Светоизлучающий инжекционный полупроводниковый прибор Советский патент 1990 года по МПК H01L33/00 

Изобретение относится к области проектирования и Производства свето- излучагоших (электролюминесцентных) полупроводниковых приборок.

Целью изобретения является обеспечение управления интенсивностью излучения, увеличение быстродействия к квантовой эффектииности светоизлу- чающих полупроводниковых приборов.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемого светоизлучающего итгжекцион-

ного полупроводникового прибора; на фиг.2 - его энергетические зонные диаграммы, вертикальный разре З. в случае. соответствия первого типа 111Оводи мости электронной пронодп. на фиг.З - то же, в случае соответствия первого типа проводимости /1ырочной проводимости.

Предлагаем) Н1)иГн)р содер.ит два полупроводниковых слои, и-. рный слой 1 вь соколегировл} П1 гГ| г)г;я

0

о

4

проподимосГЦ выполнен из более ганроко зЬниого материала, второй слой 2 второго типа проводимости выполнен из мптериаля с прямой структурой - энергетических зон. В слое 1 сформи- рована дополнительная область 3 из широкозонного материала, вклпочающая две подобласти. Первая подобласть А собственной проводимости расположена на спое 2 и торцовой частью примыкает к слою 1. К второй подобласти 5 высоколегированного материала второго типа проводимости и к слоям 1 и 2 сформированы невыпрямляющий контакты, толщина слоя пространственного йаря- да перехода между подобластями 4 и 5 «е превьапает в подобласти 4 ее TOJT- щину.

Из фиг.2,3 видно, что различие ширины запрещенной зоны в двух кон- тактируюпщх полупроводниковых материалах при определенных концентра1Ц1- ях легирующих примесей обуславливает формирование в плоскости гетероперв хода в узкозонном полупроводнике инверсного канала проводимости. Внутрйн нее поле большой .величины, образующееся в инверсном канале при термодинамическом равновесии вследствие высо кой плотности заряда подвижных носителей (электронов или дырок) в этом канале, приводит к электрическому квантованию энергии и квазиимпульса носителей перпендикулярно плоскости гетероперехода, В соответствии с. фиг.2 в канале инверсной проводимости образуется двумерный электронный газ 2DEG в соответствии с фиг.З - двумерный дырочный газ 2DHG.

Двумерный газ носителей заряда 2D распространяется в канале с вьгсокой дрейфовой скоростью. Наличие тонкой подобласти 4 собственной проводимости в структуре гетероперехода позволяет ослабить рассеяние носителей заряда в канале на дальнодействующем куло- новском потенциале ионизированных примесей подобласти 5, что еще более повышает подвижность носителей заря- а в инверсном канале. Высоколегированные области соответствующего типа проводимости в широкозонном полупроводнике являются источником по- движнык носителей для инверсного канала, примыкающего к ним.

Устройство работает следующим образом.

5

0 5 Q Q

е

5

5

При прямом см ;1деиии, подаваемом на переход между подобластями 4 и 5, неоснояные носнтали инжектируются им в область инверсного канала, где рекомбинируют с основными носителями. Рекомбинация электронно-дырочных пар сопровождается излучением квантов света, энергия которых зависит от ширины запрещенной зоны узкозонного полупроводника с прямой структурой энергетических зон. Непрокомбиниро- ванные неосновные носители выбрасываются встроенным полем пространственного заряда перехода подобласть 4 - слой 2 из активной области инвер г сноро канала в примыкающую к ней область слоя 2 и уходят во внешнюю цепь. Ускоренньй вывод непрокомбини- ровавших неосновных носителей из активной области в значительной мере повьш1ает быстродействие прибора.

Нарушение электронейтральности инверсного канала,вызванное рекомбинацией части носителей заряда с KtHpoBaHHbiMH неосновными носителями компенсируется поступлением дополнительных носителей из цепи питания через контакт к слою 1 . - ( Изменение потенциала на этом контакте прийодит к изменению числа ног сителей инверсного канала, рекомбини- рующих с неосновными носителя, а следовательно к изменению интенснвноч сти процесса светоизлу ения. Это позволяет управлять выходным сигналом-потоком фотонов.

Высокая концентрация подвижных носителей заряда в канале инверсной проводимости обеспечивает высокие величины квантовой эффектийности работы светоизлучающего прибора, т.е. отношения числа излучаемых во вне фотонов к числу неосновных носителей, инжектируемых в область инверсного канала. Увеличение этой концентрации к структуре рассматриваемого. светоизлучающего прибора приводит , к возрастанию квантовой эффективное-: ти, однако не сопровождается уменьшением коэффициента инжекции неоснов - ных носителей, как это происходит в известных структурах.

Толщина слоя пространственного заряда перехода между подобластями 4 и 5 в термодинамическом равновесии ие должна превышать в .подобласти 4 ее толщину. В противном случае инверси

онный слой прояодичостн под высоколегированной подобластью 5 будет разорван рбластью пространственного заряда и светоизлучение осуществляться не будет из-за отсутствия в активной области канала необходимого количества носителей одного из знаков.

Был изготовлен следующий светоизлу чающий инжекционный полупроводниковый прибор.

В качестве узкозонного материала использовался GaAs, в качестве широко зонного Ga JJ, А1 о As ширины запрещенных зон которых соответственно равны 1,43 эВ и 1,8 эВ. Первым типом проводимости являлась электронная проводи мость, т.е. в канале инверсной проводимости прибора образовывался двумерный электронный газ 2DEG (фиг.2). Электрофизические параметры структуры: удельное сопротивление второго слоя р-типа проводимости 10 Ом см, удельное сопротивление подобласти собственной проводимости ру; 5-10 Ом. см, поверхностное сопротивление первого слоя п-типа проводимости рд„ 200 Ом/о, поверхностное сопротивление высоколегированной подобласти р-типа проводимости Pep- АОО Он/а.

Геометрические параметры: площадь дополнительной области S- 100 к 100 мкм, площадь первого слоя S « 300300 мкм , толщина высоколегиро

ванной подобласти р-типа We - 2 мкм,

гипа WP W| 4

толщина первого слоя W| ч мкм.

Конструкция светоиэлучающего инжек ционного полупроводникового прибора

позволяет управлять интенсивностью излучения, повысить быстродейств1 е до величины 10 с, а квантовую эффективность - до 10-15%.

Формула изоб р е тения

Светоизлучающий инжекционный полупроводниковый прибор, включающий два полупроводниковых слоя, первый из которых высоколегированный первого типа проводимости выполнен нз шнроко- зонного материала, второй слой второго типа проводимости выполнен из ма- териала с прямой структурой энергетических зон, и невьтрямляющие контакты к этим слоям, отличающий с я тем, что, с целью обеспечения управления интенсивностью нэлучення, увеличения быстродействия и кванто вой эффективностн, в первом слое сфор мирована дополнительная область, включающая две подобласти, первая нз которых собственной проводимости рас положена на втором слое н торцовой частью примыкает к первому слою, вторая подобласть выполнена нз высо- колегнрованного материала второго типа проводимости, расположена на первой подобластн и торцовой частью также примыкает к первому слою, к второй подобласти сформирован невы прямляющий контакт, а толщнна слоя пространственного заряда перехода между дополнительными подобластянн не превышает в первой подобластн ее толщину.

Изобретение .-eT быть использовано при проектировании и производстве светоизлучающих полупроводниковых приборов. Целью изобретения яв ляется обеспечение управления интен- CifflHocTbio излучения, пс вышение быст- родействия и квантовой эсЬфективности с вето излучающего и ;-:ек; (ионного полу проводникового HjiifOopa. (. ветоизлучя- ющий пiжe a иoнный п : Лупроводникоп1- Й приббр включает два полуиролодниковых слоя, первый из которых BbicoKOjierHpo-; ванный Первого типя проводимости выполнен из 6ojit.e широкозониого ил ге- риала, второй слой нт орого типа проводимости выполнен из материала с прямой структурой энерг етических зон. В первом слое сформиро лна дополни тельная область из шпрокозонного .материала, вкл члрщая дне расположенные друг над другом подобласти, первая из которых соОственной пронодимо- сти расноложе1та на втором слое и тор-i цопой частью примыкает к первому слою. К второй подобласти выгоколегиронаи- ного материала H i oji jro типа пропод1г- мости и к первому и }1 10рому полупроводниковым cjioH-i с юрмиров пны не- выг рямт Я101цие KOH r.iKiLU То. лкина слоя пространственного перехода мел ду дополнительными подобластями не превьш ает в подобласти собственной проводимости ее TOjiiiuiHy. 3 ил. Ф й

7

ч

Wt/zJ

Фиг, 2

Фиг.з