СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к светоизлучающим элементам с длиной волны из ближней инфракрасной области спектра.
Известен светоизлучающий прибор на основе кремния, включающий p-n переход вблизи которого сформирована излучающая зона, легированная примесями редкоземельных элементов, на основе того же полупроводникового материала, что и активные слои n - и р-типа проводимости (см. патент US №6828598, МПК H01S 3/16, H01S 5/30, H01S 5/32, 2004 г.). В зависимости от уровня легирования активных слоев в приборах реализуется механизм туннельного, лавинного либо смешанного пробоев. Основным ограничивающим фактором практического применения приборов создаваемых известным способом, несмотря на их простоту и интегрируемость в схемы микроэлектроники является их низкая излучающая способность и, следовательно, низкая выходная мощность прибора.
2
Известен также светоизлучающий элемент, содержащий слои кремния p - и n-типа, между которыми в области его p-n - перехода заключен активный слой из полупроводника, включающего зерна β-FeSi встроенные в монокристаллический нелегированный кремний, (см. патент US №6368889, МПК H01L 33/26; H01L 21/00; H01L 33/00, 2002г.)
Недостаток этого технического решения - значительный (около 100 нм) размер зерен дисилицида железа, что не позволяет обеспечить высокую эффективность светоизлучающего элемента в силу недостаточно хорошего встраивания зерен в кремниевую матрицу и релаксированной внутренней структуры.
Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель, выражается в повышении эффективности светоотдачи светоизлучающего элемента.
2
Технический результат - повышение эффективности светоотдачи светоизлучающего элемента за счет возможности уменьшения размеров кристаллитов полупроводникового дисилицида железа /β-FeSi (до 20-40 нм) и обеспечения их высокой плотности (количества кристаллитов в единице объема кремниевой матрицы) и в силу этого упругого встраивания в кремниевую матрицу и значительной напряженности внутренней структуры кристаллитов.
2
2
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что светоизлучающий элемент, содержащий слои кремния p- и n-типа, между которыми в области его p-n - перехода заключен активный слой из полупроводника, включающего нанокристаллиты β-FeSi встроенные в монокристаллический нелегированный кремний, отличается тем, что активный слой насыщен нанокристаллитами β-FeSi с размерами от 20 до 40 нм, кроме того, количество таких активных слоев не менее двух.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого и известных технических решений свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы полезной модели обеспечивают решение поставленной технической задачи, а именно повышение эффективности светоотдачи светоизлучающего элемента.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых на фиг.1 схематически показан общий вид светоизлучающего элемента, на фиг.2 - показано изображение эпитаксиального покрывающего слоя нелегированного кремния, полученное методом сканирующей атомно-силовой микроскопии.
На фигурах показаны составные части светоизлучающего элемента:
1 - подложка, выполненная из кремния первого типа проводимости, например n-типа;
2 - слой нелегированного кремния;
2
3 - нанокристаллиты дисилицида железа β-FeSi;
4 - слой монокристаллического нелегированного кремния;
5 - слой кремния второго типа проводимости, например p-типа;
6 - положительный электрод;
7 - отрицательный электрод.
На верхней торцевой поверхности подложки 1 со срезом вдоль кристаллической плоскости (100) или (111) размещен слой 2 нелегированного кремния, на котором размещены два и более активных слоев из нанокристаллитов 3, заращенные слоем 4 нелегированного кремния. Над активными слоями с нанокристаллитами 3 размещен слой 5 кремния второго типа проводимости. На верхней торцевой поверхности светоизлучающего элемента размещен положительный электрод 6, а на нижней - отрицательный электрод 7.
2
2
10
-2
Формирование эпитаксиального монокристаллического кремния 4 (на промежуточном этапе) подтверждается изображением образца, полученным методом сканирующей атомно-силовой микроскопии (см. фиг.2). Этот образец был получен при семикратном повторении процедуры формирования наноостровков β-FeSi на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующей агрегации в нанокристаллиты β-FeSi осаждением слоя нелегированного кремния. Среднеквадратическая шероховатость поверхности не превосходит 0,7 нм, что говорит о том, что выращенные слои кремния являются монокристаллическими. На поверхности находятся дырки (ширина 63-112 нм, глубина 0,2-5 нм) с концентрацией не более 10см, которые формируются непосредственно над движущимися к поверхности нанокристаллитами.
Заготовка светоизлучающего элемента (включающая активный слой, размещенный в зоне p-n - перехода) может быть сформирована с использованием следующей технологии:
-3
-1
-3
-2
-2
-1
2
2
2
2
2
2
Пример. На подложке формируют эпитаксиальный слой кремния путем осаждения нелегированного кремния при нагреве подложки до 700-750°С, толщиной от 100 до 200 нм со скоростью осаждения 5×10-3.3×10 нм/с, что обеспечивает формирование на поверхности буферного слоя нелегированного кремния 2. Затем подложку 1 (с нанесенным на нее слоем нелегированного кремния 2), известным образом, охлаждают до комнатной температуры. Далее, при поддержании температуры подложки на этом уровне, на поверхность слоя нелегированного кремния осаждают слой железа толщиной 0,2-0,8 нм, со скоростью осаждения 1,7×10-1,7×10 нм/с. Далее осуществляют агрегацию слоя железа в наноостровки β-FeSi для чего отжигают подложку при температуре 630°С в течение 20 минут. При этом, на поверхности подложки 1 со сформированным буферным слоем 2 в процессе взаимодействия атомов кремния с атомами железа образуются наноостровки 8 дисилицида железа β-FeSi (см. фиг.2). Далее осуществляют агрегацию наноостровков 8 дисилицида железа β-FeSi в нанокристаллиты 3 дисилицида железа β-FeSi с размерами 20-40 нм, упруго встроенные в кремниевую матрицу, для чего проводят осаждение эпитаксиального слоя нелегированного кремния 4 при нагреве подложки до 600-800°С, толщиной от 100 до 200 нм при скорости осаждения 5×10-3,3×10 нм/с. В процессе такого заращивания нанокристаллиты распределяются в объеме кремния, двигаясь в направлении фронта эпитаксиального роста кремния. Далее цикл, включающий формирование наноостровков β-FeSi на поверхности слоя нелегированного кремния и их последующую агрегацию в нанокристаллиты β-FeSi осаждением слоя нелегированного кремния повторяют с такими же режимными параметрами столько раз, сколько необходимо для создания требуемой многослойной активной структуры, включающей слои нелегированного кремния насыщенные упруго встроенными нанокристаллитами.
-2
-1
После этого формируют слой кремния второго типа проводимости 5, для чего осаждают кремний второго типа проводимости толщиной 100-200 нм при скорости осаждения 5×10-3,3×10 нм/с и при нагреве подложки до 700-750°С.
Поскольку в качестве подложки выбран кремний первого типа проводимости (в данном случае, например, n-типа), эпитаксиальный слой кремния второго типа проводимости должен быть представлен кремнием p-типа, для обеспечения возможности формирования области p-n - перехода (при использовании подложки из кремния p-типа, эпитаксиальный слой кремния должен быть n-типа, т.е. фразы «первого типа» и «второго типа» говорят только о необходимости использования кремния различных типов проводимости).
По завершению этого процесса на внешних поверхностях кремния (соответственно, свободная поверхность эпитаксиального слоя кремния второго типа проводимости и свободная поверхность подложки) известным образом формируют положительный 6 и отрицательный 7 электроды, завершая процесс формирования светоизлучающего элемента.