Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ - Патент РФ 2025833
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ
ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: изобретение относится к оптоэлектронике. Сущность изобретения: устройство содержит активный узкозонный слой с биполярной проводимостью, толщиной, сравнимой с диффузионной длиной, широкозонную подложку, просветляющей и фокусирующий слои. На активном слое выполнены омические контакты. На излучающей поверхности активного слоя сформирован легированный слой с концентрацией примеси ni<N< где n - концентрация основных носителей в активном слое; ni - собственная концентрация носителей в активном слое; ε - диэлектрическая проницаемость активного слоя; m*e - эффективная масса носителей в активном слое; μn1μp - подвижности электронов и дырок в активном слое. Толщина легированного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия параметров кристаллических решеток материалов гетероструктуры не менне 5%. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2025833
Класс(ы) патента: H01L33/00
Номер заявки: 4930037/25
Дата подачи заявки: 22.04.1991
Дата публикации: 30.12.1994
Заявитель(и): Институт полупроводников АН УССР (UA)
Автор(ы): Болгов Сергей Семенович[UA]; Яблоновский Евгений Иванович[UA]; Салюк Ольга Юрьевна[UA]; Константинов Вячеслав Михайлович[RU]; Игуменов Валерий Тимофеевич[RU]; Морозов Владимир Алексеевич[RU]
Патентообладатель(и): Институт физики полупроводников АН Украины (UA)
Описание изобретения: Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве высокоэффективного многофункционального источника излучения с повышенной стабильностью.
Известен полупроводниковый источник электромагнитного излучения [1], содержащий излучающий р-n-переход и два омических контакта для подачи напряжения. При подаче напряжения на контакты в прямом направлении происходит инжекция носителей из одной области р-n-перехода в другую, где они рекомбинируют с испусканием фотона. Технология изготовления данного источника допускает пленочное (эпитаксиальное) исполнение, позволяющее изготавливать излучающие поверхности сложной формы для создания многоцелевых источников ИК-излучения.
Недостатками данного устройства являются низкая эффективность для среднего и дальнего ИК-диапазона, низкая стабильность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является полупроводниковый источник электромаг- нитного излучения [2], принцип действия которого основан на магнитоконцентрационном эффекте. Излучатель представляет собой гетероэпитаксиальную структуру, содержащую активный узкозонный слой, широкозонную подложку и переходный варизонный слой. Излучающей является приповерхностная область активного слоя у границы, обращенной к подложке. Изоморфность и изопериодичность материалов активного слоя и подложки, а также встроенное поле, образующееся на границе этих слоев, обеспечивают малую величину Smin - гораздо меньшую, чем могут дать механические и химические методы обработки на открытой поверхности полупроводника. Область с Smax в такой конструкции находится у поверхности активного слоя, граничащей с внешней средой. Для увеличения Smax эту поверхность приходится подвергать дополнительной механической и/или химической обработке.
Недостатком данного устройства является крайняя ограниченность класса материалов, для которых такая конструкция обладает высокой эффективностью. Условию изоморфности и изопериодичности материала гетероструктуры среди узкозонных полупроводников удовлетворяют в основном тройные соединения типа АIIBVI: CdТе - подложка, Cd x Hg1-xТе - активный слой (CdTe/CdHgТe), МnTe/CdMnТе и др., и АIVBVI: PbTe (PbSnTe, BaF2) PbSnТе и др.
Производство таких полупроводников сложно и дорого, а полученные материалы не могут сравниться по чистоте, совершенству и стабильности параметров с бинарными соединениями.
Наличие в готовой эпитаксиальной структуре открытой поверхности с Smax также снижает стабильность излучателей.
Целью изобретения является повышение эффективности и стабильности излучения, расширение круга используемых материалов за счет создания условий для максимального перераспределения носителей в гетероэпитаксиальной структуре при магнитоконцентрационном эффекте путем обеспечения минимальной скорости поверхности рекомбинации на гомозонном переходе между узкозонным (активным) и автоэпитаксиальным (прозрачным) ему слоями и обеспечения стабильности большой скорости поверхностной рекомбинации на границе активного слоя и неизоморфной ему широкозонной подложки.
Цель достигается тем, что в известном инфракрасном полупроводниковом излучателе на основе гетероэпитаксиальной структуры с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное поле, параллельное слоям гетероструктуры, на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиальный слой с концентрацией примеси
ni<N< exp , , причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия кристаллических решеток материалов гетероструктуры - не менее 5%. В математических соотношениях использованы обозначения: n - концентрация основных носителей в активном слое; ni - cобственная концентрация носителей; me* - эффективная масса электрона в активном слое; μnp - подвижности электронов и дырок в активном слое; ε- диэлектрическая проницаемость активного слоя.
На чертеже представлена конструкция излучателя.
Излучатель содержит активный слой 1 из узкозонного полупроводникового материала, автоэпитаксиальный прозрачный слой 2, широкозонную подложку 3, омические контакты 4, просветляющее и/или фокусирующее покрытие 5, отражающий слой 6.
В предложенном устройстве по сравнению с устройством-прототипом излучающая область переносится к грани активного слоя, противоположной подложке. Тем самым, к подложке не предъявляется самое сложное требование - изоморфности к материалу активного слоя. Поскольку у границы активный слой - подложка должна быть область с Smax, то необходимо максимально возможное несоответствие кристаллических решеток этих слоев, при котором еще может происходить эпитаксиальный рост активного слоя.
Величина скорости поверхностной рекомбинации S ≈Nc, где Nc - плотность разрешенных состояний (центров рекомбинации) у границ слоев. В свою очередь, Nc≈Δa/а, где а - несоответствие постоянных кристаллических решеток для эпитаксиальных слоев активного слоя и подложки. Для обеспечения эффективности излучателя необходимо отличие Smin и Smax не менее, чем на порядок, т.е. Ncmax > 10 Nc min, где Nc min (плотность дислокаций на открытой поверхности эпитаксиального слоя) ≈ 5˙105 см-2. Тогда необходимо Nc max ≥5x x 106 см-2. Расчет Nc в зависимости от Δа/а дает Δа/а ≥5%.
Малая величина Smin достигается в излучающей области формированием на грани активного слоя, противоположной границе с подложкой, дополнительного слоя, который позволяет ввести в структуру встроенное поле. Поскольку теперь излучающая область не граничит с несущей механическую нагрузку подложкой, дополнительный легированный слой может быть выполнен достаточно тонким, чтобы не быть шунтирующим по отношению к активному слою. В качестве дополнительного слоя используется автоэпитаксиальный слой (гомозонный переход), например р+ - или n+-слои. При этом условие изоморфности выполняется автоматически ( Δа/а = О), а встроенное поле обеспечивает полевую границу для носителей заряда. Таким образом достигается величина еще меньшая, чем в устройстве-прототипе, за счет меньшего числа остаточных центров рекомбинации. Толщина прозрачного автоэпитаксиального слоя должна быть больше величины Дебаевской длины экранирования для данного слоя. При выполнении этого условия образуется гомозонный переход, в котором существует встроенное поле.
Концентрация примеси в дополнительном слое определяется из условия равенства величины встроенного поля максимальной величине силы Лоренца (выполнение данного условия обеспечивает рекомбинацию носителей на эффективной полевой поверхности с Smin ->>0 при любых используемых электрических и магнитных полях).
Максимальное магнитное поле определяется из условия
Hmax= C/, где c - скорость света.
При дальнейшем увеличении Н эффект замагничивания носителей приводит к падению их подвижности и к резкому уменьшению эффектов перераспределения носителей.
Максимальное электрическое поле определяется из условия
Еmax = VТ/ μn, где VТ - тепловая скорость носителей заряда.
Дальнейшее увеличение электрического поля не приводит к увеличению дрейфовой скорости носителей в кристалле. Критерием для концентрации примеси в автоэпитаксиальном слое является:
ni<N< exp
Конкретное значение N, обеспечивающее малую эффективную скорость поверхностной рекомбинации, выбирается для наибольших практически используемых электрического и магнитного полей, при условии, что
Fл = np) H·E < Fл max
Эффективность предлагаемого технического решения определяется степенью перераспределения носителей по сечению активного элемента при магнитоконцентрационном эффекте, которое зависит от различия скоростей поверхностной рекомбинации на излучающей (Smin) и противоположной ей (Smax) поверхностях активного элемента. Эффект максимален при Smin ->>0 и Smax ->>∞. Малое количество центров рекомбинации на границе узкозонного и автоэпитаксиального ему прозрачного слоя обеспечивает величину Smin еще меньшую, чем в устройстве-прототипе, для всех полупроводниковых материалов.
Обеспечить необходимое значение Smax несложно.
Изобретение позволяет использовать в качестве активного слоя гетероэпитаксиальной излучающей структуры бинарные соединения, которые обладают стабильными электрофизическими характеристиками, а также гораздо более дешевой и простой по сравнению с тройными соединениями технологией изготовления эпитаксиальных структур. То обстоятельство, что обе грани, состояния поверхностей которых (величины Smin и Smax) очень существенны для магнитоконцентрационного эффекта, в предложенном устройстве не находятся в непосредственном контакте с внешней средой, значительно уменьшает деградацию устройства. Снижение требований к механической нагрузке при монтаже излучателя (в данной конструкции защищены обе поверхности активного слоя, а крепление готовой эпитаксиальной структуры производится со стороны механически прочной подложки) обеспечивает увеличение выхода годных структур.
Переход к бинарным соединениям, таким образом, позволяет значительно повысить стабильность излучателей, а также обеспечивает значительное их удешевление как за счет упрощения технологии производства, так и за счет увеличения выхода годных структур. Кроме того, значительно улучшаются экологические условия производства и эксплуатации излучателей.
Конструкция предлагаемого устройства, так же как и устройства-прототипа, допускает формирование просветляющих и фокусирующих слоев, увеличивающих внешний квантовый выход излучения. Эпитаксиальная технология изготовления излучателей позволяет формировать многоэлементные устройства (линейки, матрицы и т.п.) в едином технологическом цикле.
Наличие на широкозонной подложке отражающего слоя позволяет также наблюдать кроме люминесценции и модуляцию теплового излучения полупроводников за краем фундаментального поглощения, т.е. в более длинноволновой части спектра. Для наблюдения модуляции теплового излучения в данной конструкции, так же как и в прототипе, используется нагреватель.
П р и м е р 1. Полупроводниковый излучатель был выполнен в виде гетероэпитаксиальной структуры: широкозонная подложка из полуизолирующего GaAs толщиной 350 мкм, на которой методом термического испарения-конденсации в глубоком вакууме выращен слой InSb и биполярной проводимостью (NA - ND ≈8˙ 1015 см-3, ni = 2 ˙ 1016 см-3) толщиной 10 мкм, являющийся активным слоем излучателя. Несоответствие постоянных кристаллических решеток InSb и Ga As : =14%. При этом, как показали измерения, скорость поверхностной рекомбинации на границе InSb/GaAs Smax порядка 5˙ 105 см/с. Скорость поверхностной рекомбинации на открытой поверхности слоя InSb составляла Smin ≈3˙ 104 см/с. На свободную поверхность слоя InSb нанесен легированный слой n-InSb толщиной d=0,1 мкм, с ND-NA≈ ≈2˙ 1017см-3 (длина экранирования для данного слоя Lэ ≈3,4 ˙ 10-4 мкм, наибольший коэффициент междузонного поглощения на λ= 4 мкм, К ≈5˙ 104см-1, коэффициент поглощения InSb на длине волны, соответствующей максимуму спектральной характеристики λ=7 мкм, К ≈5˙ 103 см-1). Таким образом, условие (Lэ< d< 1/K) было выполнено.
Скорость поверхностной рекомбинации на границе слоев InSb/n-InSb составляла не более 5 ˙103 см/с, что значительно меньше, чем скорость поверхностной рекомбинации на открытой поверхности InSb.
Верхний предел концентрации примеси в легированном слое составляет 2 ˙1019см-3. Практически при работе излучателя используются поля, не превышающие Е= 103 В/см, Н=25 кгс. При этом необходимую величину встроенного поля обеспечивает концентрация примеси 2 ˙1017 см-3.
Методом фотолитографии в данной гетероэпитаксиальной структуре формировались линейка и матрица излучателей с площадью светящейся поверхности каждого элемента 0,5 х 0,5 мм2. Электрическое поле прикладывалось в виде прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности длительностью 10мкс к каждому из элементов либо при различной их коммутации. Излучатель помещался между полюсами электромагнита таким образом, что направление магнитного поля было параллельно излучающей поверхности. Излучение фокусировалось линзами из ВаF2 и регистрировалось охлаждаемым фотоприемником Ge(Au). Максимальная мощность отрицательной люминесценции Ро ≈2˙10-3 Вт/см2. Мощность положительной люминесценции при Н=3 кгс, Е=100 В/см при наличии легированного слоя составляла порядка 5 Ро, при его отсутствии 2 Ро. При формировании на излучающей поверхности элементов просветляющего сферического покрытия из халькогенидного стекла Аs36,5 Sb2,0 S23,0Se23,0Br15,5 наблюдалось увеличение мощности излучения еще в 3 раза.
Излучательные характеристики структур практически не изменялись после работы в условиях повышенной влажности и температуры в течение 103ч.
При нанесении на свободную поверхность широкозонной подложки GaAs отражающего слоя Al наблюдалось увеличение интенсивности излучения при λ> 7 мкм. Спектральный состав излучения контролировался при помощи фильтров. При помещении полупроводникового излучателя на нагреватель, обеспечивающий температуру 320-350К, и использовании охлаждаемого фотоприемника из СdHgTe, наблюдался сигнал модуляции теплового излучения устройства на длинах волн λ до 14 мкм, что соответствует области чувствительности приемника.
Инфракрасный полупроводниковый излучатель, изготовленный по предлагаемому конструктивному решению, работает эффективно. По конструктивному же решению устройства-прототипа эффективный излучатель на основе InSb и эпитаксиальной технологии создать нельзя, поскольку для InSb нет изоморфного полупроводникового материала, и реальные величины Smin нельзя получить меньше 105 см/с. При этом магнитоконцентрационный эффект и модулированный поток излучения будут крайне малы.
П р и м е р 2. В качестве подложки, как и в примере 1, использован GaAs. Активный слой по той же технологии выполнен из InAs (NA-ND ≈2˙ 1016 см-3, толщина 20 мкм, Δа/а =7%). На свободную поверхность слоя р -InAs нанесен легированный слой n-InAs (ND--NA ≈4˙ 1017см-3) толщиной d = 0,5 мкм. Наибольший коэффициент поглощения InAs в области длин волн 3-5 мкм (область спектра излучения) составляет К=3 ˙103 см-1. Длина экранирования в таком материале Lэ ≈6 ˙10-3 мкм. Таким образом, условие Lэ < d < /К было выполнено. Другое условие для N принимает вид ni<N< exp, поэтому n= 4 ˙1017см-3 соответствует ему. Так как для InAs тоже нет изоморфной широкозонной подложки, работа излучателя на InAs в конструкции устройства-прототипа крайне неэффективна.
Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает эффективную работу излучателей из широкого класса используемых материалов.
Формула изобретения: ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ на основе гетероэпитаксиальной структуры с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное поле, параллельное слоям гетероструктуры, причем толщина узкозонного слоя не менее диффузионной длины неосновных носителей заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и стабильности излучения, расширения круга используемых материалов, на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиальный слой с концентрацией примеси
n1< N≅ exp ,
где n - концентрация основных носителей в узкозонном слое;
ni - собственная концентрация носителей в узкозонном слое;
ε - диэлектрическая проницаемость узкозонного слоя;
ne* - эффективная масса электрона в узкозонном слое,
μn , μp - подвижности электронов и дырок в узкозонном слое,
причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия параметров кристаллических решеток материалов гетероструктуры не менее 5%.