инфракрасный полупроводниковый излучатель

Формула изобретения

ИНФРАКРАСНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ на основе гетероэпитаксиальной структуры с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное поле, параллельное слоям гетероструктуры, причем толщина узкозонного слоя не менее диффузионной длины неосновных носителей заряда, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности и стабильности излучения, расширения круга используемых материалов, на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиальный слой с концентрацией примеси

n₁< N exp ,

где n - концентрация основных носителей в узкозонном слое;

n_i - собственная концентрация носителей в узкозонном слое;

- диэлектрическая проницаемость узкозонного слоя;

n_e^* - эффективная масса электрона в узкозонном слое,

_n , _p - подвижности электронов и дырок в узкозонном слое,

причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия параметров кристаллических решеток материалов гетероструктуры не менее 5%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано в экспериментальной физике и измерительной технике в качестве высокоэффективного многофункционального источника излучения с повышенной стабильностью.

Известен полупроводниковый источник электромагнитного излучения [1], содержащий излучающий р-n-переход и два омических контакта для подачи напряжения. При подаче напряжения на контакты в прямом направлении происходит инжекция носителей из одной области р-n-перехода в другую, где они рекомбинируют с испусканием фотона. Технология изготовления данного источника допускает пленочное (эпитаксиальное) исполнение, позволяющее изготавливать излучающие поверхности сложной формы для создания многоцелевых источников ИК-излучения.

Недостатками данного устройства являются низкая эффективность для среднего и дальнего ИК-диапазона, низкая стабильность.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является полупроводниковый источник электромаг- нитного излучения [2], принцип действия которого основан на магнитоконцентрационном эффекте. Излучатель представляет собой гетероэпитаксиальную структуру, содержащую активный узкозонный слой, широкозонную подложку и переходный варизонный слой. Излучающей является приповерхностная область активного слоя у границы, обращенной к подложке. Изоморфность и изопериодичность материалов активного слоя и подложки, а также встроенное поле, образующееся на границе этих слоев, обеспечивают малую величину S_min - гораздо меньшую, чем могут дать механические и химические методы обработки на открытой поверхности полупроводника. Область с S_max в такой конструкции находится у поверхности активного слоя, граничащей с внешней средой. Для увеличения S_max эту поверхность приходится подвергать дополнительной механической и/или химической обработке.

Недостатком данного устройства является крайняя ограниченность класса материалов, для которых такая конструкция обладает высокой эффективностью. Условию изоморфности и изопериодичности материала гетероструктуры среди узкозонных полупроводников удовлетворяют в основном тройные соединения типа А_IIB_VI: CdТе - подложка, Cd _x Hg_1-xТе - активный слой (CdTe/CdHgТe), МnTe/CdMnТе и др., и А_IVB_VI: PbTe (PbSnTe, BaF₂) PbSnТе и др.

Производство таких полупроводников сложно и дорого, а полученные материалы не могут сравниться по чистоте, совершенству и стабильности параметров с бинарными соединениями.

Наличие в готовой эпитаксиальной структуре открытой поверхности с S_max также снижает стабильность излучателей.

Целью изобретения является повышение эффективности и стабильности излучения, расширение круга используемых материалов за счет создания условий для максимального перераспределения носителей в гетероэпитаксиальной структуре при магнитоконцентрационном эффекте путем обеспечения минимальной скорости поверхности рекомбинации на гомозонном переходе между узкозонным (активным) и автоэпитаксиальным (прозрачным) ему слоями и обеспечения стабильности большой скорости поверхностной рекомбинации на границе активного слоя и неизоморфной ему широкозонной подложки.

Цель достигается тем, что в известном инфракрасном полупроводниковом излучателе на основе гетероэпитаксиальной структуры с омическими контактами к узкозонному слою, помещенной в магнитное поле, параллельное слоям гетероструктуры, на поверхности узкозонного слоя, свободной от омических контактов, дополнительно размещен прозрачный автоэпитаксиальный слой с концентрацией примеси

n_i<N< exp , , причем толщина дополнительного слоя превышает величину Дебаевской длины экранирования, а степень несоответствия кристаллических решеток материалов гетероструктуры - не менее 5%. В математических соотношениях использованы обозначения: n - концентрация основных носителей в активном слое; n_i - cобственная концентрация носителей; m_e* - эффективная масса электрона в активном слое; _n,_p - подвижности электронов и дырок в активном слое; - диэлектрическая проницаемость активного слоя.

На чертеже представлена конструкция излучателя.

Излучатель содержит активный слой 1 из узкозонного полупроводникового материала, автоэпитаксиальный прозрачный слой 2, широкозонную подложку 3, омические контакты 4, просветляющее и/или фокусирующее покрытие 5, отражающий слой 6.

В предложенном устройстве по сравнению с устройством-прототипом излучающая область переносится к грани активного слоя, противоположной подложке. Тем самым, к подложке не предъявляется самое сложное требование - изоморфности к материалу активного слоя. Поскольку у границы активный слой - подложка должна быть область с S_max, то необходимо максимально возможное несоответствие кристаллических решеток этих слоев, при котором еще может происходить эпитаксиальный рост активного слоя.

Величина скорости поверхностной рекомбинации S N_c, где N_c - плотность разрешенных состояний (центров рекомбинации) у границ слоев. В свою очередь, N_ca/а, где а - несоответствие постоянных кристаллических решеток для эпитаксиальных слоев активного слоя и подложки. Для обеспечения эффективности излучателя необходимо отличие S_min и S_max не менее, чем на порядок, т.е. N_cmax > 10 N_{c min}, где N_{c min} (плотность дислокаций на открытой поверхности эпитаксиального слоя) 510⁵ см^-2. Тогда необходимо N_{c max} 5x x 10⁶ см^-2. Расчет N_c в зависимости от а/а дает а/а 5%.

Малая величина S_min достигается в излучающей области формированием на грани активного слоя, противоположной границе с подложкой, дополнительного слоя, который позволяет ввести в структуру встроенное поле. Поскольку теперь излучающая область не граничит с несущей механическую нагрузку подложкой, дополнительный легированный слой может быть выполнен достаточно тонким, чтобы не быть шунтирующим по отношению к активному слою. В качестве дополнительного слоя используется автоэпитаксиальный слой (гомозонный переход), например р⁺ - или n⁺-слои. При этом условие изоморфности выполняется автоматически ( а/а = О), а встроенное поле обеспечивает полевую границу для носителей заряда. Таким образом достигается величина еще меньшая, чем в устройстве-прототипе, за счет меньшего числа остаточных центров рекомбинации. Толщина прозрачного автоэпитаксиального слоя должна быть больше величины Дебаевской длины экранирования для данного слоя. При выполнении этого условия образуется гомозонный переход, в котором существует встроенное поле.

Концентрация примеси в дополнительном слое определяется из условия равенства величины встроенного поля максимальной величине силы Лоренца (выполнение данного условия обеспечивает рекомбинацию носителей на эффективной полевой поверхности с S_min ->>0 при любых используемых электрических и магнитных полях).

Максимальное магнитное поле определяется из условия

H_max= C/, где c - скорость света.

При дальнейшем увеличении Н эффект замагничивания носителей приводит к падению их подвижности и к резкому уменьшению эффектов перераспределения носителей.

Максимальное электрическое поле определяется из условия

Е_max = V_Т/ _n, где V_Т - тепловая скорость носителей заряда.

Дальнейшее увеличение электрического поля не приводит к увеличению дрейфовой скорости носителей в кристалле. Критерием для концентрации примеси в автоэпитаксиальном слое является:

n_i<N< exp

Конкретное значение N, обеспечивающее малую эффективную скорость поверхностной рекомбинации, выбирается для наибольших практически используемых электрического и магнитного полей, при условии, что

F_л = (_n+_p) HE < F_{л max}

Эффективность предлагаемого технического решения определяется степенью перераспределения носителей по сечению активного элемента при магнитоконцентрационном эффекте, которое зависит от различия скоростей поверхностной рекомбинации на излучающей (S_min) и противоположной ей (S_max) поверхностях активного элемента. Эффект максимален при S_min ->>0 и S_max ->>. Малое количество центров рекомбинации на границе узкозонного и автоэпитаксиального ему прозрачного слоя обеспечивает величину S_min еще меньшую, чем в устройстве-прототипе, для всех полупроводниковых материалов.

Обеспечить необходимое значение S_max несложно.

Изобретение позволяет использовать в качестве активного слоя гетероэпитаксиальной излучающей структуры бинарные соединения, которые обладают стабильными электрофизическими характеристиками, а также гораздо более дешевой и простой по сравнению с тройными соединениями технологией изготовления эпитаксиальных структур. То обстоятельство, что обе грани, состояния поверхностей которых (величины S_min и S_max) очень существенны для магнитоконцентрационного эффекта, в предложенном устройстве не находятся в непосредственном контакте с внешней средой, значительно уменьшает деградацию устройства. Снижение требований к механической нагрузке при монтаже излучателя (в данной конструкции защищены обе поверхности активного слоя, а крепление готовой эпитаксиальной структуры производится со стороны механически прочной подложки) обеспечивает увеличение выхода годных структур.

Переход к бинарным соединениям, таким образом, позволяет значительно повысить стабильность излучателей, а также обеспечивает значительное их удешевление как за счет упрощения технологии производства, так и за счет увеличения выхода годных структур. Кроме того, значительно улучшаются экологические условия производства и эксплуатации излучателей.

Конструкция предлагаемого устройства, так же как и устройства-прототипа, допускает формирование просветляющих и фокусирующих слоев, увеличивающих внешний квантовый выход излучения. Эпитаксиальная технология изготовления излучателей позволяет формировать многоэлементные устройства (линейки, матрицы и т.п.) в едином технологическом цикле.

Наличие на широкозонной подложке отражающего слоя позволяет также наблюдать кроме люминесценции и модуляцию теплового излучения полупроводников за краем фундаментального поглощения, т.е. в более длинноволновой части спектра. Для наблюдения модуляции теплового излучения в данной конструкции, так же как и в прототипе, используется нагреватель.

П р и м е р 1. Полупроводниковый излучатель был выполнен в виде гетероэпитаксиальной структуры: широкозонная подложка из полуизолирующего GaAs толщиной 350 мкм, на которой методом термического испарения-конденсации в глубоком вакууме выращен слой InSb и биполярной проводимостью (N_A - N_D 8 10¹⁵ см^-3, n_i = 2 10¹⁶ см^-3) толщиной 10 мкм, являющийся активным слоем излучателя. Несоответствие постоянных кристаллических решеток InSb и Ga As : =14%. При этом, как показали измерения, скорость поверхностной рекомбинации на границе InSb/GaAs Smax порядка 5 10⁵ см/с. Скорость поверхностной рекомбинации на открытой поверхности слоя InSb составляла S_min 3 10⁴ см/с. На свободную поверхность слоя InSb нанесен легированный слой n-InSb толщиной d=0,1 мкм, с N_D-N_A 2 10¹⁷см^-3 (длина экранирования для данного слоя L_э 3,4 10^-4 мкм, наибольший коэффициент междузонного поглощения на = 4 мкм, К 5 10⁴см^-1, коэффициент поглощения InSb на длине волны, соответствующей максимуму спектральной характеристики =7 мкм, К 5 10³ см^-1). Таким образом, условие (L_э< d< 1/K) было выполнено.

Скорость поверхностной рекомбинации на границе слоев InSb/n-InSb составляла не более 5 10³ см/с, что значительно меньше, чем скорость поверхностной рекомбинации на открытой поверхности InSb.

Верхний предел концентрации примеси в легированном слое составляет 2 10¹⁹см^-3. Практически при работе излучателя используются поля, не превышающие Е= 10³ В/см, Н=25 кгс. При этом необходимую величину встроенного поля обеспечивает концентрация примеси 2 10¹⁷ см^-3.

Методом фотолитографии в данной гетероэпитаксиальной структуре формировались линейка и матрица излучателей с площадью светящейся поверхности каждого элемента 0,5 х 0,5 мм². Электрическое поле прикладывалось в виде прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности длительностью 10мкс к каждому из элементов либо при различной их коммутации. Излучатель помещался между полюсами электромагнита таким образом, что направление магнитного поля было параллельно излучающей поверхности. Излучение фокусировалось линзами из ВаF₂ и регистрировалось охлаждаемым фотоприемником Ge(Au). Максимальная мощность отрицательной люминесценции Р_о 210^-3 Вт/см². Мощность положительной люминесценции при Н=3 кгс, Е=100 В/см при наличии легированного слоя составляла порядка 5 Р_о, при его отсутствии 2 Р_о. При формировании на излучающей поверхности элементов просветляющего сферического покрытия из халькогенидного стекла Аs_36,5 Sb_2,0 S_23,0Se_23,0Br_15,5 наблюдалось увеличение мощности излучения еще в 3 раза.

Излучательные характеристики структур практически не изменялись после работы в условиях повышенной влажности и температуры в течение 10³ч.

При нанесении на свободную поверхность широкозонной подложки GaAs отражающего слоя Al наблюдалось увеличение интенсивности излучения при > 7 мкм. Спектральный состав излучения контролировался при помощи фильтров. При помещении полупроводникового излучателя на нагреватель, обеспечивающий температуру 320-350К, и использовании охлаждаемого фотоприемника из СdHgTe, наблюдался сигнал модуляции теплового излучения устройства на длинах волн до 14 мкм, что соответствует области чувствительности приемника.

Инфракрасный полупроводниковый излучатель, изготовленный по предлагаемому конструктивному решению, работает эффективно. По конструктивному же решению устройства-прототипа эффективный излучатель на основе InSb и эпитаксиальной технологии создать нельзя, поскольку для InSb нет изоморфного полупроводникового материала, и реальные величины S_min нельзя получить меньше 10⁵ см/с. При этом магнитоконцентрационный эффект и модулированный поток излучения будут крайне малы.

П р и м е р 2. В качестве подложки, как и в примере 1, использован GaAs. Активный слой по той же технологии выполнен из InAs (N_A-N_D 2 10¹⁶ см^-3, толщина 20 мкм, а/а =7%). На свободную поверхность слоя р -InAs нанесен легированный слой n-InAs (N_D--N_A 4 10¹⁷см^-3) толщиной d = 0,5 мкм. Наибольший коэффициент поглощения InAs в области длин волн 3-5 мкм (область спектра излучения) составляет К=3 10³ см^-1. Длина экранирования в таком материале L_э 6 10^-3 мкм. Таким образом, условие L_э < d < /К было выполнено. Другое условие для N принимает вид n_i<N< exp, поэтому n= 4 10¹⁷см^-3 соответствует ему. Так как для InAs тоже нет изоморфной широкозонной подложки, работа излучателя на InAs в конструкции устройства-прототипа крайне неэффективна.

Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает эффективную работу излучателей из широкого класса используемых материалов.