ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР
SEMICONDUCTOR LIGHT-EMITTING DEVICE

Настоящее изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для излучения световых колебаний, которые используются в современных телекоммуникационных системах связи, устройствах передачи информации, индикаторных устройствах, системах детектирования и т.п.
Полупроводниковые светоизлучающие приборы нашли применение в различных областях техники благодаря своим малым размерам, экономичности, надежности, быстродействию, большому сроку службы и т.п.
Известны полупроводниковые светоизлучающие приборы, в основе работы которых лежат процессы межзонной излучательной рекомбинации носителей заряда, инжектированных в активную область под действием прямого напряжения, подаваемого на р-n переход, или барьер Шоттки. Как правило, в приборах этого типа используются прямозонные полупроводниковые материалы, а именно материалы III-V, II-VI групп периодической таблицы и соединения на их основе. К основным недостаткам таких приборов следует отнести: зависимость длины волны излучения от температуры, значительную ширину линии излучения в спектральном диапазоне, плохую интегрируемость в схемы микроэлектроники, дороговизну и токсичность технологического процесса. В этой связи большой интерес при производстве светоизлучающих приборов в настоящее время представляет использование в них материалов, легированных примесями редкоземельных элементов: эрбий (Er), иттербий (Yb), празеодим (Рr), неодим (Nd), тулий (Тm), церий (Се), тербий (Тb), гольмий (Но), прометий (Рm), самарий (Sm), европий (Еu), излучающих на выделенной длине волны соответствующей энергии внутриатомного перехода редкоземельного элемента. В приборах этого типа длина волны излучения не зависит от температуры и конкретного полупроводникового материала, в который внедрен редкоземельный элемент, при этом излучающие свойства полупроводникового материала оказываются не ограниченными условием прямозонности. Длина волны излучения в таких приборах определяется используемым редкоземельным элементом и может варьироваться от инфракрасного (ИК) до видимого и ультрафиолетового (УФ) диапазонов (например, празеодим и тулий излучают в синей области спектра, тербий, гольмий и эрбий - в зеленой, европий - в красной). Для получения белого света используется комбинация редкоземельных элементов.
Излучательные свойства атомов редкоземельных элементов обусловлены внутриатомными переходами электронов в незаполненной 4f оболочке. Электроны с верхнего возбужденного уровня в 4f оболочке атома редкоземельного элемента переходят в основное состояние с испусканием кванта света. При этом для возбуждения атома, т.е. для перевода электронов с уровня основного состояния на возбужденные уровни с более высокой энергией, используется как возбуждение внешним источником света с длиной волны излучения, соответствующей энергии внутриатомного перехода, так и возбуждение электрическим током. В полупроводниковых материалах реализуется также механизм «опосредованного» возбуждения атомов редкоземельных элементов, при котором энергия носителей заряда, возбуждаемых в полупроводнике под действием света или тока, передается редкоземельному элементу.
Возбуждение атомов редкоземельных элементов внешним источником света используется в таких приборах, как светоизлучающие диоды белого света, диоды с преобразованием длины волны излучения, пурпурные светодиоды и др. В приборах этого типа преобразующий слой, легированный атомами редкоземельных элементов, выполняется либо в виде отдельного слоя, выращиваемого или наносимого на светоизлучающий диод, выполняющий функцию источника света (WO 2006137715 А1, 2006.12.28; US 2005001225 А1, 2005.01.06; KR 20050088961 А, 2005.09.07; JP 2005340231 А, 2005.12.08), либо выполняется в виде отдельного структурного элемента в корпусе светоизлучающего диода (US 2009134413 А1, 2009.05.28; US 2003155856 А1, 2003.08.21; СА 2538276 А1, 2005.03.17). Основным недостатком этих приборов является низкий коэффициент преобразования излучения внешнего источника, что обусловлено прежде всего принципиально низким уровнем легирования преобразующего слоя атомами редкоземельных элементов, низкой эффективностью их возбуждения и жесткими требованиями, накладываемыми на длину волны излучения внешнего источника.
Более эффективными и технологичными с точки зрения возможностей интегрирования в устройства микроэлектроники являются приборы, в которых полупроводниковые материалы, легированные примесями редкоземельных элементов, непосредственно являются активными элементами прибора и возбуждаются под действием электрического поля (тока). В приборах этого типа для возбуждения редкоземельных элементов может быть использовано как однородное электрическое поле, формируемое внешними электродами, где в качестве электродов используются слои металлов, проводящих оксидов, полупроводниковые слои с одинаковым типом проводимости и др., так и неоднородное поле, формируемое в области p-n перехода, барьера металл-полупроводник, барьера диэлектрик-полупроводник и др.
Возбуждение в однородном электрическом поле реализуется, как правило, в приборах, где в качестве излучающих слоев (зон) используются слои, формируемые на базе легированных редкоземельными элементами проводящих оксидов (US 6271626 В1, 2001.08.07), слоев оксида кремния, содержащих редкоземельные элементы (US 2007114628 А1, 2007.05.24), композитных оксидов, содержащих редкоземельные элементы и нанокристаллические включения элементов IV группы (US 2006065943 А1, 2006.03.30; US 2005051777 А1, 2005.03.10; US 2002117673 А1, 2002.08.29), слоев кремниевых нанопроволок, легированных редкоземельными элементами (US 2005253138 А1, 2005.11.17) и др. Во всех этих случаях не представляется возможным формирование встроенного электрического поля в излучающей зоне (слое), что, как следствие, ограничивает возможности управления процессами возбуждения атомов редкоземельных элементов. Дополнительные трудности связаны со сложностью получения излучающих слоев, однородных как с точки зрения их проводящих, так и излучающих свойств. Формирование оксидных слоев, легированных примесями редкоземельных элементов, в том числе содержащих нанокристаллические включения элементов IV группы, требует применения дополнительных технологических методик, как правило, трудносовместимых с технологическими процессами, используемыми в современной микроэлектронике.
Заявляемый светоизлучающий полупроводниковый прибор относится к приборам со встроенным электрическим полем. К приборам этого типа относятся диоды, биполярные транзисторы, МОП и МДП транзисторы, полевые транзисторы с p-n переходом в качестве затвора и др. Формирование встроенного электрического поля в приборах этого типа позволяет направленным образом формировать потоки носителей заряда, участвующих в процессах возбуждения атомов редкоземельных элементов, что открывает новые возможности контроля их излучающих свойств.
Известны МОП и МДП транзисторы, в которых слои, легированные примесями редкоземельных элементов, формируют в области стока (US 6340826 В1, 2002.01.22), в других приборах слои, легированные примесями редкоземельных элементов, выполняют функцию подзатворного диэлектрика (JP 2001203382 А, 2001.07.27; JP 2009054609 А, 2009.03.12). В последнем случае эффективность светоизлучающих приборов и их электрофизические характеристики в значительной степени зависят от качества и уровня легирования диэлектрических слоев.
В диодах и транзисторах, использующих полупроводниковые материалы, легированные примесями редкоземельных элементов, излучающий слой (излучающая зона) встраивается в область p-n перехода, формируемого активными полупроводниковыми слоями p- и n-типа проводимости. Слои p- и n-типа могут быть сформированы на полупроводниковой подложке методами ионной имплантации, либо с использованием одной или нескольких известных методик роста и иметь одинаковый или разный уровень легирования. Известные приборы этого типа отличаются используемыми материалами, особенностями формирования излучающей зоны в них и принципами работы, а также конструктивными особенностями, определяющими характеристики прибора и его назначение. Так, прибор, известный по US 6828598 В1, 2004.12.07, выполнен в форме полоскового волновода, на основе которого формируется резонатор, необходимый для создания лазера. В приборах могут быть введены дополнительные многослойные отражающие покрытия, обеспечивающие селективность излучения (US 7388230 В1, 2008.06.17).
По принципу работы и механизму возбуждения примесей редкоземельных элементов различают светоизлучающие диоды, работающие в режимах прямого и обратного смещений, в частности пробоя p-n перехода. В первом случае примеси редкоземельных элементов возбуждаются по «опосредованному» механизму с участием носителей заряда, инжектированных в излучающую зону прибора. В режиме пробоя p-n перехода реализуется механизм ударного возбуждения редкоземельных элементов горячими носителями заряда, формируемыми в сильном электрическом поле.
Известны светоизлучающие диоды на основе нитрида галлия и нитридных соединений, работающие в режиме прямого смещения (US 2004208218 А1, 2004.10.21; KR 200100044594 А, 2001.06.05; ЕР 1211737 А2, 2002.06.05; JP 2005260246 А, 2005.09.22; JP 200410393 А, 2004.04.02). Излучающая зона в этих приборах формируется на основе гетерослоев, легированных примесями редкоземельных элементов, слоев с квантовыми ямами и низкоразмерными включениями, выбор которых определяется условием эффективной передачи энергии носителей заряда, рекомбинирующих в излучающей зоне, атомам редкоземельных элементов. Излучающая зона прибора может быть выполнена в виде последовательности чередующихся гетерослоев с квантовыми ямами, легированными редкоземельными элементами (KR 200100044594 А, 2001.06.05). К основным недостаткам таких приборов относится их низкая температурная стабильность. Известно, что интенсивность люминесценции, определяющая выходную мощность приборов, работающих в режиме прямого смещения и выполненных на основе полупроводниковых материалов с малой шириной запрещенной зоны (в частности, на кремнии), существенным образом зависит от температуры.
Известны светоизлучающие приборы на основе кремния, работающие в режиме пробоя p-n перехода (US 2004037335 А1, 2004.02.26, US 6828598 В1, 2004.12.07). В приборах этого типа излучающая зона, легированная примесями редкоземельных элементов, формируется в непосредственной близости от p-n перехода и выполняется на основе того же полупроводникового материала, что и активные слои n- и p-типа проводимости. В зависимости от уровня легирования активных слоев в приборах реализуется механизм туннельного, лавинного либо смешанного пробоев. Основным ограничивающим фактором практического применения этих приборов несмотря на их простоту и интегрируемость в схемы микроэлектроники является их низкая излучающая способность и, следовательно, низкая выходная мощность прибора.
Ближайшим аналогом заявляемого прибора является прибор, известный по US 2004037335 А1, 2004.02.26, который содержит подложку, активные слои p-типа и n-типа проводимости, один из которых расположен на подложке, излучающую зону, легированную редкоземельным элементом и расположенную между активными слоями, и слой, формирующий поток носителей заряда в излучающую зону. В качестве подложки могут выступать полупроводниковые материалы элементов IV группы и твердые растворы на их основе, а также полупроводниковые материалы элементов III-V и II-VI групп и др. Излучающая зона прибора содержит редкоземельный элемент, выбранный из группы элементов, содержащей эрбий (Er), празеодим (Pr) и неодим (Nd). Реализуется механизм возбуждения атомов редкоземельных элементов электрическим током в режиме обратного смещения p-n перехода. В приборе используется дополнительный источник, формирующий поток носителей заряда в область обратносмещенного p-n перехода, в качестве которого выступают либо эмиттерный переход биполярного транзистора, либо внешний источник электронов, либо источник света.
Основным недостатком прибора является низкая выходная мощность. Это связано с условиями формирования электрического поля и естественными ограничениями, накладываемыми на толщину излучающей зоны. В приборах, работающих в режиме пробоя р-n перехода, толщина излучающей зоны ограничена областью пространственного заряда, в которой носители набирают энергию, достаточную для возбуждения атомов редкоземельных элементов, т.е. энергию, равную энергии перехода редкоземельного элемента из основного состояния в возбужденное. Как правило, эта величина не превышает ~100 нм (В.Б.Шмагин и др. Физика твердого тела. Т.47, вып.1, с.120 (2005)).
Техническим результатом, получаемым при использовании изобретения, является повышение выходной мощности светоизлучающего прибора на основе полупроводниковых материалов, легированных примесями редкоземельных элементов, с обеспечением высокой стабильности выходных параметров при комнатной температуре. Технический результат реализуется за счет формирования в рабочей области прибора встроенного электрического поля с новой конфигурацией распределения вдоль полупроводниковой структуры.
Для достижения технического результата в приборе, содержащем подложку, активные слои р- и n-типа проводимости, один из которых расположен на подложке, расположенную между активными слоями излучающую зону, легированную редкоземельным элементом, в соответствии с изобретением излучающая зона выполнена, по меньшей мере, из двух слоев, между которыми введены дополнительные слои p- и n-типа проводимости, при этом активные слои и каждый из дополнительных выполнены сильнолегированными.
Целесообразно излучающую зону выполнить из материала n-типа.
Каждый из слоев излучающей зоны целесообразно выполнить толщиной 10-400 нм.
Редкоземельный элемент при изготовлении прибора выбирают из группы, содержащей эрбий (Er), иттербий (Yb), празеодим (Pr), неодим (Nd), тулий (Тm), тербий (Тb), гольмий (Но), прометий (Рm), самарий (Sm), европий (Еu).
Прибор может быть выполнен на основе элементов III-V групп периодической системы.
Прибор может быть выполнен на основе элементов IV группы периодической системы.
При изготовлении прибора из кремния редкоземельный элемент выбирают из группы, содержащей эрбий (Еr), празеодим (Рr), неодим (Nd), тербий (Тb), гольмий (Но), самарий (Sm), европий (Еu).
Изобретение поясняется фиг.1, на которой изображен один из возможных вариантов заявляемого прибора, включающий излучающую зону, состоящую из 2-х слоев, и подложку p-типа проводимости; на фиг.2 приведено распределение электрического поля Е в приборе с излучающей зоной, выполненной из 2-х слоев; на фиг.3 - распределение электрического поля Е в приборе с излучающей зоной, выполненной из одного слоя, на фиг.4 - вольт-амперные характеристики, при этом кривая «а» соответствует прибору с излучающей зоной, выполненной из одного слоя, кривые «б» и «в» - прибору с излучающей зоной, выполненной из 2-х и 5-и слоев соответственно.
Диод содержит подложку 1 с активным слоем 2 р-типа проводимости и активным слоем 3 n-типа. Легированная редкоземельным элементом излучающая зона включает слой 4 и слой 5, между которыми расположены дополнительные слои 6 и 7, первый из которых выполнен на полупроводнике p-типа, а второй - на полупроводнике n-типа, т.е. каждый из слоев 4 и 5 излучающей зоны расположен между слоями p- и n-типа проводимости. При этом слой 4 расположен между активным слоем 2 p-типа и дополнительным слоем 7 n-типа, а слой 5 расположен между активным слоем 3 n-типа и дополнительным слоем 6 p-типа.
В описываемом варианте прибора, предназначенном для конкретного применения, металлический контакт 8 на слое 3 выполнен в форме кольца, что позволяет вывести сформированное излучение из прибора через центральную область слоя 3. Металлический контакт 9 на подложке 1 выполнен сплошным.
+
+
Активные слои 2 и 3, а также дополнительные слои 6 и 7 выполнены сильнолегированными, т.е. являются слоями p- и n-типа проводимости. Слои 4 и 5 выполнены на основе материала n-типа, легированного редкоземельным элементом. Подложка 1 выполнена на основе материала со стандартным удельным сопротивлением, традиционно применяемым в приборах такого типа.
Прибор может быть выполнен на основе материалов, широко применяемых при производстве светоизлучающих полупроводниковых приборов, т.е. на основе материалов III-V, II-VI и IV групп периодической таблицы, при этом редкоземельный элемент, используемый для легирования слоев 4 и 5, выбирается из группы, содержащей эрбий (Еr), иттербий (Yb), празеодим (Рr), неодим (Nd), тулий (Тm), тербий (Тb), гольмий (Но), прометий (Рm), самарий (Sm), европий (Еu). Выбор конкретных материалов определяется требованиями эксплуатационных характеристик прибора, в частности спектральным диапазоном, диапазоном рабочих напряжений, возможностями интеграции в те или иные оптоэлектронные устройства, требованиями температурной стабильности. В каждом конкретном случае выбор редкоземельного элемента зависит от выбора полупроводникового материала, при этом учитывается соответствие энергии излучающего внутриатомного перехода в 4f оболочке редкоземельного элемента энергии ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, а также технологические и физические возможности легирования полупроводникового материала редкоземельным элементом. Возможно легирование полупроводникового материала несколькими редкоземельными элементами из приведенной выше группы.
+
+
Для интеграции светоизлучающего прибора в устройства современной микроэлектроники прибор может быть выполнен на подложке кремния, при этом слои 2 и 6 изготавливаются из материала p-Si, слои 3 и 7 - из n-Si, слои 4 и 5 - из n-Si, легированного редкоземельным элементом, выбранным из группы, содержащей Еr, Но, Tb, Eu, Sm, Nd, Pr.
Толщина слоев 4 и 5 определяется условием формирования в них электрического поля с напряженностью Е, достаточной для возбуждения редкоземельного элемента. В общем случае толщина слоев 4 и 5 зависит от выбора редкоземельного элемента, используемого полупроводникового материала и степени легирования и лежит в пределах от 10 до 400 нм. В частном случае при выполнении излучающей зоны в виде двух слоев с толщиной, лежащей в вышеприведенных пределах, обеспечивается повышение мощности не менее чем в 1,8 раза по сравнению с прибором, содержащим излучающую зону в виде одного слоя.
+
+
Толщина дополнительных слоев 6 и 7 зависит от их уровня легирования и определяется условием полной компенсации заряда в формируемом р-nпереходе.
+
18
-3
+
18
-3
16
-3
18
-3
В конкретном варианте исполнения прибора, наиболее востребованном с точки зрения применения в микроэлектронике, подложка 1 выполнена на p-Si с удельным сопротивлением 10 Ом·см, слои 2 и 6 - на p-Si толщиной d=30 нм и уровнем легирования ~4-10 см, слои 3 и 7 - на n-Si толщиной 30 нм и уровнем легирования ~2-10 см, слои 4 и 5 выполнены на n-Si толщиной 50 нм с уровнем легирования ~10 см, концентрация примеси редкоземельного элемента, в частности эрбия, в слоях 4 и 5 составляет ~2·10 см.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик прибора он может быть выполнен, как говорилось выше, на основе других материалов, а его излучающая зона может включать большее количество слоев. В зависимости от типа подложки (р- или n-типа) последовательность слоев в приборе может меняться. Для подложек p-типа последовательность слоев соответствует последовательности, приведенной на фиг.1, а именно: подложка 1 p-типа, слой 2 p-типа, легированный редкоземельным элементом слой 4 n-типа, слой 7 n-типа, слой 6 p-типа, легированный редкоземельным элементом слой 5 n-типа, слой 3 n-типа. При использовании подложки n-типа последовательность слоев выбирается следующим образом: подложка n-типа, слой n-типа, легированный редкоземельным элементом слой n-типа, слой p-типа, слой n-типа, легированный редкоземельным элементом слой n-типа, слой p-типа. В ряде случаев подложки могут быть выполнены сильнолегированными (p- или n-типа проводимости). Для изготовления прибора может быть использована любая технология, позволяющая формировать резкие границы p-n перехода, например метод молекулярной эпитаксии.
Ниже описывается работа варианта исполнения прибора, приведенного на фиг.1.
np
При подаче напряжения на контакты 8 и 9 таким образом, что контакт 9 соединен с отрицательным полюсом источника питания (не приведен), а контакт 8 - с положительным полюсом, вдоль структуры прибора формируется электрическое поле Е, конфигурация которого представлена на фиг.2. В соответствии с вольт-амперной характеристикой (фиг.4б) при достижении пробойного напряжения U происходит инжекция горячих носителей заряда в слои 4 и 5 и возбуждение в них атомов редкоземельных элементов с формированием излучения на длине волны, соответствующей внутриатомному переходу атомов из возбужденного в основное состояние. Последнее выводится через слой 3 на участке, свободном от контакта 8.
+
+
Выполнение излучающей зоны в виде двух слоев, разделенных сильнолегированными слоями 6 и 7, приводит к тому, что на каждом из слоев 4 и 5 происходит падение напряжения и развивается пробой по тому же принципу, что и пробой в приборе с излучающей зоной, представленной одним слоем (фиг.3 и фиг.4а). Наличие слоев 6 и 7 с толщиной, достаточной для компенсации заряда в формируемом p-nпереходе, позволяет исключить влияние процессов, происходящих в одном из слоев 4 или 5, на процессы в другом слое и сформировать практически однородное поле одинаковой напряженности в каждом из этих слоев. Это позволяет реализовать оптимальные условия возбуждения атомов редкоземельных элементов в каждом из слоев 4 и 5, легированных редкоземельными элементами, и тем самым вовлечь их в процесс формирования излучения, что, как следствие, повышает выходную мощность излучения прибора в целом.
np
Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что использование излучающей зоны в виде нескольких слоев, разделенных слоями p-типа и n-типа проводимости, и выполнение активных и дополнительных слоев сильнолегированными приводит к повышению выходной мощности не менее чем в 1,8 раза, причем выходная мощность тем больше, чем больше количество слоев в излучающей зоне. Это иллюстрируется вольт-амперными характеристиками, приведенными на фиг.4. Как видно из приведенных характеристик, с увеличением числа слоев с 2-х до 5-и (кривая «б» и кривая «в» соответственно) происходит увеличение напряжения U пробоя, что свидетельствует о вовлеченности в пробой всех слоев излучающей зоны и, как следствие, вовлеченности их в процесс формирования излучения и повышении выходной мощности прибора в целом.
Исследования показывают, что заявляемый технический результат реализуется в структуре, в которой каждый из слоев излучающей зоны имеет толщину, лежащую в пределах 10-400 нм. Нижний предел указанного диапазона определяется условием формирования потока горячих носителей заряда, а верхний предел определен экспериментально и, возможно, связан с процессами развития микроплазменного пробоя.
Существенным для заявляемого прибора является температурный режим эксплуатации прибора. Прибор работает при комнатной температуре (300 К) и характеризуется высокой стабильностью выходных характеристик (выходная мощность, ширина линии излучения в спектральном диапазоне и др.).
Заявляемый светоизлучающий прибор может иметь другой вывод излучения, например через боковую поверхность излучающей зоны. Выбор той или иной конструкции прибора определяется его назначением, интеграцией в конкретные схемы опто- и микроэлектроники. Заявленный светоизлучающий прибор может быть использован при создании полупроводниковых лазеров и оптических усилителей.
Описанный в заявке прибор, его конструкция, составляющие и характеристики отдельных слоев не исчерпывают изобретательский замысел, который заключается в использовании в приборе излучающей зоны из нескольких слоев, электрическое поле в каждом из которых практически однородно и не влияет на электрическое поле в близлежащем слое, входящем в излучающую зону.