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 p-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, 2002 г.)
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 в активном слое сформированы нанокристаллиты β-FeSi с размерами от 20 до 40 нм, которые размещены слоем равноудаленным от границ активного слоя толщиной 200-400 нм, выполненного из нелегированного кремния.
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.
2
2
Полезная модель поясняется чертежами, на которых на фиг.1 схематически показан общий вид светоизлучающего элемента, на фиг.2 - показано изображение поверхности кремния, полученное методом сканирующей атомно-силовой микроскопии, на которой сформированы наноостровки дисилицида железа β-FeSi, которые впоследствии будут агрегированы в нанокристаллиты дисилицида железа β-FeSi с размерами 20-40 нм.
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.
2
8 - наноостровки дисилицида железа β-FeSi.
На верхней торцевой поверхности подложки 1 со срезом вдоль кристаллической плоскости (100) или (111) размещен слой 2 нелегированного кремния, на котором размещен активный слой из нанокристаллитов 3, заращенные слоем 4 нелегированного кремния. Над активным слоем 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
10
-2
Формирование на поверхности кремния наноостровков дисилицида железа (на промежуточном этапе)подтверждается изображением образца, полученным методом сканирующей атомно-силовой микроскопии (см. фиг.2). Этот образец был получен осаждением 0,8 нм железа со скоростью 7×10 нм/с. Видно, что поверхность оказалась равномерно заполненной небольшими островками округлой формы со средними латеральными размерами 76 нм и высотами 3 нм, часть из которых проявляет тенденцию к прямоугольной огранке. Островки расположены очень плотно (концентрация - 1,1×10 см) и зачастую соприкасаются друг с другом, образуя небольшие цепочки длиной до 5 островков.
Заготовка светоизлучающего элемента (включающая активный слой размещенный в зоне p-n - перехода) может быть сформирована с использованием следующей технологии:
-2
-1
-3
-2
-2
-1
-2
-1
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 температуру подложки устанавливают на уровне около 470°С которая обеспечивает формирование на ее поверхности наноостровков дисилицида железа 8 в процессе осаждения железа (см. фиг.2), при этом поддерживают скорость осаждения железа на уровне 1,7×10 - 1,7×10 нм/с.В случае использования сублимационного источника атомов железа заданная скорость обеспечивается его прогревом путем пропускания через него постоянного стабилизированного тока. Величина тока подбирается экспериментально так, чтобы скорость сублимации атомов железа из него находилась в указанных пределах. Осаждение железа на разогретую подложку выполняют до появления на подложке такого количества железа, которое эквивалентно объему сформированной на подложке сплошной пленки железа толщиной от 0,2 до 0,8 нм. При этом, в заданных режимных условиях, 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 ведут 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 (см. фиг.1). После этого формируют слой кремния второго типа проводимости 5 путем осаждения кремния второго типа проводимости толщиной 100-200 нм при скорости осаждения 5×10 - 3,3×10 нм/с 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.