СВЕТОДИОДЫ СРЕДНЕГО ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ТИРИСТОРНОЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

Полезная модель относится к полупроводниковым устройствам, осуществляющим преобразование электрической энергии в световую энергию электромагнитных волн в среднем инфракрасном диапазоне (1,6-2,4 мкм), и может быть использована для оптической спектроскопии различных газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Суть данного метода заключается в том, что молекулы газов обладают способностью поглощать часть излучения на определенных длинах волн, причем поглощение пропорционально концентрации газа в газовой смеси. Известно, что характеристические полосы поглощения целого ряда важных химических соединений лежат в средней инфракрасной области спектра. Среди них вода и ее пары (1.94 мкм), метан (1.65 мкм, 2.3 мкм), двуокись углерода (2.0 мкм), аммоний (2.25 мкм), и многие другие неорганические и органические вещества. Оптическая спектроскопия предъявляет очень высокие требования к излучателям. Они должны быть одночастотные, с узкой спектральной линией (<200 нм), оптической мощностью больше 1 мВт, иметь высокую стабильность работы в широком интервале температур.
Известны дисперсионные (тепловые) источники излучения (www.draminski.com). В дисперсионных источниках излучения проволочка нагревается за счет протекающего через нее электрического тока и излучает в широком спектральном диапазоне по закону Планка. Специальные оптические фильтры вырезают нужный спектральный диапазон. К недостаткам такого типа источников можно отнести:
- Низкую эффективность (потребляется большая электрическая мощность, а из широкого спектра теплового излучения используется очень небольшая часть).
- Плохое быстродействие (такой источник реально не может быть модулирован электрически, поэтому для обеспечения селективного усиления сигнала детектора используют механические модуляторы).
- Большие размеры (компактность такого сенсора ограничивается необходимостью использования дополнительных фильтров, модуляторов, а так же большой рассеиваемой тепловой мощностью).
Известны источники инфракрасного излучения, излучающие в среднем инфракрасном диапазоне 2-5 мкм (патент RU 2208268 С2 "Инфракрасный полупроводниковый излучатель"). В данной модели, использующей метод оптического возбуждения носителей (фотолюминесценция), коротковолновое излучение полупроводникового источника преобразуется в длинноволновое инфракрасное излучение с известной длиной волны. Заданная длина волны из диапазона 2-5 мкм достигается выделением из широкого спектра с помощью интерференционных фильтров. Недостатками такой конструкции являются:
- низкая оптическая мощность излучения в диапазоне 1,6-2,5 мкм;
- большая ширина спектра излучения;
- низкая эффективность, т.к. используется маленькая часть широкого спектра излучения;
- сложность конструкции.
Известны полупроводниковые устройства (светодиоды), излучающие в среднем инфракрасном диапазоне (1,6-2,4 мкм), использующие гетеропереходы II типа на основе твердых растворов GaInAsSb/AlGaAsSb наиболее близкие по совокупности существенных признаков, принятые за прототип [см. Сб ФТП; вып.37(2003); с.996]. Для перекрытия всего интересующего диапазона длин волн 1,6-2,4 мкм в светодиодах, в качестве активной области, используются полупроводниковые материалы изопериодные к подложкам GaSb - четырехкомпонентные твердые растворы GaInAsSb, поскольку диапазон изменения ширины запрещенной зоны с изменением состава InGaAsSb соответствует диапазону длин волн 1,6÷2,4 мкм. В качестве ограничительных слоев в светодиодных гетероструктурах используются широкозонные четверные твердые растворы AlGaAsSb с большим содержанием алюминия, изопериодные к подложке GaSb. Преимущество данной гетероструктуры в том, что она образует гетеропереход второго типа, что позволяет снизить безизлучательную рекомбинацию, и, следовательно, повысить оптическую мощность светодиода.
Известное устройство-прототип не обеспечивает необходимой оптической мощности светодиодов, а, следовательно, исключает возможность их использования в устройствах оптической спектроскопии.
Задачей заявляемого технического решения являлось повышение мощности излучения светодиодов диапазона 1,6-2,4 мкм.
Поставленная задача решается тем, что используется новая светодиодная структура тиристорного типа на основе n-GaSb/p-GaSb/n-GaInAsSb/P-AlGaAsSb, обеспечивающую эффективную локализацию дырок и электронов с двух сторон гетерограницы II типа p-GaSb/n-GaInAsSb. Это позволит увеличить оптическую мощность в диапазоне 1,6-2,4 мкм в среднем в два раза.
Заявляемая конструкция высокоэффективного светодиода на основе тиристорной гетероструктуры II-типа иллюстрируется рисунком 1.
На подложке GaSb n-типа формируется толстый (до 10 мкм) буферный слой n-GaSb, для уменьшения концентрации дефектов и улучшения структурного совершенства последующих слоев. В качестве активного слоя используется четверной твердый раствор n-GaInAsSb с переменным составом для обеспечения заданной длины волны. Между буферным и активным слоем для получения тиристорного эффекта вставлен тонкий (0,5 мкм) слой GaSb p-типа. В качестве ограничительного слоя для электронов используется четверной твердый раствор AlGaAsSb с содержанием алюминия 34% (Eg=1.1 эВ). В новой тиристорной гетероструктуре излучение возникает на границе гетероперехода II типа P-GaSb/n-GaInAsSb, с двух сторон которой обеспечивается эффективная локализация электронов и дырок и двухсторонняя инжекция дырок в активную область.
Заявляемый светодиод работает следующим образом.
При подаче прямого смещения на структуру (+ к p-GaSb, - к n-GaSb), гетеропереход между встроенным р-слоем GaSb и активным слоем n-GaInAsSb оказывается включенным в обратном направлении. Практически все приложенное напряжение падает на этом переходе. Одновременно, переходы между n-GaSb и
встроенным слоем, а так же между p-AlGaAsSb и n-GaInAsSb включены в прямом направлении. Инжектированные с этих переходов носители пролетают, соответственно, встроенный слой и слой активной области и накапливаются с двух сторон обратно смещенного перехода между p-GaSb и n-GaInAsSb (положительный заряд на р-типе и отрицательный на n-типе). При определенном значении напряжения происходит переключение тиристора. Высота обратно включенного барьера p-GaSb/n-GaInAsSb резко падает за счет накопленного с двух сторон границы заряда дырок и электронов. Накопление дырок и электронов между р-GaSb и n-GaInAsSb создает благоприятные условия для излучательной рекомбинации в этой граничной области. При включении тиристора происходит двухсторонняя инжекция дырок в активную область n-типа из соседних областей p-GaSb и p-AlGaAsSb.
Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства, изображенный на рисунке 1. Сравнение оптической мощности светодиода на основе тиристорной структуры с оптической мощностью, указанной в описании прототипа, подтвердило улучшение данного параметра: оптическая мощность светодиода увеличилась с 0,7 мВт до 1,7 мВт. Применение новой светодиодной конструкции позволит существенно улучшить параметры светоизлучающих приборов среднего инфракрасного диапазона (1,6-2,4 мкм).