СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД
LIGHT-EMITTING DIODE

Настоящее изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для излучения световых колебаний и имеющим, по меньшей мере, один потенциальный барьер, а именно к светоизлучающим диодам, которые используются в оптической связи, в оптических компьютерах и т.п.
Светоизлучающие диоды нашли применение в различных областях техники благодаря своим маленьким размерам, экономичности, быстродействию, надежности, большому сроку службы и т.п.
Конструкция светоизлучающего диода представляет собой гетероструктуру, основными составляющими которой являются полупроводниковая подложка, полупроводниковый светоизлучающий слой, а также инжектирующий электрод и базовый электрод, обеспечивающий омический контакт. Подложка и излучающий слой могут быть выполнены из нескольких слоев. Для изготовления подложки наиболее широко используются полупроводниковые материалы соединений элементов III и V групп Периодической системы, нитриды III группы Периодической системы, сапфир и др., для изготовления излучающего слоя - GaAs, InGaAs, InGaN и др. Инжектирующие электроды изготавливают из материала, позволяющего реализовать в месте контакта электрода с полупроводниковой структурой контакт Шоттки.
Большинство известных диодов помимо указанных составляющих имеют дополнительные слои из материалов, направленные на повышение эксплуатационных характеристик диода. Повышение эффективности, надежности и срока работы диодов достигают путем уменьшения плотности дислокаций в излучающем слое, для чего на первом этапе технологического процесса выращивания структуры подложку покрывают буферным слоем. Известно повышение эффективности диода путем нанесения на поверхность структуры так называемого свето-туннелирующего слоя, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления ограничивающего слоя, а толщина его много меньше длины волны излучения (US 2007029560 А1, 2007.02.08).
Основные требования, предъявляемые к конструкции диода (его структуре, используемым материалам), связаны с областью применения диода, определяющей необходимые для конкретного применения диода характеристики формируемого им выходного излучения. К числу таких характеристик в ряде важных практических применений относится поляризация излучения.
Известны диоды, выходное излучение которых имеет линейную поляризацию. Эти диоды предназначены для использования в системах передачи светового излучения, в сотовых телефонах, дисплеях и т.п. Линейная поляризация излучения обеспечивается введением в структуру диода поляризационной решетки (например, US 2005205884 А1, 2005.09.22; US 2008290336 А1, 2008.11.27). Решетки выполняются из имеющих наноразмеры металлических проволок из Al, Au, Ag, Pd, Pt и т.п. Излучающий слой в таких диодах выполнен, как правило, на основе нитридов элементов III группы Периодической системы Менделеева p- и n-типа: GaN, InN, AlN, InGaN.
Известны конструкции диодов, позволяющих получить излучение, по меньшей мере, с двумя направлениями поляризации (например, US 2008128728 А1, 2008.06.05; WO 2006052328 А1, 2006.05.18). Это реализуется введением в диод соответствующего элемента обратной связи, который отражает излучение, генерируемое излучающим слоем, обратно в структуру. Элемент обратной связи располагают на участке, прилегающем к инжектирующему электроду, при этом он может быть расположен на расстоянии от инжектирующего электрода или введен в конструкцию диода в виде поляризатора, например в виде отражающей поляризационной решетки, нанесенной на электрод. Диод может быть выполнен из полупроводниковых материалов, включающих элементы III и V групп Периодической системы Менделеева (например, GaAs, GaP, InAs, InP, GaN и их твердые растворы AlGaAs, AlGaP, GaAsP, InGaAs, InGaN, InGaAlP, AlGaN) или из полупроводниковых материалов, включающих элементы II и VI групп Периодической системы Менделеева (например, ZnSe, CdSe, ZnTe и их соединения ZnCdSe, ZnTeSe, ZnS, ZnSSe).
3
К числу основных недостатков этих диодов нужно отнести сложность изготовления, обусловленную наличием элемента обратной связи, геометрические размеры которого должны быть соизмеримы с длиной волны формируемого излучения (~10 нм). Кроме того, эти диоды не позволяют получить излучение с круговой поляризацией, что необходимо, например, для работы оптических переключателей, для кодировки оптических сигналов.
Излучение с круговой поляризацией можно получить, установив в выходной плоскости диода, формирующего неполяризованное излучение, четвертьволновую пластину.
x
1-x
Известен диод, который позволяет формировать излучение с поляризацией, близкой к круговой, без использования четвертьволновой пластины. Принцип работы этого диода основан на спиновой поляризации носителей в полупроводниковой структуре, имеющей р-n переход (US 5874749 А, 1999.02.23). Диод содержит полупроводниковую гетероструктуру, включающую подложку из полупроводника p-типа, излучающий слой (квантовую яму) из полупроводника n-типа или нелегированного полупроводника p-типа, базовый электрод, расположенный на подложке, и расположенный на слое n-типа (нелегированного полупроводника p-типа) инжектирующий электрод из ферромагнитного материала, в качестве которого использован MnGa, EuO, MnAl, CoPt и др. Подложка выполнена из материала p-типа, а наилучшим материалом для излучающего слоя выбран InGaAs.
Недостатками известного диода являются недостаточно высокая интенсивность формируемого излучения и низкая степень круговой поляризации. Низкая степень круговой поляризации 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.
Технический результат, получаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в повышении интенсивности формируемого излучения и степени круговой поляризации.
Технический результат достигается тем, что светоизлучающий диод, работа которого основана на спиновой поляризации носителей в полупроводниковой гетероструктуре, включающей подложку, излучающий слой и базовый и инжектирующий электроды, дополнительно содержит нелегированный полупроводниковый слой и сильнолегированный атомами переходных элементов группы железа Периодической системы полупроводниковый слой с ферромагнитными свойствами, при этом слой с ферромагнитными свойствами расположен над излучающим слоем, а дополнительный нелегированный полупроводниковый слой расположен между слоем с ферромагнитными свойствами и инжектирующим электродом.
Целесообразно между излучающим слоем и слоем с ферромагнитными свойствами расположить промежуточный полупроводниковый слой, препятствующий диффузии атомов переходных элементов группы железа в излучающий слой.
Промежуточный слой можно выполнить из нелегированного полупроводникового материала.
Промежуточный слой можно также выполнить из того же материала, что и дополнительный нелегированный полупроводниковый слой, т.е. слой, расположенный между слоем с ферромагнитными свойствами и инжектирующим электродом.
Целесообразно между подложкой и излучающим слоем расположить буферный слой.
Целесообразно выполнить инжектирующий электрод из материала, образующего барьер Шоттки с нижерасположенным полупроводниковым слоем.
Можно выполнить инжектирующий электрод из неферромагнитного металла.
Можно также выполнить инжектирующий электрод в виде полупроводникового слоя p-типа.
Гетероструктуру диода целесообразно выполнить на основе материалов, включающих элементы III и V групп Периодической системы.
Изобретение, как и ближайший аналог, основано на спиновой поляризации носителей в полупроводниковой структуре. Однако, в отличие от аналога, в заявляемом диоде спиновая поляризация носителей обеспечивается не введением инжектирующего электрода из магнитного материала, а введением в гетероструктуру диода слоя с ферромагнитными свойствами, полученного легированием полупроводника атомами переходных элементов группы железа Периодической системы. Слой с ферромагнитными свойствами способствует спиновой поляризации инжектированных в излучающий слой носителей, которые, рекомбинируя с носителями противоположного знака, пришедшими в этот слой из подложки, формируют выходное излучение с круговой поляризацией. Кроме того, эксперименты показали, что наличие в гетероструктуре сильнолегированного слоя с ферромагнитными свойствами способствует значительному (до 50 раз) увеличению интенсивности излучения, предположительно за счет изменения зонной диаграммы вблизи излучающего слоя.
2
Придание гетероструктуре свойств, позволяющих осуществить в ней спиновую поляризацию не за счет использования ферромагнитного металла, а за счет легирования полупроводникового слоя атомами переходных элементов и его соответствующего расположения в структуре, практически снимает проблемы согласования проводимостей слоев в гетероструктуре и образования магнито-мертовой зоны. Это происходит потому, что концентрации атомов переходных элементов в гетероструктуре заявляемого диода примерно в 10 раз ниже, чем в ферромагнитном металле (последнее имеет место в ближайшем аналоге).
На фиг.1-3 изображены поперечные сечения возможных гетероструктур диода.
Диод выполнен в виде гетероструктуры и содержит подложку 1, излучающий слой 2, слой 3 с ферромагнитными свойствами, нелегированный полупроводниковый слой 4, инжектирующий электрод 5 и базовый электрод 6.
В одном из возможных вариантов исполнения диода между излучающим слоем 2 и слоем 3 расположен промежуточный слой 7 (фиг.2). В другом варианте исполнения гетероструктура помимо указанных слоев содержит также буферный слой 8 (фиг.3).
Вывод излучения в заявляемом диоде можно осуществить в направлении, перпендикулярном плоскости подложки 1, поэтому электрод 6 можно выполнить либо прозрачным для излучения, либо в виде кольца; при этом подложку 1 следует выполнить из материала, обладающего высокой прозрачностью для формируемого излучения. Последнее требование удовлетворяется при использовании известных широкозонных полупроводников n-типа.
Изготовление заявляемого диода возможно применением метода эпитаксиального (МОС-гидридная эпитаксия и молекулярно-лучевая эпитаксия) выращивания, а также лазерного нанесения и комбинацией этих методов.
Выбор материалов для формирования слоев гетероструктуры и толщина слоев определяются многими факторами, в том числе, требуемой длиной волны формируемого излучения, шириной полосы излучения, условиями эксплуатации диода и др.
Слой 3 выполнен из полупроводника, сильно легированного атомами переходных элементов группы железа Периодической системы, например Mn, Co, Cr, Fe, а его толщина может быть менее 1 монослоя (0,05-1,0 монослоя), т.е. распределение легирующих атомов переходных элементов в этом слое может иметь вид дельта-функции. Для каждой конкретной гетероструктуры при использовании той или иной технологии или того или иного вида атомов переходных элементов существует оптимальная толщина (например, при использовании Mn толщина слоя составляет 0,18-0,5 монослоя, при использовании Cr - 0,2-0,4 монослоя).
Длина волны излучения и интенсивность в основном определяются составом материала слоя 2, его толщиной, а также видом локализации носителей. При двумерной локализации слой 2 является квантовой ямой, а при нульмерной локализации слой 2 представляет собой массив квантовых точек.
x
1-x
g
g
x
1-x
В качестве материала для слоя 2 в виде квантовой ямы используют полупроводник, имеющий более узкую запрещенную зону, чем материал подложки 1. В частном случае, если материалом подложки 1 является GaAs, то слой 2 может быть выполнен из твердого раствора InGaAs, при этом нежелательно, чтобы значение x превышало величину 0.3. Это связано с тем, что между полупроводником GaAs (широкозонный полупроводник, ширина запрещенной зоны E составляет 1.43 эВ) и полупроводником InAs (узкозонный полупроводник с E=0.35 эВ) существует рассогласование кристаллических решеток, которое при некоторой критической толщине слоя InGaAs приводит к релаксации механических напряжений с образованием дислокаций на границе раздела слоев 1 и 2 и, как следствие, к увеличению скорости безызлучательной рекомбинации носителей в гетероструктуре и к снижению интенсивности формируемого излучения.
В частном случае, при выборе слоя 2 толщиной ≈10 нм и при x≈0.2 длина волны излучения составляет ~1 мкм и релаксация механических напряжений отсутствует.
С увеличением значений x длина волны формируемого излучения увеличивается.
Спиновая поляризация носителей может быть реализована в гетероструктуре из различных полупроводниковых материалов (p-типа, n-типа или нелегированных полупроводников). С точки зрения достижения приемлемых значений спиновой поляризации носителей основным требованием, предъявляемым к совокупности выбираемых материалов, является то, что этими носителями должны быть дырки. Это связано с тем, что ферромагнитное состояние в полупроводниках, сильнолегированных атомами переходных элементов (GaAs<Mn>, GaSb<Mn>, InAs<Mn>и GaN, легированный Mn, Cr, Co, Fe), осуществляется путем косвенного обменного взаимодействия с участием дырок, а сами ферромагнитные слои имеют p-тип проводимости. С учетом этого инжектирующий электрод 5 должен обеспечить эффективную инжекцию в гетероструктуру именно дырок, а подложку 1 целесообразно выполнить из полупроводника n-типа. Электрод 5 можно выполнить из металла, образующего с полупроводниковым слоем 4 барьер Шоттки, при этом можно использовать неферромагнитный металл, например Au. Возможен вариант выполнения электрода 5 в виде полупроводника p-типа, выращенного на слое 4.
Для минимизации потерь инжектированных дырок на рекомбинацию в слое 4 последний желательно выполнить из нелегированного полупроводника.
При выборе материалов следует учитывать и другие факторы. Так, например, атомы переходных элементов группы железа имеют высокие коэффициенты диффузии в полупроводниках, что может создать определенные проблемы при изготовлении диода. Это связано с тем, что, попадая диффузионным путем (например, в процессе эпитаксиального выращивания нелегированного слоя 4 и нанесения инжектирующего электрода 5) в излучающий слой 2, эти атомы служат причиной гашения электролюминесценции за счет появления центров безызлучательной рекомбинации. Для подавления этого эффекта между ферромагнитным слоем 3 и излучающим слоем 2 можно использовать промежуточный слой 7, служащий барьером для диффузии атомов переходных элементов.
Интенсивность формируемого излучения и степень круговой поляризации излучения в таком диоде немонотонно зависят от толщины промежуточного слоя 7. При увеличении толщины слоя 7 до значений более 5 нм степень круговой поляризации излучения резко падает, очевидно, ввиду снижения магнитного взаимодействия между дырками в слое 2 и атомами переходных элементов в слое 3. При значениях толщины слоя 7 более 10 нм уменьшается интенсивность излучения из слоя 2. С точки зрения достижения приемлемых параметров (интенсивности и степени круговой поляризации излучения) оптимальная толщина слоя 7 составляет 3-5 нм; при такой толщине интенсивность электролюминесценции является достаточно высокой, а степень круговой поляризации наибольшая.
x
1-x
В частном случае гетероструктуры, выращенной на подложке n-GaAs и содержащей в качестве излучающего слоя 2 квантовую яму InGaAs и слой 3, легированный Mn, промежуточный слой 7 может быть выполнен из нелегированного GaAs.
Другими вариантами гетероструктуры диода со слоем 2 в виде квантовой ямы могут быть пары InGaAs/InP, InGaN/GaN, GaAs/AlGaAs и др. При выполнении слоя 2 в виде квантовых точек гетероструктура диода может быть на основе GaAs и InAs.
Выбор материала для базового электрода 6 определяется обеспечением надежного омического контакта с полупроводниковой структурой.
Электроды 5 и 6 желательно защитить от воздействия окружающей среды, поэтому их изготавливают из неокисляющегося материала, например Au, или изготавливают двухслойными, при этом внешний слой выполняется из неокисляющегося материала.
Для уменьшения плотности дислокаций, которые могут проникать из подложки 1 в вышележащие слои гетероструктуры и, в первую очередь, в излучающий слой 2, между подложкой 1 и слоем 2 целесообразно введение буферного слоя 8. Выращивание слоя 8 производится на первом этапе эпитаксиального процесса. Слой 8 представляет собой полупроводник n-типа толщиной 0,3-0,5 мкм.
В общем случае каждый слой гетероструктуры может быть выполнен составным, т.е. состоять из нескольких подслоев из одних и тех же или разных материалов, выбор которых определяется требованиями, предъявляемыми к данному элементу гетеростуктуры для выполнения его основной функции.
Формирование излучения в диоде происходит следующим образом.
При приложении к инжектирующему электроду 5 потенциала, прямого по отношению к базовому электроду 6 и понижающего высоту потенциального барьера, в гетероструктуру инжектируются носители (дырки), которые достигают излучающего слоя 2. В системе «магнитные атомы в слое 3 с ферромагнитными свойствами - инжектированные дырки в излучающем слое 2» происходит магнитное взаимодействие, следствием чего является то, что под действием магнитных моментов атомов ферромагнитного полупроводника инжектированные носители в слое 2 приобретают спиновую (ориентацию) поляризацию.
В слое 2 инжектированные спин-поляризованные носители рекомбинируют с носителями противоположного знака, пришедшими в этот слой из подложки 1, с образованием фотонов, которым в соответствии с квантово-механическими правилами отбора передается магнитный момент +1 или -1, что приводит к формированию излучения с круговой левой или правой поляризацией, соответственно.
Для дополнительного повышения степени круговой поляризации излучения диодную структуру, как и в случае прототипа, помещают во внешнее магнитное поле.
Роль внешнего магнитного поля заключается в следующем. В исходном состоянии (без внешнего магнитного поля) ферромагнитный слой 3 разбит на домены. Вклады в спиновую ориентацию носителей от противоположно намагниченных доменов вычитаются и в целом по всей плоскости структуры ориентация нулевая. Роль внешнего магнитного поля состоит в ориентации доменов и образовании (при увеличении магнитного поля) однодоменного состояния, когда достигается максимальная суммарная степень спиновой поляризации носителей.
Приведенные в настоящем описании гетероструктуры не исчерпывают всех возможностей получения диода с использованием слоя с ферромагнитными свойствами для реализации в гетероструктуре спиновой поляризации носителей, приводящей к формированию излучения с круговой поляризацией. Гетероструктура может содержать также другие слои, улучшающие параметры диода и не блокирующие эффект спиновой поляризации носителей в такой гетероструктуре.