увеличение внешнего квантового выхода в за счет добавления фотолюминесцентного излучения к электролюминесцентному излучению, генерируемому в полупроводниковой гетероструктуре. Для решения различных технических задач широкое распространение получили светодиодные устройства на основе соединений A^IIIB^V.

Известен светодиодный источник белого света с комбинированным удаленным фотолюминисцентным конвертером (см. RU 2502917, МПК F21S 13/00, опубл. 27.12.2013), включающий источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких светоизлучающих диодов (СИД), теплоотводящее основание с поверхностью, на которой закреплены указанные СИД, конвертер первичного излучения, выполненный в виде слоя конверсионного материала, преобразующего первичное излучение, попадающее на его поверхность от СИД, во вторичное излучение и светоотражатель с поверхностью, отражающей попадающее на него излучение от указанных СИД и конвертера первичного излучения, а также включает второй конвертер, выполненный в виде слоя фотолюминесцентного материала, преобразующего излучение, попадающее на его поверхность от конвертера первичного излучения и светоотражателя во вторичное излучение. При этом указанная поверхность конвертера первичного излучения, облучаемая СИД, и поверхность светоотражателя имеют вогнутые формы и обращены вогнутостью к источнику первичного излучения и выходному отверстию, а второй конвертер имеет плоскую или выпуклую форму и размещен в указанном выходном отверстии.

Недостатком известного светодиодного источника белого света является сложность изготовления и невысокая внешняя квантовая эффективность излучения вследствие невысокой эффективности многократного преобразования излучения СИД фотолюминесцентными материалами конвертеров.

Известен полупроводниковый фотолюминесцентный излучатель (см. RU 2261502, МПК H01L 33/00, H01L 31/101, H01L 31/12, опубл. 27.09.2005), включающий электролюминесцентный диод из арсенида галлия, генерирующий первичное излучение в интервале длин волн 0,8-0,9 мкм, а также нанесенный на диэлектрическую подложку поликристаллический слой селенида свинца, поглощающий первичное излучение и вторично излучающий в интервале длин волн 2-5 мкм, при этом в селенид свинца совокупно введены добавка, направленно изменяющая положение длины волны максимума излучения, время нарастания и спада импульса излучения, и добавка, увеличивающая мощность излучения фотолюминесцентного излучателя.

Недостатком известного полупроводникового фотолюминесцентного излучателя является низкая эффективность преобразования излучения электролюминесцентного диода поликристаллическим слоем селенида свинца.

Известен инфракрасный полупроводниковый излучатель (см. RU 2208268, МПК H01L 33/00, опубл. 10.07.2003), состоящий из источника электромагнитного излучения с длиной волны 0,8-1,5 мкм и многослойной структуры, нанесенной на подложку из материала, прозрачного для указанного излучения, осуществляющей преобразование этого излучения в более длинноволновое инфракрасное излучение в области 2-5 мкм. В качестве источника электромагнитного излучения использован СИД или полупроводниковый микролазер. Многослойная структура состоит из слоев полупроводника, имеющих различную ширину запрещенной зоны в пределах 0,2-0,6 эВ, расположенных последовательно, начиная с первого, с шириной запрещенной зоны от ΔЕ1 до ΔЕn, в порядке возрастания ΔЕ1<ΔЕ2<…<ΔЕn, где n целое число от 2 до 20, причем слои полупроводника отделены друг от друга пленкой окисла толщиной от 5 до 100 нм.

Недостатком известного инфракрасного полупроводникового фотолюминесцентного излучателя является низкая внешняя квантовая эффективность излучения вследствие высоких френелевских потерь при прохождении первичного излучения и сгенерированного длинноволнового инфракрасного излучения через многослойную структуру, а также невысокая эффективности преобразования излучения слоями многослойной структуры.

Известен монолитный полупроводниковый инфракрасный излучатель (см. US 5933444, МПК H01S 3/04, H01S 3/091, Н01S 5/00, опубл. 03.08.1999), содержащий полупроводниковый элемент, испускающий инфракрасное излучение, и микролазер, содержащий средство переключения, входную грань и выходную грань, при этом указанный микролазер выводит лазерный луч, оптически накачивающий полупроводниковый элемент. Полупроводниковый элемент содержит одно из соединений Pb_xSn_1-xSe, Pb_xSn_1-xTe, PbS_--xSe_x, InAs_xSb_1-x, Cd_xHg_1-xTe, Cd_xPb_1-xdS и Bi_1-xSb_x (0≤х≤1), причем полупроводниковый элемент представляет собой полупроводниковую пластину с толщиной менее 500 мкм и непосредственно прикреплен к выходной поверхности микролазера.

Недостатком известного инфракрасного полупроводникового фотолюминесцентного излучателя является низкая внешняя квантовая эффективность излучения вследствие оптических потерь для излучения накачки на границе микролазера и полупроводникового элемента, низкой внутренней квантовой эффективности излучения соединений, образующих полупроводниковый элемент и оптических потерь при выводе инфракрасного излучения из полупроводникового элемента.

Известен полупроводниковый электролюминесцентный источник света (см. RU 2233013, МПК H01L 33/00, Н05В 33/20, опубл. 20.07.2004), совпадающий с настоящим техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный полупроводниковый электролюминесцентный источник света включает в себя полупроводниковый кристалл со сформированным в нем р-n переходом, генерирующим световой поток при приложении прямого смещения, а также органическую люминесцентную область, частично поглощающую излучение кристалла и преобразующую его в излучение с большей доминирующей длиной волны. При этом полупроводниковый кристалл на основе гетероструктур InGaN/AlGaN содержит объемные или квантово-размерные гетероструктуры с активной областью, заключенной между широкозонными эмиттерами, и/или гетероструктуры с квантовыми ямами, квантовыми нитями, квантовыми точками и обеспечивает излучение в сине-фиолетовой области спектра, а люминесцентная область представляет собой твердый раствор одного или более органических люминесцентных веществ в прозрачной полимерной матрице.

Недостатком известного полупроводникового электролюминесцентного источника света является невысокая внешняя квантовая эффективность излучения вследствие частичного поглощения излучения полупроводникового кристалла в люминесцентной области и невысокая внутренняя квантовая эффективность излучения органических люминесцентных веществ в полимерной матрице.

Задачей настоящего изобретения является разработка полупроводникового электролюминесцентного источника света с увеличенной величиной внешней квантовой эффективности.

Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый электролюминесцентный источник света включает полупроводниковый кристалл со сформированным в нем р-n переходом, генерирующий световой поток при приложении прямого смещения, содержащий р-n гетероструктуру с квантовыми ямами, а также люминесцентную область, частично поглощающую излучение кристалла и преобразующую его в излучение с большей длиной волны. Новым является то, что, p-n-гетероструктура, сформированная на подложке из GaAs, включает AlGaInAs изотипную фотолюминесцентную структуру (FS), прилегающую к подложке из GaAs, и AlGaAs электролюминесцентную р-n структуру (ES), прилегающую к FS, содержащие активные области с квантовыми ямами, число которых может составлять 4-15, выполненые толщиной 3-7 нм из In_yGa_1-yAs, где у=0,07-0,15, в FS и из Al_xGa_1-xAs, где х=0,15-0,25, в ES, разделенные широкозонными слоями, толщины которых могут составлять 10-50 нм из Al_xGa_1-xAs, где х=0,03-0,20, в FS и широкозонными слоями из Al_xGa_1-xAs, где х=0,20-0,30, в ES, с концентрацией Al в широкозонных слоях активной области в FS меньшей концентрации Al в широкозонных слоях активной области в ES на 20-30%, к активным областям с обеих сторон прилегают ограничивающие слои, толщины которых могут составлять 0.4-0.6 мкм, из Al_xGa_1-xAs, где x=0,05-0,25, в FS и толщины которых могут составлять 0.3-0,4 мкм из AlxGa_1-xAs, где х=0,25-0,35, в ES с концентрациями Al в FS и концентрациями Al в ES большими, чем концентрации Al в FS и концентрации Al в ES в широкозонных слоях активных областей на 3-10%, концентрация Al в широкозонных слоях Al_xGa_1-xAs активной области в ES превышает концентрацию Al в ограничивающих слоях AlxGa_1-xAs в FS на 15-25%, к ограничивающим слоям с обеих сторон прилегают барьерные слои толщиной h_b1, составляющей (0,5-0,7) от толщин h₀₁ ограничивающих слоев в FS, из Al_xGa_1-xAs, где х=0,3-0,4, в FS и барьерные слои толщиной h_b2, составляющей (0,5-0,7) от толщин h₀₂ ограничивающих слоев в ES, из Al_xGa_1-xAs, где x₇=0,5-0,6, в ES, при этом в барьерных слоях концентрация Al в FS и концентрация Al в ES, превышает в ограничивающих слоях концентрацию Al в FS и концентрацию Al в ES на 25-35%, причем ограничивающий и барьерный фронтальные слои в ES выполнены с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки и остальных слоев гетероструктуры, выполненных изотипными с подложкой.

Техническим результатом, обеспечиваемым настоящим изобретением, является увеличение внешней квантовой эффективности излучательной рекомбинации полупроводникового электролюминесцентного источника света, что достигается путем добавления фотолюминесцентного излучения из фотолюминесцентной области к электролюминесцентному излучению полупроводникового электролюминесцентного источника света.

Сущность настоящего технического решения поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведено схематическое изображение распределения концентраций Al и In по толщине AlGaInAs гетероструктуры полупроводникового электролюминесцентного источника света (по оси «х» отмечены значения концентраций Al в гетероструктуре Al_xGa_1-xAs слоев полупроводникового электролюминесцентного источника света; по оси «у» отмечены значения концентраций In в гетероструктуре In_yGa_1-yAs квантовых ям в активной области изотипной FS 2 полупроводникового электролюминесцентного источника света; по горизонтальной оси отмечены значения толщин слоев FS 2 и ES 3 полупроводникового электролюминесцентного источника света).

на фиг. 2 приведен спектр люминесцентного излучения полупроводникового электролюминесцентного источника света (16 - спектр излучения из ES 3; 17 - спектр излучения из FS 2).

Настоящий полупроводниковый электролюминесцентный источник света содержит подложку 1 из GaAs и p-n-гетероструктуру AlGaInAs, включающую фотолюминесцентную структуру (FS) 2 из AlGaInAs, изотипную с подложкой 1, к которой примыкает электролюминесцентная р-n структура (ES) 3 из AlGaAs. FS 2 содержит активную область 4 из In_yGa_1-yAs-Al_xGa_1-xAs, толщина которой h_a1, может составлять 42-805 нм, с квантовыми ямами, число которых может составлять 4-15 толщиной 3-7 нм, выполненных из In_yGa_1-yAs, где концентрация у In равна 0,07-0,15, разделенных широкозонными слоями, толщины которых могут составлять 10-50 нм, из Al_xGa_1-xAs, где х=0,03-0,20. К активной области 4 с двух сторон прилегают ограничивающие слои 5, 6 из Al_xGa_1-xAs, где концентрация Al равна 0,05-0,25. Слои 5, 6 выполнены толщиной h₀₁, которая может составлять 0.4-0.6 мкм, с концентрацией Al большей, чем концентрация Al в широкозонных слоях активной области 4 FS 2 на 3-10%. К ограничивающим слоям 5,6 прилегают барьерные Al_xGa_1-xAs слои 7, 8 толщиной h_b1, составляющей (0,5-0,7) от толщин h₀₁ ограничивающих слоев 5, 6 в FS. Концентрация Al в барьерных слоях 7, 8 равна 0,30-0,40 и превышает концентрацию Al в ограничивающих слоях 5, 6 на 25-35%. ES 3 содержит активную область 9 из A_xGa_1-xAs толщина которой h_a2 может составлять 42-805 нм, с квантовыми ямами, число которых может составлять 4-15 толщиной 3-7 нм, выполненных из Al_xGa_1-xAs, где концентрация Al равна 0,15-0,25, разделенных широкозонными слоями, толщины которых могут составлять 10-50 нм, из Al_xGa_1-xAs, с концентрацией Al 0,20-0,30, большей концентрации Al в широкозонных слоях активной области 4 FS 2 на 20-30% и концентрации Al в ограничивающих слоях 5, 6 в FS 2 на 15-25%. К активной области 9 с обеих сторон прилегают ограничивающие слои 10, 11 из Al_xGa_1-xAs толщиной h₀₂, которая может составлять 0.3-0,4 нм, с концентрацией Al 0,25-0,35, большей, чем концентрация × Al в широкозонных слоях активной области 9 ES 3 на 3-10%. К ограничивающим слоям 10, 11 прилегают барьерные слои 12, 13 из Al_xGa_1-xAs толщиной h_b2, составляющей (0,5-0,7) от толщин h₀₂ ограничивающих слоев 10, 11 в ES 3, с концентрацией Al 0,50-0,60 большей, чем концентрация Al в ограничивающих слоях 10, 11 ES 3 на 25-35%.

Концентрации In в полупроводниковом материале InGaAs и Al в полупроводниковом материале AlGaAs полупроводникового электролюминесцентного источника света определяют ширины запрещенной зоны (Е_g) слоев гетероструктуры и, соответственно, энергию квантов света и длины волн люминесценции активных областей и эффективность поглощения излучения в слоях гетероструктуры при работе устройства.

Теоретически и экспериментально было установлено, что приведенная конструкция фотолюминесцентной и электролюминесцентной частей устройства и выбор концентраций Al и In в слоях гетероструктуры обеспечивают выбранные значения длин волн генерации излучения полупроводникового электролюминесцентного источника света, передачу излучения из электролюминесцентной части структуры в фотолюминесцентную часть и достижение максимальной внутренней квантовой эффективности излучения в активных областях в FS 2 и в ES 3.

Диапазон толщины активных областей h_a1 и h_a2, составляющий 42-805 нм, определяется количеством квантовых ям, образующих активную область, их толщиной и толщиной разделительных широкозонных слоев. Число квантовых ям в активных областях 4 и 9 в FS 2 и в ES3 может составлять 4-15.

При изготовлении активных областей 4 и 9 в FS 2 и в ES3 с числом квантовых ям меньше 4, может наблюдаться снижение эффективности люминесценции за счет насыщения каналов рекомбинации носителей в квантовых ямах. Увеличение числа квантовых ям больше 15 нецелесообразно по технологическим соображениям, поскольку это не приводит к улучшению оптических характеристик устройства.

Эффективная ширина запрещенных зон (Е_g) активных областей 4 и 9, определяющих длину волны излучения, зависит от толщины квантовых ям, установленной в пределах 3-7 нм, и концентрации у In в гетероструктуре In_yGa_1-yAs в активной области 4, либо концентрации × Al в гетероструктуре Al_xGa_1-xAs в активной области 9.

Уменьшение толщины квантовых ям менее 3 нм в активной области 4, при сохранении заданных значений длины волны излучения, приводит к увеличению концентрации у In в гетероструктуре In_yGa_1-yAs, приводящее к изменению параметра решетки при выращивании твердого раствора и возникновению дефектов в полупроводниковом кристалле. Уменьшение толщины квантовых ям менее 3 нм в активной области 9 приводит к уменьшению концентрации × Al в гетероструктуре Al_xGa_1-xAs, вплоть до 0 и замены ее на гетероструктуру In_yGa_1-yAs, что представляет технологические сложности.

При толщинах квантовых ям более 7 нм наблюдается нарушение квантования электронных уровней в квантовых ямах. Толщины широкозонных слоев, разделяющих квантовые ямы, установлены в пределах 10-50 нм.

При толщинах широкозонных слоев менне 10 нм перекрываются уровни квантования в квантовых ямах. Увеличение толщины широкозонных слоев более 50 нм приводит к увеличению толщины активной области и снижению эффективности люминесценции при низких уровнях возбуждения.

Превышение эффективной ширины запрещенной зоны (Е_g) активной области 9, определяемой концентрацией × Al в широкозонных слоях Al_xGa_1-xAs, где × равен 0,20-0,30, над шириной запрещенной зоны в фотолюминесцентной активной области 4, определяемой концентрацией × Al в широкозонных слоях AlxGa_1-xAs, где × равен 0,03-0,20, обеспечивает эффективное поглощения излучения, генерируемого р-n переходом в активной области 9 в ES 3, в активной области 4 в FS 2. В гетероструктуре установлено превышение концентрации Al в широкозонных слоях Al_xGa_1-xAs активной области 9 в ES 3 над концентрацией Al в широкозонных слоях Al_xGa_1-xAs активной области 4 в ES 2 на 20-30%. Если превышение концентрации Al в широкозонных слоях активной области 9 меньше 20%, длинноволновая часть спектра электролюминесценции частично без поглощения в активной области 4 в FS 2 поглощается в подложке 1, снижая концентрацию носителей активной области 4 в FS 2. Если превышения концентрации Al в широкозонных слоях активной области 9 в ES 3 больше 30%, коротковолновая часть спектра электролюминесценции может поглощаться в широкозонных барьерных слоях 7, 8 в FS 2, генерируя в них электронно-дырочные пары и снижая концентрацию носителей активной области 4 в FS 2.

Ширина запрещенной зоны (Е_g) ограничивающих слоев 5, 6, 10, 11 определяет эффективную глубину квантовых ям активных областей 4, 9 и значения внутренней квантовой эффективности излучения. В гетероструктуре установлено превышение концентраций Al в ограничивающих слоях 5, 6 в FS 2 над концентрацией Al в широкозонных слоях активной области 4 и в ограничивающих слоях 10, 11 в ES 3 над концентрацией Al в широкозонных слоях активной области 9 на 3-10%. Снижение превышения концентрации Al менее 3% приводит к уменьшению эффективной глубины квантовых ям активной области 4 в FS 2 или активной области 9 в ES 3, снижению эффективности излучательной рекомбинации носителей в них.

При увеличении превышения концентрации Al в ограничивающих слоях 5, 6 более 10% уменьшается глубина узкозонной области FS 2, ограничиваемой барьерными слоями 7, 8, что приводит к уменьшению количества генерируемых носителей в ней за счет обрезания коротковолновой части поглощаемого спектра электролюминесценции. При увеличении превышения концентрации Al в ограничивающих слоях 10, 11 более 10% в активной области 9 ES 3 снижается эффективность излучательной рекомбинации при изготовлении ее из более широкозонных полупроводников.

Для обеспечения наиболее полного поглощения излучения, генерируемого р-n переходом в активной области 9 в ES 3, в фотолюминесцентной части гетегоструктуры, установлено превышение концентрации Al в широкозонных Al_x3Ga_1-x3As слоях активной области 9 ES 3 над концентрацией Al в ограничивающих Al_xGa_1-xAs слоях 5, 6 в FS 2 на 15-25%, образующих совместно со слоями активной области 4 узкозонную часть в FS 2. При уменьшении величины превышения концентрации Al в широкозонных слоях Al_xGa_1-xAs активной области 9 в ES 3 над концентрацией в ограничивающих Al_xGa_1-xAs слоях 5, 6 в FS 2 менее 15%, происходит снижение общей эффективности поглощения электролюминесцентного излучения в FS 2 за счет неполного поглощения длинноволновой части спектра электролюминесценции, с энергией квантов меньшей ширины запрещенной зоны (Е_g) ограничивающих Al_xGa_1-xAs слоев 5, 6 в тонких квантоворазмерный слоях активной области 4 в FS 2, что снижает концентрацию носителей в активной области 4 в FS 2. При увеличении величины превышения концентрации Al более 25%, энергия квантов широковолновой части спектра электролюминесценции может быть больше ширины запрещенной зоны (Е_g) барьерных 7, 8 слоев в FS 2, и эта часть излучения не поглощается в FS 2, что также приводит снижению концентрации носителей в активной области 4 в FS 2 и общей эффективности преобразования электролюминесцентного излучения в фотолюминесцентное.

Выбор.диапазона превышения концентрации Al в барьерных слоях 7, 8 в FS 2 и в барьерных слоях 12, 13 в ES 3 относительно концентрации Al в ограничивающих слоях 5, 6 в FS 2 и в ограничивающих слоях 10, 11 в ES 3 равным 25-35% обеспечивает эффективное ограничение диффузии неравновесных носителей за пределы узкозонных областей, образуемых активной областью 4 и ограничивающими слоями 5, 6 в FS 2 и активной областью 9 и ограничивающими слоями 10, 11 в ES 3.

Уменьшение превышения концентрации Al в барьерных слоях 7, 8 в FS 2 и в барьерных слоях 12, 13 в ES 3 относительно концентрации Al в ограничивающих слоях 5, 6 в FS 2 и в ограничивающих слоях 10, 11 ES 3 менее 25% снижает высоту барьерных слоев 7, 8, 12, 13, ограничивающих соответственно узкозонные области FS 2 и ES 3, что приводит к снижению эффективности излучательной рекомбинации в активных областях FS 2 и ES 3 за счет увеличения Оже-рекомбинации при повышении температуры.

При увеличении превышения концентрации Al в барьерных слоях 7, 8 FS 2 и в барьерных слоях 12, 13 ES 3 относительно концентрации Al в ограничивающих слоях 5, 6 в FS 2 и в ограничивающих слоях 10, 11 ES 3 более 35% усложняются технологические процессы при выращивании барьерных слоев 12,13 ES 3 более широкозонного состава.

Два фронтальных слоя 11, 13 ES 3 выполнены с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки 1 и остальных слоев 4-10, 12 структуры, выполненных изотипными с подложкой 1, что обеспечивает формирование р-n перехода в активной области 9 в ES 3, генерацию электролюминесцентного излучения при пропускании тока в прямом направлении через р-n переход и поглощение части этого излучения в активной области 4 фотолюминесцентной части структуры с последующей генерацией вторичного фотолюминесцентного излучения, обеспечивающего увеличение суммарного (электролюминесцентного + фотолюминесцентного) излучения полупроводникового электролюминесцентного источника света.

Соотношение толщин ограничивающих слоев 5,6 (h₀₁) и барьерных слоев 7, 8 (h_b1) в FS 2, а также толщин ограничивающих слоев 10, 11 (h₀₂) и барьерных слоев 12, 13 (h_b2) в ES 3 установлено в диапазоне h_b1=(0,5-0,7) h₀₁ и h_b2=(0,5-0,7) h₀₂. При толщинах h_b1 и h_b2 барьерных слоев 7, 8, 12, 13 менее 0,5 h₀₁ и 0,5 h₀₂ имеет место снижение концентрации неравновесных носителей и, соответственно, эффективности излучения в активных областях 4, 9 в FS 2 и в ES 3 за счет туннельного эффекта в тонких барьерных слоях 7, 8, 12, 13. При толщинах h_b1 и h_b2 барьерных слоев 7, 8, 12, 13 более 0,7 h₀₁ и 0,7 h₀₂ увеличивается расход полупроводникового материала при изготовлении гетероструктур без улучшения оптических характеристик устройства.

Толщины h₀₁ограничивающих слоев 5, 6 в FS 2 могут быть установлены в диапазоне h₀₁=0.4-0.6 мкм. При уменьшении толщин ограничивающих слоев 5, 6 в FS 2 менее 0,4 мкм, часть излучения активной области 9 ES 3 проходит через узкозонную область FS 2, образуемую ограничивающими слоями 5, 6 и активной областью 4, без поглощения, что снижает концентрацию неравновесных носителей в активной области 4 FS 2 и уменьшает интенсивность люминесценции. Увеличение толщин ограничивающих слоев 5, 6 в FS 2 более 0,6 мкм приводит к снижению объемной концентрации неравновесных носителей в активной области 4 при низких уровнях возбуждения.

Толщины h₀₂ ограничивающих слоев 10, 11 в ES 3 могут быть установлены в диапазоне h₀₂=0.3-0.4 мкм. При h₀₂ менее 0,3 мкм происходит затекание электромагнитного поля в широкозонные барьерные слои 12, 13, приводящее к уменьшению интенсивность люминесценции в активной области 9 в ES 3. Увеличение толщин ограничивающих слоев 8, 9 в ES 3 более 0,4 мкм нецелесообразно из-за увеличения расхода полупроводникового материала при изготовлении гетероструктур без улучшения оптических характеристик устройства.

Для обеспечения равномерного растекания тока в слое р-n перехода активной области 9 ES 3 и вывода излучения через верхнюю границу верхнего барьерного слоя 13 ES 3, токоподводящий электрод 15 на верхней поверхности верхнего фронтального слоя 13 выполнен в виде полоскового контакта, а токоподводящий электрод 14 на тыльной поверхности подложки 1 выполнен в виде сплошного контакта.

Работает предлагаемый полупроводниковый электролюминесцентный источник света следующим образом.

При пропускании тока в прямом направлении через контакты 14, 15, в р-n переходе узкозонной области ES 3, ограниченной барьерными слоями 12, 13, возникают электронно-дырочные пары, диффундирующие в квантовые ямы активной области 9 ES 3, при рекомбинации которых в активной области 9 ES 3 генерируются фотоны с энергией квантов, определяемой параметрами квантовых ям в активной области 9 ES 3. Свет при спонтанной рекомбинации излучается изотропно, половина лучей направлена в сторону фотолюминесцентной AlGaInAs изотипной структуры и поглощается в узкозонной части FS 2, образованной ограничивающими слоями 5 и 6 и активной областью 4 и ограниченной барьерными слоями 7, 8. Вторая половина лучей попадает на плоскую верхнюю границу раздела полупроводник-воздух верхнего барьерного слоя 13 ES 3 под разными углами и, вследствие большого показателя преломления кристалла полупроводника, основная часть лучей испытывает полное внутреннее отражение, перенаправляется в сторону FS 2 и также поглощается в узкозонной области FS 2. Малая часть лучей, падающих на поверхность под углами меньшими 16 угловых градусов к нормали, испытывают преломление на границе раздела, выходят через верхнюю границу верхнего барьерного слоя 13 ES 3 в виде полосы излучения с длинами волн, определяемыми параметрами квантовых ям активной области 9 с интенсивностью I₁ на спектре люминесценции, которая может быть зарегистрирована спектрометром. Все фотоны, поглощенные в узкозонной области FS 2, создают в ней электронно-дырочные пары, диффундирующие в квантовые ямы активной области 4 FS 2, при рекомбинации которых в активной области 4 FS 2 генерируются фотоны с энергией квантов, определяемой параметрами квантовых ям в активной области 4 FS 2, причем их количество по отношению к количеству поглощенных фотонов определяется значением внутреннего квантового выхода η_i в материале кристалла активной области 4 FS 2. Условия вывода фотолюминесцентного излучения из активной области 4 FS 2 такие же, как и для электролюминесцентного излучения из активной области 9 ES 3. Часть фотолюминесцентного излучения в таком же соотношении с интенсивностью фотолюминесценции в активной области 4 FS 2, как и в случае электролюминесцентного излучения, выходит через верхнюю границу верхнего барьерного слоя 13 ES 3 в виде второй полосы излучения с длинами волн, определяемыми параметрами квантовых ям активной области 4 с интенсивностью I₂, и может быть зарегистрирована спектрометром на спектре люминесценции.

Следует отметить, что поскольку условия вывода фотолюминесцентного и электролюминесцентного излучений из структуры одинаковы, то соотношения интенсивностей полос излучения I₁ и I₂ определяется значением внутренней квантовой эффективности η_i в материале кристалла активной области 4 FS 2.

Увеличение внешнего квантового выхода в настоящем полупроводниковом электролюминесцентном источнике света обеспечивается благодаря добавлению фотолюминесцентного излучения к электролюминесцентному излучению. При значении внутреннего квантового выхода излучательной рекомбинации η_i ≈ 100% обеспечивается удвоение величины внешнего квантового выхода устройства.

Пример. Был изготовлен полупроводниковый электролюминесцентный источник света на основе AlGaInAs гетероструктуры. Схематическое изображение распределения значений концентраций Al и In по толщине гетероструктуры полупроводникового электролюминесцентного источника света приведено на фиг. 1. На поверхности подложки GaAs n-типа проводимости толщиной 420 мкм методом МОС-гидридной эпитаксии были последовательно выращены из AlGaInAs FS и из AlGaAs ES. FS содержала активную область толщиной h_a1=168 нм с 6 квантовыми ямами, состоящую из 6 слоев из In_0,18Ga_0,89As толщиной 3 нм, разделенных 5 слоями из Al₀,₁₈Ga_0,82As толщиной 30 нм. К активной области с обеих сторон прилегали ограничивающие слои из Al_0,2Ga₀₈As толщинами h₀₁60 нм. К ограничивающим слоям прилегали барьерные слои из Al_0,39Ga_0,61As толщинами h_b1=280 нм. Соотношение толщин ограничивающих и барьерных слоев составило h_b1i=0,5 h₀₁. ES содержала активную область толщиной h_a2=168 нм, состоящую из 6 слоев из Al_0,22Ga_0,78As толщиной 3 нм, разделенных 5 слоями из Al₀,36Gao,64As толщиной 30 нм. К активной области с обеих сторон прилегали ограничивающие слои из Al_0,39Ga_0,61As толщинами h₀₁=500 нм. К ограничивающим слоям прилегали барьерные слои из Al_0,58Ga_0,42As толщинами h_b1=280 нм. Соотношение толщин ограничивающих и барьерных слоев составляло h_b2=0,56 h₀₂. Все слои FS, а также барьерный слой, ограничивающий слой и активная область ES имели n-тип проводимости. Два фронтальных слоя ES - ограничивающий и барьерный, имели р-тип проводимости, таким образом р-n переход в гетероструктуре был образован в активной области ES. На фронтальной поверхности барьерного слоя ES электролюминесцентной структуры был сформирован полосковый контакт. На тыльную поверхность подложки был нанесен сплошной контакт. При пропускании тока через контакты полупроводникового электролюминесцентного источника света через барьерный слой ES между контактами полоскового контакта выводилось люминесцентное излучение. Запись спектра люминесцентного излучения производилась при плотности тока 100 А/см². Спектр люминесцентного излучения приведен на фиг. 2. Отношение интенсивности I₂ 16 люминесценции полосы FS к интенсивности I₁ 17 люминесценции полосы ES было равно 0,84. Увеличение внешнего квантового выхода излучения в изготовленном полупроводниковом электролюминесцентном источнике света составило 84%.

Полупроводниковый электролюминесцентный источник света содержит подложку GaAs (1) и излучающую р-n-гетероструктуру AlGaInAs, включающую AlGaInAs изотипную с подложкой фотолюминесцентную структуру (FS) (2), к которой примыкает AlGaAs электролюминесцентная р-n-структура (ES) (3). FS (2) и ES (3) содержат соответственно активные области (4, 9) с множественными квантовыми ямами, выполненными из In_yGa_1-yAs-Al_xGa_1-xAs в FS (2) и из Al_xGa_1-xAs в ES (3). К активным областям (4, 9) с обеих сторон прилегают ограничивающие слои (5, 6 и 10, 11) из AlxGa_1-xAs с концентрацией Al в ES и FS большей, чем в слоях активных областей (4, 9) в FS (2) и в ES (3). К ограничивающим слоям (5, 6 и 10, 11) прилегают барьерные Al_xGa_1-xAs слои (7, 8 и 12, 13) с концентрацией Al в ES (3) и FS (2), превышающей концентрацию Al в ограничивающих слоях ES (3) и FS (2). При этом концентрации Al в слоях активной области (9) ES (3) установлены превышающими концентрации Al в ограничивающих слоях (5, 6) FS (2). Два фронтальных слоя (11, 13) в ES выполнены с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки (1) и остальных слоев гетероструктуры, выполненных изотипными с подложкой (1). Установлены соотношения толщин между ограничивающими и барьерными слоями в FS (2) и ES (3). Полупроводниковый электролюминесцентный источник света, выполненный согласно изобретению, обеспечивает увеличение внешнего квантового выхода излучения при величине внутренней квантовой эффективности, близкой к 100%, в фотолюминесцентной части структуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света, включающий в себя полупроводниковый кристалл со сформированным в нем р-n-переходом, генерирующий световой поток при приложении прямого смещения, содержащий гетероструктуру с квантовыми ямами, а также люминесцентную область, частично поглощающую излучение кристалла и преобразующую его в излучение с большей доминирующей длиной волны, отличающийся тем, что p-n-гетероструктура, сформированная на подложке из GaAs, включает изотипную фотолюминесцентную структуру (FS) из AlGaInAs, прилегающую к подложке из GaAs, и электролюминесцентную р-n-структуру (ES) из AlGaAs, прилегающую к FS, содержащие активные области с квантовыми ямами, выполнеными из In_yGa_1-yAs, где у=0,07-0,15, в FS и из Al_xGa_1-xAs, где х=0.15-0,25, в ES, разделенными широкозонными слоями из Al_xGa_1-xAs, где х=0,03-0,20, в FS и широкозонными слоями из Al_xGa_1-xAs, где х=0,20-0,30, в ES, с концентрацией Al в широкозонных слоях активной области FS, меньшей концентрации Al в широкозонных слоях активной области ES на 20-30%, к активным областям с обеих сторон прилегают ограничивающие слои из Al_xGa_1-xAs, где х=0,05-0,25, в FS и из Al_xGa_1-xAs, где х=0,25-0,35 в ES с концентрациями A1 в ограничивающих слоях в FS и в ES большими, чем концентрации Al в широкозонных слоях активной области в FS и в ES на 3-10%, при этом концентрация Al в широкозонных слоях Al_xGa_1-xAs активной области ES превышает концентрацию Al в ограничивающих Al_xGa_1-xAs слоях в FS на 15-25%, к ограничивающим слоям с обеих сторон прилегают барьерные слои из Al_xGa_1-xAs, где х=0,30-0,40, в FS и барьерные слои из Al_xGa_1-xAs, где х=0,50-0,60, в ES с концентрациями Al в FS и в ES, превышающими концентрации Al в ограничивающих слоях FS и ES на 25-35%, причем ограничивающий и барьерный фронтальные слои в ES выполнены с типом проводимости, противоположным типу проводимости подложки и остальных слоев гетероструктуры, выполненных изотипными с подложкой, а соотношение толщин упомянутых ограничивающих (h₀) и барьерных (h_b) слоев в FS и ES установлено в диапазоне H_b=(0,5-0,7) h₀.

2. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по п. 1, отличающийся тем, что активные области в фотолюминесцентной и электролюминесцентной структуре содержат по 4-15 квантовых ям, выполненых толщиной 3-7 нм, разделенных широкозонными слоями толщиной 10-50 нм.

3. Полупроводниковый электролюминесцентный источник света по п. 1, отличающийся тем, что в фотолюминесцентной структуре упомянутые ограничивающие слои (h₀₁) выполнены толщиной 0.4-0.6 мкм, а в электролюминесцентной структуре упомянутые ограничивающие слои (h₀₂) выполнены толщиной 0.3-0.4 мкм.