Излучающая гетероструктура с внутренним усилением инжекции

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к светодиодам и лазерам на основе гетероструктур. В активную область известного типа излучающих p-n-гетероструктур предлагается ввести дополнительный узкозонный слой. Этот слой играет роль поглотителя излучения из более широкозонной области излучательной рекомбинации, в результате чего в этом узкозонном слое возникают неравновесные носители заряда. Параметры узкозоннго слоя таковы, что в результате в нем происходит накопление носителей заряда и последующий термический выброс их в широкозонный слой активной области. Выброшенные носители заново рекомбинируют в широкозонном слое и описанный процесс повторяется заново. Это приводит к заметному увеличению концентрации неосновных носителей как в узкозонном, так и в широкозонном слоях активной области. Увеличение концентрации носителей повышает внешний квантовый выход излучающих приборов на основе такой гетероструктуры. Неравновесные носители, выброшенные из узкозонного слоя, могут приводить к самоохлаждению этого слоя, улучшая тем самым условия для излучательной рекомбинации в нем. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а более конкретно к светодиодам и лазерам на основе многопроходных гетероструктур.

Известна многопроходная p-n-гетероструктура, в которой в активную излучающую область встроен дополнительный узкозонный слой в виде квантовой ямы [1]. За счет эффектов многократного прохождения излучения внутри кристалла гетероструктуры и его переизлучения концентрация носителей в активной области повышается и это приводит к понижению порога лазерной генерации в квантовой яме. Данная структура взята в качестве аналога изобретения. Недостатком такой структуры является то, что она практически перестает работать в режиме многопроходности и переизлучения при наличии поглощающей подложки.

В структуре, описанной в авторском свидетельстве [2] и принимаемой в качестве прототипа, в активную область излучающей структуры, заключенной между двумя широкозонными ограничивающими слоями, встроен дополнительный узкозонный слой с шириной запрещенной зоны по крайней мере на 0.1·kT меньше ширины запрещенной зоны, чем в области излучательной рекомбинации и толщиной его не менее обратной величины коэффициента поглощения излучения из области излучательной рекомбинации. При этом разница ширин запрещенных зон Δ по крайней мере на одном из гетеропереходов между дополнительным слоем и областью излучательной рекомбинации связана с другими параметрами этих областей соотношением:

где d₀, τ₀, Р₀, s₀ - соответственно толщина, время жизни неосновных носителей, концентрация неосновных носителей, скорость поверхностной рекомбинации на гетеропереходах, относящихся к дополнительному узкозонному слою, d, τ, Р, L_эф - толщина области излучательной рекомбинации, время жизни, концентрация основных носителей, эффективная диффузионная длина неосновных носителей соответственно в той части области излучательной рекомбинации, для которой справедливо соотношение (1).

В такой гетероструктуре при инжекции неосновных носителей возникает излучение в активной области. Это излучение из области рекомбинации поглощается в дополнительном узкозонном слое, генерируя в нем электронно-дырочные пары. Концентрация носителей в дополнительном узкозонном слое повышается и высокоэнергетичная часть их вытекает в область излучательной рекомбинации. Затем процесс с вытекшими носителями в области излучательной рекомбинации повторяется. Концентрация неосновных носителей в итоге повышается как в дополнительном узкозонном слое, так и в области излучательной рекомбинации. Это приводит к повышению внешнего квантового выхода из гетероструктуры. Причем это возможно не только в многопроходных гетероструктурах, но и в структурах с неудаленной поглощающей подложкой.

Однако приведенные выше критерии существования такого процесса накопления носителей заряда в p-n-гетероструктуре при более точном расчете, в котором учитывается и самопоглощение излучения в самом дополнительном узкозонном слое, оказываются несколько иными. Во-первых, в выражении (1) поверхностная рекомбинация представлена как излучательный процесс, хотя этот процесс безызлучательный, поэтому s₀τ₀ должно быть удалено. Во-вторых, неучтено самопоглощение излучения в дополнительном узкозонном слое. Учет такого самопоглощения был проведен и получено следующее выражение для тока рекомбинации носителей в такой структуре.

где β₀ и β₁ - внутренние квантовые выходы из дополнительного узкозонного и широкозонного слоев активной области соответственно, ω₀ - доля излучения, которая претерпевает самопоглощение в дополнительном узкозонном слое, ω₁ - доля излучения из широкозонного слоя активной области, которая поглощается в дополнительном узкозонном слое, Δ₁ - разница ширин запрещенных зон между дополнительным узкозонным слоем и одним из широкозонных слоев области излучательной рекомбинации (см. рисунок 1). Следует заметить, что когда d₀ или d₁ больше диффузионной длины неосновных носителей L_эф, то они заменяются на L_0эф или L_1эф Для того чтобы структура работала в режиме накопления носителей заряда в области излучательной рекомбинации и в дополнительном узкозонном слое, необходимо, чтобы I_рек. было больше, чем I_инж.. Из этого условия вытекает требование, чтобы β₁ω₁>0.5. Поскольку β₁ и ω₁, не могут превышать единицу, то очевидно, что β₁ и ω₁ должны быть больше 0.5 и β₁ω₁, должно быть меньше единицы. При переходе к высокому уровню инжекции в активной области β₁ω₁ может быть близко к единице. Второе требование, вытекающее из условия I_рек.>I_инж., состоит в том, что

Здесь β₀, как и β₁ можно считать близким к единице, а ω₀ связано с поглощением собственного излучения и в гетероструктуре с подложкой может доходить до 0.6÷0.7 и всегда меньше, чем поглощение более коротковолнового излучения из широкозонного слоя активной области ω₁, которое в такой же структуре может быть 0.7÷0.9. Поэтому правая часть выражения (3) может быть в пределах 0.3÷1. В гетероструктуре без поглощающей подложки (в многопроходной гетероструктуре) правая часть (3) может быть значительно меньше единицы. Таким образом, требование (3) преобразуется в условие для работы гетероструктуры с внутренним усилением инжекции, которое можно записать в виде $$\frac{d_1}{d_0}\exp \left(-\frac{{\Delta }_1}{kT}\right)>1$$ .

Учтем далее, что величина ω₁ определяется коэффициентом поглощения излучения k₀ и толщиной дополнительного узкозонного слоя d₀ и равна ω₁=1-exp(-k₀d₀). Из условия β₁ω₁>0.5 можем найти нижнюю границу толщины дополнительного узкозонного слоя d₀. Поскольку $${\omega }_1=1-\exp (-k_0{d}_0){>}^{0.5}{/}_{{\beta }_1}$$ получаем $$d_0\ge \frac{1}{k_0}\ln \left(\frac{1}{1-\frac{0.5}{{\beta }_1}}\right)=\frac{1}{k_0}\ln \left(\frac{{\beta }_1}{{\beta }_1-0.5}\right)$$ , где 0.5<β₁<1. Для соединений А₃В₅ k₀>5·10³ см^-1 [3]. При β₁≈1 находим, что d₀≈1.4·10^-4 см. При β₁ω₁ приближающемся к единице, можем найти верхнюю границу толщины дополнительного узкозонного слоя d₀. При β₁ω₁=1-exp(-k₀d₀)→1, получаем ехр(-k₀d₀)→0, т.е. d₀ стремится к бесконечности.

Это означает, что для d₀ существует только ограничение снизу. Однако толщину дополнительного узкозонного слоя d₀ нецелесообразно делать больше эффективной диффузионной длины неосновных носителей.

Следует заметить, что вытекание неосновных носителей заряда из дополнительного узкозонного слоя может быть значительно облегчено, если дополнительный узкозонный слой легировать сильнее, чем область излучательной рекомбинации [4]. Особенно это становится наглядным на примере, когда

где р₀ и р - концентрации носителей, соответствующие легированию дополнительного узкозонного слоя и широкозонного слоя области излучательной рекомбинации соответственно, Δ равно Δ₁, или Δ₂ - разрывы ширин запрещенных зон на левом и правом гетеропереходах у дополнительного узкозонного слоя (см рисунок 1). Энергетическая зонная диаграмма, соответствующая условию (4), представлена на рисунке 2а, где дно зоны проводимости дополнительного узкозонного слоя оказывается выше дна зоны проводимости как в широкозонном слое толщиною d₁, так и в широкозонном слое толщиною d₂, облегчая тем самым вытекание носителей из дополнительного узкозонного слоя. Условие (4) справедливо также и для активной области n-типа проводимости $$kT\cdot \ln \frac{n_0}{n}\ge \Delta$$ , где n₀ и n - концентрации носителей, соответствующие легированию дополнительного узкозонного слоя и широкозонного слоя области излучательной рекомбинации, соответственно. В общем случае формулу можно представить в виде $$\frac{N_0}{N_1}\ge \exp \left(\frac{\Delta }{kT}\right)$$ , где N₀ и N₁ - концентрации носителей, относящиеся к дополнительному узкозонному слою и широкозонному слою области излучательной рекомбинации, соответственно.

Энергетическая зонная диаграмма на рисунке 2а справедлива при низком уровне инжекции. При высоком уровне инжекции она изменится.

Рассмотрим далее, что происходит при высоком уровне инжекции в активную область. При протекании тока через p-n-гетероструктуру концентрации носителей в дополнительном узкозонном слое и в области излучательной рекомбинации на границах с этим слоем связаны, в соответствии с [4], соотношениями:

где р₁, р₂ и р₀ - концентрации основных носителей (пусть это будут дырки) в слоях, толщины которых d₁, d₂, d₀ соответственно. Справедливость сохранения квазиуровня Ферми между дополнительным узкозонным слоем и правой частью области излучательной рекомбинации (внешняя инжекция неосновных носителей в виде потока I_инж. осуществляется, как видно из рисунка 1, в левую часть области излучательной рекомбинации) не вызывает сомнения, поскольку инжекция неосновных носителей в правую часть этой области осуществляется только за счет вытекания этих носителей из дополнительного узкозонного слоя. Для дальнейших расчетов воспользуемся приведенными соотношениями для n(d₁), n(d₁+d₀) и n₀, где n₀, n₁ и n₂ - концентрации инжектированных неосновных носителей (электронов) в дополнительном узкозонном слое d₀ в широкозонных слоях с толщинами d₁ и d₂ соответственно, n₁=n(d₁) - концентрация носителей в точке d₁-l_D, n₂=n(d₂) - концентрация носителей в точке d₁+d₀+l_D, где l_D - толщина гетеробарьеров слева и справа от дополнительного узкозонного слоя d₀, равная длине Дебая. Для случая низкого уровня инжекции, который мы уже частично рассмотрели, когда n₀<<р₀, n₁<<р₁ и n₂<<р₂, получаем $$n(d_1)\cong \frac{n_0}{p_1}\exp \left(-\frac{{\Delta }_1}{kT}\right)$$ , $$n(d_2)\cong \frac{n_0}{p_2}\exp \left(-\frac{{\Delta }_2}{kT}\right)$$ . При этом, если структура легирована так, что $$\frac{p_0}{p_1}>\exp \left(\frac{{\Delta }_1}{kT}\right)$$ и $$\frac{p_0}{p_2}>\exp \left(\frac{{\Delta }_2}{kT}\right)$$ , то дно зоны проводимости дополнительного узкозонного слоя окажется выше дна зоны проводимости как в широкозонном слое толщиною d₁, так и в широкозонном слое толщиною d₂, как уже было упомянуто выше. Это, фактически, позволяет скатываться неосновным носителям из дополнительного узкозонного слоя d₀ в широкозонные слои толщиною d₁ и d₂ без препятствий, поскольку барьеры вокруг дополнительного узкозонного слоя d₀ невысокие (20-60 мэВ) и тонкие (l_D) [4], и они могут, в большей части, преодолеваться с помощью туннелирования. Следует заметить, что высота этих барьеров равна не Δ₁ и Δ₂, а Δ_С1 и Δ_С2 - разрывы зоны проводимости, соответственно, на левом и правом гетеропереходах, ограничивающих дополнительный узкозонный слой. Это соответствует рисунку 2а. Для высокого уровня инжекции, когда n₀>>р₀, n₁>>р₁, n₂>>р₂ из решения уравнений (5) получаем, что

Это означает, что для выброса неосновных носителей из дополнительного узкозонного слоя d₀ в широкозонные слои толщиною d₁ и d₂ существуют барьеры высотой $$\frac{{\Delta }_1}{2}$$ и $$\frac{{\Delta }_2}{2}$$ . При высоком уровне инжекции потенциальные барьеры высотой $$\frac{{\Delta }_1}{2}$$ и $$\frac{{\Delta }_2}{2}$$ по обе стороны от дополнительного узкозонного слоя d₀ тонкие и не высокие (не более 20-60 мэВ) [4]. Поэтому они также преодолеваются целиком с помощью туннелирования. Это соответствует рисунку 2б. Следует заметить, что при высоком уровне инжекции в широкозонные слои толщиною d₁ и d₂ и при любых соотношениях $$\frac{p_0}{p_1}$$ и $$\frac{p_0}{p_2}$$ , глубины потенциальных ям всегда будут равны половине Δ₁ и Δ₂. Однако гетеробарьеры в зоне проводимости активной области вокруг дополнительного узкозонного слоя d₀ в широкозонных слоях толщиною d₁ и d₂ будут равны $${\Delta }_{C1}-\frac{{\Delta }_1}{2}<\frac{{\Delta }_1}{2}$$ и $${\Delta }_{C2}-\frac{{\Delta }_2}{2}<\frac{{\Delta }_2}{2}$$ .

Если активная область гетероструктур, представленных на рисунках 2а и 2б, имеет не р-тип проводимости, а n-тип проводимости, то при низком уровне инжекции гетеро-барьеры вокруг дополнительного узкозонного слоя d₀ окажутся еще ниже, чем в случае р-типа проводимости и будут равны Δ_Vl и Δ_V2. Например, в случае GaAlAs Δ_V1 и Δ_V2 составляют примерно 35% от Δ₁ и Δ₂ [5]. При высоком уровне инжекции потенциальная яма, образованная дополнительным узкозонным слоем n-типа проводимости с высотой границ $$\frac{{\Delta }_1}{2}$$ и $$\frac{{\Delta }_2}{2}$$ окажется вообще без потенциальных барьеров в широкозонных слоях толщиной d₁ и d₂. Отсюда следует, что в p-n-гетероструктурах с внутренним усилением инжекции активная область n-типа проводимости предпочтительнее для вытекания неравновесных носителей заряда из дополнительного узкозонного слоя в широкозонные слои активной области, чем активная область р-типа проводимости. Структуры с n-активной областью имеют еще и то преимущество, что глубина залегания в запрещенной зоне примесных уровней, например в материалах А₃В₅, имеет всего несколько миллиэлектронвольт, в то время как глубина залегания примесных уровней в материале р-типа проводимости доходит до 40 миллиэлектронвольт. Меньший уровень залегания примесных уровней в запрещенной зоне позволяет снизить высоту гетеробарьера между дополнительным узкозонным слоем и широкозонными слоями активной области. Однако преимущества активной области р-типа с глубоким уровнем залегания примеси может оказаться предпочтительнее, когда необходимо получить самоохлаждение дополнительного узкозонного слоя. Это самоохлаждение обусловлено тем, что при рекомбинации носителей через глубокий примесный уровень в широкозонных слоях активной области, кванты излучения получаются с меньшей энергией и при поглощении их в дополнительном узкозонном слое возбуждают электронно-дырочные пары с энергией меньшей, например, на 40 мэВ, чем ширина запрещенной зоны широкозонных слоев активной области. Эти 40 мэВ идут на нагрев этих слоев. Тем не менее, неосновные носители с наиболее высокой энергией выбрасываются (вытекают) из дополнительного узкозонного слоя в широкозонные слои активной области. Дефицит энергии в 40 мэВ на каждый выброшенный носитель берется у кристаллической решетки дополнительного узкозонного слоя, приводя к его охлаждению. Это аналогично охлаждению эмиттера в p-n-переходе при инжекции горячих носителей в базу диода [6]. Такое самоохлаждение может привести к улучшению параметров, например, лазера, излучение которого возникает в дополнительном узкозонном слое. Явление самоохлаждения новое для излучающих гетероструктур и оно свойственно только гетероструктурам с внутренним усилением инжекции.

Для улучшения работы лазера в рассмотренных выше гетероструктурах можно между широкозонными слоями встроить квантовую яму (квантовые ямы) толщиной 20÷500 Å. Целесообразнее эти квантовые ямы располагать в дополнительном узкозонном слое, а еще лучше для улучшения волноводных свойств и снижения порога лазерной генерации сделать гетероструктуру симметричной, то есть дополнительный узкозонный слой расположить в середине широкозонного слоя, а квантовую яму (ямы) в середине дополнительного узкозонного слоя. Для удержания носителей заряда в потенциальной яме, образованной дополнительным узкозонным слоем, необходима ее глубина не менее 0.1·kT. Так как полупроводниковые источники излучения могут работать в диапазоне температур от нескольких десятков градусов Кельвина до 300-400 К, для эффективного удержания носителей в них достаточно глубины ямы 300 мэВ.

Предлагаемые p-n-гетероструктуры могут быть и были изготовлены на основе соединений А₃В₅ (в нашем случае на основе GaAlAs). Исследование их показало возможность увеличения внешних квантовых выходов даже из плоских немногопроходных диодов (с неудаленной GaAs подложкой) до 5÷7% (см. [4]). Теоретический расчет показывает возможность увеличения внешних квантовых выходов таких диодов до 8-10%. В многопроходных гетероструктурах с внутренним усилением инжекции улучшение квантовых выходов оказывается еще больше.

Источники информации

1. Бекирев У.А. Полупроводниковый инжекционный лазер. Патент на изобретение №2301486 от 20 июня 2007 г.

2. Бекирев У.А., Инкин В.Н., Степанищева Г.В. Излучательная многопроходная гетероструктура. Авторское свидетельство №SU 1111645 А1, опубликована 20.07.2012 Бюллетень №20.

3. Арсенид галлия, получение и свойства. Наука. Москва, 1973, с. 98.

4. Бекирев У.А., Крюков В.Л., Купченко Л.Л., Потапов Б.Г., Скипер А.В., Стрельченко С.С. Гетероструктуры с внутренним усилением инжекции. "Естественные и технические науки" №4, с. 67-82, 2012.

5. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. Мир, 1989, с. 16.

6. В.И. Стафеев "Термоэлектрические и другие явления в структурах с неравновесными носителями заряда и наночастицами. " ФТП, т. 43, вып. 10, с. 1321-1328, 2009.

1. Излучающая гетероструктура, включающая область излучательной рекомбинации с постоянной или изменяющейся шириной запрещенной зоны, а также дополнительный узкозонный слой, расположенные между широкозонными слоями, причем ширина запрещенной зоны дополнительного узкозонного слоя по крайней мере на 0.1·kT меньше, чем ширина запрещенной зоны в области излучательной рекомбинации, отличающаяся тем, что разница ширин запрещенных зон Δ, по крайней мере на одном из гетеропереходов между дополнительным узкозонным слоем и областью излучательной рекомбинации Δ₁, связана с другими параметрами этих областей соотношением
,
где d₀ и d₁ - толщины слоев, относящихся к дополнительному узкозонному слою и области излучательной рекомбинации соответственно; а также толщина дополнительного узкозонного слоя d₀ определяется соотношением, , 0.5<β₁<1, где k₀ - коэффициент поглощения излучения, возникающего в широкозонном слое активной области, в дополнительном узкозонном слое, β₁ - внутренний квантовый выход в широкозонном слое.

2. Гетероструктура по п. 1, отличающаяся тем, что легирование дополнительного узкозонного слоя выше, чем легирование широкозонного слоя области излучательной рекомбинации.

3. Гетероструктура по п. 1, отличающаяся тем, что легирование дополнительного узкозонного слоя и широкозонного слоя области излучательной рекомбинации обеспечивает соотношение концентраций основных носителей в них , где N₀ и N₁ - концентрации носителей, относящиеся к дополнительному узкозонному слою и широкозонному слою области излучательной рекомбинации соответственно.

4. Гетероструктура по п. 1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что между широкозонными слоями расположен один или несколько тонких узкозонных слоев толщиной 20÷500 Å (квантовые ямы) с шириной запрещенной зоны на 0.1·kT - 300 мэВ меньшей, чем в дополнительном узкозонном слое.

5. Гетероструктура по п. 4, отличающаяся тем, что квантовая яма (ямы) расположена внутри дополнительного узкозонного слоя.

6. Гетероструктура по п. 5, отличающаяся тем, что дополнительный узкозонный слой расположен в середине широкозонного слоя, а квантовая яма (ямы) расположена в середине дополнительного узкозонного слоя.