СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к области опто- и наноэлектроники и может быть использована в качестве источников излучения в оптоэлектронике, оптике, а так же для создания микро- и нанооптоэлектронных, нанооптических систем, в квантовых и оптических компьютерах и в других областях науки и промышленного производства.
2
2
2.
Известно светоизлучающее устройство, выполненное на многослойной структуре Si/CaF/Si, в которой излучение образуется за счет рекомбинационных процессов в тонких (3-5 нм) слоях кремния расположенных между слоями широкозонного диэлектрика CaF (Борисенко В.Е., Данилюк А.Л., Холод А.Н. Электролюминесценция наноразмерных слоистых структур кремния // Микроэлектроника. 1998. Т. 27. №4, С. 275-281). Рекомбинация происходит в слоях кремния за счет инжекции электронов и дырок (туннелирование) через тонкие слои диэлектрика CaF.
Однако в указанном устройстве имеются следующие недостатки:
- низкий уровень инжекции носителей заряда через диэлектрические слои в область рекомбинации (излучения);
- и как следствие низкая эффективность излучения таких структур.
Кроме того, известно светоизлучающее устройство, (Пат. 2300855 РФ. Инжекционное светоизлучающее устройство, МПК Н05В 33/00), являющееся прототипом предлагаемого изобретения, состоящее из последовательности гетероэпитаксиальных слоев диэлектрика фторида кальция и монокристаллического кремния, выращенных на кремниевой подложке. Каждый слой кремния состоит из n- и p-областей с резкими границами раздела. Формирование pn-переходов достигается ионной имплантацией. На противоположных краях устройства расположены омические контакты. Однако в указанном устройстве имеются следующие недостатки:
- в настоящее время фторид кальция не используется в полупроводниковой промышленности по причине недостаточных объемов производства данного материала с высокой степенью очистки (ОСЧ);
2
2
2
- невозможность получения гладкой поверхности фторида кальция на атомарном уровне в связи с его островковым ростом на подложках Si (100). Известно, что на подложках Si (100), используемых в основном в промышленном производстве, рост фторида кальция осуществляется по трехмерному механизму с образованием фасетированной поверхности, представляющей собой пирамиды роста высотой 20-50 нм (Молекулярно-лучевая эпитаксия диэлектрических слоев BaF/CaF/Si (100) для структур «полупроводник на диэлектрике» // диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Филимоновой Н.И., Новосибирск, 2011; Fathauer R.W. Surface morphology of epitaxial CaF films on Si substrates // Appl. Phys. Lett. - 1984. - Vol. 45, №5. - P. 519-521). В результате на такой поверхности невозможно получить сплошную пленку Si толщиной 3-5 нм;
Задачей (технический результат) предполагаемой полезной модели является создание светоизлучающего устройства на основе кремния с гладкой морфологией поверхности и с возможной реализацией в промышленном производстве.
Поставленная задача достигается тем что, в светоизлучающем устройстве, содержащем кремниевую подложку с последовательно выращенными наноразмерными поликристаллическими слоями диэлектрика и кремния, причем слои кремния имеют две латеральные области p- и n-типа, омические контакты, слои диэлектрика выполнены из диоксида кремния.
На фиг. 1 представлена конструкция светоизлучающего устройства. На фиг. 2 приведена схема уровней энергии носителей заряда в квантовой яме.
2
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит: кремниевую подложку - 1, на которой сформированы диэлектрические слои SiO - 2, между которыми расположены поликристаллические наноразмерные слои Si p-типа - 3 и n-типа - 4. По краям устройства находятся омические контакты - 5, сформированные путем нанесения слоев металлизации на торцы многослойной системы с последующей пайкой проводов.
Предлагаемая конструкция может быть получена процессом многократного окисления кремния и нанесения поликристаллического кремния.
2
е1
е2
h1
h2
h3
Светоизлучающее устройство работает следующим образом: с помощью омических контактов - 5 создается продольное электрическое поле в областях 3, 4, которое вызывает перенос носителей в активную область p-n перехода. Диэлектрические слои SiO - 2, являются барьерами квантовой ямы для носителей заряда. Известно, что энергетическая диаграмма наноразмерных слоев кремния имеет более сложную структуру, состоящую из набора минизон в зоне проводимости и в валентной зоне, уровни энергии дна (зона проводимости) Е, Е и потолка (валентная зона) E, E, E подзон размерного квантования показаны на фиг. 2, по сравнению с зонной структурой объемного кремния.
en
hm
Энергия электронного межзонного перехода E→E (фиг. 2) равна
где в рамках модели потенциальной ямы с бесконечно-высокими вертикальными стенками
n
p
g
n,m
g
Здесь m, m - эффективные массы электрона и дырки соответственно, n, m - номера уровней размерного квантования подзон в зоне проводимости и валентной зоне соответственно. Ширина запрещенной зоны кремния E=1.12 эВ при Т=300 К, величина ΔE может иметь значения, сравнимые с E,, а соответствующее рекомбинационное излучение будет в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах.
Квантовое ограничение носителей заряда в нанокристаллическом кремнии приводит к увеличению вероятности излучательной рекомбинации электронно-дырочных пар (Пат.2300855 РФ. Инжекционное светоизлучающее устройство, МПК Н05В 33/00).
2
2
Таким образом, тонкие слои поликристаллического кремния толщиной 3-5 нм будут заключены между диэлектрическими слоями SiO. В результате энергетический спектр слоев кремния будет иметь дискретный характер (эффект квантового ограничения) (Ioannou-Sougleridis V., Nassiopoulou A.G.Quisse Т. Electroluminescence from silicon nanocrystals in Si/CaFsuperlattices // Applied Physics Letters. 2001. V. 79. N. 13. - P. 2076-2078). С помощью ионной имплантации в слоях Si формируются латеральные p-n-переходы, в которых за счет рекомбинационных процессов происходит электролюминесценция. К p и n областям подводятся омические контакты.
2
Таким образом, использование диэлектрических слоев SiO позволит создавать светоизлучающие устройства с гладкой морфологией поверхности и в промышленном производстве.