СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД НА ОСНОВЕ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ ВТОРОГО РОДА

Полезная модель относится к светоизлучающим диодам с циркулярно-поляризованным излучением, выполненным на основе излучающего слоя со структурой с квантовым эффектом, и может быть использована в средствах оптической связи, оптических компьютерах и подобном полупроводниковом оборудовании.
Известен светоизлучающий диод (см. описание изобретения по патенту US №5874749, H01L 33/00, 1999), который позволяет формировать циркулярно-поляризованное излучение без использования четвертьволновой пластины.
Генерация циркулярно-поляризованного излучения в этом диоде происходит в результате спиновой поляризации носителей в полупроводниковой гетероструктуре, выполненной на основе излучающего слоя (квантовой ямы) из полупроводника n-типа или нелегированного полупроводника р-типа, и инжектирующего электрода из ферромагнитного металла. Основным недостатком этого диода является низкая эффективность циркулярно-поляризованного излучения из-за недостаточно высокой интенсивности формируемого излучения и низкой степени циркулярной (круговой) поляризации, которая связана с наличием на границе раздела ферромагнитный металл/полупроводник (инжектирующий электрод/полупроводник) так называемой магнито-мертвой зоны и со значительным рассогласованием проводимостей ферромагнитного металла и полупроводника, что снижает инжекцию спин-поляризованных носителей в полупроводник.
Указанный выше недостаток исчезает в результате замены ферромагнитного металла инжектирующего электрода на ферромагнитный полупроводниковый материал в известном светоизлучающем диоде (см. описание изобретения к патенту РФ №2400866, H01L 33/02.2010), выбранном в качестве прототипа заявляемого светоизлучающего диода.
Однако светоизлучающий диод - прототип, включающий в себя полупроводниковую подложку со сформированным под ней базовым электродом и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буфер, слой, излучающий в режиме циркулярной поляризации, ферромагнитный полупроводниковый слой и эмиттерный электрод, характеризуется, в связи с выполнением излучающего слоя в виде однослойной квантовой ямы, ограниченным диапазоном длин волн излучения и недостаточно высокой термостабильностью диода.
Технический результат предлагаемой полезной модели - разработка светоизлучающего диода, выполненного на основе усовершенствованной полупроводниковой гетероструктуры в результате введения в нее излучающего слоя, представляющего собой двухслойную квантовую яму и состоящего из двух подслоев, образующих гетеропереход второго рода, и характеризующегося обеспечением изменяемого узкополосного циркулярно-поляризованного излучения в расширенном диапазоне длин волн в зависимости от толщин и состава подслоев излучающего слоя при повышении термостабильности диода, а также появлением возможности при этом расширить ассортимент светоизлучающих диодов с различной длиной волны излучения при снижении себестоимости изготовления таких диодов.
Для достижения указанного технического результата в светоизлучающем диоде, включающем в себя полупроводниковую подложку со сформированным под ней базовым электродом и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буфер, слой, излучающий в режиме циркулярной поляризации, ферромагнитный полупроводниковый слой и эмиттерный электрод, слой, излучающий в режиме циркулярной поляризации, состоит из двух подслоев, образующих гетеропереход второго рода, обладающий возможностью распределения спин-поляризованных дырок в первый в направлении роста подслой и электронов во второй в направлении роста подслой, причем соотношение толщин и состав указанных подслоев соответствуют выбранной длине волны излучения.
1-x
x
y
1-y
1-x
x
y
1-y
В частном случае выполнения предлагаемого светоизлучающего диода слой, излучающий в режиме циркулярной поляризации, состоит из первого в направлении роста подслоя GaAsSb и второго в направлении роста подслоя InGaAs, причем при толщинах подслоя GaASSb 4 нм и подслоя InGaAs 4 нм и величинах х=0,25, у=0,33 излучающий слой обеспечивает длину волны циркулярно-поляризованного излучения около 1,3 мкм.
На фиг. 1 схематически показана полупроводниковая гетероструктура предлагаемого светоизлучающего диода.
Предлагаемый светоизлучающий диод включает в себя образующие его гетероструктуру полупроводниковую подложку 1 из арсенида галлия с проводимостью n-типа (прозрачную для инфракрасного излучения данного диода) со сформированным под ней базовым электродом 2 и последовательно расположенные на ней полупроводниковый буфер 3 из арсенида галлия с проводимостью n-типа, слой 4, излучающий в режиме циркулярной поляризации, ферромагнитный полупроводниковый слой 5, слой 6 нелегированного полупроводника - арсенида галлия (введенный в гетероструктуру этого диода в частном случае его выполнения для предотвращения окисления слоя 5) и эмиттерный электрод 7 (с которым слой 6 в настоящем примере образует контакт типа барьера Шоттки). В случае исполнения предлагаемого светоизлучающего диода без слоя 6 в гетероструктуре указанного диода эмиттерный электрод 7 образует со слоем 5 омический контакт.
Тонкий ферромагнитный полупроводниковый слой 5 (толщиной 5-10 нм) образован в результате дельта-легирования арсенида галлия примесью переходного элемента группы железа - марганца.
1-x
x
y
1-y
При этом слой 4, излучающий в режиме циркулярной поляризации, состоит из двух подслоев, образующих гетеропереход второго рода, обладающий возможностью распределения спин-поляризованных дырок в первый в направлении роста подслой 8 из GaAsSb и электронов во второй в направлении роста подслой 9 из InGaAs.
Как следует из предлагаемого порядка расположения, ферромагнитный полупроводниковый слой 5 расположен вплотную к верхней границе двухслойной квантовой ямы (к верхней поверхности второго подслоя 9 слоя 4), что способствует улучшению локализации примеси переходного элемента группы железа (марганца), в результате чего, благодаря влиянию упругих напряжений на гетерогранице верхний слой двухслойной квантовой ямы / ферромагнитный полупроводниковый слой 5, атомы переходного элемента группы железа сосредоточены вблизи верхней границы указанной квантовой ямы (образуют примесную «плоскость») и не проникают вглубь активной области (излучающего слоя 4), что повышает качество гетероструктуры предлагаемого светоизлучающего диода с точки зрения эффективности генерации излучения.
Предлагаемый светоизлучающий диод функционирует следующим образом.
На эмиттерный электрод 7 подается потенциал, прямой по отношению к базовому электроду 2, при этом понижается высота потенциального барьера и происходит инжекция носителей (дырок) в излучающую область. Атомы примеси переходных элементов группы железа в ферромагнитном полупроводниковом слое 5 взаимодействуют с инжектированными носителями заряда (дырками) в активной области, следствием такого магнитного взаимодействия является возникновение спиновой поляризации дырок.
В результате происходит излучательная рекомбинация спин-поляризованных дырок и электронов, поступивших соответственно в подслои 8 и 9 слоя 4 из буферного слоя 3 и подложки 1, с образованием фотонов, которым в соответствии с квантово-механическими правилами отбора передается момент количества движения (спин) +1 или -1, что приводит к формированию излучения с циркулярной левой или правой поляризацией, соответственно.
Все эти процессы усиливаются при воздействии внешнего постоянного магнитного поля с ориентацией в геометрии Фарадея, способствующего ориентации магнитных доменов и образованию однодоменного состояния при увеличении магнитного поля. Таким образом достигается максимальная степень спиновой поляризации носителей и максимальная степень циркулярной поляризации излучения.
Изготовление предлагаемого светоизлучающего диода возможно применением сочетания методов МОС-гидридной эпитаксии и импульсного лазерного нанесения, причем последний метод предпочтителен для формирования ферромагнитного полупроводникового слоя 5.
1-x
x
y
1-y
В примере изготовления предлагаемого светоизлучающего диода при толщинах подслоя 8 GaAsSb 4 нм и подслоя 9 InGaAs 4 нм и величинах х=0,25, у=0,33 излучающий слой 4 обеспечивает длину волны циркулярно-поляризованного излучения около 1,3 мкм, расширяющую диапазон длин волн излучения в сторону увеличения в сравнении с длиной волны излучения светоизлучающего диода - прототипа (около 1,0 мкм), затрудняющей применение последнего в оптоволоконной технике.
Изменение указанных параметров предлагаемого светоизлучающего диода (толщин подслоев 8 и 9 и их состава) обеспечивает рентабельное получение требуемого инфракрасного узкополосного циркулярно-поляризованного излучения в расширенном в сравнении с диодом-прототипом диапазоне длин волн от 1 мкм до 1,3 мкм с образованием двух групп светоизлучающих диодов: с длиной волны 1,0-1,1 мкм и длиной волны более 1,1 мкм, обеспечивающей при использовании диодов второй группы (в отличие от первой группы) возможность оптимального сопряжения с оптоволоконным кабелем и использования для передачи информации в линиях волоконно-оптической связи и в оптических и электрических системах, работающих на спин-зависимых эффектах.
При этом увеличение термостабильности предлагаемого светоизлучающего диода происходит в результате особенностей (значительного увеличения потенциального барьера для дырок при квантово-размерном ограничении) структуры излучающего слоя 4, который обеспечивает снижение влияния процессов термического выброса на интенсивность электролюминесцентного излучения.