Полупроводниковый излучатель ик-диапазона



Полупроводниковый излучатель ик-диапазона
Полупроводниковый излучатель ик-диапазона
Полупроводниковый излучатель ик-диапазона
Полупроводниковый излучатель ик-диапазона

 

H01L33/30 - Полупроводниковые приборы по меньшей мере с одним потенциальным барьером или с поверхностным барьером, предназначенные для светового излучения, например инфракрасного; специальные способы или устройства для изготовления или обработки таких приборов или их частей; конструктивные элементы таких приборов (соединение световодов с оптоэлектронными элементами G02B 6/42; полупроводниковые лазеры H01S 5/00; электролюминесцентные источники H05B 33/00)

Владельцы патента RU 2596773:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) (RU)

Изобретение относится к полупроводниковым источникам электромагнитного излучения, в частности к импульсным излучателям ИК-диапазона, и предназначено для использования в оптоэлектронных системах различного назначения. В S-диоде, содержащем π-ν-n структуру на основе арсенида галлия, компенсированного примесью железа или хрома, и металлические контакты к внешним π- и n-областям между выходным металлическим контактом и n-областью сформирован дополнительный высоколегированный слой p-типа проводимости с концентрацией дырок, превышающей концентрацию электронов базовой n-области. Благодаря введению большой концентрации мелких акцепторных центров при формировании р-слоя, являющихся центрами излучательной рекомбинации, в образовавшейся π-ν-n-p структуре формируются навстречу включенные π-ν и n-p переходы; при этом при рабочей полярности напряжения смещения n-p переход включается в прямом направлении, обеспечивая высокоэффективное преобразование протекающего в структуре электрического тока в световое излучение. Изобретение обеспечивает увеличение внутреннего квантового выхода и мощности излучения устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковым источникам электромагнитного излучения, в частности к импульсным излучателям ИК-диапазона, и предназначено для использования в оптоэлектронных системах различного назначения, в которых синхронно с электрическим импульсом формируется и используется импульс излучения ИК-диапазона.

Известны аналоги заявленного изобретения [1-6], в которых используются лавинные S-диоды, имеющие π-ν-n структуру, для формирования светового импульса ИК-диапазона.

В [7-10] сообщается, что при переключении в проводящее состояние лавинный S-диод испускает импульсы электромагнитного излучения в спектральном диапазоне (0,9-1,2) мкм с максимумом, соответствующим λ=0,93 мкм. Излучение связывают с рекомбинацией электронно-дырочных пар через энергетический зазор зона проводимости - мелкие донорно-акцепторные центры.

Недостатком известных устройств является низкое значение внутреннего квантового выхода ~10-4, которое связано с тем, что основная часть рекомбинационного потока электронов и дырок, образованных при лавинном пробое π-ν перехода, являющегося основой работы S-диода, идет безизлучательно через глубокие примесные центры железа либо хрома. Глубокие центры Fe, Cr формируют π-ν-n структуру и расположены вблизи середины ширины запрещенной зоны арсенида галлия.

Наиболее близким техническим решением является S-диод планарной конструкции [11]. Конструкция планарного S-диода включает π-ν-n структуру на основе арсенида галлия, компенсированного примесью железа либо хрома, и металлические контакты к ней. При переключении в проводящее состояние синхронно с электрическим импульсом S-диод, имеющий π-ν-n структуру, формирует импульс ИК-излучения со спектральным максимумом ~0,93 мкм, мощностью в импульсе ≅0,2 мВт. Наличие электрического импульса, способного синхронизировать импульс формируемого ИК-излучения, открывает широкие перспективы использования устройства в импульсной системной технике различного назначения. Однако область применения известного ИК-излучателя ограничена из-за низких значений мощности излучения. Оценки показывают, с учетом того, что внешний квантовый выход составляет 1% от внутреннего квантового выхода, коэффициент преобразования электрической энергии в световую (внутренний квантовый выход) составляет ничтожно малую величину ~10-4.

Чрезвычайно важной технической задачей является увеличение внутреннего квантового выхода, что обеспечит широкое применение ИК-излучателя в современной импульсной технике.

Задача решается тем, что в S-диоде, содержащем π-ν-n структуру на основе арсенида галлия, компенсированного примесью железа или хрома, и металлические контакты к внешним π- и n-областям между выходным металлическим контактом и n-областью сформирован дополнительный высоколегированный слой p-типа проводимости с концентрацией дырок, превышающей концентрацию электронов базовой n-области.

На фиг.1 дано схематическое изображение π-ν-n-p структуры предложенного устройства (а) и ее энергетическая диаграмма. Диаграмма получена при подаче напряжения смещения (б) с полярностью, как показано на (а).

На фиг.2 показано схематическое изображение вольтамперной характеристики π-ν-n-p структуры устройства: 1-участок U<Uп с высоким (более 1 ГОм) сопротивлением π-ν перехода; 2- участок U>Uп отрицательного дифференциального сопротивления; 3-участок проводящего (менее 10 Ом) состояния π-ν перехода, на котором π-ν-n-p структура формирует импульс ИК-излучения.

На фиг.3 показана схема включения устройства, имеющего π-ν-n-p структуру, позволяющая сформировать импульс ИК-излучения и синхронизирующий его импульс тока на сопротивлении нагрузки Rн

Благодаря введению большой концентрации мелких акцепторных центров (формирование р-слоя), являющихся центрами излучательной рекомбинации, в образовавшейся π-ν-n-p структуре (фиг. 1) формируются навстречу включенные π-ν и n-p переходы; при этом при рабочей полярности напряжения смещения n-p переход включается в прямом направлении, обеспечивая высокоэффективное преобразование протекающего в структуре электрического тока в световое излучение.

В устройстве по изобретению устранены недостатки прототипа, связанные со спонтанной рекомбинацией через некоррелированное распределение мелких центров неравновесных электронно-дырочных пар, образованных вследствие лавинного пробоя π-ν перехода. В предложенной конструкции π-ν-n-p структуры достигается пространственное разделение областей формирования неравновесных носителей и области излучательной рекомбинации. Управляемая локализация рекомбинационного потока обуславливает высокоэффективное преобразование лавинного тока в световое излучение более высокой интенсивности. Поскольку сопротивление обратно-смещенного π-ν перехода (Rπ-ν ≥ 1 ГОм) значительно превышает сопротивление p-n перехода, включенного в прямом направлении (Rp-n), то почти все приложенное напряжение смещения падает в области объемного заряда (ООЗ) π-ν перехода. При U<Uп, где Uп - напряжение переключения π-ν перехода в проводящее состояние (фиг. 2), сила тока, протекающего в структуре, ограничивается генерацией носителей в ООЗ π-ν перехода и составляет ≅10-9 А, падение напряжения на прямо-смещенном p-n переходе не превышает ≅(0,1-0,2) В, в структуре протекает преимущественно диффузионный ток и излучательная рекомбинация отсутствует. При U>Uп в структуре развивается лавинный пробой π-ν перехода и переключение S-диода в проводящее состояние (вольт-амперная характеристика приведена на фиг. 2). При этом остаточное сопротивление π-ν перехода составляет менее 10 Ом, и сила тока в структуре резко возрастает до Im≅(1-2) А (определяется величинами напряжения смещения и нагрузочного сопротивления). Резкое падение сопротивления π-ν перехода вызывает перераспределение приложенного напряжения в структуре излучающего устройства между теперь уже сравнимыми по величине сопротивлениями π-ν и p-n переходов. По существу, переключение π-ν перехода в проводящее состояние предложенной π-ν-n-p структуры срабатывает в качестве спускового механизма внутренней накачки структуры неравновесными электронно-дырочными парами. Это стимулирует в цепи прямо смещенного p-n перехода формирование импульса рекомбинационного тока; процессы рекомбинации через мелкие центры протекают преимущественно с излучением ИК-диапазона. Конструктивно n-область имеет толщину, не превышающую нескольких диффузионных длин электронов, поэтому из ООЗ π-ν перехода под действием сильного электрического поля носители заряда дрейфуют с предельной скоростью ~107 см/с в ООЗ излучающего p-n перехода. Эти два процесса, дрейф свободных носителей заряда и перераспределение напряженности электрического поля идут одновременно и самосогласованно. В этом случае образование неравновесных электронно-дырочных пар определяется в основном дрейфом, что обеспечивает более крутые фронты излучаемого импульса в сравнении с прототипом и известными промышленными светодиодами. Квантовая эффективность рекомбинационного потока через мелкие центры вблизи n-области, примыкающей к ООЗ n-p перехода, на много порядков превышает квантовую эффективность рекомбинации вблизи π-ν перехода, где высокая концентрация глубоких компенсирующих центров стимулирует подавление излучательной рекомбинации. Экспериментально установлено, что в π-ν-n-p структуре мощность излучения возрастает более чем на два порядка в сравнении с прототипом и достигает 30 мВт в импульсе. Световой импульс формируется синхронно с электрическим импульсом тока. Для формирования импульсов света можно использовать напряжение смещения любой формы амплитудой U>Uп.

Устройство включается по схеме, приведенной на фиг. 3, и работает следующим образом. На устройство, имеющее π-ν-n-p структуру подается напряжение смещения, превышающее значение напряжения переключения π-ν перехода, U>Uп. Емкость Со в цепи питания устройства заряжается за время τз=Ro·Co до U≥Uп, при котором S-диод (π-ν переход) переключается в проводящее состояние, формируя на сопротивлении нагрузки Rн импульс прямоугольного электрического тока, длительность которого определяется временем разряда емкости τр=Rн·Co на сопротивлении нагрузки, и составляла в нашем эксперименте ~13 нс. Синхронно с прямоугольным импульсом тока формируется импульс ИК-излучения мощностью ≥ 30 мВт.

Для определения мощности излучения π-ν-n-p структуры устройство помещалось в интегрирующую сферу. Экспериментально определено, что π-ν-n-p структура испускает импульсы электромагнитного излучения в спектральном диапазоне (0,9-1,2) мкм с максимумом, соответствующим λ=0,93 мкм, что подтверждает: излучение связано с рекомбинацией зона-мелкий акцепторный центр. При этом длительность светового импульса на уровне 0,1 амплитуды на (10-12) нс всегда превышает длительность электрического импульса. Длительность этого "послесвечения" связана, видимо, с временем жизни неравновесных носителей заряда. Фронт импульса излучения π-ν-n-p структуры не более 0,7 нс и близок к длительности переднего фронта электрического импульса длительностью ~0,5 нс. Для оценки мощности светового импульса проводилась калибровка ФЭУ по эталонной лампе. Использованный нами ФЭУ-28 имел интегральную чувствительность анода при 1200 нм ≅1 А/лм, а фотокатода Sфк=32 мкА/лм. Спектральная чувствительность на длине волны λ=0,93 мкм составляла Sλ=1,8 мА/Вт (калибровка проводилась по GaAs светодиоду). В схеме фотоприемника на сопротивлении нагрузки Rн=25 Ом наблюдается импульс амплитудой ≅40 Вт и длительностью ≅25 нс. Электрический импульс на сопротивлении нагрузки 50 Ом имеет амплитуду ≅150 В при длительности ≅13 нс. Учитывая, что коэффициент формы электрического и оптического импульсов составляет 0,4 и 0,5, соответственно, нетрудно рассчитать энергию и мощность светового и электрического импульсов. Энергия светового импульса составляет ~3,5·10-10 Дж, электрического ~2,2·10-6 Дж, что соответствует мощности светового импульса при переключении ~14 мВт, а коэффициент преобразования электрической энергии в ИК-излучение ≅2·10-4. Учтем, что внешний квантовый выход S-диода η=η′·ηо, где ηо - внутренний квантовый выход, η′ - коэффициент вывода излучения. Для излучателей планарной конструкции η′ ≤ 1% [2], следовательно, по отношению к внутреннему квантовому выходу коэффициент преобразования электрической энергии в световую составляет ~0,02, что совпадает с расчетными данными излучательной рекомбинации p-n перехода. Реальная плотность тока, протекающего через π-ν переход в проводящем состоянии, составляет jm=(103÷104) А/см2. Это соответствует концентрации неравновесных носителей заряда (5·1014 ÷ 5·1015) см-3. С учетом коэффициента преобразования, равного ~0,02, концентрация неравновесных носителей, рекомбинирующих излучательно, составляет 1013 ÷ 1014 см-3. Следовательно, основная часть рекомбинационного потока идет излучательно через мелкие центры.

Таким образом, доказано, что поставленная цель достигается в предложенном устройстве. Конструкция устройства обладает новизной и позволяет достигнуть мощность излучения в импульсе ≥30 мВт, что более чем на два порядка превышает значения, достигаемые в прототипе.

Техническим результатом изобретения является увеличение внутреннего квантового выхода и мощности излучения устройства.

Источники информации

1. Роджер А. Арсенид-галлиевый ключ, коммутирующий сигналы мощностью 8,5 МВт за несколько наносекунд. //"Обзоры электронной техники. Сер. Электроника".-1990.-№26.-с.8-9.

2. Берг А., Дин П. /Светодиоды. - М.: ”Мир”.-1979,- 686 с.

3. М.Шур. /Современные приборы на основе арсенида галлия. М.: "Мир".-1991.-632 с.

4. Auston D.H. Picosecond optoelectronic switching and gating in silicon. //Appl.Phys.Lett.-1975.-v.26,N1-p.101-107.

5. Picosecond Optoelectronic Devices //ed C.H.Lee, Academic Press.-Ornando, 1984, 234 c.

6. Вавилов В.С., Эфимиу П.К., Зардас Дж.Е. Долговременная релаксация неравновесной проводимости в полупроводниковых соединениях А3 В5. //УФН.-1999.-т.169,№2.-с.209-212.

7. Карауш А.С., Лукьянов С.П., Потемин Р.В., Толбанов О.П. Генератор импульсов наносекундной длительности на лавинных диодах. //Электронная промышленность.-1998.-№1-2.-с.93-95.

8. Толбанов О.П. "Арсенид галлия, компенсированный примесями с глубокими уровнями (электронные свойства, структуры, применение)". Докт. Дисс. - Томск - 1999. - 324 с.

9. Приходько Г.Л. Разработка и исследование быстродействующих S-диодов на основе компенсированного GaAs. //Канд. дисс. - Томск.-1979.-226 с.

10. Вилисов А.А., Гаман В.И., Диамант В.М., Фукс Г.М. Фотоэлектрические характеристики p-π-ν-n структур на основе GaAs(Fe). //ФТП.-1980.-т.14,№4.-с.625-628.

11. Прудаев И.А., Хлудков С.С., Скакунов М.С., Толбанов О.П.//ПТЭ. 2010. №4. С. 68.

Полупроводниковый излучатель ИК-диапазона, включающий S-диод, имеющий π-ν-n структуру на основе арсенида галлия, компенсированного примесью железа или хрома, и металлические контакты к внешним π- и n-областям, отличающийся тем, что между n-областью и металлическим контактом сформирован дополнительный высоколегированный слой p-типа проводимости с концентрацией дырок, превышающей концентрацию электронов базовой n-области.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом является повышение эффективности выделения света при помощи модуля схемы источника света, а также осветитель и дисплей, которые включают в себя такой модуль.

Изобретения включают полупроводниковое светоизлучающее устройство, способное излучать свет, имеющий первую пиковую длину волны, и полупроводниковый элемент, преобразующий длину волны, способный поглощать первый свет и излучать второй свет, имеющий вторую пиковую длину волны.

Изобретение относится к осветительному устройству, содержащему преобразователь света. Осветительное устройство (1) включает (a) источник (100) света для получения света (110) источника света и (b) прозрачное преобразовательное устройство (200) для преобразования по меньшей мере части света (110) источника света.

Предложены блок схем источника света, устройство подсветки и дисплей, которые способны отводить свет, излучаемый с задней поверхности микросхемы светоизлучающего элемента, к передней поверхности, препятствуя снижению светоотражающей способности и обеспечивая снижение стоимости производства, а также простоту конструкции.

Изобретение относится к новым люминесцентным материалам для светоизлучающих устройств. Предлагается материал формулы (Ba1-x-y-zSrxCayEuz)2Si5-a-bAlaN8-a-4bOa+4b, где 0,3≤х≤0,9, 0,01≤у≤0,04, 0,005≤z≤0,04, 0≤а≤0,2, 0≤b≤0,2 и средний размер частиц d50≥6 мкм.

Изобретение относится к оптоэлектронике. Согласно изобретению поверхности в структуре светоизлучающего прибора, на которой выращивают слой с ослабленными механическими напряжениями, придают такую форму, чтобы обеспечить возможность разрастания слоя с ослабленными механическими напряжениями в горизонтальном направлении и чтобы в нем могла происходить, по меньшей мере, частичная релаксация механических напряжений.

Изобретение относится к осветительному устройству для генерации света. Генератор первичного света генерирует свет (6), который преобразуется светопреобразующим материалом (8) во вторичный свет (3), причем первичный свет направляется на первичную поверхность (9) светопреобразующего материала.

Предложен излучающий ультрафиолетовое излучение прибор, обладающий высоким качеством и высокой надежностью за счет предотвращения ухудшения электрических характеристик, которое связано с операцией генерации ультрафиолетового излучения и вызвано герметизирующей смолой.

Устройство вывода света содержит матрицу электрически взаимно соединенных светоизлучающих диодов, слой подложки, в котором или на котором расположена матрица светоизлучающих диодов, адгезионный слой, имеющий участки над светоизлучающими диодами, причем участки адгезионного слоя имеют свойство фотоактивируемой электропроводности, и электрически заряженные рассеивающие частицы (22), приклеенные электростатическим притяжением к участкам адгезионного слоя, тем самым формируя области рассеяния, которые самосовмещены со светоизлучающими диодами.

Изобретение относится к области светотехники. Техническим результатом являются создание освещения под углом более 180° и обеспечение непосредственного эффективного рассеяния тепла со всех сторон светодиода.

Структура (10) светоизлучающих диодов (СИДов) имеет полупроводниковые слои, включающие в себя слой p-типа, активный слой и слой n-типа. Слой p-типа имеет нижнюю поверхность, а слой n-типа имеет верхнюю поверхность, через которую излучается свет. Участки слоя p-типа и активного слоя стравливают, открывая слой n-типа. На поверхности СИДа формируют рисунок с помощью фоторезиста и на открытых поверхностях осаждают медь, формируя p- и n-электроды, находящиеся в электрическом контакте с соответствующими им полупроводниковыми слоями. Между p- и n-электродами имеется зазор. Для обеспечения механической поддержки полупроводниковых слоев в пределах зазора в зазоре формируют диэлектрический слой (34) с последующим заполнением зазора металлом (42). В металле формируют рисунок, чтобы сформировать столбиковые выводы (40, 42, 44), которые, по существу, покрывают нижнюю поверхность кристалла СИДа, но не замыкают электроды накоротко. По существу, равномерное покрытие поддерживает полупроводниковый слой во время последующих этапов обработки. Изобретение обеспечивает стойкую к механическим воздействиям опорную структуру и повышенное термическое сопротивление. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к способу обеспечения отражающего покрытия (114) для подложки (104) для светоизлучающего устройства (112), предусматривающему стадии: обеспечения (201) подложки (104), имеющей первую часть поверхности (116) с первым материалом поверхности и вторую часть поверхности (106, 108) со вторым материалом поверхности, отличающимся от первого материала поверхности; нанесения (202) отражающего соединения, выполненного с возможностью присоединения к указанному первому материалу поверхности с образованием связи с этой подложкой (104) в первой части поверхности (116), которая является более сильной, чем связь между отражающим покрытием и подложкой (104) во второй части поверхности (106, 108); отверждения указанного отражающего соединения с образованием отражающего покрытия (114), имеющего связь между отражающим покрытием (114) и подложкой (104) в первой части поверхности (116); и подвергания указанной подложки (104) механической обработке с такой интенсивностью, чтобы удалить указанное отражающее покрытие (114) из указанной второй части поверхности (106, 108), в то время как указанное отражающее покрытие (114) остается на указанной первой части поверхности (116). Технический результат - упрощение процесса нанесения отражающего покрытия. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ изготовления светоизлучающих устройств содержит этапы, на которых обеспечивают выводную рамку, которая включает в себя по меньшей мере один несущий элемент, причем несущий элемент является токопроводящим и разделен для образования множества различимых токопроводящих областей, размещают по меньшей мере один кристалл СИД на несущем элементе, прикрепляют кристалл СИД к каждой из токопроводящих областей и отделяют несущий элемент от выводной рамки для обеспечения СИД устройства с каждой из токопроводящих областей, электрически изолированных друг от друга, причем токопроводящие области прикреплены к кристаллу СИД и не прикреплены друг к другу после отделения несущего элемента от выводной рамки. Изобретение обеспечивает создание более дешевого светоизлучающего изделия с потенциально более высокой надежностью и/или более долгим сроком службы, а также экономичный способ изготовления светоизлучающего изделия. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх